7 - 2002

Проект Холланда — воссоздание первой подводной лодки с помощью цифрового макета

На выставке «Undersea Defence Technology 2002» («Военные подводные технологии»), которая проходила

18-20 июня в итальянском городе Ла Специя, IBM PLM впервые публично продемонстрировала модель лодки, созданную c применением программного обеспечения, разработанного фирмой Dassault Systemes. На 45-минутном сеансе посетители выставки могли ощутить себя моряками на погружающейся подлодке. Во время виртуального присутствия на лодке участники сеанса увидели работу двигательной системы, механизмов, вооружения, а также возможности движения лодки в погруженном и надводном состояниях.

То, что CATIA используется для проектирования подводных лодок в Европе и США, не является секретом, но демонстрируемая лодка представляла собой совсем необычный проект. Это был реальный проект, только не из будущего, а из прошлого...

В 1932 году, после двух десятилетий, когда судно «Ю.С.С. Холланд» (U.S.S. Holland) было выставлено в общественном парке, ржавая подлодка была пущена на слом. Такова печальная и неблагодарная участь судна, которое было признано первой современной подлодкой. Однако, если без сантиментов, неподобающая кончина судна инженера Холланда стала исторической трагедией. После разрушения подлодки и утери большей части чертежей, по которым она строилась, исследователи долгое время полагали, что возможность изучать инновационный гений этой субмарины и ее изобретателя Джона Холланда потеряна навсегда.

Однако через семьдесят лет, благодаря историческим изысканиям одного историка-любителя и магии трехмерного инструментария цифрового дизайна IBM и Dassault Systemes, корабль «Ю.С.С. Холланд» вернулся к жизни в виртуальной реальности. В результате исследователи и историки получили возможность совершить потрясающее путешествие в возникающую область виртуальной археологии и впервые постоять на цифровой палубе корабля Холланда.

Идея возрождения подводной лодки «Ю.С.С. Холланд» возникла в 1992 году, когда инженер Гарри Мак-Кью начал искать способ для обучения конструкторов субмарин работе с программным обеспечением по компьютерному дизайну. Подробные описания большинства современных подлодок, принадлежащих флотам разных стран, засекречены. Мак-Кью выбрал субмарину «Ю.С.С. Холланд» потому, что те данные, которые он мог найти, были достоянием общественности и их было слишком мало, чтобы смоделировать корабль полностью.

Начавшись как простой проект, воссоздание подлодки «Ю.С.С. Холланд» стало для некоторых из наиболее талантливых инженеров-судостроителей личной задачей. Большая часть данных, использованных при строительстве подлодки, была утеряна и разбросана. Крохи этой информации были обнаружены в Национальном архиве в Колледж-Парке, библиотеке Конгресса, музее Патерсона (в Нью-Джерси — городе, который стал родным для Холланда) и в музее субмарин США в Гротоне (шт.Коннектикут). Ключевую информацию нашли также в газетных статьях, письмах, старых каталогах и архивах компании General Dynamics Electric Boat — наследнице той, что строила лодку «Холланд VI» (так называлась подлодка до продажи ее США), и сегодня являющейся одной из ведущих кораблестроительных компаний, собирающих подлодки для американского флота.

По мере обнаружения новых деталей они загружались в систему компьютерного дизайна IBM PLM, использующую программное обеспечение CATIA, DELMIA и ENOVIA, разработанное партнером IBM — французской компанией Dassault Systemes. Благодаря мощным функциям трехмерного цифрового макета CATIA исследователи смогли полностью реконструировать дизайн подлодки и ее конструкцию. Инженеры применяли анимацию и системы моделирования, чтобы заставить работать все основные внутренние системы на борту в виртуальном пространстве. С помощью мощных инструментальных средств CATIA стало возможным продемонстрировать процессы запуска торпеды, погружения и всплытия, работу электрических и газовых двигателей и других систем, манипулировать компонентами систем и разносторонне анализировать их.

