Методика моделирования корпуса судна в системе T‑FLEX CAD 17

Автор выражает огромную благодарность Ефремову Андрею Николаевичу (АО «Топ Системы») за помощь в изучении OpenAPI в T-FLEX CAD.

Проектирование судна представляет собой очень сложную задачу, требующую использования разных методик разработки для каждой части проекта (корпус, устройства, механизмы и т.д.). Современные технологии её решения с применением 3D-моделирования предполагают использование специальных САПР. Однако их высокая стоимость существенно ограничивает доступность такого софта для небольших проектных организаций, а при самостоятельной постройке маломерных судов функционал будет чрезмерно избыточным. Альтернативой являются “универсальные” САПР, такие как T-FLEX CAD в составе комплекса T-FLEX PLM. Они успешно могут применяться для машиностроительной части судна, но для эффективной работы с корпусной частью проекта может потребоваться некоторая адаптация.

Краткая структура модели, применяемой в предлагаемой методике, приведена на рис. 1. Она предполагает использование двух базовых моделей (в двух разных файлах): теоретической (компоновочной) и конструктивной. Такое разделение связано с функционалом каждой из частей фрагмента и с логическим предположением, что переход к конструктивной части проекта будет осуществляться после достаточно полной отработки теоретической, что подразумевает отсутствие существенных изменений базовой геометрии и общих параметров проекта.

Теоретическая модель – это в основном этап эскизного проекта. Данная модель предназначена для разработки дизайна (экстерьера) судна, обводов корпуса, общего расположения судна. Геометрия моделируется поверхностями различной сложности, без конструктива. Таким же образом в модели создаются базовые точки (3D-узлы) для привязки различного оборудования, если их расположение должно быть точно увязано с геометрией корпуса (например, подруливающих устройств, валовых линий, стабилизаторов и пр.). В данной модели также может отрабатываться планировка помещений, размещение крупного оборудования. Модель может содержать несколько вариантов корпуса, из которых либо будет выбран оптимальный, либо на основе каждого варианта будет разрабатываться отдельный конструктивный проект.

Рис. 1 - Структура и схема порядка построения 3D модели корпуса судна

Ещё одним важным назначением теоретической модели является проведение расчётов по теории корабля с помощью специального плагина. В значительной мере именно из-за этого конструктивная часть модели вынесена отдельно. Дело в том, что при проведении расчётов, кроме математических вычислений по снимаемым с модели параметрам, система в автоматическом режиме производит построения вспомогательных элементов (плоскостей, узлов, профилей и т.д.) и меняет геометрию тел (отсекает их плоскостями), а это требует частых пересчётов модели. Для проведения таких операций в конструктивной модели с большим количеством операций потребуется значительное количество времени.

Конструктивная модель содержит в себе собственно конструкцию судна: элементы корпуса, оборудования, систем и пр. Возможно использование различной степени проработки моделей, например, упрощённое изображение сложного (поставляемого) оборудования с точным моделированием только присоединительных элементов либо подробная проработка специальных конструкций, необходимая для выпуска рабочей документации. Применительно к корпусу также допустимы разные варианты, например, листовые детали (настилы, стенки набора) могут моделироваться без толщины и мелких элементов (например, шпигатов) либо подробно, включая даже разделку кромок под сварку, – в зависимости от назначения данных элементов модели.

Взаимосвязь между двумя моделями достигается за счёт того, что теоретическая модель применяется в конструктивной в качестве 3D-фрагмента и доступна для использования её геометрии. Изменения в первой модели автоматически переносятся во вторую.

Структура теоретической (компоновочной) модели

Базовой частью теоретической модели является геометрия корпуса, надстроек и внутренних перекрытий (палуб, переборок) в виде тел-поверхностей. Они могут создаваться непосредственно в этой модели, вставляться как 3D-фрагменты, импортироваться в модель из других форматов (при разработке геометрии в других САПР). Например, в примере, приведенном на рис. 1, днищевая часть корпуса представлена параметрическим 3D-фрагментом. Его форма может быть отработана отдельно от остального корпуса и либо применяться в модели корпуса без изменений, либо задавать днищу нужную форму, управляя параметрами фрагмента непосредственно из модели корпуса. Для построения профилей вертикальных переборок и перегородок в корпусе очень удобно использовать возможность создания множества 3D-профилей на одной рабочей плоскости, задавая им разные цвета. Так, на рис. 2а показан пример совмещения на рабочей плоскости верхней палубы профилей переборок, расположенных как ниже, так и выше её, а на рис. 2б – совмещение профилей палуб и переборок в плоскости ДП, а также профиля для создания твердотельной модели корпуса с помощью штриховки. В качестве альтернативы рисования профилей для построения перекрытий можно применять простой параметрический фрагмент, создающий в модели одиночную стенку, диалог параметров которого показан на рис. 3. Кроме того, можно использовать средства API системы и создать специальную команду построения стенки с формой ввода данных, аналогичной рис. 3.

