Думать так — глубочайшее заблуждение. ЭВМ ничего сама спроектировать не может. Но она способна помочь проектировщику в его работе, и помощь эта сегодня уже весьма существенна.
Заглянем в прошлое
В науке и технике ЭВМ появилась сравнительно недавно. Не будем вспоминать о таких ее пращурах, как суммирующая машина Б. Паскаля, арифметические машины Г. В. Лейбница, арифмометр В. Т. Однера, счетно-перфорационные машины Г. Холлериза — все это не ЭВМ. Электронно-вычислительные машины появились в середине нашего века. В 1925 г.— первая машина на электрических реле, в 1944 г. — машина «Марк-1» уже с автоматическим управлением вычислениями и, наконец, в 1945 г. появилась ЭНИАК — первая быстродействующая электронная вычислительная машина. Первая в нашей стране и, кстати, в Европе, вычислительная машина «МЭСМ» (малая электронная счетная машина) была разработана в 1950 г. под руководством академика С. А. Лебедева. В судостроении ЭВМ впервые нашли применение в конце 50-х — начале 60-х гг. для управления станками с числовым программным управлением для газовой резки металлических листов. Примерно в это же время компьютеры стали использоваться и в проектировании — для выполнения тривиальных, в значительной мере шаблонных расчетов, таких, например, как расчеты плавучести и начальной остойчивости.
Сегодня поле деятельности для ЭВМ при проектировании достаточно широко. Во-первых, это те же тривиальные расчеты, которые зачастую довольно объемны и должны быть выполнены точно. Во-вторых, это сложные расчеты волнового сопротивления, прочности, расчеты при проектировании гребных винтов. От тривиальных они отличаются большей индивидуальностью и значительным объемом вычислительных работ. И, наконец, наиболее важная область применения ЭВМ при проектировании судов — это САПР — системы автоматизированного проектирования. Действительно, нелепо использовать современный компьютер с его высочайшей скоростью вычислений, огромной емкостью памяти, способностью быстро отыскивать нужную информацию только как арифмометр.
Что такое САПР?
«Судно — это сложное инженерное сооружение». Такая фраза, иногда с несущественными изменениями, присутствует примерно в 90% специальных книг по судостроению. Причина тут не в том, что всем авторам эта фраза запала в душу. Судно действительно представляет собой очень сложную систему, где все зависит от всего. Более того, практически всегда требования к судну носят противоречивый характер, а это значит, что приходится прибегать к компромиссам. Именно вследствие противоречий в требованиях к судну формулы теории проектирования носят вероятностный характер, но благодаря им можно создать математическую модель судна.
Не надо пугаться слов «математическая модель». Все мы с детства занимаемся моделированием. Что такое игрушки, как не копии каких-то частиц реального мира? Более того, моделированием люди занимаются с глубокой древности. Ритуальные танцы — это модели коллективного поведения, разнообразные календари — модели чередования природных процессов. Сущность любой модели в том, чтобы воспроизвести те свойства и характеристики реального объекта, которые необходимы и достаточны для решения поставленной задачи. Нам же нужна математическая модель судна, ведь ЭВМ может иметь дело только с числами.
До недавнего времени единственным методом оптимизации судов был вариантный. Проектант отбирал допустимые варианты судна, то есть те, что удовлетворяли одновременно закону Архимеда, требованиям к скорости, вместимости, остойчивости (и многим другим), и оценивал эти варианты по избранному критерию эффективности. Но этот метод хорош лишь тогда, когда число оптимизируемых элементов не больше трех. При большем их числе трудоемкость работ резко возрастает, очень усложняется анализ результатов. С другой стороны, не ограничивать оптимизируемые элементы важно — это позволяет значительно повысить качество проектирования.
Вот тут-то и приходит на помощь ЭВМ, которая позволяет быстро и точно анализировать сравниваемые варианты. Сегодня можно говорить о том, что в мире достаточно широко внедрены САПР первого поколения, которые уже «умеют» автоматизировать работы расчетного характера, а также обеспечивать автоматизированное изготовление программ для машин с ЧПУ на базе обычной конструкторской документации. Однако этого мало. Специалисты стремятся к тому, чтобы создать САПР второго поколения, «умеющие» автоматизировать всю цепочку создания судна: проектирование — конструирование — технологическая подготовка производства.
