Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблемы комплексного моделирования поверхнос тей архитектуры подводных лодок 12
1.1 Оценка функционального значения поверхностей для формирования обводов корпуса в процессе проектирования и разработки технологической подготовки производства 12
1.2 Теоретические проблемы и принципы современной методологии разработки поверхностей архитектуры подводных лодок 18
1.3 Анализ математических методов применяемых для формирования моделей поверхностей подводных лодок 22
1.4 Выводы и постановка задачи исследований геометрического моделирования поверхностей подводных лодок 43
2 Разработка методологии комплексного геометрического моделирования поверхностей подводных лодок с использованием кривых второго порядка 53
2.1 Методологические особенности проектирования поверхностей архитектуры подводных лодок 53
2.2 Анализ особенностей обтекания архитектурных элементов подводных лодок и выбор опорных контуров их формирования 64
2.3 Методологические особенности использования кривых "торого порядка для задания сложных поверхностей 70
2.4 Разработка типовых алгоритмов формирования геометрических моделей компонентов архитектуры подводных лодок 87
2.5 Разработка технологии и алгоритма формирования комплексной геометрической модели архитектуры подводных лодок lis
3 Исследование методов машинного представления единой геометрической модели внешней архитектуры подводных лодок на основе кривых второго порядка, обеспечивающей процессы проектирования и технологии производства 125
3.1 Разработка концепции построения математической моде ли поверхностей внешней архитектуры подводных лодок на базе ее геометрической модели 125
3.2 Расчетные уравнения кривых второго порядка, используемые для описания формообразующих контуров поверхностей 130
3.3 Инженерный-способ подбора функций кривых второго порядка по произвольным геометрическим условиям 148
3.4 Особые случаи расчетов кривых второго порядка при разработке поверхностей архитектуры подводных лодок 155
3.5 Упрощенные методы расчета интегральных характеристик пшангоутных сечений корпуса подводной лодки, задаваемых кривыми второго порядка 166
3.6 Требования к программному обеспечению выполнения расчетов поверхностей конструкций подводных лодок, заданных кривыми второго порядка 174
4 Разработка методологии применения математической мо дели сложных поверхностей, различного назначения, на рабочей стадии проектирования и плазово-технологической подготовки произодства 179
4.1 Перспективы использования разработанных математических моделей теоретических поверхностей архитектуры подводной лодки для решения конструкторски-технологических проблем проектирования и производства 179
4.2 Перевод задания замкнутой формы шпангоутов корпуса с кривых второго порядка на радиусографический метод 183
4.3 Расчет эквидистантных поверхностей относительно любых теоретических формообразований архитектурных поверхностей подводных лодок 196
4.4 Расчет каркасных поверхностей с образующими, лежащими на концентрических цилиндрических поверхностях 206
4.5 Расчет трассировки продольного набора корпусных конструкций (ребер жесткости) и плоскостей цистерн 213
4.6 Алгоритм расчета размещения приборов на поверхности заданной формы по известной схеме их распределения 221
4.7 Решение задачи по проверке несоударения подводной лодки с изделиями при их прохождении вблизи корпуса 223
4.8 Результаты практического применения математического моделирования поверхностей на этапе выпуска рабочей документации для технологической подготовки производства 224
Заключение 227
Литература
- Теоретические проблемы и принципы современной методологии разработки поверхностей архитектуры подводных лодок
- Анализ особенностей обтекания архитектурных элементов подводных лодок и выбор опорных контуров их формирования
- Расчетные уравнения кривых второго порядка, используемые для описания формообразующих контуров поверхностей
- Перевод задания замкнутой формы шпангоутов корпуса с кривых второго порядка на радиусографический метод
Введение к работе
Функциональное назначение корабельной архитектуры и ее обводов относится к области корабельного дизайна, который отличается от его общепринятого смысла тем, что в своей инженерной функции главенствующая роль архитектуры (кроме чисто эстетического восприятия) заключается в связывании и объединении всего многообразия составляющих элементов корабля/подводной лодки (корпуса, механизмов, оборудования, различных функциональных систем, устройств и т.д.) в комплексную совокупность составляющих в форме неразрывного единого объекта, представляющего собой (по существу) сложную систему, назначением которой является обеспечение выполнения общего конкретного целевого функционального назначения. Поскольку эта система связана в большой степени с динамикой движения и безопасностью плавания подводной лодки (ПЛ) проектирование поверхностей ее архитектуры занимает особое место и в организации всего процесса проектирования, технологически сопровождая его на всех этапах создания корабля, вплоть до технической подготовки производства.
Геометрическая модель (ГМ) лежит в основе производственной математической модели (ММ), обеспечивая представление всех особенностей поверхностей архитектуры подводной лодки (ПЛ), отличающих их от прочих судостроительных объектов. Специфика назначения ПЛ отражается, в основном, в наличии двух корпусов (основного и наружного) с замкнутыми контурами шпангоутов, в объемности обводов элементов архитектуры, наличии развитых переходных обтекателях с многовариантностью их форм не подчиняющихся простой систематизации, присутствии эквидистантных поверхностей в составе корпусных конструкций, в сложной конфигурации поверхностей внутренних и .междубортных конструкций, которыми определяются формы объемных структур (помещений).
