автореферат диссертации по инженерной геометрии и компьютерной графике, 05.01.01, диссертация на тему:Геометрическое моделирование тентовых тканевых конструкций

Шалимов Владимир Николаевич

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕНТОВЫХ ТКАНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

05.01.01 - Инженерная геометрия и компьютерная графика

. 005011089

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2012

005011089

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ФГБОУ ВПО «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Попов Евгений Владимирович

Официальные оппоненты: доктор архитектуры, профессор Горшкова Галина Федоровна

доктор технических наук, профессор Павлов Александр Сергеевич

Ведущая организация

ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет»

Защита состоится «6» марта 2012 года в 15-00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.162.09 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65, корпус 5, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «03» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат педагогических наук, доцент ---- Н. Д. Жилина

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В течение последних двух десятилетий XX века и первого десятилетия XXI века во многих сферах жизнедеятельности общества большое распространение получили легкие и экономически эффективные тентовые тканевые конструкции (ТТК). Они относятся к классу мягких оболочек, в которых ограждающие функции выполняет взаимосвязанный с несущим каркасом основной конструктивный элемент — тентовое покрытие из тонкого синтетического высокопрочного материала. В целом такие конструктивные системы представляют собой пространственные мембраны с нулевой изгибной жесткостью, состоящие из сложных поверхностей двоякой кривизны. Такие покрытия могут сопротивляться только растяжению.

Перспективность подобных конструкций очевидна вследствие наличия у них целого набора положительных свойств, что, в ряде случаев, выгодно отличает ТТК от традиционных (железобетонных, металлических и т.п.) сооружений. К таким свойствам относятся: полифункциональность,

мобильность, легкость, короткий срок возведения и демонтажа, а также весьма выразительный и привлекательный внешний вид.

Процессы геометрического моделирования и инженерного анализа подобных сооружений обладают спецификой. В отличие от традиционных конструкций, при заданных краевых условиях, форма натянутой тканевой поверхности отрицательной гауссовой кривизны не известна заранее, а может быть вычислена только с использованием соответствующих методов. Еще одним отличительным моментом является то, что, в силу своей специфики, поверхности двоякой кривизны, в отличие от линейчатых поверхностей, отображаются на плоскую область только приближенно. Это затрудняет построение их карт раскроя. В дополнение ко всему, тентовая поверхность, зачастую, обладает рядом нежелательных свойств, таких как наличие «мертвых» зон, неравномерность распределения нагрузок с образованием эффекта «гармошки», концентрация напряжений в отдельных точках и т.д.

Таким образом, факторы, обеспечивающее большое разнообразие положительных свойств мягких оболочек, одновременно являются причинами существенного усложнения процессов анализа и проектирования тентовых сооружений. Поэтому для решения теоретической задачи расчета качественной тентовой тканевой конструкции необходимо применение специальных методов, основанных на использовании равновесного состояния мембран.

Среди разработанных технологий, посвященных решению ключевой проблемы нахождения формы тканевого покрытия ТТК, следует отметить различные формулировки метода конечных элементов в больших перемещениях, описанные в работах М. Барнеса, Б. Табарокка, Ж. Куина, JI. Грюндига, Р. Хабера, К. Ишии, Е. Монкрифа и В. Топпинга, а также отечественных инженеров А. В. Агальцева, В. В. Ермолова, В. Н. Кислоокого, JI. С. Ивановой. Перечисленные методы, в силу своей сложности, связаны с достаточно затратными, с точки зрения временных и компьютерных ресурсов, вычислениями, что препятствует разработке единого подхода к решению данной проблемы.

Не менее актуальной является проблема создания адекватных карт раскроя мягких оболочек, тесно связанная с корректным решением двух основных задач. Первая из них заключается в построении развертки сегментов выкройки на плоскость. Этому вопросу уделено большое внимание в работах

В. Бляшке, Б. Табарокка, Б. Форстера, В. Д. Фроловского, JI. Л. Митюшовой и др., созданных после того, как в 1878 г. П. JI. Чебышев установил математические принципы формообразования криволинейных поверхностей из плоских тканевых развёрток. Вторая проблема заключена в разделении тентовой поверхности на отдельные фрагменты линиями кроя, максимально приближенными к геодезическим линиям на поверхности покрытия. Научные труды, посвященные разработке относительно несложных алгоритмов отыскания таких линий на простых поверхностях, до сих пор не могут компенсировать отсутствия подобной технологии для произвольных поверхностей. Это свидетельствует о том, что в теории мягких оболочек

сформировалась такая ситуация, при которой математический аппарат не обеспечивает универсального решения прикладных практических задач. Конструкторские бюро и проектные организации часто вынуждены, пользуясь эмпирическими формулами, компенсировать их приближенность достаточно высокими коэффициентами запаса, вследствие неопределенности формы, непостоянства нагрузок, не всегда достоверной расчетной схемы и схемы кроя и др.

В настоящее время наблюдается заметный дефицит экономичных, с точки зрения трудоемкости, и эффективных автоматизированных алгоритмов формообразования поверхностей и формирования карт раскроя тентовых конструкций, что отражается в отсутствии регламентирующей документации на процессы проектирования, изготовления и монтажа ТТК. Внедрение эффективных методик осуществления данных технологических процессов, в том числе и на уровне государственной нормативной базы, является актуальным и необходимым. Это справедливо и для стандартных тентовых конструкций, которые должны обеспечить быстрорастущий спрос на временные мобильные сооружения, и для единичных уникальных тентовых систем.

Объектом исследования является геометрическое моделирование тентовых тканевых сооружений с формой поверхности отрицательной гауссовой кривизны.

Предметом исследования являются алгоритмы и методики вычисления параметров геометрических моделей ТТК, обеспечивающие их корректное формоопределение и построение карт раскроя.

