CAD. Программа 3 – х мерного моделирования Rhinoceros 3D.

Развитие и совершенствование компьютерных технологий открыло широчайшие возможности перед конструкторами. Еще в 1960-х  годах на базе IBM 7094 в Массачусетском Технологическом Институте были составлены первые программы для обмера и расчетов ходкости яхт, использовавшиеся для разработки «12-метровиков». С тех пор вычислительная техника шагнула далеко вперед, превратившись из громоздких сооружений в доступные каждому компактные настольные приборы.

Что такое CAD – методы и для чего они нужны конструктору яхты?

Сегодня рабочее место конструктора уже нельзя представить без персонального компьютера и применения CAD – систем (от Сомпьютер Aided Design – автоматизированное проектирование).

 Проектирование яхт, за редким исключением, ведется небольшими коллективами или «одиночками». В этих условиях компьютер открывает возможности сложных специализированных расчетов, автоматизации чертежно – графических работ, ускорения и повышения качества всего процесса проектирования.

Программное обеспечение.

Рынок программного обеспечения и CAD многообразен. Рассмотрим одну из универсальных программ 3 – х мерного моделирования Rhinoceros 3D.

Rhinoceros 3D от компании McNeal & Associates - это очень мощный («носорог» все-таки!) и легкий в использовании пакет истинного NURBS моделирования.

 Это не универсальная 3D программа (в ней нет анимации и весьма скудные возможности для текстурирования или рендеринга), но она предназначенна специально для дизайнеров, желающих построить высококачественные 3D модели.

У Rhino есть инструменты, весьма похожие на инструменты NURBS моделирования, которые можно встретить в дорогих high-end программах, таких как Alias Studio, хотя Rhino более ограничен по ассоциативности и не имеет блок-схемы сцены или истории построения. 

Rhino может бесшовно соединять вместе множество обрезанных NURBS компонентов и экспортировать их в разнообразные NURBS и полигонные форматы.

Подход Rhino к моделированию, скорее всего слишком тяжеловесен для построения персонажей с качественной анимацией, но идеален для строений, машин, оружия, механических моделей, изделий судостроения, промышленных образцов, инженерных прототипов или даже ограненных логотипов и 3D текста.

Возможности Rhinoсeros 3D в судостроении.

Rhinoceros 3D –  используется на многих стадиях в судостроении, потому что с Rhinoceros 3D  возможно объединить процессы проектирования и постройки.


 Rhinoceros 3D  используется для:

• Проектирования

• Визуализации

• Проектирования технического оснащения

• Построение по сечениям

• Механической обработки

Проектирование.

С Rhino Вы можете совершенствовать формы корпуса, туннелей, надстроек, интерьеров и шкафов, затем извлечь эскизы и детали для производственной информации.

                                                                    Alan Andrews J Bird III.

Rhino является:

• Достаточно гибким для детального моделирования надстроек.

• Достаточно точным для проверки зазоров.

• Не ограниченным определенным типом судов.

С Rhino Вы можете:

• Соединять и подгонять смежные поверхности.

• Создавать чистую геометрию для дальнейшего использования.

• Моделировать внутренние пространства.

Визуализация.

Rhino может использоваться для ратификации концепции и визуализации. Эти изображения могут использоваться для презентаций клиентам и поиска финансирования.

                                                       85-ти метровый патрульный катер Kvaerner Masa.

Механическое оснащение.

Rhino также используется для технических конструкций, прокладок трасс, энергетических установок.

         124-х футовая моторная яхта, разработанная JQB Ltd. Построена Delta Marine.

С Rhino Вы можете:

• Моделировать судовой набор и все системы.

• Проверять зазоры и допуски.

• Разрабатывать сложные участки судна.

• Транслировать информацию в другие программы для анализа.

• Детализировать металлоконструкции.

• Размещать оборудование.

• Детализировать леера, трапы и оборудование.

• Детализировать столярные изделия.

