Моделирование корпуса судна в САПР КОМПАС 3D

Татьяна Горавнева,
к.т.н., доцент кафедры вычислительной техники и информационных технологий, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Вера Семенова-Тян-Шанская,
к.т.н., доцент кафедры вычислительной техники и информационных технологий, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

В статье обсуждаются решения задач, связанных с возможностями автоматизированной системы КОМПАС 3D по геометрическому моделированию судостроительных объектов — поверхностей корпуса судна. Приведены средства автоматизации при построении теоретического чертежа судна, основанные на использовании автоматизированного способа построения сплайнов на базе точек, введенных из заранее созданного файла. Такой способ резко снижает трудоемкость построения и позволяет при необходимости изменения координат быстро выполнить перестроение кривых в теоретическом чертеже. Рассмотрены способы моделирования корпуса судна: на основе плоских кривых — сплайнов, построенных на различных смещенных плоскостях по таблично заданным ординатам теоретического чертежа; с помощью пространственных кривых, координаты которых совпадают с координатами обводов судна. Выполнена практическая реализация методов моделирования трехмерных моделей корпусов судов.

В системах автоматизированного проектирования могут обрабатываться трехмерные модели, информация о геометрических параметрах которых может использоваться не только для графической визуализации модели, но и для получения различных расчетов и подготовки программ с числовым программным управлением (ЧПУ). В связи с этим исследование возможностей системы КОМПАС 3D для геометрического моделирования судостроительных объектов — поверхностей корпуса судна — является современной и актуальной практической задачей.

В процессе решения данной задачи были рассмотрены:

• средства автоматизации при построении теоретического чертежа судна;
• способы моделирования корпуса судна на основе теоретического чертежа.

Моделирование проекций корпуса трехмерных моделей судов

Цель задачи — на основе имеющегося теоретического чертежа выполнить проектирование в трехмерном режиме работы КОМПАС 3D электронной модели корпуса судна.

Система КОМПАС 3D позволяет создавать криволинейные поверхности (грани) различными способами [1]. Эти способы основаны на применении построений пространственных точек, кривых, поверхностей, а затем придании толщины для создания объемной твердотельной модели, так как смоделированные поверхности не имеют толщины. Можно также применить к построенным контурам твердотельную операцию По сечениям или По траектории, так как именно данные операции также создают криволинейные грани, которые характерны для корпусов судов.

Рассмотрим и затем применим разные способы построения криволинейных граней для дальнейшего анализа возможности использования их в моделировании электронных моделей корпусов судов.

1 Использование шпангоутов:

• на основе пространственных кривых — сплайнов, построенных по таблично заданным ординатам теоретического чертежа;
• на основе плоских кривых — сплайнов, построенных на различных смещенных плоскостях (шпациях) по таблично заданным ординатам теоретического чертежа.

2 Использование ватерлиний:

• на основе пространственных кривых — сплайнов, построенных по таблично заданным ординатам теоретического чертежа;
• на основе плоских кривых — сплайнов, построенных на различных смещенных плоскостях, соответствующих ватерлиниям, по таблично заданным ординатам теоретического чертежа.

В качестве исходных данных для построения электронной модели корпуса был взят теоретический чертеж и его ординаты из учебного пособия [2].

Для построения кривых шпангоутов и ватерлиний теоретического чертежа были проделаны вспомогательные расчеты с использованием программы офисного приложения Microsoft Excel 2016.

Для построения шпангоутов данные расчетов представлены в виде отдельных столбцов (ординаты Y, аппликаты Z) для каждого шпангоута от 0 до 11. Для каждого шпангоута был сохранен отдельный файл.

Создание теоретического чертежа в системе КОМПАС 3D подробно рассмотрено в учебном пособии СПбГМТУ [3]. Построение основано на использовании графических объектов — сплайнов путем ввода вручную характерных точек с координатами X, Y на плоскости.

В данной работе была использована другая методика — автоматизированный способ построения сплайнов на базе точек, введенных из заранее созданного файла. Такой способ резко снижает трудоемкость построения и при необходимости изменения координат позволяет быстро выполнить перестроение кривых в теоретическом чертеже.