Цель исследования состоит в разработке геометрической модели тентовой тканевой конструкции и применении ее для моделирования тентовых сооружений.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих основных теоретических и прикладных задач:

•разработать каркасно-сеточную модель ТТК на основе анализа и обобщения существующих в отечественной и зарубежной практике методов проектирования тентовых сооружений;

•разработать алгоритмические средства моделирования и управления формообразованием поверхностей тентовых сооружений;

• разработать технологию построения карт раскроя и плоских разверток криволинейных поверхностей двоякой кривизны;

• внедрить разработанные методики в технологию геометрического моделирования реального тентового сооружения с формой поверхности отрицательной гауссовой кривизны.

Методы исследования. Данное исследование базируется на аппаратах аналитической, дифференциальной и вычислительной геометрии, компьютерной графики, в том числе используется метод натянутых сеток.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов подтверждается высокими производственными, а также эксплуатационными характеристиками мягких оболочек, смоделированных с помощью методик, разработанных в исследовании. Положительная характеристика получена в ходе опытной апробации, осуществленной ООО «КубаньТЕНТ» (г. Краснодар)

- одним из ведущих российских научно-производственных предприятий, специализирующихся на серийном выпуске тентовых сооружений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• предложена математическая каркасно-сеточная модель, существенно

упрощающая процесс геометрического моделирования тентовых тканевых конструкций; ;

•предложен алгоритм триангуляции неплоских участков поверхностей тентовых конструкций, предложена процедура регуляризации элементных сетей, аппроксимирующих поверхности тентов;

•предложен инструмент управления формообразованием поверхностей мягких оболочек;

• предложен алгоритм построения линий, максимально приближенных к кратчайшим на поверхности произвольного многогранника, используемый в процедуре формирования карт раскроя тентовых конструкций.

Практическая значимость работы. Основные научные исследования проведены по заказу ООО «КубаньТЕНТ» (г. Краснодар). Научные положения диссертации в виде практических алгоритмов и методик формообразования и раскроя ТТК могут быть интегрированы в CAD-системы для автоматизированного проектирования тентовых сооружений.

На защиту выносятся:

• каркасно-сеточная модель ТТК;

• процедура триангуляции и регуляризации элементных сетей, аппроксимирующих поверхности тентовых тканевых конструкций;

• алгоритм последовательного уточнения сеточного покрытия, основанный на экспоненциальном законе изменения псевдожесткостей смежных сегментов сети, аппроксимирующей тентовую поверхность;

• алгоритм построения кратчайших линий, соединяющих две точки на многогранной поверхности.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 11 научных работах, 3 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. .

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных и региональных конференциях, в число которых входят: 19-я международная конференция по компьютерной графике и зрению Graphi’Con2009 (Россия, Москва, 2009 г.); XIV сессия молодых ученых (Россия,

Н. Новгород, 2009 г.); «Doktoranden-Kolloquiums in Chemnitz», научная конференция аспирантов (Германия, Хемниц, 2010 г.); XV сессия молодых ученых (Россия, Н. Новгород, 2010 г.); «Строительная наука 2010», конференция (Россия, Владимир, 2010 г.); «Современные направления теоретических и прикладных исследований», международная интернет-конференция (Украина, Одесса, 2010 г.); Всероссийский конкурс достижений

талантливой молодежи «Национальное Достояние России» (Россия, Москва, 2010 г.); Всероссийский молодз:.;<йый научно-инновационный конкурс

«У.М.Н.И.К» (Россия, Н. Новгород, 2009 г.); VI Всероссийский Фестиваль науки (Россия, Н. Новгород, 2011 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка литературы (140 наименований) и приложения. Общий объем текста работы -135 страниц машинописного текста. Количество рисунков -51.

• * У. '

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы с позиций современного уровня развития теории мягких оболочек, обладающих формой поверхности отрицательной гауссовой кривизны. Дается общая постановка проблем формообразования и построения карт раскроя тентовых тканевых конструкций. Изложены цели и содержание работы, перечислены результаты, а также приведены данные об их апробации и практическом использовании.

В первой главе приведен анализ основных проблем в области разработки теоретических основ и практических методов геометрического моделирования тентовых тканевых конструкций. Отмечены основные методы решения научных и прикладных проблем достижения рациональных параметров геометрических моделей тентовых ’ сооружений, обеспечивающих наиболее полный учет функциональных, конструктивных, технологических, экономических, эстетических и других требований.

В разделе 1.1 определяется терминология, связанная со спецификой тентовых сооружений, а также содержатся краткие исторические и другие сведения о рассматриваемом типе сооружений.

В разделе 1.2 рассматриваются геометрические особенности проектирования тентовых тканевых конструкций.

Вследствие того, что типовые конструктивные схемы ТТК ограничены в

применении при геометрическом моделировании, приводится обзор научных работ в области наиболее трудоемкой и малоисследованной проблемы нахождения качественных форм мембранных покрытий.

Большинство исследователей сходятся во мнении, что для моделирования тентовых тканевых конструкций является предпочтительным использование фрагментов поверхностей минимальной площади, так н азываемых минимальных поверхностей. Для них характерны высокая эстетичность, оптимальный расход материала на изготовление ТТК, изотропное распределение по площади нормальных усилий натяжения в ткани, обеспечивающее отсутствие деформаций сжатия и сдвига. Это позволяет избежать складок и морщин на поверхности конструкции. Примером подобной поверхности является мыльная пленка, поверхность которой описывается дифференциальным уравнением в частных производных.