От формы архитектуры и эксплуатационной надежности сохранения ее состояния зависит эффективность выполнения функционального назначения ПЛ, определяемого техническим заданием, в том числе за счет рациональности использования комплекса механизмов и систем, обеспечивающих ходовые, маневренные и акустические показатели.
Функциональное назначение ПЛ требует строгих научно-обоснованных аргументов выбора параметров формообразования ее ГМ, в основе которых значительное место занимают гидродинамические факторы тесно увязываемые с условиями эксплуатации и технологичностью.
Практика проектирования поверхностей ПЛ показала успешность совмещения известных апробированных методов проектирования'обводов,
при их "простоте" и "наглядности",, с современными машинными методами, которые "достаточно и полностью" обеспечиваются информацией для привлечения ЭШ. Такими условиями достигается прогнозируемость и всесторонний контроль за комплексной гидродинамической отработкой поверхностей ПЛ, чем также определяется качество их проектирования.
Поскольку при формировании ГМ корабельного обвода в процессе проектирования необходимо стремиться в максимальной степени научно обосновывать выбор параметров ее формообразования, увязывая его с функциональным назначением ПЛ и, одновременно, условиями/ограничениями его эксплуатации (по ходкости и маневренности, мореходности и безопасности плавания, обитаемости и прочим параметрам), а для процесса технической подготовки производства - с наивысшей степенью технологичности, то в обоих случаях автоматизация работ и широкое внедрение вычислительной техники (ВТ) является приоритетным фактором способствующим повышению качества исполнения и снижению сроков при проектировании, а также для разработки производственных моделей на магнитных носителях, снижающих трудоемкость производства.
Однако в настоящее время отсутствует последовательная методология проектирования корабельных обводов, которая сопровождается развитием САПР на всех, без исключения, этапах проектирования (от зарождения идеи до рабочей стадии проектирования) с разработкой технологической подготовки производства и технического сопровождения постройки ПЛ. Указанное обстоятельство можно объяснить отсутствием обобщенной постановки и формулировки проблем, принципов и задач стоящих перед разработчиками архитектуры ПЛ, а также комплексных методов/приемов созданных на основе результатов научных исследований, которые могли бы дать направление поиска связей для достижения желаемых характеристик и качеств движения ПЛ при соответствующих геометрических характеристиках формообразования обводов (отсутствие комплексного. набора критериев выбора формы обводов).
Формирование ГМ производится, в большинстве случаев, на основе подбора близкого прототипа или на основе "интуитивного подхода", а также индивидуального опыта конструктора разработчика.
Именно поэтому, на стадии технической подготовки производства приходиться идти к обеспечению автоматизации процессов расчета судовой поверхности базируясь, в основном, на аппроксимационные методы согласования обводов, получаемых по данным проектирования в каркасной сетке теоретического чертежа (в графическом-в форме теоретического чертежа и цифровом виде-в форме плазовой таблицы). Как следствие, это приводит к значительному усложнению программного
обеспечения расчетов сложных корабельных поверхностей при решении все большего количества возникающих технических задач производства.
Постановка вопроса также усложняется практически неограниченным многообразием формообразования поверхностей для ПЛ при отсутствии простых и наглядных методов образмеривания их обводов.
Следовательно, при повышении проектировочных требований, принятое в настоящее время направление на технологию исключительно машинных методов разработки обводов архитектуры ПЛ, не должно закладываться в основу развития систем автоматизированного проектирования (САПР). Сложность и не наглядность известных машинных методов проектирования не в состоянии обеспечить роль единой проектировочной системы по прогнозированию и формированию гидродинамически отлаженных, согласованных поверхностей ПЛ.
В этих условиях особая важность возлагается на выбор метода формирования поверхностей, с использованием которого обеспечивается конструирование в режиме графического диалога независимо от стадии разработки или от используемых способов (машинных/ручных), поскольку в настоящее время в системном виде отсутствуют данные о теоретических основах для разработки подобного метода для ПЛ.
С учетом изложенного приобретает актуальность выполнение необходимых исследований ориентированных на создание научно-обоснованной методологии комплексного формирования (с применением ЭВМ) любых по сложности поверхностей ПЛ для наружных и внутренних ее геометрических объектов и конструкций, пригодной для всего процесса проектирования, вплоть до технологического сопровождения корпусных работ в период постройки ПЛ.
При изучении любой научной проблемы можно проследить прохождение следующих стадии эволюции и развития исследовательских работ:
-проведение исследований для описания и анализа основных составляющих, характеризующих существо проблемы в целом;
-обобщение и типизация характеристик проблемы с нахождением закономерностей процесса ее изменения, а также синтезирования составляющих параметров;
-прогнозирование (экстраполяция) достигаемого результата в зависимости от характеристик или параметров;
-управление процессами для достижения необходимых свойств или качеств в зависимости от базовых параметров.
Придерживаясь общей логики эволюции и развития научных исследований для разработки метода комплексного геометрического моделирования поверхностей ПЛ на стадиях проектирования и подготовки про-
изводства определились цель и задачи исследований.