Известно, что при построении сплайновых кривых по точкам/по полюсам или кривой Безье можно вводить вершины по числовым координатам, читая их из файла [4, 5].

Файлом исходных данных может быть текстовый неформатированный файл, в котором имеются столбцы чисел — координат X, Y вершин кривой.

Кроме того, в качестве готового файла может выступать табличный файл программы Excel в версии 97­2003, то есть файл с расширением *.xls.

Другой важной особенностью построения сплайнов является возможность, не изменяя координат вершин, менять наклон с помощью варьирования касательной в узловой точке. Это позволит при построении шпангоутов для плоскодонных судов более плавно перейти к днищу, так как некоторые шпангоуты не заканчиваются в точке 0,0.

Рис. 1. Файл — фрагмент проекции
Корпус теоретического чертежа

Алгоритм построения проекции Корпус теоретического чертежа (рис. 1):

1. Создаем новый фрагмент.
2. Чертим вспомогательные прямые.
3. Выбираем команду Сплайн по точкам.
4. Читаем из файла Excel таблицу вершин 0­го шпангоута.
5. Проверяем правильность построения на фантоме кривой. При необходимости изменяем кривизну кривой способом по касательности.
6. Завершаем построение кривой шпангоута.
7. Читаем значения вершин из следующего файла шпангоута и повторяем процедуру для остальных шпангоутов от 1 до 10.
8. Окончательно завершаем формирование проекции Корпус теоретического чертежа.

Для построения кривых ватерлиний в проекции Полуширота также будем вводить вершины по числовым координатам, читая их из файла.

В качестве готового файла будет выступать табличный файл программы Excel в версии 97­2003, то есть файл с расширением *.xls.

Для построения ватерлиний данные расчетов представлены в виде отдельных столбцов (абсциссы X, ординаты Y) для каждой ватерлинии от 0 до 9. Для каждой ватерлинии был сохранен отдельный файл. Добавочные строки в начале и конце каждого файла были получены с помощью значений абсцисс носа и кормы таблицы ординат теоретического чертежа.

Рис. 2. Файл — фрагмент теоретического чертежа проекции Полуширота

Алгоритм построения проекции Полуширота теоретического чертежа с ватерлиниями, представленной на рис. 2:

1. Создаем новый фрагмент.
2. Чертим вспомогательные прямые.
3. Выбираем команду Сплайн по точкам.
4. Читаем из файла Excel таблицу вершин 0­й ватерлинии.
5. Проверяем правильность построения на фантоме кривой. При необходимости изменяем кривизну кривой способом по касательности.
6. Завершаем построение кривой ватерлинии.
7. Читаем значения вершин из следующего файла ватерлинии и повторяем процедуру для каждой из ватерлиний 1­9.
8. Окончательно завершаем формирование проекции Полуширота теоретического чертежа с ватерлиниями.

Построение электронной модели корпуса судна

Чтобы применить полученные проекции теоретического чертежа в моделировании электронной детали корпуса судна, можно воспользоваться следующими способами:

• на основе плоских кривых — сплайнов, построенных на различных смещенных плоскостях (шпациях) по таблично заданным ординатам теоретического чертежа;
• на основе пространственных кривых — сплайнов, построенных по таблично заданным ординатам теоретического чертежа.

В первом случае алгоритм построения выглядит следующим образом:

1. Создаем новую деталь.
2. Выполняем построение нескольких вспомогательных плоскостей, смещенных на расстоянии шпации друг от друга.
3. Выделяем первую плоскость. Переходим в режим создания эскиза. Копируем из файла — фрагмента теоретического чертежа 0­й шпангоут и вставляем его в эскиз. Завершаем эскиз и переходим в режим детали.
4. Выделяем 2­ю плоскость и повторяем построения в пунктах 4­6. Аналогично выполняем построения для остальных шпангоутов.
5. В результате получаем серию плоских кривых, расположенных на разных плоскостях.
6. Выбираем команду Поверхность по сечениями указываем построенные эскизы. По завершении команды получаем поверхность корпуса одного борта судна.
7. Выбираем команду Зеркальное отражение и моделируем второй борт (рис. 3).

