Эта статья была написана, когда я работал в доблестном ЦКБ МТ «Рубин» .
Опубликована она была в журнале CAD/CAM/CAE observer.

ПРИМЕНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ CAD-СИСТЕМ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБВОДОВ КОРПУСА С СОХРАНЕНИЕМ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

В данной статье речь пойдет о способах проектирования теоретических обводов корпуса корабля и средств, которые для этого применяются. Конечно, при проектировании корабля как сложного инженерного сооружения этот вопрос нельзя рассматривать отдельно от проектирования конструкций, систем, оборудования и прочего. Однако проектирование обводов имеет свои нюансы, которые заслуживают, на мой взгляд, отдельного рассмотрения. Кроме того, несмотря на то, что этот участок работ является очень узким и относительно нетрудоемким, он, вместе с тем, служит отправной точкой для большинства других подразделений (особенно в подводном кораблестроении).

Существует множество способов проектирования теоретического чертежа, использующих методы начертательной геометрии или результаты расчета на ЭВМ по уникальным программам. Но с появлением серьезных 3D CAD программ, возникла возможность проектировать непосредственно поверхность корпуса, а не её проекции на бумаге или в виде столбцов чисел. Именно такая задача была поставлена в Центральном Конструкторском Бюро Морской Техники РУБИН в 1995 году. К тому времени в бюро уже достаточно активно использовали систему CADKEY на ПЭВМ и «тяжелую» систему CADDS5 на рабочих станциях Sun. На них и началось освоение «поверхностного проектирования».

Следует обратить внимание на то, что с самого начала CAD системы рассматривались как инструмент проектирования, а не как идеология. Проще говоря: компьютер должен делать то, что необходимо конструктору, а не конструктор подстраиваться под возможности программы. Это кажется само собой разумеющимся, но на практике всё не так-то просто.

При разработке обводов корпуса конструктор должен учесть массу порой противоречивых требований:

ü     требования гидродинамики;

ü     условия размещения и нормальной работы оружия, всех систем, устройств и механизмов корабля;

ü     требования технологии постройки, обслуживания и ремонта.

В настоящее время для проектирования обводов корпуса используются различные CAD-системы. Однако основным методом проектирования обводов подводных лодок является метод радиусографии. Этот метод состоит в том, что поверхность корпуса строится путем «протягивания» сечения, состоящего из участков дуг и прямых. При этом параметры каждого участка сечения изменяются по определенному закону. Этот закон (радиусографический ключ) представляется в виде графика или продольных кривых по всей длине корабля. Таким образом, довольно сложная поверхность определяется всего несколькими параметрами. Это с одной стороны упрощает процесс «управления» формой поверхности, а с другой стороны - обеспечивает абсолютно точное воспроизведение как самой поверхности, так и любого необходимого сечения. Имея радиусографический ключ, можно построить любое шпангоутное сечение как в 3D, так и на плоскости или вообще на бумаге (или на плазе) при помощи циркуля и линейки. Естественно, если позволяет программа, можно построить и саму поверхность.

Применение метода радиусографии обусловлено, прежде всего, требованиями завода-строителя, и объясняется рядом причин:

Ø     необходимостью использования дуговых обводов для прочных конструкций корпуса;

Ø     более высокой технологичностью обводов;

Ø     обеспечением гладкости поверхности на начальной стадии её задания;

Ø     адекватностью воспроизведения обводов на плазе;

Ø     простотой работы с сечениями шпангоутов, состоящими из участков дуг.

За 6 лет использования различных CAD-систем были спроектированы корпуса разнообразных плавучих объектов, среди которых были подводные лодки и аппараты, надводные суда различного водоизмещения, судно с малой площадью ватерлинии, буровые платформы различных конструкций. Эти работы позволили сделать определенные выводы о возможности использования каждой из имеющихся систем для проектирования обводов корпуса, выявить сильные и слабые стороны каждой из них. Одновременно были выработаны требования, которым должна удовлетворять «идеальная» система, с учетом особенностей проектирования бюро.

Процесс формирования обводов корпуса является только одним из звеньев длинной цепочки проектирования корабля. И звеном не начальным и не заключительным.

В процессе разработки обводов корпуса необходимо активно обмениваться информацией со специалистами других отделов. В основном это сечения на том или ином шпангоуте или габариты устройств. Вся графическая информация поступает к разработчику обводов в форматах AutoCAD или CADKEY и в таком же виде должны выдаваться  результаты работы. Это первое серьезное требование.

Во-вторых, даже в рамках одного этапа проектирования обводы корпуса претерпевают очень много изменений, которые необходимо отрабатывать в очень сжатые сроки. Таким образом, система должна обеспечивать внесение изменений в уже существующую геометрию, не переделывая её целиком.

