автореферат диссертации по инженерной геометрии и компьютерной графике, 05.01.01, диссертация на тему:Геометрическая классификация и моделирование поверхностей судовых емкостей

Р Г Б Ой

- 3 ИЮЛ 1305

Нижегородская ордена Трудового Красного Знамени государственная архитектурно-строительная академия

ТАРАСОВА Светлана Валерьевна

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ СУДОВЫХ ЕМКОСТЕЙ

05.01.01 — Прикладная геометрия и инженерная графика

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н. Новгород 1995

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта.

доктор физико-математических наук, профессор С. X. Аран-сон,

кандидат технических наук, профессор В. И. Горелкнн.

Ведущее предприятие — Научно-производственное объединение «СУДОРЕМОНТ», г. Нижний Новгород.

/■Г

Защита состоится 26 сентября 1995 г. в час. на заседании специализированного совета К 064.09.02 при Нижегородской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: г. Нижний Новгород, ул. Илышская, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГАСА.

Научный руководитель — кандидат технических наук, профессор В. А. Анисимов.

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан

июня 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

ОЭДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОВЛЕШ. Исследование криволинейных ' по-айр<ноотвй технических фори,способов их конструирования,ана- ' литическов описание и расчеты остаются одним из основных п.травлений современной прикладной геометрии.Это обусловлено растущими требованиями со стороны промышленности и техники к проектируемым поверхностям изделий.

Наиболее важным направлением прикладной геометрии является изучение формообразования поверхностей с наперед заданными условиями.В работах Н.Ф.Четверухина.И.И.КотоЕа.А.В.Пав-лова,С.А.Фролова,В. А.ОсотоваД.М.Тевлина.Н.Н.Рыжова.А.В.Бу-бэнниковз.П. В.Филиппова,Н.А.Соболева уделяется большое внимание этой проблеме,возникающей в практике конструирования поверхностей конкретных технических форы.

Учет мэтеимального количества наперед заданных условий и обеспечение необходимой точности приводит к увеличению объема работ.Следствием является развитие главнейшего направления ускорения научно-технического прогресса-автоматизация геометрического проектирования.

Проблемы автоматизации в конструировании поверхностей и определении их характеристик чаще всего разрабатываются ин-дивидуаяыго для каждой группы объектов.Однако задачи геометрического прсс-ктироваякя объектов ?;олхчы рассматриваться с еДИНЫХ ГЕОМЭТРИЧЭСК!« позиций.

Е них должен отражаться поступательный характер разви-

I

тип прикладной геометрии (.перс-ход от простак к сложным этапам проектирования).

Процесс моделирования должен обеспечивать единство всех паук:геометрии,математики,конструирования,технологии и др.

Лишь учитывая Есе описанные функции геометрического проектирования «окно выработать пути дальнейших научных исследований в прикладной геометрии для создания более качественных САПР.

Базой геометрической части САПР служит прикладная геометрия.

Широкое внедрение САПР на основе создания $штегр!фОван-кых систем проектирования на всех этапах конструирования .разработка новых способов получения аналитического выражения исследуемой поверхности позволяет существенно снизить трудоемкость конструирования поверхностей.

Одной из основных задач САПР следует считать формирование геометрической и математической моделей моделируемого объекта,так как результаты этих действий исполъвуютса ь дальнейших этапах исследования

Следующей важнейшей проблемой в области технических ка-ук является развитие математической теории,повышение аффек-тивности ее использования в прикладных целях.

Научные исследования методами вычислительной махег^атп-ки,совмещенными о методами прикладной геометрии и дополненными, в олучае необходимости,другими вспомогателънши методами открывают новые возможности в применении ПЭВМ.

Разнообразна и специфика технических требований ставит перед геометрами новые практические задачи,требующие достаточно точных результатов.Многие математические методы конструирования поверхностей не доведены до инженерного решения.