Целью настоящей работы является сокращение сроков и повышение качества проектирования и технической подготовки производства при формировании поверхностей комплектующих архитектуры ПЛ за счет разработки метода комплексного геометрического моделирования поверхностей ПЛ с обеспечением математического описания на базе зависимостей кривых второго порядка (КВП) и сохранения алгоритма построения ГМ на всем протяжении процесса проектирования, включая техническую подготовку производства и постройку.
Для достижения поставленной цели в задачу исследований вошло следующее.
Анализ применяемости известных методов задания и согласования судовых поверхностей с помощью ЭВМ с позиций их возможного использования для формирования ГМ архитектуры ПЛ;
Исследование и анализ метода прогнозирования формы конструируемых поверхностей ПЛ на основе установления физических связей гидродинамических характеристик обтекания (устойчивых структур потока) с геометрическими параметрами построения поверхностей архитектуры (их опорными контурами);
Исследование способов формирования согласованных сложных поверхностей на основе кинематического принципа построения и знаний проективной геометрии, а также с введением понятий линий связи при задании опорных контуров поверхностей с использованием свойств КВП;
Разработка видов математических функций КВП, рекомендуемых для практического использования в качестве модульных для обеспечения машинных расчетов контуров/поверхностей, включая: метод точного представления кривых, методологию декомпозиционного анализа сложных контуров, методологию управления формой, метод приближенного вычисления интегральных характеристик.
Исследование возможности типизации поверхностей элементов архитектуры ПЛ с целью разработки модулей их формирования, унификации ГМ и геометрического алгоритма построения.
Разработка методологии прогнозирования ГМ и управлением поверхностями ПЛ с их синтезом для уточнения комплексного математического описания всей архитектуры на основе анализа ее состава.
Разработка метода перевода задания поверхности корпуса с КВП на радиусографический ключ (РГК) с ограничением РГ дуг (по технологическим соображениям) и расчетом оценок погрешности операции;
Разработка упрощенного расчетного метода математического задания и формирования ГМ эквидистантных поверхностей.
Рассмотрение имеющейся информации, которая касается разработки единой системы проектирования и постройки (по данным отечественной и зарубежной литературы), показало отсутствие полного ее завершения, особенно применительно к ПЛ [52,53+76,77,78-5-93,1501. Однако, задача решения проблем развития и комплексного использования автоматизированных систем проектирования и производства типа CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing), с помощью которых они могут быть преобразованы в единую систему автоматизированного проектирования и производства, является главнейшей. Без ее совершенствования невозможно судить о важнейших факторах сокращения сроков проектирования и постройки судов/кораблей [108,111,112,113], которые одновременно должны сопровождаться и повышением качества изделий морской техники, обеспечивая ее конкурентоспособность.
Что касается информации, которая может быть использована при развитии единой системы проектирования и постройки для ПЛ (обводы которых отличаются от обводов надводных кораблей в основном в связи с особенностями конструкции корпуса), то она носит весьма ограниченный характер, а иногда отражает только специфику конкретного производства [116,1173, и поэтому не может претендовать на ее законченность в полном объеме.
Основной массив опубликованных материалов относится к вопросам теории общего проектирования объектов морской техники, а также области их функционального назначения (в том числе и ПЛ) и связанных с ней компоновочных проблем [98]. При этом, много внимания уделяется разработке методов выполнения расчетов по теории корабля С118-135,141+149,151+161].
Информации же по проблемам формирования обводов конкретных судов/кораблей недостаточно, причем часто она носит академический характер, что ограничивает ее использование при практическом проектировании [126,139]. Публикации методических материалов по формированию обводов ПЛ практически отсутствуют [96,117,125,137,140] или мало информативны.
Поскольку главной целью является постройка ПЛ, то основные усилия должны быть направлены на обеспечение передовых технологий производства, которое не мыслимо без его машинизации. Одним из элементов машинизации производства является использование производственной математической модели (ММ) корпусных конструкций. Однако основой ее формирования является геометрическая модель (ГМ) поверхностей конструкций, в частности, и при определении архитектуры (внешнего облика) ПЛ. При решении проблемы разработки единой систе-
мы проектирования и постройки корпусных конструкций, в качестве основы, были приняты передовые технологии модульного проектирования [94,95,110]. Поэтому на современном этапе разработки и дальнейшего развития методологии проектирования показана перспективность внедрения принципов унификации также и в разработку форм поверхностей ПЛ, совмещаемых с максимальным использованием ЭВМ.
Таким образом, для разработки методологии комплексного геометрического моделирования поверхностей ПЛ был сделан упор на следующее.
-Максимальное обеспечение оптимизации (в общепроектном смысле) функционального назначения ПЛ не только по вопросам решения компоновочных проблем, но и эффективности корабля в целом, в соответствии с требованиями заказчика.
-Технологичность организации процесса проектирования обводов с формированием ее ГМ путем внедрения типизации форм поверхностей архитектурных конструкций ПЛ с приведением их к модульным схемам формирования при одновременном обеспечении принципа простоты и наглядности конструирования, в основе которого лежит использование преемственности накопленного опыта "ручного" проектирования обводов. Причем, в тоже время, предусматривается и обеспечение достаточности информации для широкого применения возможностей вычислительной техники, в частности таких известных программных систем, как "AutoCAD" и "Pro/Engineer".