Построение по сечениям.

При работе над формами, создаваемыми по сечениям, Rhino может помочь в разработке этих форм, необходимых для конструкции.

       Washington State Ferry Jumbo Mark II. Конструкция корпуса – Eriс Jolley Marine Design.

                                     Постройка – Todd Shipyards, Seattle, WA.

С Rhino Вы можете:

• Безошибочно создавать формы по сечениям с минимальными затратами времени.

• Анализировать построенную по сечениям поверхность.

• Моделировать механическую обработку и шаблоны.

• Получать сечения под любым углом.

• Создавать и разворачивать разворачиваемые поверхности.

• Использовать данные для жидкостной или плазменной резки.

• Использовать данные для станков с ЧПУ и сложного наложения.

Механическая обработка.

               Заготовка корпуса, обработанная на 5-ти осном фрезерном 

                станке Janicki из файла Rhino.

Для механической обработки с помощью Rhino Вы можете:

• Создавать точную геометрию.

• Манипулировать моделью, чтобы получить детали.

• Непосредственно использовать модель для обработки на станке с ЧПУ.

• Использовать модель для работы с листовой сталью.

• Разрабатывать сложные участки.

Кроме того Rhino предоставляет:

• Множество форматов для экспорта.

• Быстрый рендеринг для замещения конструируемой модели.

Источник:  http://sual.narod.ru

Мачты из углепластика.

Почему карбон?

Статья – перевод по материалам Selden mast

1.    Легкий рангоут. Экономия веса на профиле- 50%, экономия веса на готовой мачте без такелажа – 40%. Общий вес вооруженной карбоновой мачты меньше на 25-30% аналогичной алюминиевой.

2.    Легче рангоут = Легче лодка = Больше скорость (особенно улучшаются динамические характеристики)

3.    Легче рангоут = Меньше кренящий момент = Появляется потенциальная возможность облегчения киля = Опять же уменьшается вес яхты = Еще больше скорость

4.    Уменьшенный момент инерции судна = Больше скорость на волнении.

5.    Возможность подбора жесткости профиля под специфические требования (Ужесточение профиля между форштагом и ахтерштагом для лучшей набивки штага, например)

6.    Профиля обладают более высокой жесткостью. Выдерживают повышенные нагрузки от такелажа и позволяют лучше контролировать натяжение форштага.

7.    В большинстве гандикапных правил штраф за использование карбонового вооружения меньше, чем потенциальный выигрыш в скорости. Яхта – победитель стоит дороже!

Преимущества карбоновых мачт производства Selden

1.    Производитель использует процесс CNC намотки препрегового карбонового жгута. Процесс укладки жгута контролируется компьютером. Содержание связующего в жгуте варьируется в пределах всего 2%. Процесс отверждения в автоклаве проходит под давлением до 7 бар.

2.    Самое низкое возможное содержание смолы в готовом изделии – чем больше угольных волокон и меньше смолы в мачте, тем легче и жестче мачта.

3.    Нить укладывается под натяжением.

4.    Современные профиля оптимизированы с точки зрения продольной жесткости для максимально эффективного использования в конструкциях современного дробного типа вооружения.

5.    Хорошая возможность взаимозаменяемости с алюминиевыми профилями Selden. Не придется менять степсы и пяртнерсы при замене мачты.

6.    Оптимизирован угол укладки жгута для обеспечения наилучшего баланса между продольной прочностью, прочностью на скручивание и устойчивостью стенок.

7.    Производство индивидуальных конструкций ламинатов.

8.    Изготовление из углепластика вертлюгов гиков и топов мачт.

9.    Стандартный лаковый финиш с добавкой УФ – фильтров плюс УФ – ингибиторы, добавляемые в смолу, обеспечивают отличную изоляцию и защиту.

10.Специализированный погон позволяющий использовать как парус с ликтросом, так и на каретках.

