Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА», 2023, T. 4, № 1, стр. 39-50

ВВЕДЕНИЕ

Использование систем автоматизированного проектирования (САПР) разных уровней при разработке объектов морской техники (ОМТ) имеет важное место при принятии проектных решений на всех этапах жизненного цикла. Прибегая к использованию системного подхода при разработке образцов морской робототехники, отметим, что используемые САПР при разработке ОМТ могут найти свое применение в процессе разработки образцов морских робототехнических комплексов (МРТК).

Цель данной работы – анализ программных возможностей, распространенных на рынке САПР морской техники, возможности которых позволяют решать проектные задачи на стадии исследовательского проектирования (ИП) образцов морской техники и робототехнических комплексов.

ИП – это особая фаза разработки изделия, при которой применяются процедуры, относящиеся к актам поиска и принятия проектных решений. Как правило, фаза ИП затрагивает целиком внешнюю стадию проектирования, а также предэскизный и эскизный этапы проектирования внутренней задачи проектирования.

Рассматривая ИП как единый процесс, выделим три его основные задачи: формирование требований к МРТК, синтез его облика и анализ проектных элементов. Эти задачи соответствуют отмеченным выше стадиям проектирования: требования к объекту проектирования формируются в процессе решения внешней задачи проектирования, облик изделия и его техническая концепция формируются на стадии предварительного проектирования, наконец, основная задача эскизного проектирования – это анализ элементов, уточнение параметров и характеристик проектируемого МРТК.

ИП в кораблестроении – динамично развивающаяся ветвь теории проектирования. Предметом теории ИП является совокупность тактико-технических характеристик (ТТХ) ОМТ, рассматриваемая с оперативно-тактической, технической и экономической точек зрения с целью выбора варианта (или вариантов) корабля, наиболее предпочтительного в смысле эффективности решения поставленных задач и возможностей создания и содержания корабля в составе флота.

Целью ИП в кораблестроении является решение следующих задач:

− обоснование направлений развития кораблей и судов на перспективу с учетом достижений научно-технического прогресса;

− разработка заданий на проектирование кораблей и судов;

− выявление областей, в которых должны разрабатываться общие требования к проектированию кораблей и судов и обоснование этих требований;

− обоснование направлений развития корабельной и судовой техники, а для кораблей также оружия и вооружения.

Таким образом, ИП характеризуется общей методологией решения задач, связанных с созданием кораблей, их оружия, вооружения и технических средств. Основой этой методологии является комплексное исследование ТТХ корабля как сложной технической системы и поиск оптимального варианта с учетом использования корабля в составе соединения и в совокупности с боевой техникой других родов сил [1].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Чтобы обеспечить выполнение задач в рамках ИП, необходимо иметь представление об используемых в проектировании ОМТ САПР. В соответствии с типовой схемой применения различных видов САПР [2] для разрабатываемых изделий, представленной на рис. 1, на начальных стадиях проектирования в рамках этапа разработки цифрового макета изделия интересны САПР уровня CAD, CAM и CAE.

Рис. 1.

Общая классификация САПР в привязке к этапам жизненного цикла разрабатываемых изделий.

Сегодня в морских конструкторских бюро (КБ) наиболее распространены самые разные по уровню и специфике САПР, такие как MATLAB, Mathcad, Auto CAD, Rhino, Bentley Maxsurf, DELFT Ship или Free Ship, Диалог Статика, Компас 3D, CATIA, Siemens NX, SolidWorks, PTC Creo, T-Flex CAD, ANSYS, Open Foam, FlowVision, Shipconstructor, Nupas-Cadmatic, AVEVA Marine. Опираясь на существующий опыт использования САПР в КБ, все представленные выше пакеты программ в зависимости от стадии разработки и поставленной задачи могут применяться как самостоятельно, так и в связке с другими САПР. Учитывая многообразие рынка программных продуктов, перечисленные САПР для наглядности удобно сгруппировать по следующим категориям: пакеты инженерного анализа (CAE), САПР с функциями автоматической разработки конструкторской документации и создания управляющих программ для станков с числовым программным управлением, универсальные машиностроительные САПР для применения в разных отраслях производства. Данные о них представлены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что в морских КБ широко распространено использование машиностроительных САПР среднего уровня благодаря простоте их использования и приобретения в сравнении с тяжелыми САПР инженерного анализа и узкоспециализированными пакетами для судостроения с поддержкой CAM-модулей и расширенными функциями для производства. Для удобства в табл. 2 отдельно рассмотрены машиностроительные САПР в трех категориях: геометрического моделирования, с поддержкой специальных расчетов и общемашиностроительные САПР.

