Как показала конференция, организованная ЦМКБ «Алмаз», проектирование судовой поверхности — это крайне важная и актуальная тема для всей судостроительной отрасли. Несмотря на то, что обводы корпуса являются одним из важнейших элементов проекта корабля, этой задаче долгое время не уделялось должного внимания. Попытки автоматизировать процесс создания сглаженной судовой поверхности ведутся с самых первых дней внедрения систем автоматизированного проектирования и производства в судостроении.
Как выбирают программное обеспечение?
На рынке представлено множество программ, и каждое проектное бюро самостоятельно решает, какой продукт использовать. Решение обычно принимается на основе трех ключевых факторов:
- Предыдущий опыт работы с конкретной программой.
- Наличие специалистов, которые уже умеют с ней работать.
- Стоимость лицензии, которая часто становится решающим аргументом.
На отечественном рынке широко доступны бесплатные и условно-бесплатные программы, которые теоретически можно применить для проектирования обводов. Однако на практике они в большинстве случаев не справляются с этой сложной инженерной задачей на должном уровне.
Проведем сравнительный анализ возможностей одной из таких программ Free!Ship и SeaSolution AT.
1. Математическая модель
В отличие от классической модели представления Nurbs поверхностей, используемой в SeaSoliution AT (угловые точки, граничные линии и участки поверхностей на них опирающиеся) Free!Ship использует, по сути, набор точек, соединенных между собой гранями, на которые опираются участки поверхности. Точки и грани могут быть простыми, граничными или точками и гранями слома. Сетка может содержать треугольные, четырёхугольные и пятиугольные участки. Исходя из топологии заданной сеткой из точек и граней, форма получаемой поверхности рассчитывается по алгоритму аналогичному Catmull–Clark subdivision surface. Изменение свойств точек и граней позволяет вводить внутри поверхности сломы и даже вырезы. Изменение местоположение вершины позволяет изменять форму поверхности. Анализ представленных разработчиком моделей поверхностей показал, что такой способ моделирования поверхностей лучше всего подходит для гладких корпусов, таких как классические яхты или граненых корпусов с продольными сломами и прямыми шпангоутами между ними. В случае классических корпусов судов, где нужно выделять плоские поверхности, такие как поверхности плоского днища и плоского борта этот способ становится очень похож на то, что используется сейчас в SeaSoliution AT. Но, в отличие от SeaSoliution AT при работе с Free!Ship сложно будет регулировать количество точек на участках между линиями слома и изменять форму корпуса. Модель будет значительно проще если не выделять участки плоского борта и плоского днища линиями слома, но при этом будет невозможно получить строго плоский борт и плоское днище. Такая модель может быть использована только для расчетов и на очень ранних стадиях проектирования. Заявленные разработчиками свойства минимизации числа контрольных точек на поверхности не совсем соответствует действительности, так как при добавлении новой контрольной точки внутри поверхности поверхность вокруг добавленной точки достаточно сильно изменяется. Поэтому дизайнер вынужден будет добавлять большее количество точек на всей поверхности, чтобы локализовать ее изменение при введении новой дополнительной точки. В это же время классический Nurbs позволяет вводить новые точки в поверхность без изменения ее формы.
Рис.1 Пример разбиения поверхности во Free!Ship
В отличие от Free!Ship SeaSoliution AT использует топологически связанные Nurbs поверхности, каждая из которых является отдельной поверхностью и связана с другими поверхностями через топологию граничных линий. Для описания участков поверхности используется четырехгранные участки, Число контрольных точек на участках поверхности определяется числом контрольных точек на образующих этот участок граничных линиях. При этом смежные участки поверхности могут иметь различный набор контрольных точек и в то же время не иметь зазоров между смежными участками. Это позволяет использовать большее число точек для сложных поверхностей и меньшее для простых. Если провести аналогию с Free!Ship граничные линии в модели SeaSoliution AT играют ту же роль что и линии слома в Free!Ship. SeaSoliution AT имеет полностью топологическую модель в которой при изменении одного элемента изменяются все взаимосвязанные элементы. Так, например при увеличении числа контрольных точек на одной из граничных линии закономерным образом увеличивается число точек на всех смежных поверхностях, но форма поверхности при этом не изменяется. Это позволяет реализовать принцип постепенного увеличения количество точек при детализации формы поверхности. Такой подход существенно экономит время затрачиваемое на моделирование и сглаживание формы корпуса. При этом используется одна и та же модель поверхности от самых ранних стадий проекта и до стадии рабочего моделирования. Применение такого подхода во Free!Ship практически нереализуемо. При этом при моделировании в SeaSoliution AT используются линии на поверхностях и обрезанные поверхности, что позволяет минимизировать проблемы, возникающая при моделировании поверхностей только четырехгранными участками.
