Проектирование судовой поверхности — это крайне важная и актуальная тема для всей судостроительной отрасли. Несмотря на то, что обводы корпуса являются одним из важнейших элементов проекта судна, этой задаче долгое время не уделялось должного внимания. Попытки автоматизировать процесс создания сглаженной судовой поверхности ведутся с самых первых дней внедрения систем автоматизированного проектирования и производства в судостроении.

Как выбирают программное обеспечение?

На рынке представлено множество программ, и каждое проектное бюро самостоятельно решает, какой продукт использовать. Решение обычно принимается на основе трех ключевых факторов:

• Предыдущий опыт работы с конкретной программой
• Наличие специалистов, которые уже умеют с ней работать
• Стоимость лицензии, которая часто становится решающим аргументом

На отечественном рынке широко доступны бесплатные и условно бесплатные программы, которые теоретически можно применить для проектирования обводов. Однако на практике они в большинстве случаев не справляются с этой сложной инженерной задачей на должном уровне.

Выбор между Free!Ship и Sea Solution AT является не просто техническим предпочтением, а стратегическим решением в пользу определенной методологии проектирования. По выводу специалистов «Си Плаз», одна из программ подходит для серьезных задач в судостроении, где первостепенное значение имеют инженерная точность, полный контроль над геометрией и беспрепятственная интеграция в технологические цепочки. Вторая, в свою очередь, может рассматриваться исключительно как вспомогательный ознакомительный инструмент. К какому ПО относятся эти характеристики и на основе каких критериев, читайте в материале на сайте.

Проектирование судовой поверхности никогда не было тривиальной задачей и от использования правильного математического аппарата зависит многое. При всем изобилии программ моделирования поверхностей далеко не все можно успешно использовать применительно к поверхности судовой. Стандартные методы построения поверхностей, например, в машиностроении или в строительных САПР далеко не всегда можно успешно применять в судостроении. Да, такие программы могут быстро и просто строить сопряжения, скругления, винтовые поверхности и многие другие поверхности, которые используются в машиностроении. Так ли часто нужны такие поверхности при проектировании корпуса судна?

На большей части всех видео в интренете, которые показывают процесс моделирования судовой поверхности, показана лишь вершина айсберга моделирования. По большей части это построение «плавной и гладкой» поверхности по набору поперечных сечений. При этом у неискушенного пользователя возникает иллюзия, что это быстрый и простой процесс, и можно использовать любую программу, имеющую в своем математическом аппарате аналогичную функцию. На самом деле, для построения качественной поверхности нужно иметь под рукой намного больше различных инструментов. Очень многое зависит от того математического метода, который используется в той или иной программе. В этой статье рассматриваются различные методы формирования поверхности корпуса судна.

С момента появления первых компьютеров и развития систем автоматизированного проектирования одной из первых задач была — автоматизация сглаживания судовой поверхности. По сути, эта была одна из первых задач, на базе которой строились первые системы автоматизированного проектирования в судостроении. Высокая трудоемкость задания поверхности корпуса вручную и понимание того, что поверхность — это краеугольный камень для построения всей системы проектирования, заставляли разработчиков прикладывать максимум усилий в этой области.

Ограничения мощности компьютеров и оперативной памяти позволяли реализовывать наиболее простые методы, которые не требовали большого объема хранения данных и сложных вычислений. На начальной стадии развития САПР эти системы, в большинстве своем, повторяли ручные методы задания судовой поверхности. При этом в качестве исходной информации использовалась плазовая книга на основе теоретического чертежа. Сечения представлялись, как правило, виде кубических сплайнов, идентичных гибким рейкам плазовщиков. Из всего многообразия методов задания судовой поверхности внимания заслуживают несколько из них. Все остальные, как правило являются комбинацией методов, перечисленных далее.

Каркасный метод

Компьютерная модель судовой поверхности в этом методе представляет собой набор поперечных сечений в трехмерном пространстве — так называемую каркасную модель поверхности. Сечения представлялись, как правило, виде кубических сплайнов, идентичных гибким рейкам плазовщиков.

Сплайны используются для построения плавной кривой, проходящей через набор точек, то есть решения математической задачи интерполяции заданного набора точек. Часто это плоская функция, где x и y декартовы координаты на плоскости. Самым распространенным является полиномиальный кубический сплайн, где x и y декартовы координаты, а коэффициенты полинома a, b, c, d рассчитываются из условия прохождения сплайна через конечные точки с заданными значениями первых производных в этих точках. Набором их цепочки таких полиномов и описывались линии судовой поверхности.

Несмотря на кажущуюся простоту такое задание кривых влекло за собой очень большие издержки в процессе реализации компьютерных методов работы со сплайнами.

К ним относятся:

— Кубический сплайн имеет для каждого x только одно значение координаты y. Соответственно, построение кривой, описывающей форштевень с бульбовым носом, невозможно без преобразования локальной системы координат.