а)

б) Рис. 2 – Совмещение 3D-профилей плоских перекрытий корпуса на рабочих плоскостях: а) – верхней палубы; б) – диаметральной плоскости

Рис. 3 – Диалог параметров 3D-фрагмента плоской стенки

Управлять размерами перекрытий можно с помощью набора переменных, которые будут определять положение границ стенок. К числу обязательных можно отнести переменные, задающие главные размерения судна, положения палуб, шпацию, если она постоянная по всей длине судна (см. рис. 4а). Если шпация переменная, то для исключения постоянных подсчётов абсцисс шпангоутов необходимо создавать соответствующую базу данных (см. рис. 4б) – её генерация входит в операцию настройки модели.

Рис. 4 – Источники данных модели: а) – набор переменных главных размерений; б) – база данных абсцисс шпангоутов

По поверхностной геометрии здесь также создаются объёмные твердотельные модели корпуса в двух вариантах: корпус заодно с первым ярусом надстройки, и модели отдельных замкнутых объёмов (отсеки, цистерны, закрытые помещения надстроек). Эти модели используются для расчётов статики корабля, так как позволяют без дополнительных расчётов получать данные по объёмному водоизмещению и положению центра величины. Модели отсеков и помещений необходимы при расчётах непотопляемости, аварийной остойчивости, а также для определения вместимости судна.

Для удобства работы в данной модели предусматривается набор слоёв для разной геометрии: 3D-построения (плоскости, профили), поверхности наружной обшивки, поверхности перекрытий, твердотельные тела и пр. (рис. 5). Если в модели размещаются фрагменты оборудования и/или помещений, для них также создаются свои слои. Управляя видимостью слоёв, можно отображать необходимые части модели. При наличии разных вариантов корпуса для каждого из них создаётся свой набор слоёв. Имя слоя также используется плагином для поиска геометрии. Чтобы объёмная геометрия не передавалась в сборку конструктивной модели, для соответствующих слоёв включается опция «Невидимый при вставке в сборку».

Рис. 5 – Размещение элементов теоретической (компоновочной) модели по слоям

Методика построения теоретической модели состоит в следующем:

1. При определении основных параметров проекта (главных размерений, общего расположения) в модели создаются необходимые 3D-построения (плоскости, профили, узлы), переменные, базы данных.
2. С применением созданных 3D-построений моделируется сначала геометрия наружной обшивки, затем, по мере проработки компоновки, — основные перекрытия (палубы и главные переборки), выгородки и стенки цистерн.
3. При использовании параметрического фрагмента днищевой части корпуса главные размерения и обводы днища отрабатываются в нём.
4. Поверхности наружной обшивки и палуб моделируются без вырезов, при необходимости их можно спроецировать профилями на обшивку.
5. Наружная обшивка моделируется по одному борту (исключением может быть транец) и может состоять из набора тел. При этом также допускается Т-образное примыкание тел (например, стабилизатора к днищу), зазор на толщину обшивки оставлять не надо. Рекомендуется группировка поверхностей по телам, например: днище и борт, якорная ниша, стабилизатор, надстройка, рубка и т.д. Поверхности второго борта строятся как симметричное отображение относительно диаметральной плоскости.
6. Для проверки соответствия спроектированного корпуса заданным требованиям, а также для подготовки проектной документации или экспорта данных используемый в данной методике используется плагин, который позволяет:
   • автоматически построить проекции теоретического чертежа (ТЧ),
   • выполнить некоторые расчёты по теории корабля (элементов ТЧ, координат строевой по шпангоутам для заданной осадки, плеч статической остойчивости);
   • экспортировать координаты точек судовой поверхности в текстовый (*.txt) или табличный (*.xlsx) формат;
   • экспортировать список отсеков с основными характеристиками (название, объём, центр тяжести отсека) в табличный (*.xlsx) формат для подготовки расчёта вместимости судна.
7. Расчёты статики с помощью плагина производятся только по твёрдотельным моделям корпуса и отсеков.
8. По разработанной компоновке могут быть проработаны модели помещения и размещение оборудования. Помещения моделируются в отдельных фрагментах, которые должны размещаться на слоях, скрываемых при передаче в сборку.