Рис.2 Пример разбиения поверхности в SeaSolution AT
В основе двух продуктов лежат принципиально разные методологии моделирования:
- SeaSoliution AT использует параметрический и топологически связанный подход на основе NURBS. Это обеспечивает точный инженерный контроль над геометрией.
- Free!Ship применяет процедурный подход на основе сабдивизионных поверхностей (subdivision surface), что дает гибкость для быстрого создания гладких концептуальных форм.
Разный подход определяет сферу применения и точность результатов:
- SeaSoliution AT позволяет создавать и контролировать сложные поверхности: строго плоские участки, конические и цилиндрические обводы, что критически важно для профессионального проектирования.
- Free!Ship хорошо справляется с моделированием гладких органических форм, но не предназначен для точного инженерного проектирования.
Ключевые преимущества SeaSoliution AT
- Эффективность workflow: главным преимуществом является принцип постепенной детализации. Система позволяет вносить изменения на любом этапе, не прибегая к трудоемкому ручному «сглаживанию» модели, которое является неизбежной проблемой в Free!Ship. Это значительно экономит время и ресурсы.
- Отраслевая интеграция: использование стандарта NURBS обеспечивает беспрепятственную интеграцию с другими CAD-системами и программным обеспечением для производства (CAM), что является обязательным требованием в современной промышленной цепочке. Free!Ship лишен этой возможности.
SeaSoliution AT представляет собой зрелую, точную и эффективную систему для профессионального проектирования сложных судовых корпусов, где критически важны контроль на всех этапах и соответствие отраслевым стандартам.
Free!Ship, в свою очередь, остается инструментом для концептуального моделирования и задач начального этапа проектирования.
2. Интерфейс
И та и другая программа имеет похожий интерфейс поэтому мы будем сравнивать его по отдельным деталям.
2.1 Визуализация модели.
Free!Ship, как и SeaSoliution AT, имеет классический оконный интерфейс. Во Free!Ship модель представлена четырьмя графическими окнами, содержащими три основные проекции и перспективную проекцию. Во всех окнах можно использовать мышь для панаромирования, сдвига и поворота изображения. В каждом окне доступно специфическое контекстное меню. Визуализация поверхности может быть представлена сеткой линий параметра, сечениями закраской гауссовой кривизны, зебры и контролем разворачиваемости поверхности. В режиме закраски редактирование контрольных точек поверхности невозможно. В качестве подложки можно использовать как прототип изображение моделируемого объекта.
Рис.3 Визуализация Зебры во Free!Ship
SeaSoliution AT имеет одно графическое окно для визуализации модели. Текущий вид может быть выбран нажатием кнопки тулбара или из меню. Кроме основных проекций могут быть выбраны четыре основных изометрических вида. Кроме стандартных процедур изменения видового окна, управляемого с помощью мыши, существует большой набор дополнительных средств представления модели, таких как текущий видимый объем, сжатие изображения по осям, визуализация линий перегибов, зебры, гауссовой и средней кривизн, сечений поверхности и линий равного угла наклона. Во всех этих режимах доступно редактирование контрольных точек поверхности. Кроме того, в SeaSoliution AT существует понятие текущей рабочей плоскости, которое упрощает редактирования объектов в изометрических проекциях. В отличие от Free!Ship перерисовка модели при перемещении контрольной точки происходит гладко, плавно и естественно. Выбор в пользу одного окна был сделан по причине максимизации изображения модели на экране компьютера.