В-третьих, необходимо обеспечивать передачу не только графической информации, но и численных значений для проведения дальнейших расчетов по статике, динамике, нагрузке и т.д. Это не только единичные данные, такие как водоизмещение, площадь смоченной поверхности, моменты инерции, но и большие массивы, описывающие обводы как корпуса в целом, так и отдельных отсеков, цистерн и выгородок.

Кроме того, система должна обеспечивать получение всей необходимой плазовой информации.

Таким образом, определены основные требования к инструменту проектирования:

Ø     возможность создания требуемых обводов;

Ø     возможность их корректировки;

Ø     возможность обмена данными с другими CAD-системами;

Ø     возможность передачи данных по геометрии в другие расчетные программы;

Ø     возможность формирования плазовой таблицы.

Теперь перейдем к рассмотрению используемых CAD-систем.

Для проектирования обводов корпуса в настоящее время используется четыре системы:

1)            АПИРС                         ;

2)            CADKEY                      ;

3)            CADDS5                       ;

4)            Pro/ENGINEER             .


АПИРС – отечественная система, специально разработанная для проектирования обводов корпуса. Она обеспечивает быстрое построение и модификацию поверхности корпуса. Это возможно благодаря использованию математики Безье-сплайнов и поверхностей. АПИРС очень удобен для создания поверхностей произвольной формы, таких, как корпуса надводных кораблей. При проектировании обводов подводных лодок АПИРС используется только на ранних этапах проектирования, когда надо быстро построить поверхность, и затем неоднократно её корректировать. Большим преимуществом АПИРСа является возможность экспорта информации в систему СТАТИКА. Благодаря этому можно проводить необходимые расчеты статики уже на самых ранних стадиях проектирования.

Модель поверхности патрульного корабля, сделанная в АПИРСе.

Надо отметить, что кроме проектирования «с нуля», АПИРС может использоваться для «вылизывания» ранее разработанных обводов, которые существуют в виде отдельных сечений (иногда вообще не согласованных между собой), в частности – полученных с бумажного чертежа.

Графическая информация передается через формат обмена DXF в виде любых сечений, каркасных линий, сетки шпангоутов и сети поверхности как в 2D, так и в 3D виде, возможно автоматическое создание теоретического чертежа с тремя проекциями. Полученный чертеж не имеет ассоциативной связи с поверхностью и его нужно оформлять до «товарного» вида средствами любой CAD системы.

К недостаткам АПИРСа относятся:

-     ограниченность средств создания поверхностей по различным законам, что не позволяет реализовать метод радиусографии в полном объеме;

-     некоторые сложности с построением «каркасной» геометрии;

-     отсутствие формата обмена IGES для передачи поверхностей;

-     недостаточная точность аппроксимации сечений дугами при передаче в DXF.

Эти недостатки не позволяют использовать АПИРС на стадии рабочего проекта для ПЛ, однако при проектировании обводов надводных кораблей АПИРС весьма эффективен. Он позволяет также получать плазовые координаты.



CADKEY – простая и удобная в работе 3D CAD система. Она обладает рядом преимуществ, благодаря которым CADKEY используется на всех стадиях проектирования – от самых ранних прикидок до окончания работы:

ü     удобство работы с 3D объектами;

ü     наличие всех необходимых функций для создания 3D каркасной геометрии;

ü     возможность работы с поверхностями и твердыми телами;

ü     удобная работа со сплайнами и коническими кривыми;

ü     наличие форматов обмена  DWG, DXF, IGES, STEP.



Твердотельная модель якоря Холла, выполненная в CADKEY.

Для построения тела или выреза не обязательно строить специальный контур – достаточно просто указать замкнутую цепочку линий, которые потом можно обрезать/продлить, и использовать для других построений. Удобно, что в одном файле можно иметь несколько солидов, разнеся их по слоям, как обычные объекты.

С помощью CADKEY удобно прорабатывать вопросы компоновки и геометрии отдельных сечений, определяющих форму корпуса. В CADKEY также оформляются теоретические чертежи и все графические материалы, необходимые для передачи в другие отделы.

Однако CADKEY не имеет возможности создавать поверхности по определенным законам и их модифицировать. Это единственное ограничение, не позволяющее использовать CADKEY для окончательного проектирования поверхности корпуса ПЛ.

Использование CADKEY для тех задач, с которыми он справляется, обусловлено ещё и тем, что удобно иметь модель в той же системе, с которой работают разные проектные подразделения, поскольку передача из CADKEY в AutoCAD не представляет особых трудностей.



Трехмерная модель обводов подводной лодки, выполненная в CADKEY.

Прелесть радиусографии – возможность построить любое шпангоутное сечение по заданному радиусографическому ключу, не имея самой поверхности. Прелесть CADKEY – удобство этих построений в 3D.