Прогресс в области математического моделирования форм тентовых тканевых конструкций был достигнут после внедрения в практику проектирования конечно-элементных и гранично-элементных методов. Но большинство численных подходов приводят к получению чрезвычайно сложных матриц систем разрешающих уравнений, а сама задача по нахождению формы конструкции является нелинейной, требующей сравнительно больших затрат компьютерного времени. Среди новых подходов особого внимания заслуживает разработанный в конце 90-х гг. прошлого века Е. В. Поповым математический аппарат, получивший название «метод натянутых сеток» (МНС). Он ориентирован на отыскание формы тентовых тканевых конструкций, близкой к поверхностям минимальной площади.

Также в разделе 1.2 приводится сравнительный анализ существующих методов регуляризации сгенерированных гранично-элементных и конечноэлементных сетей, в которых имеют место сильно искаженные или вырожденные ячейки, приводящие к потере точности расчетов. МНС можно считать одним из наиболее удобных и надежных алгоритмов регуляризации дискретных сетей.

Проведен обзор и анализ методов получения карт раскроя тентовых покрытий. Эти методы обеспечивают геометрическое построение адекватных плоских фрагментов полотнищ таким образом, чтобы в дальнейшем из них была составлена тентовая тканевая конструкция, максимально приближенная к разработанным ранее формам двоякой кривизны.

Традиционно процесс раскроя подразделяется на следующие стадии: построение линий кроя, развертка сегментов на плоскость, компенсация деформаций, детализация, сборка. При этом наименее разработанной, с теоретической точки зрения, является первая стадия процесса. Рациональность раскроя, кроме всего прочего, определяется соблюдением требований максимального исключения сдвиговых усилий в швах во избежание возникновения в этих местах складок и морщин. Подобным требованиям на любой поверхности двоякой кривизны отвечают линии, совпадающие с геодезическими. Их построение является одной из ключевых задач процесса геометрического моделирования ТТК. На сегодняшний день существуют хорошо разработанные относительно несложные алгоритмы отыскания геодезических линий на простых поверхностях. Для произвольных поверхностей, напротив, отмечается отсутствие подобных технологий, отличающихся эффективностью, а также достоверностью результатов.

Вторая глава посвящена разработке теоретических аспектов решения ключевых задач геометрического моделирования ТТК, определенных целью настоящей работы.

Для этого в исследовании в качестве базового был выбран метод натянутых сеток, обобщенная формулировка которого приводится в пункте 2.1.1. Физический смысл МНС, доказанный в докторской диссертации Е. В. Попова «Метод натянутых сеток в задачах геометрического моделирования» (Н. Новгород, ННГАСУ, 2001 г.), заключается в том, что для любой упругой поверхности, заключенной в жесткий (или упругий) замкнутый пространственный контур, стремление ее полной энергии к минимуму одновременно приводит к тому, что суммарное расстояние между

произвольными парами точек поверхности также стремится к минимально возможному значению. Это позволяет заменить решение задачи о минимуме полной энергии поверхности решением задачи о поиске минимума суммарной энергии сегментов сетчатой структуры, аппроксимирующей поверхность:

п=£д,л;+£(|; с. (длг.)1-£/№). ¿ = 1,2,3, (1)

• у-1 1-1 1«( *»1

где и - общее число сегментов сетчатой структуры; т - общее число узлов сетчатой структуры; Щ - длина сегмента номер /; О] - псевдожесткость сегментов; АХц - приращение координаты А-того узла по оси ;; С,* - жесткость упругой связи в узле номер к по оси /; Р& - внешняя нагрузка в узле номер к по оси г.

Эффективность метода для решения прикладных задач отыскания формы минимальных поверхностей, сглаживания сгенерированных сетей, а также построения разверток поверхностей одинарной и двоякой кривизны, демонстрируется в пунктах 2.1.2 и 1.2.1.4 и далее в пункте 2.4.4.

Технология развития и применения аналитического аппарата метода натянутых сеток к задачам данной работы рассматривается в раздел 2.2. Для осуществления геометрического моделирования ТТК разработана специальная геометро-топологическая математическая модель, названная «каркасносеточной». Каркасно-сеточная модель - это конечное множество геометрических элементов моделируемой конструкции, применяемое для формирования ее облика, а также отображения присущих ей геометрических свойств. Процессу пошагового создания данной модели посвящены пункты 2.2.1.1-2.2.1.4. На первом этапе строится заготовка будущей конструкции -пространственный каркас, представляющий собой набор связанных друг с другом пространственных линий первого и второго порядков, в качестве которых могут выступать отрезки прямых и дуги окружностей. По строение каркаса осуществляется инженером-проектировщиком с помощью средств любого графического редактора, имеющего свойства реберного представления ЗБ объектов. Исходными данными для этого являются габаритные параметры

будущего сооружения, определяемые пятном застройки, эскизом сооружения, а также эстетическими соображениями и т. д. На рисунке 1, а приведен пример пространственного каркаса, узлы которого отвечают точкам крепления полотнища тента, либо являются точками, в которых полотнище должно изменять свою геометрию.

а) 6) В)

Рисунок 1 - Получение каркасно-сеточяой модели тентовой конструкции: а - пример пространственного каркаса; б - исходная сетка модели ТТК; в - итоговая каркасно-сеточная модель

Второй составной частью каркасно-сеточной модели является объект «сеть» (см. рисунок 1, б), построенный на топологических треугольниках и четырехугольниках объекта «каркас» и задающий начальное приближение к искомой результирующей поверхности. Сеть представляет собой некое топологическое множество точек («вершин», «узлов»), связанных между собой «ребрами» (отрезками линий) таким образом, что исходная область разбивается на элементы определенной формы - геометрические симплексы. На этом этапе может быть использован любой алгоритм генерации сети, например, алгоритм С. Э. Уманского.

