автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Разработка методов геометрического моделирования в автоматизированных системах технической подготовки производства в судостроении

г^ Л

Государственный научный центр Российской Федерации

^ Центральный научно-исследовательский институт

%

х технологии судостроения

На правах рукописи

Ситников Александр Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА В СУДОСТРОЕНИИ

Специальность 05.08,04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -1997

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте технологии судостроения.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ' В.В. Веселков

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ДВ.Гаскаров

кандитат технических наук Л.М. Рябенький

Ведущая организация - Центральное конструкторское бюро «Балтсудопроект»

Защита состоится в 40 часов « _ 1997г. на заседании

специализированного совета в Центральном научно-исследовательском институте технологии судостроения по адресу: 198095, Санкт-Петербург, Промышленная ул., д.7

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Центрального научно-исследовательского института технологии судостроения.

Автореферат разослан « » 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Важнейшим фактором сокращения сроков и повышения качества проектирования и строительства отечественных судов является автоматизация указанных работ на основе применения систем типа CAD/CAM (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing) - систем автоматизированного проектирования и производства.

Использование систем CAD/CAM в судостроении принципиально меняет информационную основу процесса проектирования и технологической подготовки производства путем замены традиционных «бумажных» носителей информации компьютерной производственной моделью судна (ship product model). При выполнении проектирования и технической подготовки постройки с помощью CAD/CAM - чертежи и документы на бумажных носителях являются вторичными носителями информации и автоматизировано формируются на основе использования распределенной базы данных производственной модели, что позволяет существенно сократить трудоемкость, повысить качество и культуру инженерного труда.

Основу производственной модели судна составляет ее геометричесхая модель. Практика показала, что одно из главных требований, которое предъявляется к геометрической модели судна, является свойство ее «полноты и достаточности». В обеспечение этого требования средства формирования геометрической модели судна разрабатывались и постоянно совершенствовались на протяжении последних 20-25 лет. когда средства вычислительной техники активно внедрялись в процессы проектирования и технологической подготовки производства судов. На предшествующих этапах применение вычислительной техники носило «локальный» характер и методология представления геометрии корпуса судна была ориентирована на решение отдельных задач (комплексов задач) проектирования и технологической подготовки производства. Стремительное развитие вычислительной техники (персональные компьютеры, рабочие станции, вычислительные сети), новых информационных технологий и средств CAD/CAM обусловили принципиально новые требования к геометрической модели судна Попытки создания средств формирования геометрической модели судна, удовлетворяющих новым требованиям, показали, что их разработка возможна только на основе научно-обоснованных методов описания сложных геометрических

объектов, что и предопределило актуальность выполнения данного исследования.

Цель и задачи исследований

Целью настоящей работы является сокращение сроков и повышение качества проектирования и технологической подготовки производства судов и кораблей за счет развития и совершенствования автоматизированных систем технической подготовки производства на основе разработки современных методов геометрического моделирования и их использования для формирования геометрических моделей судов.

Для достижения поставленной цели в работе выполнены следующие основные исследования и решены задачи:

1) Выполнен анализ областей применения ЭВМ в судостроении и на его основе разработана система требований к геометрической модели судна и ее составляющим, как структурной части производственной модели судна;

2) Разработан классификационный ряд и сформулированы свойства геометрических моделей судна, которые в совокупности определяют полную геометрическую модель судна;

3) Исследованы свойства и доказаны преимущества представления кривых и поверхностей с помощью неунифицированных рациональных В-сплайнов (NURBS технология) для формирования геометрических моделей судна и ее составляющих применительно к требованиям CAD/CAM и на основании выполненных исследований разработаны теоретические основы геометрического моделирования кривых и поверхностей типа судовых обводов, включая.

• обобщенные выражения кривых и поверхностей в параметрическом виде;

• методологию глобального и локального управления формой и непрерывностью кривых и поверхностей;

• методы точного (без аппроксимации) представления различных по форме описания кривых и поверхностей средствами неунифицированных рациональных В-сплайнов;

• методологию представления судовых поверхностей в виде проволочных (wireframe); поверхностных (surface); твердотельных (solids) и смешанных (wireframe-surface-soiids) моделей;

4) Создано программное обеспечение для практической реализации разработанных методов геометрического моделирования в автоматизированных системах типа CAD/CAM;

5) Обоснована экономическая целесообразность технического перевооружения проектных организаций и судостроительных предприятий на основе применения современных систем CAD/CAM.

