Программные продукты и системы

Современный период в развитии автоматизированного исследовательского проектирования (АИП) кораблей характеризуется следующими основными тенденциями.

1.        Происходящие политические и экономические изменения в России и странах, составлявших не так давно СССР, позволяют с достаточной вероятностью прогнозировать резкое изменение места и роли, которое занимало проектирование в общем процессе создания кораблей и судов (далее под термином "корабль" понимается как корабль, так и судно), что приводит к резкому изменению места и роли исследовательского проектирования (ИП). В первую очередь эти изменения затронут принятую до сих пор глубину и комплексность проработки проекта корабля на стадии ИП в сторону их существенного увеличения.

2.        Переход к созданию кораблей, их оружия и технических средств как единой системы требует интеграции соответствующего научно-методического потенциала ВМФ и проектно-конструкторских организаций судостроительной промышленности с целью обеспечения единого информационного процесса автоматизированного проектирования, а также соответствующих программно-технических средств.

3.        Экспоненциальный рост используемой проектантами информации при проектировании обусловливает необходимость перехода от традиционных методик проектирования и созданных на их базе САПР к системам на принципах новых информационных технологий и искусственного интеллекта.

4.        Начавшееся внедрение принципиально новых для АИП средств ЭВТ и общесистемного программного обеспечения позволяют вывести на новый качественный уровень прикладное программное и информационное обеспечение АИП, а главное скорость и эффективность его разработки и использования.

Анализ процесса АИП приводит к необходимости определения требований к описанию корабля на разных этапах его создания. Поэтому целесообразно выделять такие математические модели и представлять процесс АИП в виде последовательности соответствующих этапов.

Такой подход позволяет решать для каждого этапа конкретные проблемы при достаточно четких формулировках целей, задач и способов их решения. Причем для каждого этапа могут быть выполнены требования по согласованию входной и выходной информации с выполнением общей направленности на повышение достоверности и увеличения объема обрабатываемой информации. Наряду с этим модель соответствующего этапа позволяет вырабатывать именно ту информацию, которая обеспечивает заданную глубину исследований в соответствии с объемом и характером входной информации, и поэтому в большей степени отвечает интересам проектных исследований.

В связи с изложенным выше задачу разработки комплексной системы АИП в современных условиях можно решить только на базе новых информационных технологий.

С этой целью в настоящее время осуществляется разработка комплексной системы автоматизированного исследовательского проектирования кораблей и судов, исходя из следующей концепции.

1.       Ход ИП представляет единый информационный процесс, результатом которого является проектная информация по кораблю в зависимости от этапа проработки.

2.       ИП включает три основных этапа, а именно:

-    формирование программы кораблестроения;

-    выбор состава оружия и вооружения и оптимизация основных тактико-технических характеристик (ТТХ) и тактико-технических элементов(ТТЭ) корабля в первом приближении;

-    обоснование технической реализуемости варианта корабля.

Данная работа посвящена обоснованию технической реализуемости варианта корабля в рамках создания расчетно-логической системы исследования технической реализуемости вариантов кораблей и судов (САПР-ИР).

Актуальность разработки расчетно-логической системы исследования технической реализуемости вариантов кораблей и судов на стадии автоматизированного исследовательского проектирования обусловлена необходимостью проработки принципиальных конструкторских решений на стадии ИП.

Это связано с тем, что значение принципиальных конструкторских решений в ходе разработки проекта корабля существенно возрастает. Принципиальные конструкторские решения влияют на проектные затраты не прямо пропорционально, а экспоненциально. Поэтому максимально возможное число основных конструкторских решений должно приниматься уже на стадии ИП в интересах повышения достоверности обоснования технической реализуемости варианта корабля.

Необходимость обеспечения достоверности принимаемых проектных решений потребовала не только формирования архитектурно-компоновочных решений, но и использования информации об этих решениях как при проведении задач оценки эффективности, так и для уточнения принятых проектных решений. Это привело к необходимости разработки экспертной подсистемы формирования архитектурного облика корабля и развитой подсистемы геометрического моделирования, ориентированной преимущественно не на изготовление чертежей, а на обеспечение кораблестроительных расчетов необходимой геометрической информацией.