-Обеспечение непрерывного аналитического задания разрабатываемых ГМ поверхностей (отличающегося от традиционного задания в дискретной форме на каркасной сетке теоретического чертежа) с преобразованием их в производственные ММ, в основу которых заложен выбор и применение простых модульных и к тому же нормализованных математических зависимостей. Подобное формирование ММ поверхностей способствует исключению трудоемкой операции согласования обвода при переходе к стадии разработки технологической подготовки производства, что также делает ММ независимой от параметров разбивки практических шпангоутов, т.к. исключается привязка к шпациям/сечениям и, соответственно, выполнение аппроксимационных операций при расчетах в промежутки между сечениями. Такой подход к разработке ММ поверхностей ПЛ приводит, в целом, к сокращению сроков и повышению качества корпусообрабатываюшего производства.
-Учет технологии производства и особенностей корпусных конструкций ПЛ (технологичность постройки) при формировании ММ поверхностей, в том числе в случае включения задания их эквидистантности,
с сохранением алгоритмов их формирования от ранних этапов разработки поверхностей до заключительных этапов формирования корпусных конструкций на верфи, полностью обеспечивая современный технологический процесс производства и постройки ПЛ.
Разработкой методологии геометрического моделирования поверхностей ПЛ при проектировании и подготовке производства ликвидируется пробел по организации единого технологического процесса формирования архитектуры ПЛ для всех этапов разработки проекта и организации постройки. Одновременно, при применении такой методологии геометрического моделирования поверхностей внешнего облика ПЛ, архитектуре корабля придается своего рода значение механизма/инструмента по объединения (комплектования) корабля в сложную единую систему, направленную на выполнение всего комплекса функциональных задач, определяемых техническим заданием на проектирование.
Все указанные основные принципы, заложенные в разработку методологии, позволили не только обеспечить сокращение сроков проектировочных работ, но и значительно повысить качество формирования корпусных конструкций.
Теоретические проблемы и принципы современной методологии разработки поверхностей архитектуры подводных лодок
При разработке корабельного дизайна ПЛ в отличии от общепринятого понятия свободного дизайна решаются труднейшие технические проблемы по проектированию сложного корабельного сооружения, представляющего собой единую комплексную разветвленную систему ПЛ.
Внешней архитектурой ПЛ должно увязываться обеспечение функционального назначения корабля и выполнение требований, связанных с гидродинамикой обтекания в рамках задач, соответствующих своему основному назначению ПЛ: по характеристикам скоростей хода, маневренности, шумности и т.д., которые тесно увязываются с ее архитектурно-конструктивной схемой.
Из-за сложности комплексного решения по увязке всех проблем и требований, предъявляемых к сложной системе, представляемой архитектурой ПЛ, необходимо прибегать к широкому внедрению принципов современной методологии проектирования.
До настоящего времени в окончательном виде еще не сформулированы понятия, определяющие характерные особенности методологии корабельного дизайна и механизмы реализации и учета всех критериев принятия решений по формированию комплекса внепшего архитектурного облика ПЛ на основе факторов гидродинамической природы происхождения, конструктивных и технологических. Основные проблемы формирования дизайна ПЛ с учетом функционального назначения корабля, которые отражаются в сложной системе проекта представлены на рис. 1.1 и заключаются в решении следующих проектировочных задач.
1.Организации процесса проектирования внешнего архитектурного облика с обеспечением непрерьшности процесса его формирования на всех стадиях разработки и возможностью выполнения технической оценки качества проектирования обвода (визуально-графической и расчет-но-числовой) и его конструктивного оформления. Обоснованием правильности в принятии решений могут являться критерии качества архитектуры ПЛ на основе выполнения кораблестроительных расчетов и результатов комплекса научно-исследовательских работ или оценок.
2.Выборе оптимального решения для формообразования обвода с учетом комплекса задач функционального использования ПЛ. К функциональному использованию относится эффективность применения всех корабельных технических средств, определяющих целевое назначение ПЛ, и достижение целесообразных для обеспечения назначения ПЛ особых характеристик, определяемых физическими факторами взаимодействия с внешней средой (мореходность, ходкость, маневренность, шумность и т.д.). которые часто находится в противоречии друг с другом.
Поэтому выбор оптимального проектировочного решения из противоречивых альтернатив является ответственным и важным этапом отработки обводов.
3. Технологии проектирования и конструирования поверхностей, которыми представляется архитектура ПЛ, а также разработки алгорит ма образования, графического отображения и закрепления формы по верхности архитектуры на основе геометрической модели (ГМ) поверх ности архитектуры.
Современный процесс создания обвода должен сопровождаться выпуском и уточнением проектной документации при широким применении электронной вычислительной техники (ЭВТ) на основе разработки математической модели поверхности. Этим обеспечивается выдача необходимой информации по поверхностям конструкций ПЛ на магнитных носителях на всех этапах их проектирования и разработки, а также для организации технологии корпусного производства и постройки ПЛ.