А ЭВМ и малый флот?
Что можно сказать о роли ЭВМ в проектировании небольших судов, например, яхт? Началось это в США: яхтенные конструкторы стали использовать компьютеры вскоре после того, как в 1969 г. были приняты международные Правила классификации, обмера и постройки яхт — IOR. Дело в том, что согласно этим Правилам для вычисления гоночного балла следует произвести около 250 замеров на корпусе, рангоуте и парусах, подставить полученные величины в формулу и высчитать балл, используя многочисленные поправки. Понятно, что при проектировании новых яхт проектные фирмы старались максимально удовлетворить с одной стороны желаниям заказчика, а с другой — требованиям Правил. Тут им и пришел на помощь компьютер. Сейчас в бюро у известного проектировщика яхт Р. Хамфри разработана, к примеру, следующая программа. В ЭВМ вводят начальную информацию о судне: класс, ширину корпуса, водоизмещение, площадь парусности и т. п., после чего машина рассчитывает все характеристики, включенные в Правила, какие можно определить на основе заданной информации. После этого в работу вступают конструкторы, которые уточняют отдельные элементы и характеристики, вводят их в ЭВМ и получают следующую порцию данных, оговоренных Правилами. Так происходит до тех пор, пока не будет получено такое количество характеристик яхты, которое позволит приступить к рабочему проектированию.
ЭВМ помогают конструкторам яхт и во многом другом. Уже разработано довольно большое число программ для расчетов статики, есть программы расчетов прочности корпуса, позволяющие подобрать размеры поперечных сечений связей. В английском Регистре Ллойда в ЭВМ введены правила для расчета сечений набора корпуса яхт из легких сплавов и стеклопластика. Конструктору достаточно заполнить карточку с некоторыми данными, и за небольшую плату он получает основные расчетные сечения. Компьютер освоил еще одну профессию — черчение. Да, сейчас ЭВМ все шире применяется при проектировании корпуса и построении теоретического чертежа. Исчезают с конструкторских столов готовальни с хитроумным инструментом, огромные лекала, «крысы» и тому подобная экзотическая утварь. Их место занимают дисплеи (комбинация телевизора и клавиатуры пишущей машинки) и графопостроители — так называются чертежные автоматы, работающие совместно с ЭВМ.
Традиционно теоретический чертеж представлялся серией точек (таблицей ординат), которые соединялись плавными линиями. При разбивке на плазе — в натуральную величину — кривые, а, значит, и ординаты уточнялись. При этом не последнюю роль играло мастерство разметчика, его опыт, интуиция. Известны случаи, когда два опытных плазовых разметчика, оперируя одними и теми же данными, с помощью гибкой рейки и лекал получали совершенно различные линии корпуса, причем и в том, и в другом случае плавные, согласованные. Теперь проектировщики «научили» ЭВМ согласовывать обводы. Для этого используют так называемые сплайны — специальные функции, являющиеся математической моделью гибкой рейки, которой пользуется плазовый разметчик.
Программ, позволяющих проектировать и вычерчивать корпус яхты с помощью ЭВМ, разработано довольно много, особенно в США и Англии. Процесс этот может происходить, к примеру, так. С помощью светового пера (устройство, позволяющее «рисовать» прямо на экране дисплея) проектировщик вычерчивает на экране несколько основных шпангоутов и строевую по шпангоутам. Затем, работая с ЭВМ в режиме диалога, он манипулирует тем же световым пером и клавиатурой дисплея и последовательно уточняет линии теоретического чертежа, пока они не удовлетворят заданным характеристикам, которые хранятся в памяти ЭВМ и могут быть в любой момент вызваны на экран В среднем, для одного судна такая работа занимает день, еще день уходит на более детальные расчеты статики и вычерчивание отработанного теоретического чертежа на графопостроителе.