Объект исследования

Объектом исследования в работе являлись: информационная потребность и емкость задач технической подготовки производства, решаемых в рамках систем CAD/CAM; требования, предъявляемые к геометрическим моделям судна; свойства кривых и поверхностей, представленных средствами неунифицирован-ных рациональных B-сплайнов; вопросы управления формой и непрерывностью кривых и поверхностей; каноническое описание кривых и поверхностей.

Методы исследования

Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования выполнялись на основе использования трудов российских и зарубежных ученых и специалистов в области автоматизации технической подготовки судостроительного производства и создания автоматизированных систем проектирования и производства типа CAD/CAM.

В качестве теоретической основы выполненных исследований использовались методы системно-структурного анализа; численные и аналитические методы описания кривых и поверхностей; методы аналитической, проективной и дифференциальной геометрии; метод конечных элементов в части параметризации и формирования конечных элементов в однородных координатах; методы машинной (компьютерной) графики.

Научная новизна и научные результаты

По результатам выполненных исследований на защиту выносятся следующие новые научные положения:

• теоретические основы геометрического моделирования кривых и поверхностей типа судовых обводов средствами неунифицированных рациональных В-сплайнов;

• свойства кривых и поверхностей представленных в форме неунифицированных рациональных В-сплайнов;

• методология управления формой и непрерывностью кривых и поверхностей;

• методы точного (без аппроксимации) представления различных по форме описания кривых и поверхностей едиными средствами неунифицированных рациональных В-сгшайнов;

• методология представления судовых поверхностей в виде проволочных (wireframe); поверхностных (surface); твердотельных (solids) и смешанных (wireframe-surface-solids) моделей.

Практическая ценность работы

Разработанные методы геометрического моделирования практически реализованы в автоматизированных системах:

«РИТМ-Корпус» - автоматизированная система технической подготовки производства корпусов судов (система разработана в ЦНИИТС коллективом специалистов под руководством автора и широко внедрена в отрасли);

«РИТМ-Судно» - автоматизированная система технической подготовки производства судов и кораблей (система разрабатывается в ЦНИИТС под руководством автора и предназначена для автоматизации проектирования и технологической подготовки производства судов и кораблей).

Система «РИТМ-Корпус применяется в 15-ти проектных и судостроительных предприятиях. За период использования с ее помощью разработана плазо-во-технологическая документация для более двадцати проектов судов.

Результаты последних исследований в настоящее время используются при создании автоматизированной системы технической подготовки производства в судостроении "РИТМ-Судно", разработка которой завершается под руководством автора в ЦНИИ технологии судостроения. Система "РИТМ-Судно" охватывает номенклатуру задач по судну в целом, включая корпус судна и его внутреннее насыщение оборудованием, механизмами, системами, трубопроводами и др.

Апробация работы

Основные результаты проведенных исследований докладывались:

• на всесоюзном семинаре "Современная технология постройки корпусов судов" (Ленинград, НПО "РИТМ", 1981 г.);

• на всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы модульного судостроения - Модуль-82" (Ленинград, ЛКИ, 1982 г.);

• на всесоюзной научно-технической конференции "Проектирование судовых корпусных конструкций - Корпус-83" (г.Николаев, 1983 г.);

• на всесоюзной научно-технической конференции "Повышение технического уровня судостроительного производства в XIII пятилетке, секция технологии судостроения" (г. Ленинград, 1990 г.);

• на международной конференции посвященной 100-летию ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова (Санкт-Петербург, 1994 г.);

• на совещании главных специалистов Государственного центра атомного судостроения по проблемам автоматизации производства изделий морской подводной техники (г. Северодвинск, Северное машиностроительное предприятие, 1994 г.);

• на научно-технических семинарах профессорско - преподавательского состава Морского Технического Университета ( Санкт-Петербург, ПИТУ, 19911996 гг.);

• на постоянно действующем при ЦНИИ технологии судостроения научно-техническом семинаре главных технологов судостроительных предприятий (Санкт-Петербург, ГНЦ ЦНИИГС. 1994-1996 гг.);

• на отраслевом совещании специалистов отрасли по вопросам развития и применения CAD/CAM систем з судостроении (Санкт-Петербург, АООТ "Северная верфь", 1995г.);

• на международной конференции и выставке по морским интеллектуальным технологиям - Моринтех -95 (Санкт-Петербург, 1995г.);

• на международной конференции и выставке по морским интеллектуальным технологиям - Моринтех -97 (Санкт-Петербург, 1997 г.);

• на заседаниях НТС Государственного научного центра ЦНИИ технологии судостроения, секции НТС главного технического управления по судостроению.