Решение указанной проблемы предусматривает конструктивное и материальное воплощение архитектуры ПЛ с применением опыта передовых мировых технологий производства судовых конструкций (использование станков с программным управлением, бесплазовых методов раскроя корпусных деталей и т.д.).
4. Реализации развития системы автоматизированного проектирова ния (САПР) соответствующего потребностям и технологиям современного производства.
Существующая система автоматизированного проектирования новых проектов базируется на банк данных теоретических чертежей серии судов типов и классов, когда имеется опыт проектирования и эксплуатации для нового проектирования.
В этом случае проектирование, по существу, сводится к деформированию обводов и выбору главных размерений на соответствие требований технического задания, а решение конструкторско-технологических вопросов обеспечивается ЭВТ.
В силу изложенного актуальным является разработка технологии проектирования архитектуры ПЛ с возможно большей автоматизацией процесса конструирования и технологии ее постройки, включающих в себя не только создание конструктивной математической модели (КММ) архитектуры ПЛ, но и разработку полной строительной математической модели (СММ) с отражением телесности набора и обшивки формирующей поверхностей конструкции.
Поэтому в основе современной методологии проектирования архитектуры ПЛ должна лежать совокупность понятий, принципов, методов и математического аппарата построения обводов, с помощью которого будут решаться проектно-конструкторские задачи на базе системного подхода при принятии решения.
При системном подходе учитываются связи и соотношения между специализированными злементами (частями) внутри системы архитектурного комплекса ПЛ единого функционального назначения, находящегося под воздействием набегающего на него потока с целью принятия решения по выбору геометрии составляющих ее влементов таким образом, чтобы обеспечить оптимальные выполнение возложенных на них задач.
Методология системного проектирования архитектуры ПЛ предус- матривает оптимальность в принятии решений, которая носит относительный, условный характер, учитывающий приоритетность одних элементов и их задач по отношению к другим. Поэтому архитектура ПЛ, представляемая в качестве единой системы, должна оптимизироваться в целом по главенствующему и определяющему целевому назначению.
Целевое назначение корабля определяется внутренним проектированием характеристик (компоновкой) основных подсистем и элементов корабля ( механизмов, боевого оружия, средств связи, обитаемости и т.д.) и их взаимными связями, которые обеспечивают достижение лучших внешних характеристик функционального назначения ПЛ в целом: скорость хода и маневренность, мореходность, боевой потенциал, автономность, шумность, надежность и т.д. Внешние и внутренние характеристики в процессе проектирования постоянно уточняются, чередуются друг с другом формируя итерационный процесс проектирования.
Внутреннее проектирование связано с компоновкой, а формообразование архитектуры ПЛ, находящееся под влиянием физических факторов обтекания поверхности ПЛ, относится к процессу внешнего проектирования.
Уже в начале проектирования при выборе принципиальной архитектурно-конструктивной схемы корпуса ПЛ (однокорпусной, двухкорпусной или полуторакорпусной) принцип системности проявляется в установлении взаимной связи внутреннего и внешнего проектирования.
Данные по архитектуре являются основой для комплекса проектировочной компоновки, а также корабельных расчетов и разработки конструкции. Непрерывность компоновочного процесса проектирования . ПЛ на всех стадиях разработки проекта неразрывно связана с прора-. боткой ее архитетуры ПЛ, степень отработки которой во многом определяет и качество проектирования в целом (см.рис.1.1).
Анализ особенностей обтекания архитектурных элементов подводных лодок и выбор опорных контуров их формирования
Выбор параметров геометрической формы поверхностей, в оптимальном смысле, состоит в отражении спроектируемыми поверхностями компромиссного выбора, учитывающего многофункциональное назначение и влияние значительной роли гидродинамических факторов, вызванных обтеканием. Особое значение гидродинамики проявляются при формировании переходных межзлементных обтекателей-зализов архитектуры.
Поиску и нахождению формообразующих контуров, увязывающих проектируемую поверхность в единый объект с обще проектировочным целевым функциональным назначением в значительной степени предшествует предварительный исследовательский анализ структур обтекания частей архитектуры ПЛ и их особенностей. Используя предварительный анализ структур обтекания моделей ПЛ производится выбор необходимых параметров для линий, которые могут использоваться в роли управляющих формой опорных базовых контуров поверхностей.
При комплексном подходе к проектированию архитектуры ПЛ выбранные опорные контура могут обеспечить собой функции формирования и определения основных критериев целевого прогнозирования формы поверхностей ее элементов (рис.2.3). Однако, на первом этапе, когда отсутствует полный набор критериев выбора формы, приходится ограничиваться использованием опыта предыдущего проектирования и исследований структур обтекания ранее испытанных моделей ПЛ. В этой ситуации в качестве критерия выбора основного опорного контура формирования поверхностей принимается направление устойчивых структур линий тока, которые выбираются в качестве ориентира определения направляющих линий формирующих поверхности. Неверный выбор этих линий, с нарушением плавности обтекания, вызывает смещение структуры линий тока и, соответственно, возникновение источника вихреобразования.