— Для задания пространственной криво требуется задание двух проекций кривой, например, XY и XZ. Такой способ задания требует наличие большого количества дополнительной семантической информации, связанной с кривой.

— Стыковка двух кубических сплайнов может быть выполнена только для первой производной. То есть непрерывность кривизны не обеспечивается. Это существенно влияет на эстетический вид кривой.

— При использовании модели со сплайнами более высоких порядков изменение положения одной точки влияет на форму всего сплайна целиком.

— Сложность контроля осцилляций сплайна. Невозможность представления части интерполяционного сплайна прямой.

Определение положения точки поверхности между линиями каркаса поверхности определялось как суперпозиция ограничивающих эту точку линий. Недостатком этого метода является то, что расчет положения точки не всегда отвечал условиям гладкости и точности расположения точки на реальной судовой поверхности. Это приводило к появлению непредсказуемых волн на сечениях и низкому качеству деталей корпуса. Увеличение количества линий каркаса увеличивало и трудоемкость определения поверхности корпуса, но не давало гарантии качества сечений поверхности. Вероятность того, что какое-либо из сечений сглаженного корпуса может дать нежелательные осцилляции, существовала в этом методе всегда. Поэтому от конструкторов и технологов, кодирующих детали корпуса, требовалась повышенная внимательность при работе с линиями поверхности корпуса.

Несколько позже для описания кривых использовались параметрические сплайны. Это тот же кубический сплайн, где координаты точки на кривой вычисляются в зависимости от определенного значения параметра:

Наиболее удобное представление параметрического сплайна было предложено Фергюсоном в векторной форме:

Где:

P0,P1 – начальная и конечная точка сплайна,

P0’, P1’ касательные в начальной и конечной точке соответственно,

t – параметр кривой, изменяющийся в интервалах от 0 до 1.

Такое представление позволяло избавится от части ограничений, налагаемых на обычный кубический сплайн. При этом трудоемкость расчета несколько возрастала. Так, чтоб рассчитать точку на кривой при заданном значении, например, X–координаты возникла необходимость применять численные методы.Чем точнее были исходные данные плазовой книги, тем успешнее и быстрее согласовывался чертеж на компьютере. Даже при использовании компьютера процесс согласования занимал довольно длительное время и вносил дополнительные ошибки и неточности, которых можно было избежать при ручной разбивке плаза.

Преимущество компьютерных методов было в любом случае очень велико, так как позволяло избавится от плаза и выполнять большую часть задач по определению геометрии деталей корпуса автоматически.

К наиболее успешным вариантам реализации этого метода можно отнести системы AutoCon и FORAN модуль FormF. Похожий метод используется в настоящее время в системе Napa. В системе Napa в качестве функции интерполяции между граничными линиями используется участок поверхности Безье. При всех недостатках каркасный метод представления поверхности просуществовал до начала 2000-х и в ряде систем используется и по сей день.

О других методах читайте в продолжении статьи на сайте НПК «Си Плаз» 

Материал подготовлен специалистами Научно-производственной компании SeaPlaz

Работая с разными заказчиками над проектами судов различных типов, мы постоянно замечаем одни и те же проблемы возникающие при моделировании поверхности корпуса. Большинство из них относятся скорее к организационным. Возникает стойкое ощущение, что с применением компьютеров для проектирования судовой поверхности мы теряем часть тех знаний, которыми пользовались многие поколения судостроителей. Знания эти столь же необходимы и сегодня, но чрезмерное доверие компьютерным моделям поверхности раз за разом играет с нами злую шутку. Итак, несколько важных фактов о моделировании судовой поверхности. На фото ниже показан хорошо сглаженный корпус. Строители отмечают существенную экономию времени и средств при постройке корпуса.

Качественная модель судовой поверхности — это залог качественной сборки и сварки корпуса. Все это понимают, но мало кто знает, как проверить технологичность математической модели поверхности. На большинстве верфей качество сглаживания поверхности никак не контролируется. К сожалению, почти не осталось специалистов, которые занимались плазовой разбивкой корпуса судна вручную. Плазовщики знали о судовой поверхности все. С переходом на компьютерные модели ручная разбивка ушла в прошлое, вместе с теми знаниями, которые нужны и сейчас современным конструкторам, моделирующим судовые поверхности.

95% всех моделей поверхностей судов, с которыми приходилось работать за последние 30 лет, имели технологические дефекты сглаживания. Качество компьютерного сглаживания судовой поверхности очень часто намного ниже, чем если бы применялась сглаживание вручную на плазе. Конструктор слепо доверяет результатам компьютерного сглаживания. Работая с такими поверхностями у верфей возникают проблемы при гибке листов обшивки, сборке и сварке корпусных конструкций. Выяснить причину этих проблем на стадии сборки корпуса судна довольно проблематично. Верфи, которые серьезно относятся к процессу сглаживания судовой поверхности, существенно экономят время и деньги при сборке и сварке корпуса. Только на сварке можно выиграть до 10% времени, при этом качество сборки корпуса намного выше.

