Посмотрите на эту чудесную фотографию Cecil Beaton. Снимок был сделан в 1943 году. Но до сих пор на плазе произошло не так много изменений. Разве что шаблоны для гибки листов и профилей теперь вырезаются на станке с ЧПУ. На судоверфях по прежнему много подготовительной работы для гибки криволинейных деталей.
Давно так сложилось, что форма поверхности корпуса определяется набором пересекающихся ортогональных сечений. Набор поперечных сечений многое говорит о форме корпуса для опытного конструктора. Плавность линий и изменение формы от одной кривой к другой четко представляют форму корпуса. Всего двадцать лет назад мы начали использовать аналитические поверхности для определения формы корпуса судна. До этого в компьютерных моделях использовались все те же сетки ортогональных кривых, что и много лет назад. Для конструкторов и корабелов такой выбор вполне логичен ественен.
Конструктивные элементы корпуса обычно представляют собой набор шпангоутов в ортогональных сечениях корпуса. Текущая ватерлиния определяет форму корпуса при погружении судна в воду. Одним словом, теоретический чертеж - это не только один из важнейших чертежей будущего судна, но и открытая книга для конструктора, по которой можно многое сказать о характеристиках судна.
Современные программы проектирования судовых поверхностей предлагают судостроителям множество новых форм контроля качества поверхности. Все ли они реально подходят для контроля качества?
Современные программы моделирования поверхности корпуса вместо сетки ортогональных кривых используют фрагменты параметрических поверхностей. Это дает возможность математически точно определить любую точку на поверхности. Казалось бы, отпадает необходимость в визуализации сечений. Графические возможности компьютеров позволяют визуализировать поверхность корпуса как в закрашенном виде, так и в виде графиков кривизны, зебры и реалистичного отражения. Достаточно ли этих методов для контроля формы поверхности? Возможно, в других отраслях, например, в ювелирном деле и моделировании поверхности кузова автомобиля, этого будет достаточно. В судостроении, помимо эстетического вида поверхности, необходимо учитывать еще и технологические факторы. Оценить технологичность изготовления поверхности корпуса вряд ли поможет, например, цветовое представление гауссовой кривизны поверхности. Это скорее математическая характеристика поверхности, которая мало что говорит дизайнеру.
Для дизайнера форма сечений поверхности - шпангоутов, ватерлиний и батоксов по-прежнему остается наиболее информативной. Именно эти линии чаще всего используются для определения геометрии корпусных конструкций, прилегающих к внешней обшивке. По этим линиям строятся листовые и профильные детали корпуса. Листы обшивки изгибаются по тем же линиям. Если при моделировании деталей корпуса использовать линию, которая в точности повторяет контур со всеми его дефектами, то листы обшивки в этой области примут естественную форму, близкую к форме гибкой рейки. Это приводит к образованию зазоров между листами обшивки и внутренними конструкциями. В результате некачественного сглаживания поверхности корпуса возникает необходимость заполнения появившихся зазоров между обшивкой и внутренними деталями сваркой, перегрев металла и деформации конструкции. Это, в свою очередь, создает внутренние напряжения, ведущие к развитию усталостных трещин в конструкциях корпуса. Мнение о качестве поверхности корабля лучше всего получить у судостроителей на верфи. Я сам видел, как группа из 5 человек с помощью крана в течение четырех часов пыталась установить на тело один лист обшивки. Причина - неправильно сглаженная поверхность в этом месте.
Плохо сглаженная поверхность корпуса может быть неоптимальной с точки зрения гидродинамики, и это делает судно более дорогим в эсплуатации. Например, по данным из разных источников, среднее рыболовное судно экономит около 500 тысяч долларов в год при снижении сопротивления корпуса на 10%. Кроме того, плохо сваренный и собранный корпус быстрее ржавеет и требует дополнительных затрат на очистку и покраску и устранение усталостных трещин.
Другими словами, несмотря на бурное развитие программ моделирования поверхности корпуса, методы контроля качества поверхности остаются такими же, как и сто лет назад. Итак, какие методы лучше всего использовать для контроля качества поверхности корпуса?
Как уже упоминалось выше, мы представляем себе форму поверхности корпуса в виде линий ортогональных сечений. Рассмотрим несколько способов управления формой кривых. Все дефекты формы кривой легко увидеть, если смотреть вдоль кривой. Этот метод использовался и широко используется для контроля бумажных чертежей. Аналогом этого метода управления в компьютерном моделировании является сжатие модели по одной из координатных осей. Это особенно удобно, если ваша программа позволяет редактировать модель в сжатом виде. Примером такой модели является профиль NACA, обычно имеющий очень большое удлинение относительно продольной оси. Если в сжатом виде профиль будет выглядить хорошо, то в натуральном масштабе тем более торлько лучше. Сжатие по одной из осей координат также очень удобно использовать при управлении формой участков в зоне перехода к плоскому борту или плоскому дну.
Кривые на экране компьютера отличаются от кривых на бумаге, несмотря на высокое разрешение современных мониторов. Лучший способ почувствовать форму кривой - это построить график кривизны. Я предпочитаю визуализировать радиусы кривизны кривой в каждой точке. На мой взгляд, это лучше показывает локальные уплощения кривой. Отмечу, что кривые кривизны очень чувствительны к изменению формы кривой. Часто перемещение контрольной точки на 1-2 миллиметра в масштабе корпуса может значительно изменить график кривизны. Также важно, чтобы ваша программа позволяла вам непосредственно визуализировать кривизну участка поверхности, а не кривизну аппроксимирующего участка кривой. Я уже писал об этом здесь. Это также упрощает работу при редактировании поверхностей. Достаточно включить визуализацию кривизны сечений и при изменении положения контрольной точки поверхности графики кривизны будут динамически обновляться. Если используемая вами программа не позволяет этого, она значительно замедляет процесс сглаживания. Единственным, на мой взгляд, недостатком графиков кривизны является то, что в большом масштабе при отображении набора кривых на экране получается мешанина графиков кривизны различных линий. Обычно необходимо обрезать слишком большие значения кривизны для лучшей визуализации.
Одной из наиболее важных характеристик формы кривой помимо кривизны является наличие точек перегиба на кривой. Это точки, в которых кривизна меняет направление. Наличие нескольких точек перегиба на ограниченном участке кривой визуально воспринимается как волнистость. Это именно то, чего конструктор старается избежать в первую очередь. Волнистость шпангоутов будет один в один передана соответствующим деталям корпуса в этом районе. Листы обшивки в этой области будут изгибаться по более естественным плавным кривым. ShapeMaker имеет возможность визуализировать линии перегиба сечакний на поверхности. Я пока не встречал такой возможности ни в одной другой программе. Форма линий перегиба на поверхности - это не только средство контроля формы, но и одна из важнейших характеристик самой поверхности. Правильное расположение линий перегиба позволяет точно гарантировать отсутствие волнистости в любой точке поверхности. Мы не можем напрямую влиять на форму линий перегиба, но при изменении положения контрольной точки поверхности форма линии перегиба также изменяется. Обратите внимание, что линия перегиба представляет собой кривую более низкого порядка, чем участки поверхности. В этом случае на линиях перегиба выполняются только условия непрерывности отрезков кривой в случае NURBS-поверхностей 4-го или 3-го порядка.
Приведенные выше инструменты управления формой дают нам полное представление о поверхности корпуса. Более 15 лет мы не печатаем теоретические чертежи для проверки. В следующем видео показано, как пользователь ShapeMaker может работать с линиями кривизны и перегиба.