ЭВМ начинают помогать конструкторам яхт и других судов малого флота и у нас в стране. Интересно работают в этом направлении студенты Ленинградского и Николаевского кораблестроительных институтов. Так, в СКВ НКИ «Яхта» разработаны программы для получения теоретического чертежа на ЭВМ по заданному обводу палубы, конструктивной ватерлинии и диаметрального батокса, а также намечена программа автоматизированного проектирования яхт. Любопытные результаты получил молодой ленинградский математик-корабел И. Исаков, заметку которого мы публикуем ниже. В ЦКБ «Нептун» с помощью компьютера выполнена проектная проработка гребной лодки «Лугань».
В заключение можно сказать одно: ЭВМ все настойчивее вторгаются в проектирование судов. Но... «не сотвори себе кумира!» Сами по себе компьютеры не могут сделать хорошего проекта, да и проектировщика они не способны сделать хорошим. Они лишь берут на себя сложные и зачастую утомительные операции, оставляя человеку время на то, чем он должен и любит заниматься — на творчество.
Компьютер проектирует яхту
В судостроении 80-х гг. ЭВМ стала неотъемлемым элементом конструкторского бюро как средство, способное облегчить наиболее трудоемкие этапы 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 всего иа крупные суда и малопригодны для специфических корпусов «малого» судостроения. Поэтому тем, кто занимается проектированием яхт, трудно воспользоваться арсеналом «большого» судостроения, и приходится искать свои средства, что называется, «с нуля».
В основе любой системы для проектирования корпуса судна лежит математическая модель его 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, теоретический шпангоут и высота от ОП) с множеством параметров (длина, ширина, осадка...), график которой, построенный в пространстве, может соответствовать поверхности корпуса судна.
Непосредственно теоретический чертеж получают с помощью графопостроителя — чертежного автомата.
В первом случае программа должна найти закономерность размещения заданных точек и обеспечить возможность получить любые промежуточные координаты точек. Для этой цели чаще всего используется аппроксимация кубическими сплайнами. Кубическим сплайном называется математическая функция. Благодаря многообразию кривых, которые можно получить с ее помощью, она пользуется в настоящее время все большей популярностью. Само слово «сплайн» происходит от английского названия гибких реек, издавна применяемых в черчении.
К достоинствам этого метода можно отнести завидную универсальность: исходные точки могут 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 конструктору становится труднее выдержать некоторые, наперед заданные, точные размеры.
Приведенные здесь рисунки корпуса с палубой демонстрируют возможности такого рода программ. Исходные данные заданы в виде последовательностей трех координат (X, Y и Z) «управляющих» точек. Эти точки определяют линии, наиболее характерные для данного 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 «поворачивать».
Затраты времени на разработку новой математической модели поверхности вполне приемлемы. На создание предварительного эскиза яхты уходит до 10 часов, на непосредственную работу с ЭВМ — до 6 часов. Мини-ЭВМ, не самой большой производительности, обрабатывала исходные данные и промежуточные результаты в сумме 1—2 часа. Современный графопостроитель рисует одну картину 2—15 минут (в зависимости от масштаба и сложности).
Второй из упомянутых способов проектирования корпуса — когда подбирается функция, описывающая поверхность в целом — называется генерацией теоретического чертежа. Он основан на том, что выделяются наиболее характерные элементы формы: линия борта, палубы, шпангоутов, ватерлиний, скега и перегиба в корме.
После тщательного изучения архитектурных особенностей гоночных яхт разных классов последних лет мною были подобраны функции, которые могут служить моделями этих линий. Программа генерации теоретического чертежа яхт получилась, когда была организована единая функция ординат корпуса от положения шпангоута по длине и высоты от ОП, связанная со всеми заданными элементами корпуса.
Информация об изображении
Корпус яхты в изометрии, построенный методом генерации теоретического чертежа
Специализированная программа генерации теоретического чертежа требует меньшего количества исходных данных (20—50 чисел), и, чтобы получить таблицу ординат нового корпуса, иногда бывает достаточно изменить 2—3 значения (например, главные размерения). Диапазон изменений достаточно широк: удавалось рисовать корпуса в стиле 12-метровнков, катамаранов, швертботов и даже глиссирующих — остроскулых.
Корпус яхты в изометрии, построенный методом генерации теоретического чертежа
Приведенный выше рисунок, выполненный с помощью графопостроителя, иллюстрирует наиболее типичную продукцию такой программы.