Выявить ошибки сглаживания на стадии выпуска рабочей документации по корпусу очень сложно, так как работа распределена по секциям корпуса судна и не дает возможности оценить форму всей поверхности в целом. Исправление же выявленных ошибок зачастую невозможно, так как часть секций, подлежащих изменению, возможно, уже отправлена на верфь и вырезана в металле. Многие компании, занимающиеся выпуском рабочей документации, не уделяют должного внимания качеству судовой поверхности. Проверять модель судовой поверхности начинают только тогда, когда программы моделирования конструкции корпуса начинают выдавать ошибки моделирования деталей и листов обшивки. На фото ниже пример того, что получается при некачественном моделировании поверхности корпуса.

Фото ниже показывает проблемный район в модели, которая, увы, пошла в производство.

Для моделирования и сглаживания поверхности корпуса зачастую используются не предназначенные для этого программы. Часто это программы моделирования классических поверхностей, используемых в машиностроении. Даже САПР для автомобильной промышленности не всегда удачный выбор для моделирования поверхности корпуса. Очень часто используются бесплатные или условно бесплатные программы. Многие компании считают, что этого достаточно для построения хорошей поверхности корпуса или просто экономят деньги, не задумываясь о результате.

Моделированию и сглаживанию поверхности не учат нигде. Общаясь со студентами различных университетов, я выяснил, что моделированию поверхности корпуса не уделяется никакого внимания. Часто преподаватель рекомендует ту или иную программу и отсылает студентов к инструкции. В лучшем случае это несколько часов лекций, описывающих метод, изобретенный преподавателем и использующий максимально простую программу. В результате студенты могут сделать лишь примитивный мятый корпус, по-настоящему годный только для расчетов гидростатики. В последствии, работая в проектной компании, они продолжают использовать полученные «навыки».

Технология сглаживания поверхности корпуса судна очень сильно зависит от той или иной используемой программы. Как правило, без курса обучения от разработчика программ, очень сложно освоить тот или иной метод самостоятельно. Очень часто в результате самостоятельного освоения программы появляются такие модели, которые состоят из хаотически расположенных заплаток поверхностей. По такой модели видно, как неправильное разбиение на поверхности, приводит к катастрофическим результатам. После того, как дизайнер понимает, что все плохо, а сроки сдачи поверхности нельзя переносить, начинается паника, затыкание дыр и новые заплатки на старых. Такая модель, кроме явных ошибок сглаживания, перегружена излишними участками поверхности, избыточным числом контрольных точек поверхности и зазорами между участками поверхностей. О качестве в этом случае говорить не приходится. Ниже фото того, как приходится выкручиваться верфи при работе с плохо сглаженной поверхностью. Обратите внимание на количество листов обшивки бульба.

Моделирование судовой поверхности существенно отличается от построения любых других трехмерных моделей. При моделировании важно иметь не только хорошее представление о математическом аппарате программы, но и знать правила построения классической судовой поверхности. Пренебрежение этими правилами часто наблюдается на множестве новых корпусов судов. Отсутствие, например выделенного плоского борта и плоского днища хорошо заметно на качестве обшивки корпуса. Часто моделированием такой поверхности занимается не инженер-кораблестроитель, а дизайнер, умеющий работать с программой и использующий простейшие приемы моделирования для быстрого получения результата. В результате страдает качество сглаживания поверхности корпуса судна. На фото ниже не судоремонт. Это новое (!) судно. Даже страшно подумать о том, как выглядела математическая модель поверхности этого красавца!

Часто, при передаче очередного сглаженного корпуса, заказчики спрашивают: «В какой программе сделана эта модель?». Безусловно программы сглаживания поверхности должны иметь функционал, достаточный для получения качественной модели поверхности. При этом конструктор, который работает с программой, должен уметь это делать и иметь необходимый набор знаний. Приобретение той или иной программы не решит проблем, если специалист недостаточно опытен. Это как выбирать рояль для начинающего пианиста.

Отсутствие фундаментальных знаний о моделируемых поверхностях у дизайнера приводит к тому, что он «соглашается» с тем вариантом поверхности, который предлагает программа. Это хорошо видно по моделям, присылаемым нам от разных заказчиков. В таких случаях речь о проектировании обводов судна практически не идет — удалось бы натянуть поверхность на несколько шпангоутов. Остается только угадывать, что имел в виду конструктор, а что изобразила та или иная программа. В довершение к этому наличие щелей между участками поверхностей и почти полное отсутствие точных размеров там, где это необходимо.

Вопрос, потратить немного больше времени и денег на финальное сглаживание поверхности и строить судно без проблем или запускать в работу поверхность, как кота в мешке, в любом случае остается за заказчиком.