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы составляет 123 страницы машинописного текста, 54 рисунка, 4 таблицы, список использованной литературы из 200 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и направленность работы; формулируется цель и задачи исследования, кратко излагаются новые решения и отмечается степень их новизны; приводятся основные положения, выносимые на защиту, отмечается практическая ценность проведенного исследования.

В первой главе выполнен анализ областей применения ЭВМ в судостроении и на его основе разработана система требований к геометрическим моделям судна в целом и его составляющим.

В качестве концептуальной основы создания CAD/CAM для судостроения в работе принята производственная модель судна (ship product model), которая представляет собой распределенную компьютерную базу данных, включающую данные по геометрии судна (корпус и его внутренне насыщение механизмами, оборудованием, системами и трубопроводами) и негеометрические данные, дополняющие геометрическую модель до полной производственной модели судна.

Исследование особенностей задания геометрии составляющих элементов судна, входящих в состав производственной модели, позволило сформулировать основные требования к методам представления их геометрии, а именно:

единое представление геометрической модели на всех этапах проектирования и технологической подготовки производства;

трехмерное представление судовой поверхности, образуемой совокупностью разнообразных по свойствам участков;

синтез моделей, обеспечивающий получение агрегатированных геометрических моделей (корпусных конструкций и их насыщения механизмами, оборудованием. системами и трубопроводами и др.);

преобразование моделей - преобразования переноса, вращения, сдвига, масштаба, включая переход из пространства 3-х мерных моделей в 2-х мерное пространство для обеспечения выпуска традиционных чертежей;

пополнение моделей путем «добавления-исключения» порций поверхности, включая поверхности выступающих частей (выкружки гребного вала, кронштейны, бульбовые образования, обтекатели и др.);

алобального и локального изменения формы и непрерывности поверхности корпуса судна;

канонического описания поверхностей различных представлений - Бе-зье, Ферпоссона, интерполяционных и сглаживающих сплайнов, целых рацио-

g

нальных В-спгайнов, конических сечений (прямых, окружностей, эллипсов, парабол, гипербол) едиными средствами и др.

Разработка теоретических основ реализации указанных выше требований сформулирована в главе как основная задача диссертации.

Во второй главе разработан классификационный ряд геометрических моделей судна, который включает модели следующих типов (рис. 1-3):

• проволочные или каркасные (wireframe) модели;

• поверхностные или полигональные (surface) модели;

• твердотельные (solids) модели или модели сплошных (объемных) тел;

• смешанные модели, содержащие комбинации вышеуказанных моделей (wireframe• surface- solids).

Проволочные модели описываются совокупностью плоских и пространственных кривых (линий обводов) и точек их пересечения, образующих проволочный каркас описываемого объекта. Модели этого типа были исторически первыми описаниями геометрии объектов с помощью ЭВМ

Полигональные (поверхностные) модели представляют собой поверхности (surface) в виде оболочки (shell) нулевой толщины и представляются в виде:

• аналитически неописываемых кривых и поверхностей с использованием численных методов аппроксимации и интерполяции;

• аналитически описываемых кривых и поверхностей (поверхности второго порядка, конические сечения, представления полиномами высоких порядков и

др);

« многогранной модели, которая является результатом аппроксимации любой поверхности совокупностью многогранников.

Твердотельные модели переставляют собой объемные модели сплошных тел (solids), или модели плоских областей (regions).

Твердотельные модели в зависимости от наличия в них составных частей разделяются на два условных типа:

• неспецифированные модели, не имеющие составных частей (модели деталей, состоящие из базовых элементов);

• специфицированные модели, состоящие из составных частей-сборок (сборочные единицы, комплекты, комплексы).

Рис.3. Твердотельная модель носовой оконечности судна

Показано, что построение объемных моделей наиболее целесообразно осуществлять методами:

1) пространственного заполнения, когда модель определяется на основе ограничивающих ее поверхностей, например, задание тел толщиной, вращением;

2) пространственной композиции, когда сложные модели формируется из более простых на основе применения булевых операций (объединения, пересечения, вычитания, дополнения).

На основе исследования информационной потребности задач технической подготовки производства установлено, что совокупность четырех типов геометрических моделей (проволочные, поверхностные, твердотельные и смешанные модели) позволяет полностью задавать геометрию судна (корпус судна и его внутреннее насыщение) в автоматизированных системах типа CAD/CAM для судостроения.

В третьей и четвертой глава разработаны теоретические основы геометрического моделирования кривых и поверхностей средствами неунифициро-ванных рациональных В-сплайноа (Nonuniform Rational B-Splines или NURBS).

