До и после сварки: цифровые модели – лучшие ловцы производственных ошибок?

Фото: Shutterstock

На Окской судоверфи уже сваривают палубы трёх будущих катеров. Тем временем проектировщикам приходится менять форму подводной части корпуса: выбранное оборудование повлияло на массу судов. Новое решение нужно рассчитать, согласовать с другими частями проекта и передать верфи так, чтобы строящиеся катера можно было закончить.

Эта ситуация возникла при работе нижегородской компании «Си Тех» над серией рабочих катеров для «Росморпорта». Она показывает, зачем судостроителям нужна цифровая модель. С её помощью инженеры описывают форму корпуса, размещают конструкции и оборудование, проверяют, как изменения влияют на проект, и готовят документы для производства. Как устроена эта работа – подробно рассказываем в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Судно, которое пока существует на чертежах

Судостроительный чертёж — точное описание будущего изделия. На одних листах показывают форму корпуса, на других — внутренние конструкции, расположение оборудования, трубопроводы и помещения. Чтобы представить судно целиком, специалисту нужно сопоставить множество видов и сечений. Если меняется один элемент, приходится проверять все решения, которых касается эта правка.

Особенно сложна форма корпуса. От неё зависят движение судна в воде, осадка и размещение внутренних конструкций. Раньше её задавали линиями на нескольких плоскостях. По ним инженеры выполняли расчёты и готовили следующие чертежи. Компьютерные инструменты позволили описывать поверхность математически и работать с ней как с объёмной моделью. Но главная польза такого перехода не в том, что катер можно повернуть на экране. Расчётчику, конструктору корпуса и специалисту по оборудованию стало проще работать с одной геометрией и согласовывать свои решения.

Генеральный директор «Си Тех» Пётр Ежов заинтересовался программированием ещё во время работы в конструкторском бюро. Одной из трудоёмких задач тогда было согласование линий теоретического чертежа — документа, который определяет форму корпуса. Вместе с преподавателями и студентами политехнического института команда создавала программы для моделирования судовых поверхностей и расчётов. Постепенно инструменты стали охватывать всё больше этапов проектирования.

Компания «Си Тех» была основана в Нижнем Новгороде в 1998 году. В начале 2000-х она начала разрабатывать программный комплекс для судостроения, а с 2012 года стала использовать в проектной работе систему трёхмерного моделирования Cadmatic. Сегодня инженеры применяют разные инструменты: одни помогают задать поверхность корпуса, другие — выполнить расчёты, разместить конструкции и оборудование или подготовить детали к изготовлению.

Пётр Ежов описывал этот подход как «сквозную цепочку использования разного программного обеспечения на всех этапах проектирования от эскизной проработки до сопровождения на заводе». Результат работы одного специалиста становится исходными данными для следующего. Если форма корпуса изменилась, новую геометрию должны учесть те, кто рассчитывает судно, разрабатывает его конструкции и выпускает документы для верфи.

Чем инженерная модель отличается от картинки

Трёхмерное изображение помогает заказчику увидеть силуэт катера, рубку, окна и палубы. Но внешний вид не отвечает на вопросы, выдержит ли конструкция нагрузку и поместится ли оборудование в отведённом месте. Для этого нужна инженерная модель с точными размерами и расположением элементов.

При работе над катерами для «Росморпорта» поверхность корпуса создавали в программе Sea Solution. Конструкции корпуса — набор из балок и других деталей, обеспечивающих прочность, — и оборудование моделировали в системе Nupas-Cadmatic. У каждого инструмента своя задача, а инженеры должны согласовать результаты их работы.

Например, трубопровод проходит через часть судна, где расположены элементы корпуса. Его маршрут нельзя выбрать лишь по свободному месту на экране: нужно учесть, какие конструкции стоят на пути, где потребуется проход через переборку и можно ли будет впоследствии добраться до трубы для обслуживания. Программа способна обнаружить геометрическое пересечение. После этого специалисты решают, изменить ли маршрут трубопровода, расположение оборудования или конструкцию прохода.