Существуйте способы конструирования и расчеты их характеристик применены,в основном,« объектам исследований а авиастроении,автостроении,инструментальном производстве.Реже предметом исследований становились объекты судостроения из-за достаточно Сольпмх и свободных объемов проектирования.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является геометрическая классификация поверхностей судовых емкостей и разработка способов и средств по расчетам геометрических характеристик поверхностей оудо-вых емкостей.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1.Дается оСзср существующих способов классификация поверхностей. На этой основе и в результате исследования моделируемых поверхностей составлена классификация поверхностей судовых емкостей и сост&злякцж отсеков.

2.Исследование возможности математического описания модели. Разработка математической «одели объекта проектирования для определения его характеристик при определенных значениях высоты заполнения судовой емкости.

3.Согдаякэ программных продуктов на основании математи-чеоких описаний моделируемых поверхностей.

<1.йеслодовачке возможности решения поставленной задачи другими спсооба-'Л о целью установления точности результатов выполненных расчетов.

МЕТОДУ "СС'ЛЕДОЗЛНИЙ.При выполнении работы испольеованы аналитические методы исследования.

- б -

Поставленные задачи решались о применением отдельшх положений теории начертательной,аналитической,дифференциальной, алгебраической и компьютерной геометрии.

При составлении математических моделей и программ попользовались специальные разделы вычислительной математики, математического программирования,теории алгоритмов и теории САПР.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем;

1.Совокупность геометрических моделей поверхностей судовых емкостей.

• 2.Совокупность математических моделей поверхностей судовых емкостей.

3.Совокупность программных продуктов г.о расчетам геометрических характеристик судовых емкостей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.Разработанные в диссертации способы и средства расчетов геометрических характеристик поверхностей судовых емкостей.снаблеикне соответствуЕцаш программами,позволяют автоматизировать проектно-кокстру!!-торские работы в судостроении,сокраг&ст цикл расчета геомэг-рических данных.

Создание математических иоделей,мзтодов,прикладных алгоритмов и программ расчетов поверхностей удовлетворяет наперед заданным требованиям,позволяет расширить класс при*«-няемах в расчетах судостроительных поверхностей,повысить качество проектирования,сократить сроки проектирования и трудозатраты проектировщиков.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы, выполненной по заданию Научно-технического управления Министерства речного флота •(ныне Департамент речного транспорта Министерства транспорта РЗ),использованы АО "Водгофлот",а также рядом судоремонтных заводов и речных портов центрального бассейна.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на Российских,отраслевых и вузовских конференциях и научных семинарах :

-Всероссийская научно-методическая конференция "Актуальные вопросы современной инженерной графики".Рыбинск,1995.

-Научно-практическая конференция,посвяценная 150-летиэ Волжского пароходства.Нижний Новгород,1993.

-Научный семинар Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения.Санкт-петерСург,1995.

-Научно-методическая конференция Волжской государственной академии водного транспорта.Нижний Новгород,1995.

-Научный семинар Санкт-Петербургского технического университета еодных коммуникаций.Санкт-Петербург,1995.

ПУБЛИКАЦИИ.По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, гаключе-ния, приложений и в1«нчаот 122 страницы машинописного текста,26 рисунков,4 таблицу и 1Й7 наименований испольеованной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. *

Во введении обоонована актуальность проблемы, сформированы цель и задачи теоретических и прикладных исследований.

В первой главе 'Теометрическая классификация поверхностей судовых емкостей"дается анализ существук?я классификаций поверхностей в целом и поверхностей,используемых в-отдельных отраслях.

Выявлено,что в основе всех классификации лзжит универсальный метод задания поверхностей-кинематическкй и-з-тод,предложенный проф.И.И.Котовым.

В работе определены общие требования к любой сггатбыз классификации:обеспечение универсальности,возможность легкого введения дополнений и создание условии для авто.\!зтпгас..'л научных и инженерно-технических работ.