Впервые применение NURBS было анонсировано в системе CADDS фирмы CompulerVision (США) в 1992 году. При разработке отечественных автоматизированных систем «РИТМ-Корпус» и «РИТМ-Судно» автор столкнулся с необходимостью подробных теоретических исследований s этой области.

Для описания Кривых в работе принято использование рационального параметрического уравнения в векторной форме (1), векторного уравнения (2) и системы скалярных уравнений в однородных координатах (3):

и

*( 0 = ^

If

(1)

ЕлГмО»,

л

PO-XNi^nPf 1=0

(2)

я

x(tM0= EflTuMxiwi

ft

z(tMt)=2NiM0ziWi i=0

MO = IN,¿Он-«

Ы0

где P(t) =

~x(t)w(tf Xj W;

уОМ') ■ Pi= У,- Wi

ФМО Zi Wi

w(t) w . i

- соответственно вектор текущей

точки кривой и набор вершин характеристической ломаной в однородных координатах, ieJ0,l,2...nj, R(t) - радиус вектор текущей точки на кривой; Nn(t) -нормализованные В-сплайны К-го порядка; Г/, i е/0,1,2...п/ - набор вершин, определяющих кривую; w(t) - весовая функция; н>, - узловые значения весовой функции

Проведенные исследования кривых в форме NURBS показали:

1) Кривая определяется линейной комбинацией В-сллайнов К-ro порядка (/Чд/, коэффициентами которых являются множество характеристических вершин т, и весов и>„ ieJ0,l,2...n] . В-сплайны имеют степень (k-i) и равны нулю на данном множестве узлов, за исключением к последовательных отрезков характеристических вершин (iVu■ 0при i<irsi-t-fc);

2) Порядок К изменяется в пределах 2 s A s я + /;

3) Степень кривой на единицу меньше порядка В-сплайн базиса и равна (к-1), например, кубическая кривая задается В-сплайном четвертого порядка

4) Кривая точно проходит через первую г« и последнюю г„ вершины и является касательной к вектору (rt-r$) в начале и вектору (г„.гг„) в конце кривой;

5) Кривая построена на локальном базисе, что обеспечивает локальное изменение кривой при изменении одной из вершин. Это обусловлено тем, что для каждого неузлового значения параметра t существует только к ненулевых значений В-сллайнов и каждый сегмент определяется (к+1) вершиной характеристической ломаной;

6) Любое множество вершин характеристической ломаной может быть аппроксимировано кривой одного порядка в отличие от кривых Безье, порядок которых зависит от количества характеристических вершин. Использование со-

ставных кривых Безье одного порядка приводят к сопутствующим трудностям подгонки кривизны в точках сопряжения сегментов. Это весьма важное свойство для проектирования судовых кривых;

7) Кривая лежит внутри выпуклой оболочки, образованной характеристическими вершинами и обладает свойством минимальности - при передвижении характеристической вершины на определенное расстояние ни одна точка на кривой не передвинется на расстояние больше указанного, что исключает появление нерегламентированных "выбросов" при редактировании кривой. Указан-

й

ное свойство обеспечивается свойствами базиса: £ Л

¡'в

8) Введение кратных (повторяющихся) узлов (узлов с нулевой длиной) позволяет понижать степень непрерывности кривой вплоть до С"(слом кривой);

9) Кривая является составной сплайновой кривой, состоящей из (п-к+2) сегментов, каждый из которых определяется с помощью к последовательных узловых точек;

10) Определение В-сплайнов осуществляется на расширенном упорядоченном неубывающем множестве параметрических узлов, называемом узловым вектором. Точки, определяющие границы сегментов, входят в состав узлового вектора и называются геометрическими узлами.

Решена задача интерполяции, которая заключается в нахождении зависимости между интерполяционными точками Л'„ искомыми вершинами Р, и значе-

■

ниями параметров = £ /Ч, Л» Искомые вершины определяются из мат-

в

ричного уравнения: Р= (Г*)т)1 в.

Для визуального контроля формы кривой в работе предлагается метод масштабированного изображения кривизны или радиуса кривизны кривой.

Для математического описания Поверхностей предлагается использование рационального параметрического уравнения в векторной форме (4), векторного уравнения (5) и системы скалярных уравнений в однородных координатах (6):

Цп,

--(4)

t *

= ^«^Г^^ (6)

j

Выполненные с помощью компьютерного моделирования исследования свойства кривых и поверхностей показали, что в варианте их представления в виде NURBS объектов они практически одинаковы, вследствие использования для задания поверхности декартова произведения. При этом свойства поверхности характеризуются координатными линиями - изолиниями (рис.4) в направлении и (u=const, v=var) и направлении v(v=const, u=var).