Для решения основных задач ИП необходимо определиться с выбором подходящих САПР. Для этого в табл. 3 рассмотрена возможность применения общемашиностроительных САПР из табл. 2. В качестве критериев для сравнения различных САПР рассмотрим те, которые характеризуют потенциальные возможности системы и позволят предварительно определиться с выбором наиболее подходящего продукта:

− наглядность интерфейса, которая совокупно определяется понятным интерфейсом программы и представлением основных элементов для человека, не знакомого с системой ранее;

− простота создания базовых элементов, определяемая простотой создания элементарных геометрических элементов и других базовых объектов;

− специализация по отраслевому признаку, т.е. наличие специализированных судостроительных модулей (приложений) в данной САПР;

− наличие инструментов для импортирования и/или создания сложных поверхностей;

− наличие возможностей создания каталогов типовых элементов корпусных конструкций, систем, оборудования;

− производительность при работе с большими сборками;

− использование САПР на предприятиях и в проектных организациях судостроения.

На основании данных из табл. 3 можно сделать вывод о том, что наиболее подходящей машиностроительной программой для проектирования ОМТ является CATIA. PTC Creo, несмотря отличное соответствие поставленным критериям, на отечественных предприятиях применяется крайне редко. Также слабо распространено использование T-Flex CAD, САПР среднего уровня в различных отраслях машиностроения на территории стран СНГ, по причине слабой производительности при работе с большими сборками, что не отвечает требованиям при работе с детально разработанными сборками судовых секций и блоков. Программный пакет SIEMENS NX, так же как и CATIA, находит широкое применение на крупных предприятиях по всему миру благодаря надежным программным решениям, особенно в области создания управляющих программ для станков с ЧПУ. Для более подробного определения функциональных возможностей программ сравним САПР SIEMENS NX и Dassault CATIA в табл. 4.

Анализ показал, что САПР SIEMENS NX является более предпочтительным продуктом при разработке морской техники, что также подтверждается выбором крупных судостроительных предприятий. Однако, учитывая дороговизну продукта и трудоемкость обучения персонала, в случае с использованием САПР в научно-исследовательской работе стоит отдать предпочтение нескольким разнородным пакетам программ одного уровня, которые более доступны по цене и в освоении работниками.

Как показывает практика использования САПР в небольших проектных и научно-исследовательских организациях, оставшиеся программные пакеты в табл. 2 используются в связке с такими CAD-системами легкого уровня, как, например, Autodesk AutoCAD или Компас 3D, позволяющими достаточно просто создавать эскизы, которые могут быть использованы в качестве исходных данных в создании 3D-моделей ОМТ. Данные пакеты программ используются для разработки формы корпуса ОМТ, расчетов гидростатики и мореходных качеств ОМТ, а также позволяют получать данные о нагрузке масс, вместимости и остойчивости, с помощью которых можно выявить определители и неизвестные величины в уравнениях проектирования на этапе эскизного проекта. Для наглядного представления возможностей данных САПР в выполнении проектных расчетов, геометрических операциях с кривыми и поверхностями, необходимо провести сравнительный анализ. Критерии для сравнения определены по наиболее востребованным функциям для эскизного и последующих этапов проектирования. Данные функции обеспечивают конструктора необходимыми инструментами моделирования, преобразования судовой поверхности, получения искомых данных для выполнения проектных расчетов, составления отчетов и экспорта данных и графической информации. Результаты анализа представлены в табл. 5.