Принципиальным отличием САПР-ИР от существующих средств автоматизации ИП является:

- существенно более глубокая автоматизация процесса исследования технической реализуемости варианта корабля на стадии ИП, в том числе обеспечение гибкой автоматизированной взаимосвязи между отдельными элементами, модулями и подсистемами САПР-ИР, в частности, между аналитическими вычислениями, экспертной компонентой и подсистемой геометрического моделирования и графического отображения исследуемого варианта корабля;

-     "направленность" на проектирование различных классов кораблей и судов;

-     сокращение ошибок при внесении проектных изменений;

-     комплексность, обеспечивающая связность проектирования отдельных элементов и всего корабля в целом на этапе исследования технической реализуемости, т.е. автоматизированный"конвейер" исследования.

Основными задачами, которые решаются на САПР-ИР, являются:

-     оптимизация технико-экономических характеристик корабля по выбранному проектантом критерию;

-     поверочные расчеты кораблестроительных характеристик при задании значений независимых переменных для исследования в области допустимых решений;

-     выполнение расчетов по отдельным разделам проекта при работе модулей САПР-ИР в автономном режиме;

-     отработка формы поверхности корпуса и общего расположения в интерактивном режиме;

-     отработка схем общего расположения с использованием экспертных компонент САПР-ИР;

-     статистическая обработка прототипов и данных по проектам, содержащимся в базе данных САПР-ИР.

Функциональная структура САПР-ИР приведена на рисунке 1.

Техническое обеспечение САПР-ИР определено следующим образом: комплекс программных средств САПР-ИР должен функционировать на базе ПЭВМ IBM PC AT-386/387 в стандартной комплектации, с цветным графическим монитором высокого разрешения, графопостроителем планшетного или рулонного типа.

Входными данными САПР-ИР являются:

-   элементы технического задания на проектирование;

-     выходные данные II этапа ИП по выбору состава оружия и вооружения и основных ТТХ и ТТЭ корабля в первом приближении;

-     параметры режима работы САПР-ИР;

-     выбор алгоритма решения (проведения исследования на САПР-ИР);

-     указание модулей, которые необходимо использовать для решения данной конкретной задачи;

-     выбор каталогов комплектующих изделий, прототипов и справочных данных, содержащихся в базе данных САПР-ИР.

Состав и объем выходной информации САПР-Ш будет обеспечивать возможность подготовки проектной документации, определенной руководящими документами для технического предложения. Основными формами выходных документов будут являться:

1.        Пояснительная записка, содержащая сведения об основных характеристиках корабля, спецификации его оружия и вооружения.

2.        Схемы общего расположения, включающие:

-     размещение основных переборок, выгородок, палуб и платформ;

-     размещение основного оборудования на верхней палубе, указанных палубах в надстройках и отсеках.

3.        Эскиз теоретического чертежа по 21 теоретическому шпангоуту.

4.        Таблицы:

-     расчета нагрузки масс;

-     расчета посадки, остойчивости и непотопляемости для спецификационных видов водоизмещения;

-     расчетов сопротивления корпуса, мощности и расходов топлива на режимах;

-     расчета электрических нагрузок основных потребителей.

5.  Табель комплектации личного состава.

6.  Показатели стоимости и эффективности САПР-ИР ориентирован на конкретные

классы кораблей и судов и обеспечивает автоматизированное проектирование, включающее определение главных элементов корабля, проработку основных архитектурно-компоновочных решений, а также получение и оформление результатов исследований, получение графических материалов, в том числе и схем общего расположения корабля.

Для решения этих задач, выполняющих в САПР-3.1 функцию исследования технической реализуемости варианта корабля, предусмотрена проектная подсистема, которая включает в себя три основных блока: проектный, экономический и блок оценки эффективности.

Состав проектной подсистемы САПР-3.1 приведен на рисунке 2.

В данной работе рассматривается только проектный блок САПР-ИР. Проектный блок САПР-3.1 включает три основных модуля:

1.        Модуль определения главных элементов корабля.

2.        Модуль формирования общего расположения.