Структура конструктивной модели

Основой для построения конструктивной модели является теоретическая (компоновочная) модель судна в виде 3D-фрагмента. При вставке модель не разбивается на отдельные тела (это может нарушить ссылки на тела при изменении геометрии). Для возможности дальнейших построений также создаются необходимые рабочие плоскости и переменные (аналогично теоретической модели); обязательно с помощью плагина должны быть построены плоскости практических шпангоутов. При этом также генерируются необходимые слои для отображения отдельных групп элементов модели, а кроме того, возможен выбор операций по имени слоя.

Слои в конструктивной модели можно условно разделить на три группы:

1. Слои теоретического корпуса для 3D-фрагмента теоретической модели, копии геометрии обшивки и перекрытий с этого фрагмента, поверхности, построенные в данной сборке (см. рис. 6а и б).
2. Слои практического корпуса для твёрдотельных моделей корпусных деталей: обшивки, балок, рёбер, фундаментов и проч. (см. рис. 6в). Можно создавать слои в соответствии с классификацией нагрузки масс судна на разделы, группы и т.д., что обеспечит автоматическое составление нагрузки путем использования имен слоёв.
3. Слои систем, устройств, помещений и пр. На них размещаются соответствующие модели всего остального, что не относится к корпусу. Например, слой для оборудования корпуса (рис. 6г), на фоне прозрачного отображения фрагмента теоретической модели.

Рис. 6 – Отображение слоёв конструктивной модели

Порядок и методика построения конструктивной модели корпуса судна основаны на следующих положениях:

1. Созданная модель-сборка предварительно «настраивается» с помощью плагина: в ней создаются определённый набор слоёв, переменных, база данных с абсциссами практических шпангоутов и рабочие плоскости шпангоутов.
2. При вставке 3D-фрагмента теоретической модели в ней должны отображаться только слои с поверхностными моделями и, при необходимости, 3D-построениями, задающими положение определённых элементов, например, осей валовых линий. Для неё рекомендуется использовать отдельный слой (см. рис. 6г).
3. Для дальнейших построений контуров набора с фрагмента теоретической модели необходимо создать копии геометрии наружной обшивки и, при необходимости, сложных по форме перекрытий (с погибью, со сломами или рецессами). Копии создаются командой «Поверхность смещения» с нулевой величиной смещения. В одной операции могут группироваться по нескольку граней.
4. По наружной обшивке рекомендуется создавать две копии геометрии: одна будет использоваться для построения контуров набора, в ней не создаются вырезы корпусного оборудования (см. рис. 6а). Вторая копия будет использована для моделирования листов обшивки, и в ней должны содержаться все вырезы (см. рис. 6б). Кроме того, эту модель можно разбивать в соответствии с разбивкой корпуса на секции и обшивки на листы. Вырезы можно выполнять вручную либо автоматически при вставке оборудования. Например, в применяемом плагине при вставке бортового иллюминатора сразу формируется вырез под него в выбранной модели обшивки.
5. В качестве основного способа построения плоских листовых деталей в данной методике принято выталкивание плоского 3D-фрагмента, построенного на рабочей плоскости, либо на грани теоретической модели – для наклонных стенок перекрытий. Контур обвода (сечение поверхности корпуса рабочей плоскостью) строится на плоскости плагином в виде 2D-сплайна (рис. 7а). Профили стенок набора рисуются в этой плоскости вручную, с привязкой к сплайну обвода и другим элементам — при необходимости. В одной рабочей плоскости разными цветами могут быть начерчены несколько разных профилей, например, стенок флора, шпангоута, бимса и книц (рис. 7б).
6. Для построения правильной формы стенки балок или бракет в местах пересечения набора учитываются размеры балки поперечного направления. Это делается за счёт создания в профилях 3D-узлов в точках, которые будут определять геометрию второй пересекающейся балки. При этом учитывается определённая иерархия балок в системе набора перекрытия и предполагается, что балка с большим приоритетом в узле пересечения остаётся неразрезанной, высота её стенки будет оказывать влияние на форму другой балки, а балка с меньшим – разрезается, и её геометрия должна будет обеспечить конструкцию узла пересечения (например, её придётся расширить для обеспечения соединения поясков). Профили стенок балок с большим приоритетом строятся в первую очередь, а в них создаются 3D-узлы, которые потом проецируются при рисовании профиля стенки “подчинённой” балки, и таким образом создаётся их геометрическая увязка в соединении. На рис. 7в показан пример взаимной увязки профилей рамного и холостых шпангоутов с бортовым стрингером, при наибольшем приоритете у рамного шпангоута, и наименьшем – у холостых шпангоутов.
7. Для моделирования холостого набора из гнутого полособульба используется операция выталкивания по траектории. Профиль-траектория вычерчивается в плоскости шпангоута вместе с профилями примыкающих книц (рис. 7г, все линии построения скрыты), а профиль для выталкивания (поперечное сечение) содержится в одной из параметрических моделей библиотеки корпусных деталей.
8. Для ускорения процесса моделирования корпуса используется библиотека параметрических моделей некоторых типовых корпусных деталей.
9. Для более удобного управления моделью для размеров сечений связей создаётся ещё один набор переменных, которые содержат данные о толщинах связей, высоте стенок, ширине полок, стандартных радиусах гиба и т.д. Это позволяет сохранить равенство размеров одноимённых связей и их стандартизацию, а также их использование при автоматическом построении.