Отсутствие в указанных выше САПР возможности проводить комплексный инженерный анализ может быть компенсировано применением пакетов CAE инженерного анализа. В судостроении хорошо зарекомендовали себя такие пакеты инженерного анализа, как ANSYS, FlowVision, Open Foam и SIEMENS FEMAP (табл. 1). Их применение позволяет комплексно исследовать явления сложной физической природы, такие как, например, взаимодействие корпуса судна и жидкости “на тихой воде” или на волнении, ледовые и ветровые нагрузки, прочностные характеристики корпусных конструкций, шум и вибрация на судне.

Несмотря на широкую доступность вычислительных средств и высокие достижения в области численного моделирования сложных физических процессов, экспериментальное подтверждение результатов моделирования с использованием опытовых бассейнов не утратило свою популярность при решении научных задач численными методами. Полученные в опытовых бассейнах экспериментальные результаты могут использоваться не только в целях подтверждениях теоретических гипотез, но и для выработки различных подходов к мало изученным физическим явлениям.

Поэтому достаточно наглядно будет продемонстрировать на примере крупнейшего в России исследовательского комплекса в Крыловском научном центре (КГНЦ) [3] имеющиеся научные комплексы (табл. 6) и проводимые с их помощью виды научных исследований, которые будут выступать в качестве критериев для сравнительного анализа возможностей CAE – программных пакетов в табл. 7.

Из рассмотренных САПР в табл. 7 наиболее функциональным будет пакет ANSYS с подключенными дополнительными пакетами. Важным моментом в работе с данной программой является возможность моделировать геометрию объектов в САПР от Autodesk. Из недостатков можно отметить сложности в моделировании объектов и расчетных сеток. Пакет FEMAP при решении конструкторских задач различной сложности в сравнении с САПР ANSYS проще в освоении, не требует значительных вычислительных ресурсов от автоматизированного рабочего места и поддерживает интеграцию с САПР среднего и тяжелого уровня от Siemens.

Пакет FlowVision является отечественным продуктом инженерного анализа в области гидро- и газодинамики, имеет обширную русскоязычную библиотеку знаний и обучающих материалов, а также тесно интегрирован с программными решениями от Dassault Systems. По заверениям разработчика имеются дополнительные расчетные модули для расширения своего функционала, поддерживаются сторонние решатели и генераторы сеток.

Интересным с научной точки зрения будет применение Open Foam при решении нестандартных задач гидро- и газодинамики. Программа имеет широкое распространение в зарубежных университетах и крупных КБ, пакет обладает большими вычислительными возможностями, но крайне слабой графической оболочкой, а большинство функций программы выполняется с помощью командной строки в терминале.

По результатам анализа применяемых в судостроении различных САПР представляется возможным в первом приближении определиться с наиболее подходящими пакетами программ в соответствии с решаемыми в рамках ИП задачами. Таким образом, для выполнения расчетов и анализа элементов МРТК применяются следующие САПР:

− математический пакет MATLAB применим для составления и решения систем уравнений проектирования на начальной стадии разработки проекта, разработки математических моделей оптимизации характеристик как для внешней задачи (тем самым формируя требования к МРТК), так и для внутренней задачи проектирования, аналитических моделей описания мореходных качеств ОМТ;

− программный продукт DELFT Ship позволит с использованием предварительно разработанных эскизов создать 3D-модель корпуса судна и проводить с ее помощью расчеты кривых элементов теоретического чертежа, статики корабля и расчетов мореходных качеств в наглядной форме;

− САПР “Диалог Статика” используется в эскизном проектировании для расчета кривых элементов теоретического чертежа, статики корабля и расчетов остойчивости с использованием геометрических координат точек судовой поверхности (плазовых ординат) по методикам, одобренным классификационными сообществами;

− пакет FlowVision отлично подходит для решения распространенных задач в гидромеханике, тогда как пакет Open Foam позволит реализовать решение нестандартных задач альтернативными способами в рамках исследований;

− САПР SIEMENS FEMAP достаточно удобно использовать при решении задач строительной механики корабля, расчетов общей прочности для получения необходимых значений остаточных толщин наружной обшивки и размеров поперечных и продольных связей;

− машиностроительные САПР Компас 3D и SolidWorks можно применять при разработке 3D‑моделей энергетической установки и валогребной линии, общесудовых устройств и систем, устройств специального назначения (захваты, манипуляторы, грузовые порталы).