В пункте 2.2.1.3 разработана и описана процедура построения сетей в области, ограниченной непрямолинейными границами, когда топологические треугольники и четырехугольники не являются участками плоскостей. Последовательность проведения данной процедуры следующая:

• первоначально строится плоский шаблон неплоского участка каркаса. В случае если участок треугольный, предполагается, что вершины шаблона совпадают с вершинами участка (рисунок 2, б). Если участок четырехугольный,

выбираются три произвольных узла, совмещаются с узлами шаблона, а четвертый узел проецируется в плоскость шаблона;

• полученный таким образом плоский шаблон триангулируется обычным образом (рисунок 2, в);

• далее полагается, что параметризация прямолинейных и криволинейных границ, самого неплоского участка поверхности и соответствующего ему плоского шаблона совпадают. Это позволяет при наличии параметрических координат, сгенерированных на шаблоне и в его плоскости узлов сети, вычислить их декартовы координаты в составе итоговой сети (рисунок 2, г).

Рисунок 2 - Триангуляция неплоских областей: а - криволинейная граница; б - плоский шаблон; в - триангуляция плоского шаблона; г - параметрическое отображение плоской сети на криволинейную область

Заключительным этапом формирования итоговой каркасно-сеточной модели является этап «релаксация» (см. рисунок 1, в), состоящий в геометрическом преобразовании сети, аппроксимирующей поверхность ТТК, с использованием метода натянутых сеток. Данная операция направлена на отыскание новых координат узлов сети, отвечающих условиям минимума ее

энергетического функционала (1), что эквивалентно отысканию такой псевдо-регулярной сети, узлы которой лежат на поверхности минимальной площади.

Отмечается, что каркасно-сеточная модель при геометрическом моделировании оболочек позволяет отойти от минимальных поверхностей, характерных, например, для мыльной пленки. Показано, что такие формы поверхностей почти никогда полностью не реализуется, вследствие чего рекомендуется рассматривать мыльную пленку лишь как первое приближение к рациональной форме предварительно напряженной мягкой оболочки. В этом случае применяется специально разработанный способ управления формообразованием, называемый «адаптацией». Его описаншо посвящен раздел 2.3. Суть идеи, заложенной в основу инструмента «адаптация», заключается в подборе значений относительных величин псевдожесткостей £>, из соотношения (1) с целью управления формой искомой поверхности. Задача по нахождению этих величин является нелинейной. Вычисления уточненных значений псевдожесткостей проводятся по следующему закону:

где Д, - значение псевдожесткости, соответствующее предыдущей итерации;

/„ - длина элемента п итерации; /„+/ - длина элемента п+1 итерации.

С целью недопущения образования нежелательного эффекта сморщивания тканевого материала («сапога Шварца»), опытным путем установлено предельное значение относительных величин псевдожесткостей, равное 25.

Оригинальной отличительной и определяющей чертой каркасно-сеточной модели является принцип «наследования» геометрических свойств модели. Это обеспечивает быструю модификацию каркаса конструкции и переопределение в автоматическом режиме формы сети, моделирующей полотнище тента. В целом полученный тип математической модели является достаточно простым и легко реализуемым на базе любой САО-системы, использующей граничную форму представления моделей объектов.

(2)

Раздел 2.4 посвящен построению карты раскроя тентовой тканевой конструкции. Фактически данный вопрос сводится к разработке технологии эффективного отыскания так называемых «псевдократчайших» линий, которыми являются линий на поверхности многогранника произвольной формы, положение которых максимально приближено к реальным геодезическим. Для этого в работе предлагается осуществлять построение «псевдократчайших» линий численно, исходя из ряда предположений, сформулированных в пункте 2.4.2. Во-первых, линия, кратчайшая между двумя точками поверхности, является проекцией прямой, соединяющей эти две точки. При этом проецирование каждой точки прямой линии производится по вектору нормали к поверхности в соответствующей точке. Во-вторых, многогранная структура, аппроксимирующая поверхность, представляет собой набор плоских треугольников. Кроме того, считается, что вектор нормали к поверхности в любой ее точке в пределах всей сетчатой структуры не имеет разрывов, в каждом узле вектор нормали является суммой нормалей примыкающих к узлу граней, а в пределах каждой грани сетки меняется по линейному закону. Эти предположения позволяют сформировать эффективный алгоритм построения приближенной кратчайшей линии между двумя произвольными точками поверхности. Для этого достаточно последовательно определить точки, являющиеся проекциями точек прямой линии на соответствующие ребра поверхности. Ломаная линия, проходящая через найденные точки, будет являться приближенной кратчайшей, соединяющей две исходные точки поверхности. В пункте 2.4.3 демонстрируются результаты практического использования алгоритма.

В третьей главе детально описана технология геометрического моделирования с помощью предлагаемых теоретических методик, применительно к реальному тентовому сооружению. В качестве компьютерного инструментария для реализации разработанных алгоритмов может быть выбрана любая САО-система, реализующая принцип граничного представления моделей объектов В-Лер, например, КОМПАС, АМоСАЛ и др. В

данном исследовании выбрана система КЗ (НВЦ «Геос», г. Н. Новгород).

Для лучшего восприятия процесса моделирования сначала рассмотрен максимально упрощенный случай шатрового тента.

В разделе 3.1 задаются исходные предпосылки моделирования и определяется его последовательность:

• моделирование внешнего контура поверхности;

• построение произвольной поверхности на полученном контуре;

• модификация построенной поверхности с помощью МНС с целью минимизации ее площади. При необходимости нахождения более рационального варианта формы, отличной от минимальной поверхности, применяется операция корректировки сети в режиме «адаптация».