В современном судостроении и транспортном «¿aziíHocTpoj-нии наблюдается непрерывное совершенствование методов проектирования поверхностей о использование« £эзшвноо?в£ и преимуществ вычислительной техники.Следовательно налболеэ перспективным направлением следует считать формирование поверхностей судовых емкостей из отдельных поверхностей разщршаго порядка.

Их следует относить к емкостным,так как они яелевтсе сооудами.Исследованные судовые емкости продстаайявг codo;'; комбинации отдельных отсеков геометрических поверхностей,связанных между собой.Они являются телами вращения,что объясняется простотой обработки их поверхности.

Для исследования вышеперечисленных поверхностей использовался классификатор ЕСКД.

Выделен ряд интересующих нас поверхностей и проведен дальнейший анализ с точки зрения конструкции и технологии изготовления.(табл.)

КЛАССИФИКАЦИЯ ЕМКОСТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

Таблица.

1 ! ГРУППА:И30ГНУТЫЕ ИЗ ЛИСТОВ,ПОЛОС ! ОГБОРТОБКИ. ........1 С ОТЕОРТСВКОЙ И БЕЗ |

с нзрулкой поверхностью 1 с отверстием в дккце |

|открытые цилиндрической без отверстия в дшщэ 1

1 с | одной • | стороны , 1 1 о наружной поверхностью конической, криволинейной, ксмбшшровгннсй с отверстием в днище |

без отверстия в днище |

1 1 1 | ¡закрытьте 1 с пло:кл<м дном

с нгплоскш дном 1-........................ ......... ....... .....!

Продолжение таблицы.

ГРУППА: КРОМЕ ИЗОГНУТЫХ ИЗ ЛИСТОВ,ПОЛОС.

открытые с

одной стороны

о наружной поверхностью

щшшдрическои

о наружной поверхностно конической, криволинейной, комбинированной

с {шанцем

без фИАШу!

о ({лакцем

беа флангу

с наружной поверхностью

цилиндричеокои

с фланцем

без фланца

закрытые

о наружной поверхность» конической, криволинейной , комбинированной

о фланцем

без фланца

Поверхности судовых емкостей как поверхности вращения могут Сыть получены вращением образующей произвольного вида, Особенно распространены поверхности о образующей,состоящей из отрезков прямых линий и кусков кривых второго порядка, что значительно облегчает математическое описание поверхности.

Анализ конструкции различных поверхностей показал возможность отображения поверхности судовой емкости при помощи ее элементов(отсеков).Все многообразие форм поверхностей судовых емкостей образует малое количество элементов.

В результате исследовании были выделены наиболее устойчивые и повторяющиеся типы отсеков поверхностей.Правильность выбора подтверждает ГОСТы на днища,используемые в машиностроении 'и .судостроении для цилиндрических емкостей.(рис.1)

Используя композиционные методы . получены ' усредненные модели поверхностей' судовых емкостей.

Рассмотрена структура каждой исследуемой судовой емкости, определено количество параметров,необходимых для задания поверхности.

Исследования показали,что все рассматриваемые поверхности прэдсташиют собой различные комбинации горизонтальколли вертикально-ориентированного отсека цилиндрической по-зерхности и стыкующихся отсеков хоровой,конической,сферичео-гхм 'л эллиптической поверхности, (рис.2)

Во второй главе "Расчет геометрических характеристик поверхностей судовых емкостей" раскрывается судность математически моделей и процесс их создания.

