Александр Стремнев,
к.т.н., доцент кафедры информационных технологий Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова
Пожалуй, помимо авиастроения, нет области конструирования, где требования к сложной поверхностной геометрии не определялись бы прихотливыми соображениями эстетики и дизайна, а подчинялись строгим естественным законам, в основе которых лежит предельная функциональность. Именно на этом предметном поле стоит рассмотреть возможности популярной отечественной САПР КОМПАС-3D.
Где еще предельный функционализм воплощается в столь элегантных геометрических формах, как не в авиастроении. Задачи именно этой предметной области могут служить тем мерилом, по которому стоит оценивать возможности САПР в качестве универсального инструмента инженера-конструктора.
Знаменитый авиаконструктор А.Н. Туполев говорил, что «хорошо летать могут только красивые самолеты». Дело, конечно, не только в технической эстетике и художественном вкусе, а в том, что аэродинамика — точная наука и прихотливые абрисы воздушных судов обсчитываются на основе строгих математических выражений с учетом объективных физических законов.
Конструктивно большинство летательных аппаратов представляют собой объекты, основу которых составляет система ключевых опорных сечений (шпангоутов, нервюр). Их количество, форма и размеры определяются спецификой конструкции того или иного узла: фюзеляжа, крыла, киля, стабилизатора (рис. 1). Далее каркас обшивается для образования гладкой рабочей поверхности, взаимодействующей с воздушной средой.
Рис. 1
Рассмотрим, каким образом будет реализовываться данный подход при эскизном проектировании планера самолета средствами КОМПАС-3D [1, 3].
Начнем с центроплана, части фюзеляжа, к которой монтируются крылья и размещается основная полезная нагрузка. В нашем случае центроплан будет основываться на двух сечениях, которые необходимо соединить сплошной поверхностью. Наиболее рациональный инструмент для этого, имеющийся в палитре КОМПАС-3D, — Поверхность по сечениям (рис. 2).
Рис. 2
Для использования команды требуется указать как минимум два эскизных контура. Единственный нюанс здесь заключается в характере «входа» создаваемой поверхности в базовые сечения (рис. 3). По умолчанию направление определяется кратчайшим расстоянием между профилями. Другой вариант — это когда поверхность пересекает плоскости сечений по нормали. Данный способ является предпочтительным в том случае, если объект проектирования (водное или воздушное судно) будет набираться из отдельных стыкуемых между собой секций — результатом будет гладкое тело.
Рис. 3
Теперь перейдем к носовой части фюзеляжа, где размещается кабина пилотов и, под носовым обтекателем, — радиолокационные средства (рис. 4).
Рис. 4
Форму этой секции также можно представить системой сечений, но вот положиться на автоматически создаваемые программой переходы между ними будет сложно. Следует предусмотреть наличие дополнительных опорных элементов (стрингеров, лонжеронов), определяющих геометрию в продольном направлении (рис. 5).
Рис. 5
Для реализации этих кривых удобно использовать объект Сплайн по полюсам (рис. 6). Он дает возможность точно задавать направления касательных к контуру. Особенно это важно в крайних точках сплайна, где пара полюсов, примыкающих к вершине, определяет «интенсивность» касания — протяженность участка совпадения кривой с ее направлением.
Рис. 6
Получившийся трехмерный каркас на основе сечений и направляющих кривых можно «обшить» посредством команды Поверхность по сети кривых (рис. 7). Этот инструмент требует указания двух наборов базовых объектов (по условным координатам U и V («меридианам» и «параллелям»)).
Рис. 7
Помимо этого у команды есть возможность задать условие сопряжения со смежными участками поверхности (автоматическое, касательное, перпендикулярное). Например, если нам необходимо выполнить гладкое сопряжение носовой части фюзеляжа с его центральной секцией (рис. 8).
Рис. 8
Отдельного упоминания заслуживает опорное сечение в виде точки. Чаще всего оно является одним из крайних в наборе, и характером сопряжения с ним также можно управлять, установив, например, настройку-опцию Купол с определенным коэффициентом для сопряжения поверхности с точкой-вершиной. Такой вариант может быть применим для хвостовой части фюзеляжа (рис. 9).
Рис. 9
Силовой набор крыла, а также горизонтального и вертикального оперения, как правило, реализуется системой нервюр, каплеобразных профилей, форма которых определяет столь важную для объекта проектирования подъемную силу. По размаху крыла или стабилизатора эти профили имеют сходную геометрию, но отличаются размером (см. рис. 1). Если для моделирования крыльев (стабилизаторов) мы воспользуемся описанной выше технологией, то столкнемся с необходимостью многократного перепостроения сечений-эскизов, подобных между собой. Избежать этого и существенно ускорить работу позволяет механизм фрагментов в КОМПАС-3D. Создаваемый по специальному шаблону фрагмент является фактически параметризованным эскизом, для которого можно задать внешние переменные, которые в дальнейшем будут управлять его формой и размерами (рис. 10).
Рис. 10
Теперь для подготовки, например, сечений-нервюр крыла будет достаточно задать положение рабочих плоскостей и ключевых точек на них для вставки фрагментов-эскизов (рис. 11).
Рис. 11
Добавляя многократно фрагмент профиля на рабочие плоскости в заданные точки, мы можем устанавливать для каждого экземпляра конфигурацию по отдельным параметризованным размерам или используя масштаб (рис. 12).
Рис. 12
Конечно, приведенными здесь техническими приемами арсенал КОМПАС-3D для формирования аэродинамических поверхностей не исчерпывается [2]. Более полно раскрыть функционал этой САПР позволит ее практическое применение в предметных областях, подобных рассмотренной в этом материале.
Полезные ссылки:
- КОМПАС-3D — система трехмерного моделирования // https://ascon.ru/products/7/review/
- Форум пользователей ПО АСКОН: Профессиональные вопросы: Конструирование: Поверхностное моделирование // https://forum.ascon.ru/index.php?board=49.0
- Проект, рассмотренный в материале //https://disk.yandex.ru/d/EgmgxAPdDBqrlA