В разделе 3.2 осуществляется создание каркаса объекта с помощью стандартных средств базового ядра геометрического моделирования КЗ. Одним из важных моментов на данной стадии, является учет возможности использования плоскостей симметрии конструкции, что позволяет существенно сократить время на формирование итоговой каркасно-сеточной модели. Ответственной операцией на данной стадии является контроль входящих в состав каркаса топологических треугольников и четырехугольников, на которых в дальнейшем будет формироваться элементная сеть, аппроксимирующая полотнище тента. Убедившись в правильности топологических характеристик каркаса, необходимым является задание кинематических граничных условий для каждого его сегмента (линии) и узла, как это описано в разделе 3.3. При необходимости любое число узлов каркаса, не нарушающее целостности полотнища, может считаться, как свободными, так и прикрепленными к каркасу с заданным коэффициентом жесткости. Данная возможность позволяет, варьировать формой полотнища в широких пределах, а также моделировать растяжки, на которых крепится полотнище.

Раздел 3.4 посвящен созданию элементной сети по сформированному каркасу. Процесс осуществляется в три этапа:

• генерация сети, состоящей из треугольных конечных элементов, по технологии С. Э. Уманского;

• релаксация с использованием метода натянутых сеток;

• адаптация сети с целью придания ей визуальной эстетичности и адекватности формы. Теоретические предпосылки данного процесса описаны в разделе 2.3.

В случае получения итоговой тентовой поверхности формы, отличной от требуемой по заданию, модель подвергается переопределению, начиная с перерегистрации каркаса без удаления элементной сети. Быстроту и эффективность процесса обеспечивает реализованный в каркасно-сеточной модели принцип «наследования».

В разделе 3.5 описываются процедура построения карты раскроя полотнища шатрового тента. При разделении тентового материала на куски необходимо иметь в виду, что каждый из кусков представляет собой часть поверхности двоякой кривизны, который в общем случае точно на плоскость не разворачивается. Точность плоского отображения тем выше, чем меньше гауссова кривизна участка поверхности. В работе продемонстрировано, что это становится в ряде случаев возможным при уменьшении размеров кусков выкроек. Как правило, плоское отображение позволяет получить выкройку с линейными размерами на 1-2% меньше соответственных линий на криволинейной поверхности. Поэтому при раскрое материала предусматривается соответствующий припуск.

Раздел 3.6 посвящен применению технологии геометрического моделирования по заданным габаритным параметрам к проектированию реального тентового сооружения, в качестве которого выбрана тентовая тканевая конструкция танцпола, находящаяся в поселке Кабардинка Краснодарского края.

На рисунке 3 приведена полученная в результате геометрического моделирования итоговая модель поверхности танцпола в четырех проекциях.

Рисунок 3 - Итоговая модель покрытия танцпола, представленная в четырех проекциях

Основные результаты и выводы

1. Осуществлен анализ существующих математических методов формообразования тентовых сооружений. В качестве базового теоретического метода исследования выбран наиболее рациональный из них - метод натянутых сеток, позволяющий также решать широкий спектр базовых задач в сфере проектирования указанного вида сооружений.

2. Разработана каркасно-сеточная модель, являющаяся новым и оригинальным типом математической модели тентовой конструкции. Свойства предложенной модели обеспечивают быструю и эффективную работу по отысканию формы тентовых тканевых конструкций, а также изменению геометрии проектируемого тентового сооружения в случае возникновения такой необходимости. Данный тип геометро-топологической модели является

легко реализуемым на базе любой САБ-системы, использующей граничное представление моделей объектов.

3. Механизм управления формообразованием поверхности каркасносеточной модели ТТК через процедуру адаптации, разработанный в данном исследовании, позволяет получать поверхности целесообразной и эстетичной формы в случае неэффективности использования поверхностей минимальной площади.

4. Разработан алгоритм построения линий, максимально приближенных к геодезическим на многогранной поверхности любой регулярной формы. Это позволяет решить ключевую задачу рационального формирования карт раскроя полотнищ ТТК.

5. Разработана технология геометрического моделирования тентовых тканевых конструкций, применительно к реальным тентовым сооружениям с заданными геометрическими параметрами.

Публикации по теме диссертационной работы

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных БАК:

1. Шалимов, В. Н. Построение кратчайших линий на поверхности полотнищ тентовых тканевых конструкций У В. Н. Шалимов, Е. В. Попов,. К. В. Шалимова// Вестник компьютерных и информационных технологий. - М.: Машиностроение. - 2009. - № 12. — С. 17-20.

2. Шалимов, В. Н. Управление формообразованием поверхностей тентовых тканевых конструкций / В. Н. Шалимов, Е. В. Попов, К. В. Шалимова// Приволжский научный журнал. - 2011. - № 2 - С. - 20-26.

3. Шалимов, В. Н. Триангуляция подобластей пространственного каркаса и их регуляризация при проектировании тентовых конструкций/ В.Н. Шалимов, Е. В. Попов, К. В. Шалимова // Приволжский научный журнал. - 2011. - № 3 -

С. 27-33.

Статьи в сборниках научных трудов и сборниках материалов конференций:

4. Шалимов, В. Н. Каркасно-сеточная модель тентовой тканевой конструкции в системе КЗ-ТЕНТ / В. Н. Шалимов, Е. В. Попов, К. В. Шалимова// ГрафиКон 2009 : Тр. конф. / МГУ им. Ломоносова. - М., 2009. - С. 319-320.

5. Шалимов, В. Н. Актуальные проблемы проектирования тентовых тканевых конструкций в современной инженерной практике / В. Н. Шалимов // XIV Нижегор. сес. молодых ученых. Техн. науки : сб. тез. докл. - Н. Новгород, 2009.-С. 109-110.

6. Шалимов, В. Н. Объект Каркас в системе автоматизированного проектирования тентовых конструкций КЗ-ТЕНТ / В. Н. Шалимов, Е. В. Попов// Строит, наука 2010: материалы междунар. науч.-техн. конф. - 2010. - С. 279-283.