Принцип параметризации кривых и поверхностей целесообразно разделять на два типа:

1) Однородная параметризация для вершин расположенных равномерно (или приблизительно равномерно);

2) Неоднородная параметризация для вершин расположенных неравномерно, в том числе:

• параметризация длиной хорды, когда параметр, соответствующей данной точке, равен накопленной длине хорды до этой точки;

• параметризация длиной дуги, когда хорда заменяется длиной душ.

При параметризации исходный набор характеристических вершин представляется множеством узловых значений, на основе которого строится узловой вектор для В-сплайн представления кривой и поверхности. Для поверхности обеспечивается возможность применения разных типов и условий параметризации соответственно в направлениях и и v.

Кубические кривые и поверхности (К=4 и L=4) неразрывны вплоть до кривизны и являются основой для проектирования судовых обводов, поскольку сплайны более высоких степеней склонны к нерегламентированным осцилляци-ям и вызывают значительные трудности в их управлении.

характеристический

Рис. 4. К определению NURBS поверхности Установлено, что важным преимуществом NURBS является обеспечение гибкого глобального и локального управления формой и непрерывностью кривых и поверхностей.

Глобальное управление формой и непрерывностью осуществляется путем изменения положения и (или) добавления вершин характеристической ломаной, а также изменением порядка. Введение кратных (повторяющихся) узлов (узлов с нулевой длиной) позволяет понижать степень непрерывности вплоть до С0 (слом кривой или поверхности). Локальное управление обеспечивается управляемым изменением узловых значений весовой функции без изменения положения вершин характеристической ломаной. В частности на рис.5 показано влияние изменения веса одной из вершин на форму кривой.

С целью локализации области управления кривой решена задача увеличения числа вершин характеристической ломаной так, чтобы форма кривой ос-

■ Я+ltl я

талась без изменения: £ Na(t) Р, =» £ W'ufO fv. где P(t)=Y, ~ исходная

¡•4 f=0

я*т

кривая, Fit")" £ /v- искомая кривая. На рис.6 приведен пример увеличе-

г.«

ния вершин для кубической кривой (при wrw,=w,=wj=/).

Вершина, • которой изменяется вес

Рис. 5. Кривая с различными весами в одной из точек

Рис. 6. Пример увеличения числа характеристических вершин

На рис. 7,8,9 показаны часть примеров компьютерного моделирования процессом управления формой и непрерывностью кривых.

Управление поверхностью с помощью весовой функции обеспечивает:

1) "Приполнение" поверхности при уэегмчении значений весов и^ ¡6 [(2,з_*-2л-1 ] н | е 11 или ее "утонение" при уменьшении указанных весов;

2) "Утонение" поверхности при увеличении граничных значений весов и*,о, м>4 или локальное ее "приполнение" при уменьшении граничных значений весов;

Рис. 8. Изменение формы кривой при изменении весов с сохранением касания в начале кривой

Рис. 9. Изменение формы кривой при изменении весов с сохранением кривизны в начале кривой

3) Изменение формы поверхности при изменении одного из весов н>у в пределах параметрического прямоугольника i-3<u<i+l, j-3<v<j+l;

4) Сохранение непрерывности С* на границах поверхности обеспечивает-

w«> w„ wi0 н>,„

ся соотношениями: —- = const, —-— = const, —— = const, ——— = const

wl, "Vo; WH'»-/>

5) Сохранение кривизны на границах обеспечивается соотношениями типа: " " = const.

Исследование свойств и особенностей управления формой и непрерывностью кривых и поверхностей показало, что важным преимуществом неунифици-рованных рациональных В-сплайнов по отношению к другим представлениям (Безье, кубическим сплайнам, целым рациональным В-сплайнам, коническим сечениям, квадратичным и линейчатым поверхностям и др.) является их свойство точно (без применения методов аппроксимации) представлять разнообразные описания кривых и поверхностей. Например: поверхность Безье задается из условия, когда веса wv равны единицы и порядок В-сплайнов Ли и Njj равен А=п+/ и 1=т+1, целая рациональная В-сплайновая поверхность задается при

линейчатая поверхность задается вершинами Pij при ¡е[0Л,2,...п-1,п|, j=0,l; A=v<v, W; цилиндрическая поверхность задается вершинами Pij при ie|0,l,2,...n-Mj, j=0,l: k=var, t*2 и Р0 задаются путем пространственного переноса вершин Plt, коническая поверхность задается вершинами Рц при ie[0,l,2, ..n-l.n], j=0,l: k=var, 1=2 и вершины Pu составляют п кратный узел; поверхность выдавливания (заданная образующей и толщиной) задается вершинами Pij при i€[0.1J>_n-l.n|, 1=2 и P,i задаются путем параллельного переноса вдоль одного из единичных координатных векторов i, j, U; поверхность вращения задается образующей в направлении v и кругом или дугой круга в направление и.