3.  Модуль поверочных расчетов. Блок-схема проектного блока САПР-ИР

приведена на рисунке 3.

Модуль определения главных элементов корабля позволяет на основе математической модели корабля решать следующие задачи:

•     определение массо-габаритных характеристик полезной нагрузки;

•     определение массо-габаритных характеристик технических средств корабля, а именно:

-    главной энергетической установки,

-    вспомогательных механизмов,

-    общекорабельных систем и устройств,

-    специальных систем и устройств, определяемых в зависимости от назначения проектируемого корабля;

•     расчет запасов топлива, воды и масла; массы провизии, снабжения и имущества;

•     расчет массо-габаритных характеристик корпуса;

•     расчет основных разделов нагрузки масс корабля;

•     определение главных размерений корабля.

Наряду с этими расчетами при использовании выбранного прототипа корабля производится определение:

-     расширенной и уточненной нагрузки масс корабля;

-     примерного табеля комплектации личного состава корабля;

-     таблицы электрических нагрузок основных потребителей.

В результате расчетов получаются значения главных размерений корабля, таблица нагрузки, а также массогабаритные и ряд других характеристик подсистем корабля.

В первой версии САПР-ИР модуль определения главных элементов корабля включает в себя две основные компоненты: решения системы уравнений балансов ресурсов; кораблестроительных расчетов.

В этом модуле главные элементы корабля определяются путем совместного решения системы уравнений, в которую входят уравнения нагрузки, вместимости и требований к остойчивости, ходкости, качке и непотопляемости корабля. В качестве переменных выступают главные размерения корабля.

Модуль формирования общего расположения позволяет получать:

-     описание поверхности корпуса проектируемого корабля;

-     состав главных отсеков и определять их элементы;

-     состав основных постов и помещений корабля и размещения в них элементов технических средств и технологического оборудования.

Модуль обеспечивает:

-   расстановку основного оружия и вооружения;

-     установку основного оборудования в выделенных помещениях;

-     наполнение базы данных агрегатов, механизмов и образцов оружия, вооружения и технологического оборудования;

-     получение схем общего расположения;

-     построение трехмерных проекций поверхности корпуса;

-     изменение формы поверхности корпуса по результатам проработки общего расположения.

Модуль позволяет произвести следующие расчеты:

-     объемов и площадей помещений и корабля в целом и их геометрических элементов;

-     центров величины и моментов инерции площадей и объемов помещений и корабля в целом.

Результатом работы модуля является перечень основных постов и помещений корабля и их геометрические характеристики; база данных установленных агрегатов, механизмов и образцов оружия, вооружения, технологического оборудования; схемы общего расположения.

Модуль позволяет получить следующие демонстрационные материалы:

-    продольный разрез проектируемого корабля;

-    план верхней палубы;

-    заданные сечения корпуса;

-    теоретический чертеж проектируемого корабля;

-    трехмерные проекции корпуса и общего расположения.

Основные компоненты этого модуля рассмотрены ниже.

Модуль поверочных расчетов на основании данных других модулей позволяет производить следующие расчеты:

-    элементов главных отсеков корабля;

-    элементов посадки и начальной остойчивости;

-    ходкости;

-    элементов посадки и остойчивости аварийного корабля для заданных вариантов затопления корабля.

В первой версии САПР-ИР модуль поверочных расчетов включает в себя основной набор процедур оценки кораблестроительных свойств и качеств корабля.

. Графическое изображение каркасной модели теоретической поверхности корпуса рис. 5

. Пример быстрой визуализации вида сбоку спроектированного варианта корабля рис. 6

. Пример визуализации элемента трехмерной проекции корабля на базе системы AUTOCAD рис. 7

Для решения этих задач в состав проектного блока САПР-ИР первой версии включен основной состав процедур. К основным процедурам проектного блока САПР-ИР относятся:

-    расчет нагрузки,

-    расчет главных размерений корабля,

-    расчет мощности ЭУ и подбор главных двигателей,

-    расчет мощности электроэнергетической установки,

-    расчет корабельных запасов,

-    расчет элементов гребного винта,

-    расчет пропульсивных характеристик,

-    генерация формы корпуса,

-    формирование топологии (порядка) размещения оружия и вооружения,

-    формирование элементов корпуса корабля(выбор и расстановка переборок, палуб, второгодна, машинных отделений и вспомогательных механизмов и др.),

-    формирование основных архитектурно-компоновочных решений верхней палубы (выбор и размещение надстроек и труб, мачт, оружия и вооружения),

-    расчет сопротивления воды движению корабля,

-    расчет кривой предельных длин отсеков,

-    расчет периода собственных колебаний корабля на тихой воде,

-    расчет посадки и начальной остойчивости,

-    расчет парусности и остойчивости на больших углах крена,

-    расчет диаметра циркуляции,

-    расчеты живучести,

-    расчеты прочности,

-    расчет комплектации личного состава.

Экспертная компонента модуля формирования общего расположения САПР-ИР имеет основные элементы систем, основанных на знаниях: базу фактов, базу знаний (правил), механизм ситуационного выбора, а также процедуру объяснения сделанного выбора и интерфейс пользователя.

Экспертная компонента модуля формирования общего расположения САПР-ИР основана на построении модели ситуационного выбора* и решает следующие задачи:

-    формирование топологии (порядка) размещения оружия и вооружения;

-    формирование элементов корпуса корабля;

-    формирование основных архитектурно-компоновочных решений палубы.

Функциональная блок-схема экспертной компоненты модуля формирования общего расположения САПР-ИР приведена на рисунке 4.

Диалоговая компонента модуля формирования общего расположения САПР-ИР позволяет проектанту прорабатывать варианты общего

Захаров И.Г. Методы формирования архитектурно-компоновочных решений корабля при исследовательском проектировании. - С.-Петербург: ВМорА, 1991. расположения на основе задания эскиза схемы расположения оружия и вооружения с учетом ограничений на взаимное расположение.

В САПР предусматривается генерация формы корпуса на основе каркасного описания поверхности корпуса. Учитывая тот факт, что колебания коэффициента общей полноты для кораблей одного класса пренебрежимо малы с учетом стадии исследовательского проектирования, то в качестве метода генерации формы корпуса принято аффинное преобразование каркасной модели корпуса прототипа.

Для каркасной модели корпуса разработаны процедуры изменения формы бульбового образования в зависимости от габаритов и местоположения антенного поста гидроакустической станции, а также ввод цилиндрической вставки. Графическое изображение каркасной модели теоретической поверхности корпуса приведено на рисунке 5.

Компонента визуализации модуля общего расположения на основе информации о форме корпуса и общем расположении позволяет получать на экране дисплея и на графопостроителе следующие графические документы:

-    чертежи общего расположения, содержащие продольный разрез, план главной палубы, вид сверху, силуэт, разрез по миделю;

-    теоретический чертеж;

-    трехмерную проекцию корабля;

-    разрезы.

Компонента визуализации модуля общего расположения имеет две основные подсистемы: инструментальных средств геометрического моделирования и быстрой визуализации, а также графической станции.

Разбиение компоненты визуализации на две подсистемы обусловлено их разным функциональным назначением. Так, подсистема инструментальных средств геометрического моделирования и быстрой визуализации является инструментальным средством оперативного проведения исследований по формированию общего расположения и включает в себя комплекс геометрических вычислений для обеспечения кораблестроительных расчетов и средства визуализации принятых проектных решений. Пример визуализации вида сбоку приведен на рисунке 6.

Подсистема графической станции предназначена в первой версии САПР-ИР для подготовки высококачественных отчетных и демонстрационных графических материалов после завершения исследований. Поэтому для этой подсистемы снижены требования по оперативности подготовки графических материалов. Пример визуализации элемента трехмерной проекции корабля на базе системы AUTOCAD приведен на рисунке 7.

В настоящее время первая версия САПР-ИР проходит комплексные испытания на конкретном практическом примере. Предполагается подключить к САПР-ИР существенно уточненный и дополненный набор модулей кораблестроительных расчетов, улучшить интерфейс с проектантом и расширить базу данных и знаний.