AR-Shipdesign/arshipdesign/core/offsets.py

"""
OffsetsTable — tabla de offsets naval clásica.

Estructura: filas = estaciones (x), columnas = líneas de agua (z).
Valores: semi-manga y(x, z) en metros.

Autor: Álvaro Romero
Sprint 1 — AR-ShipDesign
"""
from __future__ import annotations

from dataclasses import dataclass, field
from typing import Optional

import numpy as np

from arshipdesign.core.section import Section


@dataclass
class OffsetsTable:
    """Tabla de offsets del casco.

    Atributos
    ---------
    x_stations : np.ndarray, shape (n_sta,)
        Posiciones longitudinales [m] de cada estación, creciente.
    z_waterlines : np.ndarray, shape (n_wl,)
        Alturas de líneas de agua [m] desde la quilla, creciente.
    data : np.ndarray, shape (n_sta, n_wl)
        Semi-mangas y[i, j] en metros.
        y[i, j] = semi-manga en la estación x_stations[i], línea z_waterlines[j].
    station_labels : list[str]
        Etiquetas opcionales para las estaciones.
    lpp : float
        Eslora entre perpendiculares [m].
    beam : float
        Manga máxima [m].
    draft : float
        Calado de diseño [m].
    """

    x_stations: np.ndarray
    z_waterlines: np.ndarray
    data: np.ndarray
    station_labels: list[str] = field(default_factory=list)
    lpp: float = 0.0
    beam: float = 0.0
    draft: float = 0.0

    def __post_init__(self) -> None:
        self.x_stations = np.asarray(self.x_stations, dtype=float)
        self.z_waterlines = np.asarray(self.z_waterlines, dtype=float)
        self.data = np.asarray(self.data, dtype=float)

        n_sta = len(self.x_stations)
        n_wl = len(self.z_waterlines)
        if self.data.shape != (n_sta, n_wl):
            raise ValueError(
                f"data.shape {self.data.shape} ≠ ({n_sta}, {n_wl})"
            )
        if not self.station_labels:
            self.station_labels = [str(i) for i in range(n_sta)]

    # ------------------------------------------------------------------
    # Fábrica: casco Wigley analítico
    # ------------------------------------------------------------------

    @classmethod
    def from_wigley(
        cls,
        lpp: float = 10.0,
        beam: float = 1.5,
        draft: float = 0.75,
        n_stations: int = 21,
        n_waterlines: int = 11,
    ) -> "OffsetsTable":
        """Genera tabla de offsets para el casco Wigley matemático.

        Fórmula analítica:
            y(x, z) = (B/2) · [1 − (2ξ/L)²] · [1 − (ζ/T)²]

        donde ξ ∈ [−L/2, L/2] y ζ ∈ [−T, 0].

        El AP corresponde a x=0, el FP a x=Lpp.
        La quilla está a z=0, la flotación de diseño a z=draft.
        """
        # Posiciones longitudinales: 0 (AP) → Lpp (FP)
        x_sta = np.linspace(0.0, lpp, n_stations)
        # Líneas de agua: 0 (quilla) → draft (calado diseño)
        z_wl = np.linspace(0.0, draft, n_waterlines)

        # Convertir a coordenadas centradas en el midship
        xi = x_sta - lpp / 2.0   # ξ ∈ [-Lpp/2, Lpp/2]
        zeta = z_wl - draft       # ζ ∈ [-T, 0]

        # Factores de forma
        f_xi = 1.0 - (2.0 * xi / lpp) ** 2   # (n_sta,)
        f_zeta = 1.0 - (zeta / draft) ** 2   # (n_wl,)

        # y[i, j] = B/2 · f_xi[i] · f_zeta[j]
        data = (beam / 2.0) * np.outer(f_xi, f_zeta)
        data = np.clip(data, 0.0, None)   # evitar negativos por redondeo

        labels = [f"S{i}" for i in range(n_stations)]

        return cls(
            x_stations=x_sta,
            z_waterlines=z_wl,
            data=data,
            station_labels=labels,
            lpp=lpp,
            beam=beam,
            draft=draft,
        )

    # ------------------------------------------------------------------
    # Conversión a secciones
    # ------------------------------------------------------------------

    def to_sections(self) -> list[Section]:
        """Convierte la tabla en una lista de objetos Section."""
        sections = []
        for i, x in enumerate(self.x_stations):
            sta = self.station_labels[i] if i < len(self.station_labels) else str(i)
            sec = Section(
                station=sta,
                x=float(x),
                half_breadths=self.data[i, :].copy(),
                z_positions=self.z_waterlines.copy(),
                label=f"x={x:.3f} m",
            )
            sections.append(sec)
        return sections

    # ------------------------------------------------------------------
    # Acceso
    # ------------------------------------------------------------------

    def half_breadth(self, x: float, z: float) -> float:
        """Interpola la semi-manga en cualquier (x, z) [m]."""
        # Interpolar en x
        col_y = np.array([
            float(np.interp(x, self.x_stations, self.data[:, j]))
            for j in range(len(self.z_waterlines))
        ])
        # Interpolar en z
        return float(np.interp(z, self.z_waterlines, col_y))

    @property
    def n_stations(self) -> int:
        return len(self.x_stations)

    @property
    def n_waterlines(self) -> int:
        return len(self.z_waterlines)

    @property
    def max_half_breadth(self) -> float:
        return float(self.data.max())

    # ------------------------------------------------------------------
    # Dunder
    # ------------------------------------------------------------------

    def __repr__(self) -> str:
        return (
            f"OffsetsTable(Lpp={self.lpp} m, B={self.beam} m, T={self.draft} m, "
            f"stations={self.n_stations}, waterlines={self.n_waterlines})"
        )