В пятой главе разработана методология представления судовых обводов

и поверхностей средствами NURBS в виде проволочных; поверхностных; твер-

/

д отельных и смешанных моделей.

В общем случае судовые кривые и поверхности задаются одним из общих уравнений NURBS. Однако, основным вариантом описания являются преставле-

ния В-сплайнами четвертого порядка, поскольку в этом случае результирующие кривые и поверхности являются кубическими с непрерывностью класса С (непрерывность градиента и кривизны), что является достаточным условием для обеспечения требований по плавности и гладкости судовых обводов. Сплайны высоких порядков более склонны к появлению нерегламентированных точек пе-региба(волнистости), петель и других нежелательных эффектов.

Каркасное описание представляет собой проволочную модель поверхности корпуса судна, которая задается ее каркасом. Каркас - это набор формообразующих NURBS кривых одного направления, на основе которого рассчитываются сечения другого направления. На рис. 10 показан каркас из продольных формообразующих кривых, на основе которого рассчитываются шпангоутные сечения поверхности. В состав каркаса входят граничные линии (диаметральных батокс, верхняя палуба, линия плоского днища, линия плоского борта, слом обвода) и пространственные линии, предназначенные для определения формы лекальных участков поверхности.

Поверхностная модель задается следующими вариантами:

1) Задание в виде одной кубической NURBS поверхности с учетом следующих условий:

• плоские участки задаются компланарными характеристическими вершинами;

• линейчатая поверхность задается коллинеарными вершинами в направлении образующей;

• слом поверхности обеспечивается за счет включения узлов кратности равной трем.

2) Поверхность задается совокупностью разлитых по типу участков (лекальных, плоских, линейчатых, конических и др.), которые точно представляются в форме NURBS.

Смешанное представление поверхности корпуса судна включают составляющие как в проволочном, так и поверхностном виде. Как правило, в этом случае средняя часть корпуса представляется в проволочном виде, а сложные образования в оконечностях (бульб, выкружка, кронштейн гребного вала и руля, направляющая насадка и др.) представляются в попигональном виде. На рис.11,14 показана смешанные модели судна.

—шшаиоутм практические

Рис. 10. Каркасная (проволочная) поверхностькормовой оконечности судна Твердотельная модель поверхности корпуса судна является результатом аппроксимации с заданной точностью проволочной или(и) полигональной моделей многогранниками, каждая грань которых является плоским многоугольником (треугольник, четырехугольник). На рис. 12,13 показаны твердотельные модели судна.

Рис.13. Фрагмент твердотельной модели днищевой секции корпуса судна

В шестой главе рассмотрены вопросы практического применения разработанных методов геометрического моделирования в автоматизированных системах технической подготовки судостроительного производства.

Важнейшая, прямая составляющая эффективности данных исследований заключается в практической реализации разработанных методов геометрического моделирования в автоматизированных системах "РИТМ-Корпус" и "РИТМ-Судно", что обеспечило их развитие как современных систем типа CAD/CAM для судостроения.

Косвенный эффект достигается за счет:

• реализации систем "РИТМ-Корпус" и "РИТМ-Судно" в проектных организациях и судостроительных предприятиях;

• разработки средствами систем проектно-технологической документации по конкретным проектам судов;

• технического перевооружения проектных организаций и судостроительных предприятий на основе использования современных систем типа CAD/CAM, что обеспечивает сокращение сроков и повышение качества проектирования и технологической подготовки производства судов, а также переход на принципиально новую "безбумажную" технологию разработки проектов судов.

Экономическая целесообразность реорганизации и технического перевооружения проектных организаций и судостроительных предприятий на основе применения в качестве базы автоматизированной системы "РИТМ-Судно" показана в разделе в форме инвестиционного проекта. Выполненные расчеты с использованием методики UNIDO показали, что проект является по всем показателям финансовой и экономической эффективности рентабельным и ликвидным (рис.1515151515) со сроком окупаемости не более трех лет.

