Думаю, я не очень ошибаюсь, если скажу, что 95% программ для моделирования и сглаживания поверхности корпуса используют математику NURBS. Если 20 лет назад результатом был просто теоретический чертеж, представленный в виде линий и использовавшийся в основном для гидростатических расчетов, то теперь полученная поверхность передается во множество различных программ расчета и моделирования. Важно помнить, что поверхность передается с математической точностью, не меняя формы.
Таким образом, созданная вами модель будет использоваться во многих различных программах расчета и системах геометрического моделирования. Результат всех этих программ будет напрямую зависеть от качества поступающей модели поверхности. Модель поверхности для большинства этих программ используется как есть, без дополнительных проверок. Поэтому все проблемы и подводные камни, возникающие при моделировании поверхности, невозможно обнаружить сразу. Все это накладывает дополнительную ответственность на проектировщика, занимающегося моделированием поверхности корпуса.
Уже много лет я занимаюсь окончательным сглаживанием поверхностей корпуса судна в Shape Maker. В качестве исходной информации для сглаживания часто необходимо использовать предварительные модели поверхности, сделанные в других системах, иногда даже совсем не адаптированные для моделирования поверхности корпуса. И каждый раз я вижу одни и те же повторяющиеся ошибки, сделанные во время моделирования. Надеюсь, что эта статья хотя бы частично позволит избежать этих ошибок в будущем или позволит пользователям более осознанно выбирать инструмент для сглаживания корпуса.
Разбиение поверхности на участки.
Прежде чем приступить к моделированию поверхности, спланируйте, как ваша поверхность будет разделена на отдельные участки. Рациональное разделение на участки позволяет добиться лучшего качества сглаженной поверхности и минимальных трудозатрат. При непродуманном разбиении поверхности количество участков поверхности и соответственно сложность работы растет как снежный ком. Иногда на моделях можно увидеть панику и отчаяние дизайнера, который закрывает одну дыру на поверхности другой, и тем самым, создает себе еще больше проблем, а срок выполнения работ неумолимо приближается.
Пример неудачного разбиения на участки поверхности.Добиться плавного сопряжения участков поверхности очень сложно. Носовая и кормовая границы поверхности расположены близко друг к другу. Это не позволяет добиться необходимой плавности.
Проблема стыковки двух участков поверхности по общей границе. Очень важно правильно задать форму общей граничной кривой.
Пример неудачного разбиения кормовой оконечности на участки поверхности. Ватерлинии сжаты по продольной оси. Насколько я понимаю, изначально идея заключалась в том, чтобы сделать гладкую кормовую поверхность.
Пример неудачной общей точки для трех участков поверхности. Видны поперечные сломы на сечениях. Чтобы избежать локальной негладкости поверхностей, необходимо, чтобы все граничные линии в этой точке принадлежали одной плоскости.
Проблемы сглаживания поверхностей, состоящих из большого количества участков. Помимо сглаживания фактических участков поверхности, необходимо выполнить плавное сопряжение с соседними участками. Если граничные линии не определены точно, это может создать проблему для всей поверхности. Я предпочитаю избегать разделения поверхности на участки, где это возможно, и моделировать криволинейные поверхности одним участком. Это дает более качественную и гладкую поверхность.
Трудности с контролем формы поверхности на участке, близком к плоскому борту. Такое разделение поверхности на участки практически не дает возможности построить на этом участке ровную поверхность. Об этом можно судить по форме сечений вблизи плоского борта.
Неправильная или неконтролируемая параметризация участков поверхности.
Особенности поверхностей NURBS заключаются в том, что обычно используются треугольные или четырехугольные участки поверхностей. Поверхность представлена линиями равного параметра в двух направлениях в пространстве параметров. Правильное распределение параметрических кривых и, соответственно, контрольных точек поверхности очень важно для правильного сглаживания поверхностей. В некоторых случаях получить правильный результат просто невозможно. Поэтому правильное разделение поверхности на участки - путь к успешному сглаживанию.
Неравномерная параметризация поверхности приводит к затруднениям при ее сглаживании.
Пример успешной и неудачной параметризации поверхностей, заданных на одних и тех же граничных линиях. Левая часть поверхности представляет собой цилиндрическую поверхность.Правая часть поверхности, скорее всего, будет напоминать форму паруса, и никакая модификация контрольных точек этой поверхности не позволяет сделать ее цилиндрической. Другой практический пример неправильной параметризации площади поверхности уже был описан здесь ранее.
Выделение плоских участков боковой и нижней и линейчатой поверхностей отдельными участками поверхности.