Проверять нужно и соответствие модели другим документам. Схема трубопровода показывает, какие устройства соединены между собой. Трёхмерная модель — где именно проходит труба. Если после изменения проекта они расходятся, монтажники получат противоречивые указания. Поэтому инженеры сверяют схемы, модель, чертежи и перечни деталей, прежде чем передать очередной комплект документов верфи.

Компьютер ускоряет поиск некоторых несоответствий, но не решает за конструктора, какое исправление выбрать. Два объекта могут пересекаться в модели из-за ошибки, а могут соприкасаться по замыслу. Даже если геометрия выглядит правильной, остаются вопросы прочности, удобства монтажа и доступа к оборудованию после постройки. Ответы требуют расчётов и совместной работы специалистов.

Почему пришлось менять подводную часть

Рабочие катера для «Росморпорта» проектировали для служебных рейсов, доставки людей и небольших грузов, осмотра акваторий и возможного выполнения лоцманских функций. Проект разработала компания «Си Тех», главным конструктором был Андрей Бондаренко. Строительство трёх судов шло на Окской судоверфи в Нижегородской области.

Проект и строительство выполняли в сжатые сроки. Заказчик, верфь и проектировщики обсуждали выбор и расположение оборудования. Некоторые изменения увеличивали массу катеров, поэтому инженерам неоднократно приходилось пересматривать форму подводной части корпуса. К тому времени палубы всех трёх судов уже находились в работе.

Почему изменение массы ведёт к пересмотру формы? Судно удерживается на воде благодаря объёму вытесненной им воды. Если масса растёт, меняется положение корпуса относительно поверхности. Значение имеет и то, где размещён дополнительный вес: он влияет на распределение нагрузки и положение центра тяжести. Проектировщики должны проверить, сохранит ли катер требуемые характеристики и сможет ли выполнять задачи, ради которых его строят.

Форма подводной части связана с остальным судном. Поменять её на чертеже — значит снова сопоставить геометрию с расчётами и конструкцией корпуса. Затем необходимо определить, какие документы для верфи затронуты правкой и что уже успели изготовить. Когда строительство идёт одновременно с уточнением проекта, скорость согласования становится частью инженерной задачи: устаревшее решение нельзя оставлять в рабочем комплекте только потому, что по нему уже удобно строить.

Фото: Shutterstock

Расчёт проверяют водой

Цифровая модель позволяет рассчитать форму корпуса и сопоставить разные варианты, но этим проверка не ограничивается. Для катеров провели модельные испытания в опытовом бассейне. Там свойства выбранной формы оценивают на физической модели в воде.

У каждого способа проверки своя роль. Расчёты помогают ещё при поиске решения: инженер может менять геометрию и смотреть, как изменяются ожидаемые характеристики. Опыт в бассейне позволяет проверить поведение формы физически. После постройки наступает очередь настоящего катера — с изготовленным корпусом, установленным оборудованием и полной массой.

Все три судна спустили на воду в июне 2014 года. Они получили имена «Капитан Беляев», «Сергей Чередниченко» и «Норд». Осенью того же года катера прошли ходовые испытания, после чего отправились в порты приписки. Между моделью на экране и работающим судном лежали расчёты, испытания, изготовление и проверка готового результата.

Фото: Shutterstock

Как модель превращается в детали

Верфь не строит катер по изображению на мониторе. Цеху нужны размеры каждой детали, её обозначение и количество. Специалистам по снабжению — перечни материалов и оборудования. Сварщикам и сборщикам — чертежи, по которым понятно, что и где соединять.

Часть этих сведений получают из цифровой модели. На её основе готовят рабочую конструкторскую документацию: чертежи конструкций, расположения оборудования и отдельных узлов. Для изготовления деталей из листового металла нужны карты раскроя. На них контуры размещают на листе так, чтобы затем вырезать заготовки для корпуса. У каждой детали должны быть верные размеры и обозначение, иначе ошибка из документа перейдёт в металл.