Проект подлодки, созданный Холландом, включал 90 чертежей, но только три из них сохранились в Национальном архиве — чертежи общего расположения, трубопроводов и винта. С их помощью система проектирования позволила создать трехмерную модель, включая основные обводы, сечения, размеры и взаимное расположение находящихся на борту механизмов. Обнаруженные в процессе работы над создаваемыми трехмерными моделями двухмерные исторические документы расширяли представление о проекте.

Используя набор отдельных деталей и накладывая на них механические и геометрические связи, программное обеспечение CATIA может моделировать рабочие процессы на основе сборки этих деталей. Так было сделано при конструировании трехмерной модели двухцилиндрового двигателя Отто, который приводил лодку в движение на поверхности. Двигатель имел примерно

160 деталей, и Мак-Кью смог полностью реконструировать его, расположив детали (некоторые из них были взяты из старых каталогов Отто) в контексте модели двигателя.

Для определения взаиморасположения деталей использовались такие ограничительные связи между ними, как поверхностный контакт, эквидистантный отступ и параллелизм. Благодаря точному моделированию и пошаговой контекстной сборке в конечном счете была создана система, которая двигалась и работала как единое целое, предоставляя нам возможность заглянуть в прошлое и наблюдать в работе один из первых промышленных газовых двигателей.

Кинематика — наука, осуществляющая анализ движения в координатах времени, помогает понять, как вели себя основные системы и как ими управляла команда подлодки. Хорошим примером того, как использовалась в работе над проектом кинематика, является реконструкция главного люка. Это была простая откидная крышка с двойным рычагом и компенсационной пружиной. Кинематические исследования с использованием компьютерного дизайна позволили установить, что Холланд сконструировал действие рычага по принципу откидного болта, который имеет двойную функцию ручки и запорного механизма, обеспечивая закрытие и герметичность люка. Такая деталь, иллюстрирующая щепетильность Холланда и внимание его даже к мельчайшим деталям, не будь кинематики, осталась бы незамеченной.

Еще одной характеристикой CATIA является фотореализм — способность точно передавать отражательные свойства поверхностей виртуальных объектов. Визуальный анализ четко иллюстрирует, насколько скудной была освещенность внутри подлодки Холланда. Простые шаровые рассеиватели света, используемые по всей лодке, давали высококонтрастное освещение, отбрасывающее длинные густые тени. Эти тени могли по крайней мере затруднять считывание показаний приборов. Так, многочисленные клапаны, используемые для управления торпедами и управляемым снарядом, должны были приводиться в действие в определенной последовательности. Фотореализм позволяет понять, что выполнение этой сложной процедуры при имеющемся освещении было опасным и сложным заданием.

Всего в CATIA было смоделировано 2200 деталей (не считая заклепок), что позволило подробно исследовать большинство основных систем подлодки. Самым замечательным достижением воссоздания подлодки в виртуальной трехмерной среде является тот факт, что в настоящее время почти все операции и обслуживание подлодки могут быть смоделированы в реальном времени. В результате мы можем лучше оценить проницательность и гений Холланда, разработчика и создателя лодки, а также понять, почему флот США выбрал субмарину «Ю.С.С. Холланд» в качестве своей первой подлодки, принятой на вооружение. Пользователи могут «прогуляться» по кораблю, испытать его работу и наблюдать гений Джона Холланда, простого школьного учителя из графства Клер в Ирландии — человека, который совершил революцию в судостроении.

Холланд умер в августе 1914 года, при этом ни одна из его подлодок не участвовала в морских сражениях. Однако сегодня его гений снова живет в цифровом трехмерном мире, где благодаря технологии IBM и Dassault Systemes «Ю.С.С. Холланд» плывет по виртуальным морям.

В результате проекта Холланда была воссоздана субмарина, существовавшая сто лет назад, инструментарий же и методы, использованные для этого, позволяют предсказать пути, которыми пойдут следующие поколения разработчиков и строителей подлодок.

Подготовлено фирмой HetNet по материалам фирмы IBM.

«САПР и графика» 7'2002