Конечно, гораздо проще описать всю поверхность корпуса используя один участок полверхности, но недостатки такой модели перевешивают ее достоинства: линии алоского борта и плоского днища хорошо контролируют форму поверхности а их отсутствие приводит к следующим результатам:
Вид сверху. Плоское днище не выделено в отдельный участок поверхности. Изображение ватерлинии сжато по длине.
Вид на плоский борт. Изображение сжато по длине. Форма линии плоского борта явно не та, которую хотел бы видеть констрктор.
Ошибки сглаживания корпуса, вероятно, связаны с недостатком инструментов контроля качества поверхности.
Ватерлинии в корме. Изображение сжато по продольной оси. Вряд ли конструктор хотел иметь такие волны на ватерлиниях.
Ватерлинии в кормовой части скега. Изображение сжато по продольной оси. Видно, что граница двух участков поверхности слишком широкая в области плоского дна или задний участок поверхности должен быть более широким.
Неправильная форма линии границ двух участков поверхности. Видны сломы на границе соединения участков поверхности. Подобрать правильную форму пространственной линии стыковки двух участков поверхности - задача не из легких.
Распределение линий перегиба на поверхности показывает нежелательные перегибы, возникающие на участках поверхности корпуса, и недостаточно гладкое соединение участков поверхности.
Чрезмерное количество контрольных точек участков поверхности.
Поверхность, показанная выше, не закрашена. Визуализируются только контрольные точки участка поверхности. Трудно понять, чем руководствовался автор этой модели. Возможно, просто он не понимает математическую природу поверхностей NURBS или программу, которая использовалась для моделирования. Визуально поверхность получилась гладкой, но использовать ее в дальнейшем для расчетов или моделирования очень сложно. Начиная с того, что даже визуализация такой поверхности (350x350 контрольных точек) требует много времени, не говоря уже о других, более сложных вычислениях.Например, расчет развертки одного листа на этой поверхности занимает более одного часа.
Щели между участками поверхностей.
Это самая частая проблема. Щели образуются, если геометрия границ соседних участков поверхности не совпадает. Щелей можно избежать только в том случае, если граничные кривые геометрически идентичны. Во всех остальных случаях размеры щелей можно только уменьшить, но не избежать полностью. Любые методы приближения граничных кривых друг к другу, такие как интерполяция или аппроксимация, увеличивают количество контрольных точек и, соответственно, количество контрольных точек на смежных поверхностях. Это, в свою очередь, увеличивает сложность изменения формы участков поверхности.
Щели между участками поверхности - одна из самых больших проблем при переносе модели поверхности в другие системы. Зазоры создают проблемы для многих программ проектирования и программ для моделирования конструкций корпуса. Более того, не все эти программы определяют допустимые зазоры между поверхностями еще на этапе импорта. Часто проблемы, вызванные наличием зазоров, возникают позже. Например, в расчетах CFD судно тонет, когда вода поступает через открытые отверстия в модели поверхности корпуса. Получение неправильной геометрии деталей корпуса и разверток обшивки в этом случае наиболее опасно, так как это может быть обнаружено только на этапе производства. Исправление этих ошибок потребует дополнительных финансовых и временных затрат при строительстве корпуса.
Также отмечу, что некоторые системы моделирования корпуса крайне требовательны к зазорам между поверхностями, поэтому Aveva проверяет зазоры с точностью до микрон. Как я уже сказал выше, отсутствие зазоров гарантируется только геометрически идентичными границами соседних участков, но на таких кривых можно иметь разное количество контрольных точек. Это позволяет избежать промежутков между областями поверхности и, в то же время, имеет разное количество контрольных точек. Таким образом, участки поверхностей будут иметь меньше точек, а сложные разделы будут иметь больше, но без зазоров на общих границах.
Некоторые программы моделирования поверхностей делают это автоматически. Проверьте наличие такой функции в программе, которую вы используете. Еще больше возможностей появляется, если программа поддерживает T-соединение.
Т - соединение позволяет стыковать на одной границе разное количество участков поверхности с разных сторон, при этом не возникает зазоров между поверхностями.
Модель поверхности корпуса - одна из важнейших составляющих проекта в целом, с которой работает множество разных отделов. Результат работы большого коллектива может напрямую зависеть от того, насколько качественно выполнены работы по выравниванию поверхности. Конечно, нет ничего идеального, и на каждой поверхности можно найти определенные ошибки. Задача конструктора - попытаться минимизировать их, чтобы получить лучший результат.