7. Шалимов, В. Н. Метод натянутых сеток в задачах проектирования тентовых тканевых конструкций / В. Н. Шалимов // XV Нижегор. сес. молодых ученых. Техн. науки: сб. тез. докл. -Н. Новгород, 2010. - С. 107-108.

8. Шалимов, В. Н. Проблематика формообразования тентовых тканевых конструкций/ В. Н. Шалимов// Техн. науки: сб. тр. асп. и магистр. - Н.Новгород : ННГАСУ, 2010. - С. 283-287.

9. Shalimov, V. N. Element grid regularization in tensile fabric structures analysis by numerical computings / V. N. Shalimov // Перспект. инновац. в науке, образовании, пр-ве и трансп. : сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практ. конф. - 2010. - Т. 4. - С. 73-76.

10. Шалимов, В. Н. Эффективное проектирование тентовых конструкций с использованием программного комплекса КЗ-ТЕНТ / В. Н. Шалимов, К. В. Шалимова // Нац. достояние России : сб. тез. и докл. участников IV Всерос. конф. - 2010. - НС «Интеграция», Государственная Дума ФС РФ, Минобрнауки РФ, Роскосмос, РАЕН, РИА, РАО. - 2010. - С. 799.

11. Шалимов, В. Н. Алгоритм построения карт раскроя тентовых тканевых конструкций / В. Н. Шалимов, К. В. Шалимова // Перспект. инновац. в науке, образовании, пр-ве и трансп. : сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практ. конф. - 2010; - Т. 2. - С. 56-62.

Подписано в печать 231 ¿У- Î2< <7 Формат 60 х 90 1/16 Бумага газетная. Печать трафаретная. Объем /, О печ.л. Тираж 100 экз. Заказ №

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65.

Полиграфцентр ННГАСУ, 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65

61 12-5/1855

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-

строительный университет» (ННГАСУ)

Шалимов Владимир Николаевич

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕНТОВЫХ ТКАНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

05.01.01 - Инженерная геометрия и компьютерная графика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Попов Е. В.

Нижний Новгород - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. Геометрическое моделирование тентовых

конструкций в мировой практике. Состояние вопроса 11

Введение 11

1.1. Определения и терминология 12

1.2.Геометрическое моделирование ТТК в мировой практике тентостроения 14

1.2.1 Обзор методов формообразования ТТК 15

1.2.1.1 Закономерности формообразования типовых ТТК 15

1.2.1.2 Методы формообразования ТТК 18

1.2.1.3 Применение численных методов для формообразования ТТК 21

1.2.1.4 Методы сглаживания сгенерированных сетей, аппроксимирующих поверхности ТТК 25

1.2.2 Обзор методов построения карт раскроя покрытий тентовых тканевых конструкций 36

1.2.2.1 Построение линий кроя 37

1.2.2.2 Развертка сегментов на плоскость 39

1.2.2.3 Компенсация деформаций 41

1.2.2.4 Детализация 41

1.2.2.5 Сборка и эксплуатация 41 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 43

ГЛАВА 2. Применение метода натянутых сеток к задачам

геометрического моделирования тентовых конструкций 44

Введение 44

2.1 Метод натянутых сеток 44

2.1.1 Обобщенная формулировка МНС 45

2.1.2 Применение МНС для отыскания формы минимальных поверхностей 47

2.2 Технология применения МНС к задачам исследования 48

2.2.1 Описание Каркасно-сеточной модели ТТК 49

2.2.1.1 Построение объекта Каркас 50

2.2.1.2 Построение объекта Сеть 54

2.2.1.3 Триангуляция подобластей пространственного каркаса 55

2.2.1.4 Операция «Релаксация». Формирование итоговой Каркасно-сеточной модели 58

2.2.1.5 Принцип «наследования» 59

2.3 Адаптация полученной поверхности тентовой тканевой конструкции 61

2.3.1 Теоретическое обоснование адаптации формы поверхности тентовой тканевой конструкции 64

2.3.2 Устранение негативных эффектов 67

2.4 Построение карты раскроя тентовой тканевой конструкции 70

2.4.1 Использование Метода натянутых сеток для построения плоских отображений поверхностей двоякой кривизны 71

2.4.2 Построение кратчайшей линии на произвольном многограннике 74

2.4.3 Результаты практического использования алгоритма 79 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 82

ГЛАВА 3. Технология геометрического моделирования тентовых конструкций 83

Введение 83

3.1 Определение формы сооружения 87

3.2 Создание каркаса 88

3.3 Задание граничных условий 92

3.4 Формирование полотнища тента 94

3.5 Формирование карты раскроя тента 96

3.6 Применение технологии геометрического моделирования к проектированию реального тентового сооружения танцпола 99 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 119

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 120

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 121

ПРИЛОЖЕНИЕ 121

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В течение последних двух десятилетий XX века и первого десятилетия XXI века во многих сферах жизнедеятельности общества большое распространение получили легкие и экономически эффективные тентовые тканевые конструкции (ТТК). Они относятся к классу мягких оболочек, в которых ограждающие функции выполняет взаимосвязанный с несущим каркасом основной конструктивный элемент -тентовое покрытие из тонкого синтетического высокопрочного материала. В целом такие конструктивные системы представляют собой пространственные мембраны с нулевой изгибной жесткостью, состоящие из сложных поверхностей двоякой кривизны. Такие покрытия могут сопротивляться только растяжению.

Перспективность подобных конструкций очевидна вследствие наличия у них целого набора положительных свойств, что, в ряде случаев, выгодно отличает ТТК от традиционных (железобетонных, металлических и т.п.) сооружений. К таким свойствам относятся: полифункциональность, мобильность, легкость, короткий срок возведения и демонтажа, а также весьма выразительный и привлекательный внешний вид.