Проф.Котов отмечал,что научные исследования по приклад-нсй геометрии эс* Сольпе исясмагуог методы глгеСры.вь.'Чколи-т^льной математики, часто базируется на использовании электронно-вычислительной техники. ИеоЗходсместь привздчепая длп рт.'рпкл.-д-сй геометрии клзссичрс;*;;« и совремеи-;/зт?кл7:«ескй;; «•»««с» с лртмэязяизд ?НМ объясняется

I 1 | ЛИНЕЙЧАТЫЕ | | ПОВЕРХНОСТИ Ь .-,-1

ПОВЕРХНОСТИ ВРАЩЕНИЯ

1 Г

НЕЛИНЕЙЧАТЫЕ | ПОВЕРХНОСТИ |

ПОВЕРХНОСТИ С ОБРАЗУВДЕЙ ПОСТОЯННОГО ВИДА Ф(а,ш)*Ш

-1-1—

-1 I I г-«—■

|ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ!|КОНИЧЕСКАЯ | | ТОРОВАЯ | | |СФЕРИЧЕСКАЯ | (ПОВЕРХНОСТЬ | |ПОВЕРХНОСТЬ| (ПОВЕРХНОСТЬ | | (ПОВЕРХНОСТЬ |

I_11_I I_I | I-1

I I

I ЭЛЛИПТИЧЕСКАЯ | I ПОВЕРХНОСТЬ I

Рио.1.Классификация отоеков поверхностей судовых емкос-

тей.

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ | ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ |—I

Т

СУДОВЫЕ ЕМКОСТИ

,-.-р

Н ВЕРТИКАЛЬНЫЕ I

| ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ |—

I-.-!—I

I

С ПЛОСКИМИ ДНИЩАМИ

С КОНИЧЕСКИМИ ДНИЩАМИ

С ПОЛУСФЕРИЧЕСКИМИ ДНИЩАМИ

с злштшшстм

ДНИВДМИ

с плоским ДНИЩЕМ

С КОНИЧЕСКИМ . ДНИЩЕМ

С ПОЛУСФЕРИЧЕСКИМ ДНИЩЕМ

С ЭЛЛИПТИЧЕСКИМ ДНИЩЕМ

Рис.2.Классификация судовых емкостей.

Математическая модель поверхности должна учитывать максимальное количество геометрических,конструктивных,технологических параметров.Проблема аналитического описания геометрической конфигурации технических объектов является чреввы-чайна важной.

Любая макро- или ынкромодель в делам может быть представлена схемой многополэзеного функционального преобразователя, который каждой совокупности входных величин ставит в од/

позначное соответствие определенную совокупность выходных величин.Характеристики. функционального преобразователя являются основой для классификации моделей.

Для составления ыодели объекта теоретическим путем наиболее аффективен метод композиционного моделирования.Оя требует предварительного анализа и декомпозиции объекта проектирования ,представления его в виде системы взаимосвязанных элементов,имеющее самостоятельное значение.

Композиционное моделирование дает возможность получения надели объекта проектирования при Налички- стандартных моделей элементов.Для получения математической модели объекта в целом используются лагкхо-матемзтические связи между моделями элементов.

К ¡латеуаткчееккм коделяы предъявляют требования универсальности, точности,адекватности и экономичности.

Для ссздакия математической модели реализованы следую-¡цу.е этапы:

-вкбзр свойств объекта наиболее полно его отрккдалих,

-обработка исходной информации о выбранных свойствах объекта, об объ-зктах- прототипах,близких по свойства.? к.

проектируемым,

-представление структуры математической модели,то есть общего вида математических соотношений модели или представление модели в графической форме, -расчет числовых значений параметров математической модели, решение задачи минимизации погрешности, -оценка точности математической модели. Разработке математической модели объекта,состоящего из нескольких элементов предшествует:

-отбор элементов объекта, моделирования, -установление отношений между элементами, -группирование элементов и'отношений, -выбор класса типовых математических моделей.

Получе!шал а результате модель поверхности определяет конструктивные,технологические,комлоноеочвае и другие характеристики объекта проектирования.

Математическая модель позволяет получать количестзеятдэ характеристики-проектируемого объекта: плозди.объеаа и т.д.

Получены математические модели для всех типов моделируемых поверхностей,позволявшие определять характеристики судовой емкости при различных значениях высот заполнения.