Рис.4 Визуализация зебры, сечений и линий перегиба в SeaSolution AT
SeaSoliution AT предлагает более современный, интегрированный и эффективный подход к визуализации. Отказ от многооконного интерфейса в пользу единого окна, в сочетании с возможностью редактирования в любом режиме и превосходной графической производительностью, создает качественно более высокую скорость и комфорт рабочего процесса по сравнению с Free!Ship. Эти факторы делают его более подходящим эргономичным инструментом для профессионального и интенсивного проектирования.
2.2 Выбор и редактирование элементов
Так как обе программы и SeaSoliution AT и Free!Ship относятся к программам моделирования, так называемых скульптурных поверхностей, возможности выбора и редактирования элементов является наиболее важными при работе пользователя.
И в той, и в другой программе изменение формы поверхности достигается за счет изменения положения контрольных точек. Free!Ship позволяет редактировать любую контрольную точку в сети точек поверхности при помощи курсора или посредством ввода координат из выпадающего меню. Причем если проекция изометрическая, то ввод координат при помощи курсора не разрешен. Допускается редактирование группы точек, но для этого необходимо последовательно выделить курсором каждую из этих точек. Выбор окном отсутствует. Так как при создании формы корпуса используется в основном приближенное значение положения точки, заданное курсором, такой подход кажется весьма трудоемким. Глобальные операция трансформации объектов могут быть выполнены только над слоями.
В отличие от Free!Ship SeaSoliution AT имеет хорошо развитые возможности модификации формы корпуса. Пользователь может изменять положение как одной контрольной точки, так и группы контрольных точек. Существует возможность модификации поверхности при изменении положения любой точки на этой поверхности. Пользователь может задать область изменения поверхности и при модификации одной контрольной точки все точки в этой области будут предсказуемо изменены по заданному алгоритму. В программе реализованы возможности выбора объектов как указанием курсором, так и при задании окном и кроссингом. Кроме этого, существует возможность строго вертикального и горизонтального перемещения и задание произвольного направления перемещения точки по заданной оси. Объектной привязки при редактировании положении точки также могут быть использованы. Модификации геометрии возможна на любой проекции, в том числе и на изометрической. Глобальную трансформацию объектов можно производить как с элементами блоков, так и с отдельно выделенными элементами. При этом контрольные точки, связанные с этими объектами, будут автоматически закономерно изменять свое положение. Ввиду Того что даже очень небольшое изменение положения контрольной точки может сильно влиять на кривизну поверхности в этом районе, в программе была разработана специальная опция масштабируемого перемещения курсора. Это позволяет менять положение контрольной точки курсором на экране в масштабе судно всего лишь на несколько миллиметров и добиваться более точной корректной формы поверхности.
Программа SeaSolution AT обладает значительно более развитыми и удобными возможностями для выбора и редактирования элементов по сравнению с Free!Ship, что делает процесс моделирования поверхностей более эффективным, точным и менее трудоемким.
2.3 Структурирование данных.
При создании больших моделей всегда возникает проблема структурирования геометрической информации. Рассмотрим, как это решено в той и другой программе.
Free!Ship имеет возможность структурировать геометрическую информацию посредством занесения объекта в слой. Слои представляют собой список. Каждый слой имеет набор атрибутов визуализации объекта и возможности использования его с расчетными модулями гидростатики. Включение/выключение конкретного слоя позволяет управлять видимостью объекта на экране.
Рис.5 Слои во Free!Ship
Аналогом слоев SeaSoliution AT является блоки. В отличие от Free!Ship блоки в SeaSoliution AT формируется в виде дерева. Дерево блоков всегда присутствует на экране и может управляться даже при наличии активных команд. Дерево блоков имеет очень большой функционал которые позволяют нам менять его структуру, включать выключать блоки, блокировать некоторые из них от записи, копировать блоки вместе с подблоками, добавлять и удалять их. Также можно включать все блоки или устанавливать точку входа на один из них. Это позволяет оперировать видимостью блоков на экране. Блоки также могут быть использованы в процессе выбора элементов для трансформации. Пользователь также может управлять свойствами блоков. В программе присутствует также понятие текущего блока как блок, в который записываются все элементы, вводимые в данный момент.
Рис.6 Дерево блоков в SeaSolution AT.