Экипаж яхты First 36.7, на которую была установлена карбоновая мачта взамен алюминиевой, заметил, что новая мачта существенно жестче, несмотря на то, что профиля были одинакового размера. Основное отличие сразу стало заметно на лавировке, более жесткая мачта дала возможность заметно больше набивать штаг, что позволило стакселю работать лучше в средние и сильные ветра.

 Появилась возможность сшить грот с меньшей кривизной передней шкаторины, оптимально подобрать положение швов и увеличить полноту. Появилось явное ощущение уменьшения килевой качки, лодка проходила интенсивную короткую волну, как ракета, особенно это было заметно в легкий ветер, на короткой крутой волне.

Продольная жесткость и жесткость на скручивание 4.8мм ламината со слоями 90^о и Х^о. Показатели Х отложены на горизонтальной оси. Карбоновое волокно- это анизотропный материал, это означает, что оно работает максимально эффективно в одном определенном направлении, в других же направлениях оно проявляет весьма посредственные рабочие характеристики.

 Алюминиевый сплав изотропен, его рабочие характеристики достаточно ровные по всем направлениям. Чтобы карбоновый профиль получился оптимальным, необходимо тщательно просчитать направления укладки нитей.

 При намотке можно укладывать нити под углами от 5 до 90^о, добавляя волокна в направлении 0^о вручную там, где это необходимо.  Иногда можно услышать утверждение, что, из-за отсутствия непрерывных волокон в направлении 0^о, мачты, изготовленные способом намотки, менее прочные.  Однако это лишь теоретические выкладки, редко достижимые на практике, и вот почему.

На качество ламината очень сильно влияют содержание смолы и воздушных пузырьков. Содержание смолы в препреговой нити контролируется гораздо более тщательно, чем при влажном ламинировании или в процессе инфузии. Поэтому прочность такого ламината значительно выше.

 Процесс отверждения также существенно влияет на прочность ламината.  Автоклав обеспечивает сложный поступательный цикл отверждения под давлением, который выводит из ламината пузырьки воздуха практически полностью. Именно поэтому для мачтовых профилей автоклавное отверждение является весьма существенным.

Точность укладки и ориентация нитей также очень сильно влияет на прочность. При чистом сжатии ламинат разрушится, если волокна чуть-чуть отклоняются от оси приложения нагрузки.

Однако, определенный процент волокон не по оси мачты требуется для стабилизации стенок и противодействию крутящему моменту. Специалистами были проведены тесты и анализ ламинатных структур.

 На их основании был сделан вывод о том, что, при работе волокон внутри ламинатной структуры, нити могут ложиться в диапазоне 8-21^о, и это будет оптимально для параметров продольной прочности и скручивания.

  Конкретные цифры диапазона зависят от требуемой величины прочности на скручивание с одновременным общим повышением требований прочности.

Т.е. не важно, делается ли ламинат из ткани 0^о и +/-45^о или из нитей целиком не параллельных оси профиля – прочность, весовые параметры и жесткость профиля может быть получена различными путями.

 Очень важно, чтобы ориентация нитей строго соблюдалась – это не может быть сделано вручную. Содержание смолы должно строго контролироваться и должно быть настолько низко, насколько возможно. Полная консолидация ламината достигается только в том случае, если содержание воздуха в нем  близко к 0.

 Это достигается только автоклавным отверждением.

Отдельные карбоновые волокна очень легкие, но хрупкие. Для своего веса они достаточно прочны на растяжение. Для создания конструкции волокна собираются вместе и скрепляются смолой. 

Для облегчения работы с ними, волокна объединяются в различные типы материалов.  Для производства мачтовых профилей Selden использует следующие типы:

1.    Препреговый жгут. Это тонкая ленточка, состоящая из прядей простых волокон, удерживающихся вместе неотвержденной прекатализированной смолой (отвердитель уже добавлен).

2.    Препреговая однонаправленная лента. Эта конструкция похожа на предыдущую, но лента значительно шире. Укладывается вручную длинными полосами в местах усилений.