Для цилиндрической горизонтальной емкости приведены формулы для расчета объема поверхности и ее площади при высоте заполнения емкости И на рио.З.

На практике необходимо определение не " только теоретического объема поверхности,но и учет, и Вычисление поправок на объем дополнительных элементов внутри емкости,а также поправок на объем жидкости в подводящем и отводяцем патруб-

N . Il Ç) /

- —_ - — —_ _ с

, ' //

■Г<Ы/?: orccos

о

• йй? __"

ках.

Поправку на объем внутренних деталей определявт по исполнительной документации о учетом их расположения по высоте от днища емкости.

Для определения поправки на объем дополнительных деталей вне поверхности еггкости получена формула, устанавливайся зависимость дополнительного объеыа от параметров поверхности. Полученные результаты учтены при составлении програмц-ных продуктов.

.В третей главе "Разработка мазиннйс алгоритмов н программных продуктов для определения характеристик поверхностей судовых емкостей" сформулировала постановка задачи определения характерном« поверхности судовой емкости.заполненной на определенную высоту с помодаю П52М.

В современных системах автсматизащш проектирования всэ больную роль приобретают геометрические представления к списания математических моделей объектов ■ проектирования.Значительный объем геометрических построений и расчетов выполняется п автоматизированном решат.

Малинные методы (алгоритмы вычислюЪаьной математики, программирование, расчет конкретных примеров) легли в основу исследований.

Моделирование на 5ЕМ прэдотазляет собой воспроизведение особенностей поведения объекта в тех или иных ситуациях с помощьо программу которых реализованы те или иные математические модели.

.В работе приведены программы на языке Си для вычкслешм характеристик всех исследуемых типов поверхностей.

Предлагаемые программы значительно- упрощают процедуру вычислений характеристик судовой поверхности, сокращают время расчетов.

Программы адаптированы к ПЭВМ любого типа,не требуют наличия специальных математических языков,привлечения труда квалифицированных специалистов.

Расчеты могут быть использованы не только в судострое-!пгд,но и других отраслях техники.

В четвертой главе "Система "ЮНЕЕ" и расчеты характеристик исследуемых поверхностей'! показаны возможности сиоте-ш а применении к поставленной задаче.

Используя различные функциональные блоки,'' созданы пространственные объекты, отображающие моделируемые поверхности с точйоотью аппроксимации 0.1, 0.25, 0.5 и количеством меридианов 18, 32, 64 соответственно.

При помощи булевых операций »подразумевающих использование теоретико-множественных операций и редактора сцен из пространственных объектов,а именно вычитания- получены отсеки поверхностей вращения.

Созданные отсеки поверхностей 'вращения соответствуют исследуемым поверхностям судовых ешсостей и их отсекам,ограниченным высотой заполнения емкости.

Для пслучемй соответсгаувазих значений оиьемь использованы расчеты маос-инерционных характеристик и соответствуй-суш упраняказя задача. Определение масс-инерционных характеристик производится в системе координат пространственного объекта.

В результате применения возможностей системы "КИТЕЖ"

получены значения объемов поверхностей,предложенных к исследованию, а также значения объемов поверхностей,заполненных на определенную высоту.

Одно из главных требований, предъявляемых к проектируемому объекту-точность решения поставленной задачи.Точность модели оценивается степенью совпадения значений объема реального объекта и значений тех яе параметров,расчитанных с помощью оцениваемой математической модели объекта проектирования.

В данной работе в качестве истинных значений использованы результаты,полученные графо-аналитическим методом при создании объектов моделирования в системе "ККТЕЗ".

При оравненки полученных значений объема судовой емкости разными способам!! при одинаковых входных параметрах шотно сделать следующий вывод.Результаты,полученные в системе "КИТЕЖ" последовательным созданием модели пространственного объекта и определением величины его объема при определенных значениях точности аппроксимации,приближаются к значениям объема .полученным аналитическим способом.