Обе программы, Free!Ship и SeaSolution AT, решают задачу структурирования данных через механизмы группировки и управления видимостью элементов. Free!Ship использует для этого систему слоев, организованных в виде списка, в то время как SeaSolution AT применяет более гибкую иерархическую структуру — дерево блоков.
Ключевое различие заключается в организации: список слоев в Free!Ship против древовидной структуры блоков в SeaSolution AT, что предоставляет последней более широкие возможности для управления сложными проектами.
2.4 Управление визуализацией объектов в видовом окне.
И та и другая программа имеет достаточно похожий набор средств которые позволяют управлять видом визуализации поверхностей объекта. Этот набор средств варьируется только возможностями каждой из программ.
3. Сравнение технологии моделирования поверхностей.
Представленная в Free!Ship технология создания модели фактически сводится к редактированию исходной сетки поверхности, создаваемой на основе аффинно преобразованного прототипа. В стандартном инсталляционном пакете есть только один прототип – классическая гладкая парусная яхта. Все дальнейшие операции по редактированию формы корпуса сводится к изменению положения контрольных точек добавлению новых точек, граней и участков поверхности. Сделать из поверхности классической яхты то что требуется, представляется достаточно трудоемким процессом. Кроме этого, программа может загружать и преобразовывать в поверхность плазовую книгу в специальном формате и триангуляцию из VRML файлов. Поверхность полученная таким образом имеет слишком много дефектов и не может быть использована для какого-либо серьезного проектирования формы корпуса. Кроме того, такой способ импорта поверхности представляет поверхность гладкой и подразумевает что все линии сломов внутри поверхности должны быть заданы вручную. По сути Free!Ship представляет собой редактор сети поверхности с довольно скудным функционалом.
Рис.7 Модель в Free!Ship. Сделана без выделения плоских участков. Отсутствует даже цилиндрическая вставка.
SeaSolution AT представляет собой полное функциональное приложение позволяющие проектировать геометрию формы корпуса надстроек и выступающих частей палуб с нуля. Принцип построения геометрии начинается с построения граничных линии, на которые натягиваются участки поверхности. Программа имеет полный функционал, включая объектные привязки к точкам линиям и поверхностям, работу без ограничений на любой проекции, реализацию поверхностных линии и обрезанных поверхностей, Точный алгоритм пересечения поверхностей, составные элементы — драйверы для ускорения построения поверхностей правильной формы. Кроме этого, любой предварительно созданный объект может быть загружен в новый проект и изменен под новые требования. Например, корпус судна может быть аффинно преобразован под новые размерения. Это позволяет существенно сократить время создания новой поверхности используя старый прототип. Этот аспект очень важен на начальных стадиях проектирования пока контракт на проектирование судна еще не подписан, и компания вынуждена делать предварительные проработки нового проекта за свой счет. Это дает существенную экономию и снижает риски, если такой проект в итоге не пойдет в работу. Но даже в этом случае сделанная таким образом поверхность может быть использована в последующих разработках. SeaSolution AT позволяет накапливать опыт проектирования различных поверхностей и за счет этого существенно ускоряет процесс проектирования.
Рис.8 Модель в SeaSolution AT. В модели видно разбиение поверхности на плоские и цилиндрические участки.
Технологии моделирования в Free!Ship и SeaSolution AT основаны на противоположных принципах, что определяет их возможности и эффективность.
· Free!Ship функционирует как редактор сетки, работающий с единственным прототипом. Это накладывает серьезные ограничения на гибкость процесса.
· SeaSolution AT является полнофункциональной системой проектирования (САПР), которая позволяет создавать сложную геометрию с нуля, используя граничные линии и передовые алгоритмы.
Эти фундаментальные различия напрямую влияют на трудоемкость и результат:
· В Free!Ship создание сложных форм становится рутинным и трудоемким процессом из-за ограничений сеточного моделирования.
· В SeaSolution AT инженер имеет полный контроль над геометрией, что обеспечивает точность, гибкость и скорость на всех этапах.
Важнейшим практическим преимуществом SeaSolution AT является поддержка многовариантности и преемственности проектов.
· Система позволяет использовать и модифицировать существующие проекты, создавая на их основе новые.
· Этот подход кардинально ускоряет процесс предварительного проектирования и значительно снижает затраты на разработку, чего невозможно достичь при работе в Free!Ship.