Процессы геометрического моделирования и инженерного анализа подобных сооружений обладают спецификой. В отличие от традиционных конструкций, при заданных краевых условиях, форма натянутой тканевой поверхности отрицательной гауссовой кривизны не известна заранее, а может быть вычислена только с использованием соответствующих методов. Еще одним отличительным моментом является то, что, в силу своей специфики, поверхности двоякой кривизны, в отличие от линейчатых поверхностей, отображаются на плоскую область только приближенно. Это затрудняет построение их карт раскроя. В дополнение ко всему, тентовая

поверхность, зачастую, обладает рядом нежелательных свойств, таких как наличие «мертвых» зон, неравномерность распределения нагрузок с образованием эффекта «гармошки», концентрация напряжений в отдельных точках и т.д.

Таким образом, факторы, обеспечивающее большое разнообразие положительных свойств мягких оболочек, одновременно являются причинами существенного усложнения процессов анализа и проектирования тентовых сооружений. Поэтому для решения теоретической задачи расчета качественной тентовой тканевой конструкции необходимо применение специальных методов, основанных на использовании равновесного состояния мембран.

Среди разработанных технологий, посвященных решению ключевой проблемы нахождения формы тканевого покрытия ТТК, следует отметить различные формулировки метода конечных элементов в больших перемещениях, описанные в работах М. Барнеса, Б. Табарокка, Ж. Куина, Л. Грюндига, Р. Хабера, К. Ишии, Е. Монкрифа и В. Топпинга [93], [94], [95], [96], [107], [108], [112], [118], [129], [135], [136], а также отечественных инженеров А. В. Агальцева, В. В. Ермолова, В. Н. Кислоокого, Л.С.Ивановой [2], [17], [19], [28]. Перечисленные методы, в силу своей сложности, связаны с достаточно затратными, с точки зрения временных и компьютерных ресурсов, вычислениями, что препятствует разработке единого подхода к решению данной проблемы.

Не менее актуальной является проблема создания адекватных карт

раскроя мягких оболочек, тесно связанная с корректным решением двух

основных задач. Первая из них заключается в построении развертки

сегментов выкройки на плоскость. Этому вопросу уделено большое

внимание в работах В. Бляшке, Б. Табарокка, Б. Форстера, Л. Л. Митюшовой

и др. [8], [105], [106], [112], [114], [118], [135], [136], [137], созданных после

того как в 1878 г. Чебышев установил математические принципы

б

формообразования криволинейных поверхностей из плоских тканевых развёрток с квадратными ячейками [83]. Вторая проблема заключена в разделении тентовой поверхности на отдельные фрагменты линиями кроя, максимально приближенными к геодезическим на поверхности покрытия. Научные труды, посвященные разработке относительно несложных алгоритмов отыскания таких линий на простых поверхностях [64], [105], [106], [111], [112], [114] до сих пор не могут компенсировать отсутствия подобной технологии для произвольных поверхностей. Это свидетельствует о том, что в теории мягких оболочек сформировалась такая ситуация, при которой математический аппарат не обеспечивает универсального решения прикладных практических задач. Конструкторские бюро и проектные организации часто вынуждены, пользуясь эмпирическими формулами, компенсировать их приближенность достаточно высокими коэффициентами запаса, вследствие неопределенности формы, непостоянства нагрузок, не всегда достоверной расчетной схемы и схемы кроя и др.

В настоящее врем я наблюд ается зам етный де фицит эк ономичных, с точки зрения трудоемкости, и эффективных автоматизированных алгоритмов формообразования поверхностей и формирования карт раскроя тентовых конструкций, что отражается в отсутствии регламентирующей документации на процессы проектирования, изготовления и монтажа ТТК. Внедрение эффективных методик осуществления данных технологических процессов, в том числе и на уровне государственной нормативной базы, является актуальным и необходимым. Это справедливо и для стандартных тентовых конструкций, которые должны обеспечить быстрорастущий спрос на временные мобильные сооружения, и для единичных уникальных тентовых систем.

Объектом исследования является геометрическое моделирование тентовых тканевых сооружений с формой поверхности отрицательной гауссовой кривизны.

Предметом исследования являются алгоритмы и методики вычисления параметров геометрических моделей ТТК, обеспечивающие их корректное формоопределение и построение карт раскроя.

Цель исследования состоит в разработке геометрической модели тентовой тканевой конструкции и применении ее для моделирования тентовых сооружений.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих основных теоретических и прикладных задач:

• разработать каркасно-сеточную модель ТТК на основе анализа и обобщения существующих в отечественной и зарубежной практике методов проектирования тентовых сооружений;

• разработать алгоритмические средства моделирования и управления формообразованием поверхностей тентовых сооружений;

разработать технологию построения карт раскроя и плоских разверток криволинейных поверхностей двоякой кривизны;

внедрить разработанные методики в технологию геометрического моделирования реального тентового сооружения с формой поверхности отрицательной гауссовой кривизны.

Методы исследования. Данное исследование базируется на аппаратах аналитической, дифференциальной и вычислительной геометрии, компьютерной графики, в том числе используется метод натянутых сеток.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов подтверждается высокими производственными, а также эксплуатационными характеристиками мягких оболочек, смоделированных с помощью методик, разработанных в исследовании. Положительная характеристика получена в ходе опытной апробации, осуществленной ООО «КубаньТЕНТ» (г. Краснодар) - одним из ведущих российских научно-производственных предприятий, специализирующихся на серийном выпуске тентовых сооружений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

предложена математическая каркасно-сеточная модель, существенно упрощающая процесс геометрического моделирования тентовых тканевых конструкций;

предложен алгоритм триангуляции неплоских участков поверхностей тентовых конструкций, предложена процедура регуляризации элементных сетей, аппроксимирующих поверхности тентов;

предложен инструмент управления формообразованием поверхностей мягких оболочек;

предложен алгоритм построения линий, максимально приближенных к кратчайшим на поверхности произвольного многогранника, используемый в процедуре формирования карт раскроя тентовых конструкций.