Накопленный опыт практического проектирования, который сопровождался результатами обработки большого количества исследований продувок моделей ПЛ в аэродинамической трубе с выявлением линий то ка вблизи поверхностей архитектуры и ее элементов, позволил подойти к выполнению прогнозирующего анализа характеристики структуры течения потока относительно различных формообразований обводов.
Исследовательское определение линий тока производится с помощью различных методов (шелковинками, краской). В большинстве случаев анализ структур обтекания базируется на результаты, полученные по методике ГосНИЦ ДАТИ с использованием обклейки выбранных участков поверхностей моделей ПЛ шелковинками длиной около 35 мм, а также на проверку интенсивности вихреобразования с помощью щупа. Возможно и расчетное определение линий тока по поверхности, которая математически задана (например, по методике ГосНИЦ ЦАГИ).
Анализ структуры безотрывного обтекания элементов архитектуры (при отсутствии вихреобразования) показал, что по всему массиву направления потока всегда можно обнаружить область стабилизированного направления линий тока в районе примыкания плоского (по направлению набегающего потока) и пространственного (объемного) обтекания элемента.
Исследования показали, что стабилизированность в направлении потока на корпусе модели сохраняется в диапазоне изменений углов атаки и дрейфа, имеющих место в условиях практического маневрирования по глубине и курсу. Следовательно, нельзя отрицать правомерность в использовании выявленных особых направлений линий структур обтекания в качестве связующих характеристик обтекания и геометрической формы создаваемых поверхностей.
В выборе прогнозируемых опорных контуров (направляющих линий) и закономерности их формообразования, которые представляются как особые зоны со стабилизированным направлением потока, и заключается главная идея по формированию геометрического алгоритма построения поверхностей архитектуры ПЛ, в совокупности с использованием понятий геометрического и алгоритмического определителей поверхностей.
Анализ аэродинамических продувок моделей ЕЛ показал, что аналогичная переходная зона пространственного и плоского обтекания проявляется вдоль поверхности элемента корпуса в областях перехода от носовой оконечности к цилиндрической вставке, а также после нее в кормовой части. Аналогичные зоны обнаруживаются на любом элементе архитектуры вне зависимости от его назначения (корпус, выступающая часть) Принимая за основу принципа кинематического формирования поверхностей структуру их обтекания в упомянутых зонах выбираются соответствующие характеристики формообразования, выполняющие роль геометрических определителей поверхностей.
Таким образом, в изложенной методологии проектирования поверхностей архитектуры ПЛ носителями параметров их формы будут являться, кроме опорных контуров направляющих линий тока и образующих (геометрических определителей), и логическая часть, отражающая закономерность трансформации поверхности между крайними положениями образующих на отдельно взятых частях (отсеках поверхностей) для каждой проектируемой поверхности (алгоритмический определитель).
На основе приведенного исследования задача поиска алгоритма проектирования поверхностей свелась к задаче разработки и задания конструктором системы ключевых формообразующих контуров совместно с формированием закономерности и трансформации формы создаваемых поверхностей по всей протяженности объекта проектирования.
Полученные параметры геометрических характеристик формы поверхности в совокупности с логическим алгоритмом ее построения обеспечивают геометрическую модель поверхности своим математическим описанием. Одновременно это описание является инструментом построения геометрической модели поверхности, а также и обоснованием ее технической оценки.
Подтверждением правильности выбранной методологии конструирования поверхности формы архитектуры может служить опробация реального проектирования ПЛ с доведением работ до стадии технической подготовки производства и постройки. При развитой системе машинизации работ, и при формировании необходимых критериев выбора, обеспечивается оценка качества проектирования поверхностей архитектуры с выполнением на конечной стадии разработки комплексной оценки ее формы, не исключающей и дополнительной объемной визуализации качества под различными пространственными углами зрения.
Исследовательский анализ структур обтекания различных моделей проектов ПЛ позволяет кроме обеспечения обоснованного выбора опорных линий разрабатываемых поверхностей, одновременно выполнять достаточно аргументированный прогноз целесообразности принятого формообразования по количественным характеристикам проявления гидродинамических факторов.
При соответствующем опыте проектирования принимаемый подход в разработке архитектуры ПЛ, с целью достижения повышения качественного уровня разработки поверхностей корабля, является наиболее естественным и оперативным по результативности технического обеспечения в облике архитектуры ПЛ необходимых гидродинамических критериев при сочетании их с компоновочными критериями (функционального назначения, живучести, динамики движения, скрытности).
Расчетные уравнения кривых второго порядка, используемые для описания формообразующих контуров поверхностей
Реальность возможности выбирать обводы путем аналитического решения, учитывающего взаимодействие набегающего потока с корпусом, высказывалась еще в начале века Генри Мичеллом [46].
Максимальному удовлетворению всем требованиям и задачам, которые предъявляются к проектируемой ПЛ, в соответствии с ее функциональным назначением, должен способствовать и научно обоснованный выбор формы поверхностей корабельной архитектуры и ее ГМ.