Для решения задач синтеза облика МРТК достаточно использовать САПР, поддерживающие разработку кривых линий теоретического чертежа ОМТ с последующими работами над созданием 3D-модели с разделением внутреннего пространства на отсеки в соответствии с эскизными разработками на стадии обоснования архитектурно-конструктивных решений. Из рассмотренных ранее САПР можно отметить:

− Компас 3D или пакет Auto CAD для создания эскизов, оформления теоретического чертежа, чертежей общего расположения, конструкции корпуса и прочих конструкторских документов;

− Rhino с плагином Orca 3D по совокупности предоставляемых возможностей предлагает инструменты для разработки 2D-эскизов и чертежей и 3D-моделирования плоскостных поверхностей и кривых на этапе эскизного проектирования модели корпуса ОМТ, моделирования наружной обшивки корпуса судна с внутренним делением на отсеки, расчетов гидростатики, остойчивости и других мореходных качеств.

Наряду с выбранными ранее САПР необходимо отметить пример удачного использования программных пакетов в ИП применительно к разработке ОМТ. В [3] выполнена работа по созданию методики оценки статей нагрузки масс, составляющих водоизмещение портовых буксиров для Республики Вьетнам. С этой целью с помощью данных по нескольким судам-прототипам разработана “проектная сетка” из 135 проектов судов выбранного типа с использованием САПР Auto CAD для разработки эскизов теоретического чертежа (рис. 2), САПР Rhino для разработки геометрических моделей наружной обшивки корпусов 135 проектов буксиров (рис. 3) с последующим экспортом полученных 3D-моделей в САПР ShipConstructor для разработки корпусных конструкций и листов наружной обшивки (рис. 4). По окончании работы получены статистические данные по статьям нагрузки масс и координатам центров тяжести основных весов с помощью статистически обработанных “синтетических” данных смоделированных портовых буксиров из разработанной проектной сетки, что позволило подобрать функциональные зависимости, наиболее точно определяющие связь конкретной статьи нагрузки масс с характеристиками судна. Полученные зависимости определялись для составления системы уравнений проектирования и определения главных размерений буксиров, а также для оценки остойчивости и посадки судна на начальных стадиях проектирования.

Рис. 2.

Теоретический чертеж модели буксира, выполненный в Auto CAD.

Рис. 3.

3D-модель буксира в Rhino.

Рис. 4.

3D-модель буксира в ShipConstructor.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение САПР в процессе ИП позволяет восполнить недостающую информацию об исследуемом ОМТ и улучшить его характеристики на начальных стадиях проектирования. Рассмотренные САПР, а также, как один из возможных, подход успешно решенной задачи ИП актуальны для решения задач ИП в целях обоснования методологии проектирования МРТК и позволят разрабатывать математический аппарат для оптимизационных и имитационных моделей как безэкипажных катеров, так и автономных необитаемых подводных аппаратов. Однако выполнение подобной работы затруднительно без собственного банка данных по судам-прототипам, что видно из рис. 5, где схематично показано применение САПР в ИП в соответствии с решаемыми в рамках данного направления задачами.

Рис. 5.

Место ИП в проектировании ОМТ/МРТК и взаимосвязь применяемых САПР с банком данных по объектам – прототипам.

Чтобы справиться с задачей создания современных и конкурентоспособных образцов МРТК, требуется творческий и разносторонний подход на начальных стадиях проектирования, для чего желательно применение подходов исследовательского проектирования и начального набора доступных САПР.