4. Функции импорта и экспорта
Free!Ship поддерживает несколько форматов импорта данных: Part, .hul, .fef, Surface, chines, Carene XYZ, VRML, PolyCad, Michlet. Наибольший интерес представляет импорт файла .hul. В zip файле, который предложен в инструкции, хранится несколько десятков поверхностей формате .hul. Практически все из них представляют собой граненые корпуса яхт и лодок с ярко выраженными сломами. Интерес представляет также формат VRML, содержащий сети из треугольников. При загрузке, точки и ребра этих сетей автоматически становятся точками и ребрами модели поверхности. При этом реальная поверхность будет находиться внутри этого многоугольника. Признаки линий слома в этом случае не поддерживаются и их нужно задавать вручную. Остальные форматы в том или ином виде представляют собой текстовые файлы, которые содержат информацию о полилиниях, например шпангоутах, ватерлиниях или батоксах.
Free!Ship может создавать файлы следующих форматов – Part, IGES, DXF 3D mesh, DXF 2D polylines, .STL, .fef. Также позволяет выводить координаты плазовой книги. Наибольший интерес для реального проектирования представляет IGES файл. Он передает физическую плавную поверхность, а не набор сеток, лежащих на ней, которые в лучшем случае можно использовать для создания рендеринга.
Рис.9 Модель из Free!Ship в формате IGES
После загрузки такого IGES файла выяснилось, что ввиду того, что прямой экспорт поверхностей из Free!Ship не поддерживается, программа предварительно преобразует модель в участки B-Spline поверхностей. При этом схема разбиения выбирается автоматически.
SeaSolution AT Поддерживает импорт DXF 2D и 3D файлов чертежей, IGES c возможностью обрезки поверхностей, STL, ASF, CSV. Кроме этого есть возможность просмотра результатов расчетов CFD – волновой поверхности, линий тока, и распределения динамических давлений вокруг корпуса. SeaSolution AT может экспортировать 2D и 3D DXF с чертежами проекций, теоретическим чертежом в различных вариантах, чертежом растяжки наружной обшивки, чертежами и полным комплектом технологической документации на развертки листов. Поддерживается вывод IGES файлов с обрезкой поверхностей, передача данных для расчетов статики в Sea Hydro, AutoHydro и Dialog Static, Step и STL в двоичном и текстовом виде. Функции импорта-экспорта в SeaSolution AT ориентированы в первую очередь на решение практических задач, возникающих при проектировании судов.
Итоговая таблица сравнения
| Критерий | Free!Ship | SeaSolution AT |
|---|---|---|
| Основное назначение | Концептуальное моделирование, хобби | Профессиональное инженерное проектирование |
| Математическая модель | Subdivision Surfaces | Параметрические NURBS-поверхности |
| Точность и контроль | Низкая, подходит для эскизов | Высокая, позволяет создавать строгие геометрические формы |
| Эргономика и интерфейс | Многооконный, ограниченные возможности редактирования | Единое окно, продвинутые инструменты редактирования и анализа |
| Жизненный цикл модели | Только ранние стадии | От концепции до рабочей документации и производства |
| Интеграция в промышленные процессы | Низкая, требуется конвертация и доработка | Полная, поддержка отраслевых стандартов (IGES, STEP, DXF) |
| Экономическая эффективность | Бесплатность нивелируется высокими трудозатратами на доработку | Платность оправдана значительной экономией времени и снижением рисков на всех этапах проекта |
Заключительный вывод
Как убедительно демонстрирует статья, выбор между Free!Ship и SeaSolution AT является не просто техническим предпочтением, а стратегическим решением в пользу определенной методологии проектирования.
Для серьезных задач в судостроении, где первостепенное значение имеют инженерная точность, полный контроль над геометрией и беспрепятственная интеграция в технологические цепочки, единственным корректным выбором является SeaSolution AT.
В свою очередь, Free!Ship может рассматриваться исключительно как вспомогательный ознакомительный инструмент. Результаты его работы не соответствуют промышленным стандартам и не могут быть напрямую использованы в реальном проектировании и производстве, что ограничивает его применение созданием первоначальных эскизов.
SeaPlaz аналитика 07.10.25