3.    Препреговая ткань. Тканый материал делается из жгутов. Накладывается вручную на многослойные участки в местах усилений.

4.    Е-стеклоткань. Препреговое стекло используется внутри профиля как изоляционный слой там, где могут устанавливаться алюминиевые компоненты.

Производство Selden

Базовые профиля изготавливаются путем намотки на дорн. Дорн вращается на большом 4х координатном CNC станке, головка двигается по запрограммированной траектории вдоль направляющей, укладывая нить на поверхность дорна. Препреговый жгут укладывается под натяжением.

 Слои кладутся под различными углами к оси дорна. Однонаправленная лента и ткань укладываются участками во время процесса. На этой стадии, несмотря на то, что нить укладывается натянутой, уложенный пакет еще не является консолидированным.

 Если его просто нагреть, плотность ламината будет довольно низкой.  Для получения ламината высокой плотности, необходимо, одновременно с нагревом обеспечивать корректное повышенное давление.  Это давление создается термоусадочной лентой, наматываемой поверх готового изделия также, как карбоновый жгут. 

Вся конструкция вместе с дорном затем упаковывается в вакуумный мешок и помещается в автоклав, где происходит отверждение.  Температура и давление нарастают, поддерживаются некоторое время, потом контролируемо уменьшаются.  При повышении температуры дорн расширяется и термоусадочная лента очень плотно обжимает ламинат. 

Добавочное давление и нагрев при отверждении позволяют получить ламинат с практически нулевым содержанием воздушных пузырьков. Готовое изделие оставляется в автоклаве до полного остывания, затем вынимается и снимается с дорна при помощи гидравлики.

Благодаря тому, что карбоновые профиля имеют те же размеры сечения, что и алюминиевые, для них обоих можно использовать одни и те же степсы и пяртнерсы. Изоляцию в этих местах можно обеспечить стеклянной или майларовой липкой лентой. Внешний погон грота включает и ликпаз для ликтроса, что позволяет ставить парус и с ликтросом и на каретках.

Автоклав, установленный на заводе в Англии, позволяет сделать секцию профиля длиной до 19,3м. Более высокие мачты собираются из кусков. Для этого разработаны специальные соединительные рукава, позволяющие контролировать вес и жесткость.

Некоторые факты о мачтахSelden

Для дробного вооружения мачты усуются, стандартная параболическая усовка уменьшает топ мачты на 33%.

Отверстия ослабляют мачту. Дополнительные отверстия могут прорезаться, только если в местах выреза сделано дополнительное усиление. Эта работа должна проводиться специалистом в области композитных материалов.

Мачты могут быть покрашены, хотя стандартным является покрытие мачты лаком с высоким содержанием УФ фильтров.

Карбоновые мачты ремонтировать проще, чем алюминиевые. Часто это еще и дешевле. Ремонт должен производить квалифицированный специалист.

Источник:  http://www.cyc-yachts.ru

Компьютер проектирует яхту.

В судостроении 80 - x гг. ЭВМ стала неотъемлемым элементом дизайнерскoгo бюро как средство, способное облегчить наиболее трудоемкие зтапы проектирования. Одна из наиболее интересных задач, которую позволяет решить компьютер, - проектирование корпуса судна (создание теоретического чертежа, таблицы ординат).

 Однако получившие широкое распространение системы проектирования ориентированы прежде вceгo на крупные суда и малопригодны для специфических корпусов «мaлого» судостроения. Поэтому тем, кто занимается проектированием яхт, трудно воспользоваться apсеналом «большого» судостроения, и приходится искать свои средства, что называется, «с нуля».

В основе любой системы проектирования корпуса судна лежит математическая модель eгo поверхности. Для создания такой модели обычно применяют два подхода:

  -  задается некоторое количество точек в пространстве, которые определяют искомую поверхность (например, таблица ординат должна определять поверхность корпуса соответствующего судна);

  -  подбирается функция от двух переменных (например, тeoретический шпангоут и высота от ОП) с множеством параметров (длина, ширина, осадка...), гpaфик которой, построенный в пространстве, может соотвeтствовать поверхности корпуса судна.