Внедрению такого подхода в формирование обводов способствует введение понятий о проектировочных геометрических и логических связях, влияющих на выбор формы поверхностей архитектуры (обводов) ПЛ в зависимости от ее назначения.
К проектировочным геометрическим связям (ПГС) следует отнести параметры, отражающие влияние на архитектуру конструктив но-компоновочных условий формообразвания корпуса с ВЧ (внутренней и внешней компоновки механизмов, оборудования, систем, устройств, вооружения, конструкций, обитаемых помещений, запасов и т.д. сопровождаемых решением задач распределения весов и объемов по кораблю), которые определяют параметры распределения водоизмещения ЇЇЛ.
Проектировочными логическими связями (ШІС) охватываются физически обусловленные проявления гидродинамических факторов, особенно существенных при движении ПЛ в водной среде, характер которых определяется степенью отработки формы (обтекаемостью) поверхности ПЛ.
К элементам системы проектировочных логических связей необходимо относить следующие явления физического проявления взаимодействия внешней среды набегающего потока с обводами корпуса ПЛ в порядке рассмотрения и анализа их влияния: визуализацию линий тока вблизи от обводов ПЛ (структуру обтекания) - распределение давления по корпусу (вдоль и поперек потока) - суммарные гидродинамические силы возникающие на корпусе, в том числе определяющие величину сопротивления движению (буксировочное сопротивление) - распределение пограничного слоя со своей структурой по длине корабля - поле скоростей и неоднородность потока за корпусом корабля, а также его пульсации относительно среднего значения (включая вблизи обшивки, возбуждающие конструкции корпуса) - акустическое поле, определяемое обтеканием жидкостью - гидродинамическое поле за корпусом и т.д.
Физические параметры составляющие ПЛС, находясь во взаимодействии с внешней архитектурой ПЛ требуют обеспечения определенного формообразования поверхностей архитектуры ПЛ с учетом сочетания взаимной компоновки ее элементов (расположения), включая оформление переходных зализов (обтекателей) [47],С49],L503.
Представленная система ПЛС имеет разветвленную структуру, увязываемой с дополнительными характеристиками функционального назначения ПЛ, которые определяются только при ее движении, что еще больше расширяет значимость гидродинамических факторов в области внешнего проектирования. Например, это проявляется в области влияния структуры пограничного слоя на уровень акустических помех работе гидроакустических комплексов или влиянием степени неоднородности потока на шумоизлучение работающего движитель ного комплекса и т.д.
Структуры проектировочных связей (ПГС и ПЛС) находятся в прямой и обратной зависимости с геометрией (формой) поверхностей архитектуры ПЛ, отображенной в ГМ при надлежащим образом выбираемых "параметрах" (аргументах) и "характеристик" воздействующих на формирование криволинейных поверхностей архитектуры ПЛ. С помощью них устанавливаются между структурами ПГС и ПЛС определенные отношения.
Благодаря известного накопленного опыта комплекса исследований, характеризующихся наличием многочисленных параметров геометри
ческих и логических связей с включением выполнения процедур декомпозиции и анализа комплектующих архитектуру поверхностей, с помощью которых учитывается взаимное влияние частей архитектуры ПЯ на форму обводов и облика ПЛ в целом, уже в начальной стадии разработки проекта существует реальная возможность прогнозирования необходимых формообразований каждого элемента архитектуры ПЛ.
После окончания формирования комплекса внешней архитектуры корабля производится расчетно-исследовательская проверка и уточнение достигнутых значений проектных характеристик [35].
Опыт проектирования внешней архитектуры ПЛ с проведением модельных и натурных испытаний и их анализом, позволяет при всем многообразии отношений и связей выделить наиболее существенные (определяющие), с помощью которых можно добиться разработки такой формы обводов, чтобы наилучшим образом обеспечить удовлетворение необходимых технических требований для ПЛ в целом.
В процессе формирования обводов с подключением процедуры их анализа производится уточнение возможностей по достижению характеристик обтекания, выражаемых параметрами ПЛС (структурой обтекания, распределением по длине карпуса/ВЧ давления, буксировочным сопротивлением и гидродинамическими силами, полевыми характеристиками, например, степенью неоднородности потока за корпусом и др.).
Проектирование поверхностей архитектуры ПЛ является развивающимся процессом, который сопровождается выбором оптимального решения из многих альтернатив путем последовательного проведения процедур анализа и синтеза формы проектируемых обводов (учитывая взаимодействие ПГС и ПЛС с механизмом управления формой поверхностей через ГОЛ). Изложенная процедура проектирования поверхностей архитектуры ПЛ отражает сущность интерактивного взаимодействия, сопровождающего процесс проектирования, при котором обеспечивается тщательная отработка формы обводов.
При системном подходе к использованию ПГС и ПЛС в проектировании внешней архитектуры ПЛ устанавливаются связи и соотношения между отдельными ее компонентами-частями (формируя единую геометрическую систему архитектуры ПЛ) , которые позволяют оценить возможность обеспечения для каждого из этих элементов максимальной эффективности при выполнении их конкретных функциональных задач.
Достижение степени целевого эффекта с принятием окончательного решения лежит в степени достоверности учета и правильности выбора того или другого проектировочного требования (конкретного задания), в качестве приоритетного, относительно другого.