'.ОПрямм ЯСебо- □Попньмпрои}-аВыружаот | затраты стоимость аодслмнныо ремизами. ¡__затраты __

Рис. 15. Структура выручки и затрат проекта техперевооружения

Заключение

Основные результаты выполненного исследования по разработке методов геометрического моделирования и их практической реализации заключаются в следующем:

1) В результате анализа применения ЭВМ в судостроении установлено, что необходимым условием сокращения продолжительности и повышение качества проектирования и строительства отечественных судов и кораблей является применение современных систем CAD/CAM - систем компьютерного проектирования и подготовки производства. Системы CAD/CAM принципиально меняют информационную основу процесса проектирования и технологической подготовки производства, что обусловлено переходом от традиционных «бумажных» носителей информации к компьютерным трехмерным производственным моделям

судна. Основу производственной модели судна составляет ее геометрическая модель.

2) В результате исследования разработана система требований к геометрическим моделям судна, как составной части производственной модели судна в системах CAD/CAM, которые сводятся к следующим основным положениям:

• единое представление геометрической модели на всех этапах проектирования и технологической подготовки производства;

• трехмерное представление геометрических моделей судна с использованием использования современных средств машинной графики в части обработки графических изображений (тонирование изображении и получение реалистичных изображений модели, удаление невидимых частей модели и др.);

• описание судовой поверхности из участков различной конфигурации (криволинейных, линейчатых, плоских) при различных вариантах их соединения между собой - плавное соединение с заданным порядке« непрерывности или соединение со сломом;

• методы представления геометрических моделей должны обеспечивать описание геометрических моделей судна в целом, включая- поверхность корпуса судна, конструкции корпуса, внутреннее насыщение корпуса судна механизмами, оборудованием, системами и трубопроводами и др.;

• обеспечение необходимого уровня «плавности» лекальных обводов судовой поверхности: - отсутствие нерегламентированных отклонений в виде ос-цилляций и петель; непрерывность заданного класса, как правило, класса С1 (непрерывность градиента и кривизны);

• обеспечение возможности «наращивания» поверхности путем «добавления-исключения» участков, включая поверхности выступающих частей (выкружки гребного вала, кронштейны, бульбовые образования, обтекатели и др.);

• обеспечение возможности глобальных и локальных изменений судовой модели;

• каноническое описание различных представлений - Безье, Ферпоссона, интерполяционных сплайнов, целых рациональных B-сплайнов, конических сечений (прямых, окружностей, эллипсов, парабол, гипербол), что предопределяет возможность описания судовой поверхности, включающей разнообразные по форме участки кривых и поверхностей, едиными средствам*;

• обеспечение независимости представления геометрических моделей от систем координат (параметризация);

• достаточно простое и наглядное представление кривых и поверхностей;

• синтез геометрических моделей, обеспечивающий получение агрегати-рованных геометрических моделей (корпусных конструкций, совмещенных моделей оборудования и трубопроводов в корпусе судна, моделей оборудования судовых помещений и др.);

• обеспечение независимости представления геометрических моделей от систем координат (параметризация);

• обеспечение расчета различных элементов геометрических моделей -точек, линий и др.

3) Разработан классификационный ряд и сформулированы свойства геометрических моделей судна, которые в совокупности представляют полную геометрическую модель судна, в том числе::

• проволочные или каркасные модели;

• поверхностные или полигональные модели;

• твердотельные модели или модели сплошных (объемных) тел;

• смешанные модели, содержащие комбинации вышеуказанных моделей;

4) Исследованы свойства и показаны преимущества представления кривых и поверхностей с использованием технологии NURBS - неунифицированных рациональных В-сллайнов, отвечающей требованиям к представлению судовых моделей в системах CAD/CAM;

5) Разработаны теоретические основы геометрического моделирования кривых и поверхностей типа судовых обводоа средствами NURBS - неунифици-рованными рациональными B-сплайнами, в том числе:

• выведены обобщенные выражения кривых и поверхностей в параметрическом виде в декартовых и однородных координатах;

• определены и сформулированы свойства кривых и поверхностей в форме, NURBS;

• разработана методология однородной и неоднородной параметризации кривых и поверхностей;

• выведены выражения и исследованы свойства кубических NURBS, как основного инструмента моделирования судовых обводов;

• предложен метод визуального контроля формы кривых посредством графического масштабированного изображения кривизны или радиуса кривизны, наложенных на изображение кривой;

6) Разработана методология глобального и локального управления формой и непрерывностью кривых и поверхностей;