Рис. 7 – Контур обвода (а) и построение 3D-профилей набора (б, в, г)

Автоматизация процесса

Проектирование судового корпуса, как и всего судна, - процесс творческий и не предполагает полной автоматизации. T-FLEX CAD позволяет использовать:

• модели типовых частей корпуса или корпусов целиком (в данном случае применяется модель днищевой части). Такие фрагменты могут служить шаблоном или прототипом для проекта в целом и определять его ключевые размерные характеристики;
• библиотеки моделей стандартного проката, типовых корпусных деталей, оборудования и прочих конструктивных элементов;
• специальное API-приложение (плагин), содержащее специальные команды для выполнения построения в модели и для проведения расчётов по ней.

При частом использовании стандартного проката или типовых профилей, деталей, узлов и т.д. их удобно объединять в библиотеки в виде набора параметрических 3D-моделей с доступом к ним через окно «Меню документов». На рис. 8а показан её фрагмент с корпусными деталями.

В группу корпусных деталей входят такие модели, как:

• модель прямой полособульбовой балки с разными вариантами подрезки концов и возможностью вставки книц двух разных типов: равносторонней и для примыкания к тавровой балке (рис. 8б, сиреневый цвет);
• модели тавровых балок: прямой без книц, с одной и двумя встроенными кницами (увеличением высоты стенки) с тремя вариантами окончания полки (рис. 8б, зелёный цвет);
• модель прямой полки для тавровых балок с тремя вариантами концов (аналогично предыдущей модели) (рис. 8б, синий цвет);
• модель (адаптивный фрагмент) полки тавровой балки с криволинейным профилем (рис. 8б, красный цвет). Фрагмент строится по профилю балки (3D-путь) и системе координат на одном из концов;
• модель кницы;
• модели вырезов, заделок и прочие детали.

Рис. 8 – Библиотека моделей корпусных деталей: а) – меню библиотеки; б) – пример использования библиотечных фрагментов в модели корпуса

При моделировании корпуса также используется библиотека корпусного оборудования: иллюминаторов, горловин, крышек люков, дверей, трапов (рис. 9). Неотъемлемой частью предлагаемой методики является использование специального плагина, который выполняет операции (на момент написания статьи, в дальнейшем планируется расширение функционала):

• настройки модели корпуса (создание набора переменных, слоёв, плоскостей);
• построения теоретического чертежа;
• проведения некоторых типовых расчётов по теории корабля с автоматическим построением диаграмм;
• экспорта данных о геометрии корпуса и об отсеках;
• построения контуров обвода корпуса для создания профилей набора;
• размещения иллюминаторов в модели с автоматическим созданием выреза в геометрии обшивки.

Рис. 9 – 3D-фрагменты корпусного оборудования и их использование в модели корпуса

Благодаря выполнению типовых расчётов статики корабля расширяется функционал CAD системы, что позволяет не только моделировать корпус, но и проводить анализ его характеристик на соответствие проектным требованиям и нормативным требованиям. При этом в автоматическом режиме и практически готовом виде формируются теоретический чертёж, кривые элементов теоретического чертежа.

В заключение можно сделать вывод, что машиностроительная САПР T-FLEX CAD совместно с параметрическими библиотеками 3D-фрагментов и с использованием специального плагина может эффективно применяться при проектировании судовых корпусов на разных этапах: от построения теоретической модели корпуса и компоновки до подробной деталировки корпуса. Сравнится по функционалу и производительности со специальными САПР она, конечно, не может, такой цели и не ставится, но может использоваться в разработке маломерных и малотоннажных коммерческих судов небольшими проектными организациями.

Автор: Черанёв Иван, ведущий инженер-конструктор Выборгского судостроительного завода.