Рис. 3. Корпус с эскизами-шпангоутами

При построении по данному способу часть корпуса оказывается недостроенной, так как нет ни промежуточных носовых и кормовых шпангоутов, ни эскиза оконечностей.

Поэтому для завершения процесса построения необходимо применить второй способ — построить пространственные шпангоуты, а также учесть пространственные оконечности форштевня и ахтерштевня.

Поскольку сплайны шпангоутов уже построены в соответствующих эскизах, нет необходимости повторять данные построения. Как показали практические построения, 0­й и 10­й шпангоуты будут ухудшать процесс моделирования поверхности, поэтому далее их учитывать не будем. А вместо них задействуем новые кривые — форштевень и ахтерштевень.

Действуем по следующему алгоритму:

1. Отменяем построение поверхности по сечениям.
2. Выполняем команду Сплайн по объекту и указываем 1­й шпангоут.
3. Аналогично строим пространственные сплайны по объекту для 2­9­го шпангоутов.
4. Для построения пространственного сплайна носовой оконечности сначала подготавливаем файл в электронных таблицах Excel. В табличной форме в столбцах располагаются значения координат X, Z (Y=0). Аналогично готовим и сохраняем файл кормовой оконечности.
5. На диаметральной плоскости создаем эскиз. Вызываем команду Сплайн по точкам, читаем числовые данные из файла носовой оконечности. Завершаем эскиз.
6. На диаметральной плоскости создаем новый эскиз. Вызываем команду Сплайн по точкам, читаем числовые данные из файла кормовой оконечности. Завершаем эскиз.
7. Выполняем команду Сплайн по объекту и указываем форштевень, а затем и ахтерштевень.
8. Выполняем команду Поверхность по сети кривых, последовательно указывая носовую оконечность, 1­9­й шпангоуты, а затем и сплайн в кормовой части.
9. Полученный первый борт корпуса зеркально отражаем (рис. 4).

Рис. 4. Поверхность корпуса с пространственными сплайнами-шпангоутами

Заключение

На основе выполненных практических приемов построения следует отметить, что несмотря на сложную форму судостроительной поверхности, система автоматизированного проектирования КОМПАС 3D позволяет проектировать электронную модель корпуса судна для наглядного представления его формы и размеров. Такое проектирование можно проводить с использованием пространственных кривых и поверхностей разного типа.

Однако вопрос использования системы КОМПАС 3D для реального проектирования судовой поверхности остается открытым.

Литература:

1. КОМПАС 3D V16. Руководство пользователя // М.: ООО «АСКОН — Системы проектирования», 2015. [URL]: http://edu.ascon.ru/source/info_materials/kompas_v16/KOMPAS­3D_Guide.pdf — (дата обращения: 10.03.2019).
2. Мирохин Б.В. Методические указания по разработке и изготовлению теоретических чертежей, необходимых для расчетов по теории корабля / Б.В. Мирохин, Н.А. Петров // СПб.: Изд. СПБГМТУ, 2015. [URL]: https://bk.smtu.ru/books/01024MU/index.htm — (дата обращения: 10.03.2019).
3. Дмитриев С.А. Создание теоретического чертежа корпуса судна с использованием САПР КОМПАС / С.А. Дмитриев, В.Л. Раков, С.В. Чехович // СПб.: Изд. СПБГМТУ, 2015. [URL]: https://bk.smtu.ru/books/13212MU/index.htm — (дата обращения: 10.03.2019).
4. Горавнева Т.С. Мультимедийная система­тренажер. Ч. 3. Профессиональные приемы моделирования в САПР КОМПАС 3D / Т.С. Горавнева // Учеб. пособие. СПб.: Изд. СПБГМТУ, 2016. 135 с.
5. Горавнева Т.С. Мультимедийная система­тренажер. Ч. 2. Базовые приемы двумерного моделирования в САПР КОМПАС 3D / Т.С. Горавнева // Учеб. пособие. СПб.: Изд. СПБГМТУ, 2015. 125 с.