Практическая значимость работы. Основные научные исследования

проведены по заказу ООО «КубаньТЕНТ» (г. Краснодар). Научные

положения диссертации в виде практических алгоритмов и методик

формообразования и раскроя ТТК могут быть интегрированы в С АО-

системы для автоматизированного проектирования тентовых сооружений.

На защиту выносятся:

• каркасно-сеточная модель ТТК;

процедура триангуляции и регуляризации элементных сетей,

аппроксимирующих поверхности тентовых тканевых конструкций;

алгоритм последовательного уточнения сеточного покрытия,

основанный на экспоненциальном законе изменения псевдожесткостей

смежных сегментов сети, аппроксимирующей тентовую поверхность;

алгоритм построения кратчайших линий, соединяющих две

точки на многогранной поверхности.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования

опубликованы в 11 научных работах, 3 из которых опубликованы в изданиях,

9

рекомендованных ВАК.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных и региональных конференциях, в число которых входят: 19-я международная конференция по компьютерной графике и зрению Graphi'Con2009 (Россия, Москва, 2009 г.); XIV сессия молодых ученых (Россия, Н. Новгород, 2009 г.); «Doktoranden-Kolloquiums in Chemnitz», научная конференция аспирантов (Германия, Хемниц, 2010 г.); XV сессия молодых ученых (Россия, Н. Новгород, 2010 г.); «Строительная наука 2010», конференция (Россия, Владимир, 2010 г.); «Современные направления теоретических и прикладных исследований», международная интернет-конференция (Украина, Одесса, 2010 г.); Всероссийский конкурс достижений талантливой молодежи «Национальное Достояние России» (Россия, Москва, 2010 г.); Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс «У.М.Н.И.К» (Россия, Н. Новгород, 2009 г.); VI Всероссийский Фестиваль науки (Россия, Н. Новгород, 2011 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка литературы (140 наименований) и приложения. Общий объем текста работы - 135 страниц машинописного текста. Количество рисунков -51.

В первой главе описано современное состояние вопросов, связанных с формообразованием и раскроем поверхностей мягких оболочек. Проведен анализ существующих методов геометрического моделирования тентовых покрытий. Вторая глава содержит теоретические аспекты исследования, необходимость разработки которых определена целью настоящей работы. В третьей главе описана технология геометрического моделирования реального сооружения с помощью теоретических разработок, полученных в предыдущей главе.

ю

ГЛАВА 1. Геометрическое моделирование тентовых конструкций в мировой практике. Состояние вопроса

Введение

В области проектирования ТТК на сегодняшний день наблюдается некоторое отставание отечественной научной базы от зарубежной. Это является следствием сложившегося под воздействием разного рода причин информационного вакуума выражающегося в виде отсутствия достаточного количества материала в русскоязычной литературе. Основными причинами этого, в первую очередь, являются неблагоприятные климатические факторы, препятствующие применению на большей территории России легких тентовых систем, не обладающих специальными теплофизическими и гигиеническими свойствами. Согласно [6] данный фактор порождает другие факторы, к которым можно отнести отсутствие результативных комплексных научных исследований и архитектурно-конструктивных проектов, обеспечивающих решение вопросов формообразования. Большое количество возведенных отечественных тентовых оболочек не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по эстетическим, защитно-изоляционным и другим архитектурно-техническим характеристикам, что существенно снижает эффективность их применения. В [17] отмечается отсутствие строгих методов формообразования и раскроя мягких оболочек, в условиях чего проектировщик должен полагаться лишь на собственный опыт и интуицию.

За весь период существования отечественному тентовому строительству так и не удалось выйти на возведение крупных тентовых объектов, схожие по масштабу с всемирноизвестными сооружениями. Имеются в ввиду, в первую очередь, такие выдающиеся объекты как ангар для дирижаблей «Cargo Lifter» в Бранде, Германия (размер 363x225 м при

высоте 107 м, объем 5,2 млн. м3) [113]; амбициозный зал «Купол Тысячелетия» в Лондоне (площадь 80000 м) [22]; крупнейший в мире Ботанический сад «Эдем» со 120-метровым пролетом, длиной около 1 км и высотой 60 м в Корнуолле; футбольный стадион Allianz Arena в Мюнхене, Германия, похожий на НЛО (площадь покрытия около 64000 м) [33], Олимпийский футбольный стадион в Сиднее со светопрозрачным тентовым покрытием амфитеатра [46], уникальный по назначению Центр динамики Земли в Эдинбурге [40], светопрозрачный тентовый навес аэропорта Чек Лап Кок в Гонконге протяженностью 1,3 км и площадью 30 га [100], Олимпийский стадион в Мюнхене (1972 г.) [42] и др. Каждое подобное сооружение является уникальным, однако все тентовые конструкции объединяет богатейший набор специфических свойств (изменяемость, трансформируемость [71], внешняя эстетика, ввод в действие в кратчайшие сроки, низкий период окупаемости, мобильность, адаптация к окружающей среде), делающий их в определенных условиях незаменимыми.

Материал первой главы составлен из двух главных подразделов. В них представлены основные вехи прогресса в решении ключевых задач проектирования: отыскания формы и построения раскроя поверхностей тентовых тканевых конструкций.

1.1 Определения и терминология

Тентовая конструкция, в широком смысле слова - это изделие из тентового материала, имеющее покрытие (навес, купол), и предназначенное для защиты кого-либо (чего-либо) от неблагоприятных погодных условий. [25], [26]. В переводе с латинского tendo означает «натягивать», «растягивать». Системы, элементы которых работают на растяжение, на сегодняшний момент широко распространены как в быту, так и в жи