Перевод задания замкнутой формы шпангоутов корпуса с кривых второго порядка на радиусографический метод
Выполненные исследования при одновременном сопровождении внедрения полученных результатов в методологию проектирования поверхностей архитектуры конкретных проектов ПЛ и их ГМ, позволили сформулировать следующие основные требования, предъявляемые к программному обеспечению, соблюдением которых обеспечивается процесс комплексной разработки ГМ и ММ поверхностей ПЛ с машинным их расчетом.
1 Необходимость организации работы пользователя на ПЭВМ в режиме интерактивного диалога с обеспечением простоты и наглядности диалога, сопровождающихся широкой вариацией геометрических параметров задания поверхности и ее выводом на пространственную графику.
2 Неограниченность накопления объема прикладных программ и данных в памяти ЭВМ с минимизацией времени по поиску информации (программных модулей) в библиотеке ее программ.
3 Организация системы по обмену информацией, хранящейся в памяти различных ЭВМ у. пользователей смежных проектных подразделений.
4 Необходимость обеспечения приемственности новейших методов работы на ЭВМ с традиционными методами проектирования корабельных поверхностей (не отвергая их), преследуя цель по расширению круга критериев для всесторонней оценки качества проектирования.
При этом необходимо способствовать широкому внедрению различных графопостроителей (планшетных, рулонных) в целях представления поверхностей в объемном виде, произвольно сориентированных в пространстве для комплексной визуальной оценки разработанных форм.
5 Обеспечение достижения конечной цели формирования поверхнос тей с разработкой ММ всей ПЛ при полном объеме выходных данных:
а) Конструктивной модели (KM) поверхности с нанесенным положе нием конструктивного набора, стыков и пазов обшивки, которыми пре дусматривается отображение телесности профилей набора и обшивки, включающей разделку кромок под сварку и т.д., достаточной для пре образования ее в строительную модель (СМ).
б) Организации всего комплекса теоретических кораблестроитель ных расчетов (статике, динамике, нагрузке, прочности и др.), а так же разработки и внедрения системы автоматизированного (по вводимым признакам) формирования помещений и объемов.
в) Графического и цифрового вывода данных, формирующих архи тектурные поверхности (на бумажных и магнитных носителях), которыми предусматривается обеспеченность всего комплекса модельных испыта ний, различных конструкторских разработок, а также технической под готовки производства.
6 Обеспечение возможности аппроксимации аналитически заданных КВП исходных поверхностей корпуса ПЛ другими функциями для приведения ее ММ к виду окончательного производственно-технологического дискретного (жесткого) каркаса заданного радиусографическим методом, позволяющих выполнять последующее интерполирование поверхностей в промежутках сетки дискретного каркаса.
7 Обеспечение возможности итерации (доводки) поверхностей на всех этапах проектирования при соблюдении минимальной корректировки первичной ММ, способствующей достигнуть максимальной эффективности по трудоемкости и качеству всех проектных и корректировочных работ.
8 Наличие возможности выделения в отдельную задачу проблемы as оценки влияния геометрических особенностей разрабатываемых поверхностей на отработку размещения оборудования и систем во внутренних помещениях корпуса в форме самостоятельного модуля геометрического проектирования, включающего в себя визуальную пространственную оценку результатов компоновки в аксонометрической проекции ПЛ.
Созданная алгоритмическая база формирования ММ поверхностей ПЛ позволяет поставить первоочередную задачу использования ее для разработки необходимого блока программного обеспечения расчетов на ЭВМ. Для положительного ее решении требуется предусмотреть удобство операции вывода на экран монитора определенного круга информации для пользователя, способствующей повышению информативности по продвижению проектировочного процесса, а, следовательно, и эффективности труда проектанта - разработчика обводов, например, следующих: -цифровых данных образмеривания компонентов КВП; -отображения мнемосхем с указанием ориентирования КВП в пространстве, а также определения их формы (нвыпуклости"/"вогнутости"); -положения начальной и конечной опорных точек КВП, составляющих ключевые каркасы в местной системе координат; -обозначения конкретной "условной символикой" роли, которую выполняет данная КВП в формообразовании обводов ПЛ (направляющая или образующая).
Предложения по фрагментации мнемосхем отдельных видов КВП, применяемых для задания или при расчете формообразующих каркасов приведены на рис.3.13. Запись особенностей непрерывного каркаса, состоящего из элементов КВП должна отражать: -количество элементов КВП в контуре (число участков контура); -перечень параметров задания КВП всех элементов контура; -порядок гладкости в узловых точках стыковки элементов. Подобную запись исходных данных (исходя из "практики проектирования при работе с КВП) рациональней отражать в табличной форме (табл. рис.3.14).
При этом, язык машинной графики должен быть в максимальной степени приближен к традиционным формам обозначений, применяемых до настоящего времени в практике образмеривания чертежей корабельных поверхностей, удобен для диалоговой формы работы на ЭВМ обеспечивая минимизацию построения структур для исходных данных задания формы, удобен при работе с банком данных сформированных поверхностей и пр.