В данном случае по разработанному ключу – продольным линиям (на рисунке не показаны) построены практические шпангоуты. Все шпангоуты автоматически получаются согласованными между собой, т. е. по ним можно построить гладкую поверхность. К сожалению, саму поверхность по ключу (а не по сечениям) CADKEY построить не может.

Модель поверхности корпуса буксира, выполненная в CADKEY.

На рисунке изображены сечения поверхности плоскостями шпангоутов, ватерлиний и батоксов. Это уже чисто «поверхностное» проектирование. Метод радиусографии не применялся. Использовались только возможности построения поверхностей CADKEY (приложение FastSURF).

CADDS5 используется в тех случаях, когда планируется создание в том же CADDS5 модели корпусных конструкций, систем, и пр. CADDS5 имеет гораздо более широкие возможности, чем CADKEY, но те же основные недостатки. К тому же, он очень неудобен в работе. В последнее время CADDS5 для проектирования обводов не используется. Если необходимо, поверхности импортируются в него из Pro/ENGINEER.

Горизонтальный стабилизатор с рулем, выполненный в CADDS5.

Сложное место для любой системы – законцовка стабилизатора – сопряжение переменным радиусом между двумя поверхностями, сходящимися в точку, да ещё с общей касательной. Пришлось изрядно попотеть над этим местом. Поверхность сопряжения между стабилизатором и корпусом тоже оказалась задачей не из легких. Вообще, любая нетривиальная операция в CADDS5 требует напряжения извилин (что, вообщем-то, не плохо) и нервов (что очень плохо).

Pro/ENGINEER – очень мощная современная система. Pro/ENGINEER имеет широкие возможности создавать поверхности и твердые тела по определенным законам и модифицировать их. Это единственная из имеющихся в РУБИНе систем, которая позволяет применять метод радиусографии в полном объеме. Pro/ENGINEER предоставляет широчайший математический аппарат для проектирования обводов, но, являясь универсальной машиностроительной системой, требует некоторой адаптации под специфику судостроения, для обеспечения более продуктивной работы. Поэтому Pro/ENGINEER используется для создания обводов только на поздних стадиях проектирования, когда основные параметры формы корпуса уже определены. Кроме того, Pro/ENGINEER незаменим при воссоздании обводов спроектированных ранее кораблей для их модификации, благо метод радиусографии позволяет сделать это максимально точно.



“The yellow submarine” – твердотельная модель одной из старых подводных лодок, воссозданная в Pro/ENGINEER для последующей модернизации.

Обводы построены методом радиусографии по ключу, заданному в Pro/ENGINEER частично в виде продольных линий, частично графическими зависимостями.

Кормовой вертикальный стабилизатор с рулем, выполненный в Pro/ENGINEER.

Руль и стабилизатор – две разные детали, но они используют одну и ту же боковую поверхность. Сама поверхность задана таким образом, что через параметры можно изменять её высоту, длину, угол стреловидности и контролировать изменение толщины по высоте.

Итак, из этого краткого обзора мы видим, что каждая из программ имеет свои сильные и слабые стороны. При этом ни одна из них не обеспечивает комплексного решения всех задач. Поэтому приходится использовать разные системы. Для каждой задачи используется та система, которая наиболее эффективна в данном случае. При этом возникает проблема обмена данными. Для разных систем эта проблема стоит более или менее остро, но помнить об этом приходится. В связи с этим продолжается поиск путей адаптации имеющихся систем.

В то же время имеющиеся сейчас средства позволяют осуществлять весь процесс проектирования вплоть до получения плазовой информации на рабочем месте конструктора, без привлечения программистов и написания дополнительных программ.

Вполне законен вопрос: почему для проектирования обводов корпуса использовались в основном универсальные машиностроительные программы, а не специализированные судостроительные, такие, как FORAN или TRYBON? Ответ будет следующим. Во-первых, начиналось всё с тех систем, которыми располагали – напомню: это были CADKEY и CADDS5. Во-вторых, наличие такой серьезной системы, как CADDS5 (и соответствующих вложений в неё) не располагало к приобретению другой столь же серьезной системы. Pro/ENGINEER появился позже «сам собой», когда CADDS5 перешел к PTC. В-третьих, системы типа FORAN и TRYBON ориентированы прежде всего на специфику производства, а не проектирования. В большей или меньшей степени они навязывают свои «правила игры», свою идеологию и организацию всей работы. Не берусь оценивать, хорошо это или плохо, просто в одних случаях это принимают и идут на «перестройку», в других случаях ищут инструмент попокладистей. У каждого пути есть свои плюсы и минусы.

Каждый выбирает для себя… Я лишь постарался осветить некоторые моменты «подбора инструмента». Надеюсь, эта информация окажется полезной тем, кто стоит на распутье дороги, ведущей в CAD.