Значения .определенные в системе "КИТЕЖ" всегда меньше величин,вычисленных по математическим формулам,что является следствием представления поверхности вращения вписанным многогранником.

Необходимо отметить,что относительная погрешость расчетов объема судовой поверхности стремится к 0 при точности аппроксимации,стремящейся к нулевому значения.

- го -

• ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Практическая ценность работы заключается в создании математических моделей,методов,прикладных алгоритмов и программ для определения характеристик поверхностей судовых емкостей, удовлетворяющих наперед заданным требованиям. Они позволяют расширить класс исследуемых поверхностей,сократить время расчетов и трудозатраты исследователей.

Полученные в работе прикладные результаты исследований в ввде математических моделей,методов,алгоритмов и прикладных программ могут быть реализованы в судостроении и других отраслях техники.

В работе получены следующие результаты:

1.Проведен отбор характерных образцов поверхностей судовых емкостей,проанализирована их форма.

2.На основе принципов композиции и декомпозиции составлены усредненные типовые модели и установлены геометрические принципы их образования.

3.Разработана классификация моделируемых поверхностей.

4.Выполнены геометрические списания отдельных элементов и моделируемой поверхности в целом,что позволяет с большей эффективностью использовать в дальнейших исследованиях мате-' магические модели.

5.Создан аппарат моделирования поверхностей судовых емкостей и получены математические модели для определения характеристик всех исследуемых поверхностей.

6.Математические модели реализованы в программных про-

дуктах по определенно характеристик поверхностей судовых емкостей.

7.Получены модели исследуемых поверхностей в системе "ШЕЕ".

8.Выполнены расчеты поверхностей судовых емкостей в системе "КИТЕЖ".

9.Проведено сравнение полученных результатов расчетов аналитическим методом и в системе "КИТЕЖ".Определена погреа-ность расчетов объемов моделируемых поверхностей.

Система расчетов объемов поверхностей судовых емкостей аффективна не только в рамках предприятий судостроения,она инвариантна по отнопенш к автоматизированным системам расчетов з различных отраслях техшгки.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО TBE ДИССЕРТАЦИИ.

1.АНКСКМОВ В.А..Тарасова C.B. Моделирование поверхкос-тей судовых емкостей.//Тезисы докладов Всероссийской !ШК "Актуальные вопросы современной инженерной графики".Рыбинск, 1995.

2.Тарасова C.B. Геометрическая классификация поверхностей судовых емкостей.//Научно-методические вопросы геометрического моделирования.H.Новгород,1995.

3.Анисимов В.А..Тарасова C.B. Геометрические иодели поверхностей судовых емкостей.//Научно-методичестсие вопросы геометрического моделирования.Н.Новгород,1995.

4.Тарасова C.B. Конструирование и развертывание Качаловых поверхностей,применяемых в судостроении.//Труды

ВГАВТ,вып.269.H.Новгород,1S94.

Б.Тарасова C.B. Математические модели поверхностей судовых емкостей.//Научно-методические вопросы геометрического иоделированкя.Н.Ноагород,1995, .

6.Тарасова C.B. Сравнительные исследования по моделированию поверхностей судовых емкостей аналитическим способом и кусочно-линейкой аппроксимацией.// Научно-методические вопросы геометрического моделирования.Н.Новгород,1995.

7.Тарасова C.B. Компьютерные Модели поверхностей судовых' емкостей.//Научпо-'ыетодичвски© вопроса геометрического моделирования.Н.Новгород,1995.

8.Тарасова C.B. Моделирование-поверхностей судовых емкостей аналитическим способом и в системе "КИТЕК".//Труды ВГАВТ (в печати).

Офсетная печать.1995 г. Формат Бумаги 60x34. Газетная. Печ.д.1. Тираж 100 экз. • Заказ '¿/0

603600 Н.Новгород, ул.Нестерова, 5. Тип.ВГАВТ.