7) Разработаны методы точного (без аппроксимации) представления различных по форме описания кривых (кривые Безье; целые рациональные В-сплайны; интерполяционные кубические сплайны; конические сечения: прямые, окружности, эллипсы, параболы) и поверхностей (поверхности Безье; целые рациональные В-сплайновые поверхности; линейчатые, цилиндрические, конические поверхности; плоскости и поверхности экструзии);

8) Разработан метод формирования NURBS кривой в интерполяционной форме, когда кривая точно проходит через набор заданных точек;

9) Разработана методология представления судовых обводов и поверхностей средствами NURBS в виде проволочных (wireframe); поверхностных (surface); твердотельных (solids) и смешанных (wireframe-surface-solids) моделей;

Неразработанные методы геометрического моделирования практически реализованы в автоматизированных системах типа CAD/CAM:

«РИТМ-Корпус» - автоматизированная система технической подготовки производства корпусов судов (система разработана в ЦНИИТС коллективом специалистов под руководством автора и широко внедрена в отрасли);

«РИТМ-Судно» - автоматизированная система технической подготовки производства судов и кораблей (система разрабатывается в ЦНИИТС под руководством автора и предназначена для автоматизации проектирования и технологической подготовки производства судов и кораблей).

11) Обоснована экономическая целесообразность технического перевооружения проектных организаций и судостроительных предприятий на основе применения современных систем CAD/CAM, что обеспечивает сокращение сроков и повышение качества проектирования и технологической подготовки производства судов, а также переход на принципиально новую "безбумажную" технологию разработки проектов судов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1. Ситников АН. Подсистема формирования строительной модели корпуса судна.// Технология судостроения. -Л., 1979.- N 9, с.9-10. (Соавторы: Плотников AM., Новожилов А.З.).

2. Ситников АН., Проблемы формирования математической модели судовой поверхности на ЭВМ / "Вопросы судостроения", сер. Проектирование судов. -Л: ЦНИИ "Румб", 1985.- вып.44, с. 45-58. (Соавторы: Мизин И.О.).

3. Ситников АН. Разработка и внедрение подсистемы КОРПУС САПР промысловых судов. / Проектирование судовых корпусных конструкций - Корпус-83. Материалы всесоюзной научно-технической конференции Николаев, 1983.

4 Ситников А Н Генерирование теоретического чертежа для задачи модульного формирования корпуса судна / Проблемы модульного судостроения -Модуль -82. Материалы всесоюзной научно-технической конференции - Л: ЦНИИ им.акад. А Н. Крылова, НТО секции "Судостроение", 1982. - с. 25-30.

5. Ситников АН. Развитие и применение современных автоматизированных систем типа CAD/CAM для проектирования и технической подготовки производства в судостроении. // Вестник технологии судостроения, 1995, N 1, 1995. -сб-9.

6. Ситников АН. Развитие и применение современных автоматизированных систем типа CAD/CAM в судостроении.// Материалы межд. конференции "Моринтех-95".- СПб, 1995.-С.21-22.

7. Ситников А.Н Средства геометрического моделирования в автоматизированных системах технической подготовки производства в судостроении // Материалы второй межд. конференции "Моринтех-97",- СПб, 1995 - том 2, с. 10-16.

8. Ситников А Н. Автоматизированная система "РИТМ-Судно" технической подготовки производства в судостроении.// Материалы второй межд. конференции "Моринтех-97".- СПб, 1995,- том 2, с.17-20. (Соавторы: Плотников А.М ).

9. Ситников АН. Современное направление развития систем конструктор-асо-технологической подготовки производства в судостроении // Технология и организация судоремонта : Сб.науч.тр,- СПб.: СПбГУВКб, 1994. -с.227-235. (Соавторы: Веселков В В.).

10. Автоматизированная Система технологической подготовки корпусов судов (АС "РИТМ-Корпус). Формирование конструктивной модели корпуса судна. Руководство пользователя. ЦНИИТС, 1994. с. 94. (Соавтор: Платонов Ю.И.).

11. Sitnikov A.N. Prospects of applying present-day systems of object control to shipbuilding.// Materials of the conference MORINTECH-95, S.Petersburg, 1995. -p.82-83.

12. Sitnikov A.N., AllikR.A., Perov N A Computer aided system for generation of desing and production documentation using personal computers (CAD "Ship Hull"). Materials of international shipbuilding conference, section A: ship design and optimisations of fleet renewal programmes.- S.Petersburg, 1994 - p.133-137.