Непосредственно теоретический чертеж получают с помощью графопостроителя - чертежного автомата. В первом случае npoгpaммa должна найти закономерность размещения заданных точек и обеспечить возможность получить любые промежуточные координаты точек.

 Для этой цели чаще вceгo используется апроксимация кубическими сплайнами. Кубическим сплайном называется мaтематическая функция. Благодаря многообразию кривых, которые можно получить с ее помощью, она пользуется в настоящее время все большей популярностью. Само слово «сплайн» происходит от английского нaзвания гибких реек, издавна применяемых в черчении.

К достоинствам этого метода можно отнести завидную универсальность: исходные точки мoгут определять любые формы.  Однако описанный таким образом простой корпус яхты может определяться 30 - 300 точками, а каждая из таких точек тремя координатами.

Итого от 90 до 900 чисел! При таком количестве исходных данных легко ошибиться или снять координаты точек с предварительного чертежа недостаточно точно, и на корпусе (если он будет напоминать корпус) появятся «пузыри» и «вмятины». Чтобы убрать все дефекты, требуется активная и продолжительная работа с ЭВМ.

Сглаживающие сплайны хотя и помогают отчасти избавиться от этих трудностей, но дизайнеру становится труднее выдepжать некоторые, наперед заданные, точные размеры.

Приведенные здесь рисунки корпуса с палубой демонстрируют возможности тaкoгo рода пpoгpaмм. Исходные данные заданы в виде последовательностей трех координат (Х, У и Z) «управляющих» точек.

 Эти точки определяют линии, наиболее xapaктерные для дaннoгo объекта. Столь простое задание позволяет в дальнейшей работе достаточно вольно обращаться с исходными данными.

 Так, умножив любую из координат, например, на два, мы «растянем» объект в направлении этой координаты в два раза. Аналогичным образом объект можно «двигать» и «поворачнвать».

Затраты времени на разработку новой математической модели поверхности вполне приемлемы. На создание предварительнoгo эскиза яхты, представленной на стр. 31, 32, уходит до 10 часов, на непосредственную работу с ЭВМ -  до 6 часов. Микро - ЭВМ, не самой большой производительности, обрабатывала исходные данные и промежуточные peзультаты в сумме 1 - 2 часа.

 Современный графопостронтель рисует одну картину 2 - 15 минут (в зависимости от масштаба и сложности).  Второй из упомянутых способов проектирования корпуса кoгдa подбирается функция, описывающая поверхность в цeлом  называется генерацией теоретического чертежа.

 Он основан на том, что выделяются наиболее xapaктерные элементы формы: линия борта, палубы, шпангоутов, ватерлиний, cкeгa и перегиба в корме.

После тщательного изучения архитектурных особенностей гoночных яхт разных классов последних лет мною были подобраны функции, которые мoгyт служить моделями этих линий.

 Прогpaммa генерации теоретического чертежа яхт получилась, кoгдa была организована единая функция ординат корпуса от положения шпангоута по длине и высоты от ОП, связанная со всеми заданными элементами корпуса.

Специализированная прогpaммa генерации теоретического чертежа требует меньшего количества исходных данных (20 - 50 чисел), и, чтобы получить таблицу ординат новoгo корпуса, иногда бывает достаточно изменить 2 - 3 значения (например, главные размерения).

 Диапазон изменений достаточно широк: удавалось рисовать корпуса в стиле 12 - мeтpoвиков, катамаранов, швертботов и даже глиссирующих -  остроскулых.

Привепенный выше рисунок, выполненный с помощью графопостроителя, иллюстрирует наиболее тнпичную продукцию такой пpoгpaммы.

И. ИСАКОВ.

Источник:  «Катера и яхты»,  №127.