Инженерам важно учитывать возможности конкретной верфи. Основатель программ Sea Solution Александр Алексанов объяснял: «Формат рабочей документации на постройку оговаривается в процессе подписания контракта». Проектировщик и завод заранее определяют, какие документы нужны производству и в каком виде их передавать. Работа не заканчивается созданием точной модели: её результат должен быть понятен людям, которые будут резать, гнуть, собирать и сваривать детали.

Если проект меняется, возникает ещё одна задача — управление версиями. Конструктор должен знать, какой вариант утверждён, какие чертежи уже переданы на производство и какие детали изготовлены. Иначе одна бригада может работать по обновлённому решению, а другая — по прежнему. Цифровые инструменты помогают сохранять связь между моделью и документами, но выпуск изменённого комплекта всё равно требует проверки и согласования.

Что остаётся за человеком

В модели отражены те сведения, которые в неё внесли. Если поставщик изменил размеры оборудования, проектировщики должны получить новые данные и оценить их влияние на компоновку. Если программа не показывает пересечений, это ещё не означает, что к каждому узлу удобно подойти с инструментом. Инженеру нужно представить не только строительство, но и дальнейшее обслуживание судна.

На верфи особенно важны последствия поздней правки. До изготовления детали можно изменить её положение в модели и выпустить новый чертёж. После резки или сварки то же решение может потребовать переделки. Проектировщик выясняет, какие части уже готовы, что ещё можно изменить и как согласовать новый вариант с заводом.

Здесь проявляется разница между владением программой и профессией судостроителя. Специалисту нужно понимать, какие физические величины стоят за моделью, откуда взялись исходные данные и чем проверить результат. Пётр Ежов вспоминал преподавателя, который «требовал не формального ответа, а понимания предмета». В цифровом проектировании это требование сохраняется: даже точная геометрия бесполезна, если инженер не видит, как его решение повлияет на судно.

Кто проектирует катер

Над цифровой моделью работает команда. Специалист по форме корпуса создаёт поверхность и участвует в проверке её свойств. Конструктор разрабатывает внутренний набор и детали, которые предстоит изготовить и соединить. Проектировщик оборудования учитывает его размеры, массу и места для обслуживания. Инженер по трубопроводам прокладывает линии между устройствами. Другие специалисты выпускают документацию для верфи и следят, чтобы в неё попадали согласованные решения.

Нужны и те, кто создаёт и настраивает программы для проектирования. Их работа соединяет судостроение с математикой и программированием: инструмент должен описывать форму, помогать выполнять расчёты и передавать данные между этапами. История «Си Тех» началась в том числе с такой задачи — сделать работу проектировщиков с судовой геометрией точнее и удобнее.

Путь в профессию может начинаться с судостроительного образования. Во Волжском государственном университете водного транспорта готовят специалистов по направлению «Проектирование и постройка кораблей, судов и объектов океанотехники». Будущему инженеру пригодятся математика, физика, инженерная графика и умение работать с цифровыми моделями. Тому, кого больше интересует внешний вид судна и организация пространства, может быть близок промышленный дизайн: «Си Тех» сотрудничает и с Нижегородским государственным архитектурно-строительным университетом.

Смежный опыт тоже может стать основой для работы в судостроении. Проектировщик из машиностроения уже умеет разрабатывать детали, программист — создавать инструменты для расчётов и моделирования, промышленный дизайнер — работать с формой и удобством использования. Но каждому предстоит освоить особенности судна: его поведение на воде, конструкцию, оборудование и требования к рабочей документации.

Три рабочих катера вышли на воду, хотя их проект приходилось уточнять уже во время строительства. Сохранить связь между изменённой формой корпуса, расчётами, деталями и чертежами помогла работа инженеров с цифровыми моделями. Программа позволяла увидеть часть последствий раньше, чем ошибка оказалась бы в металле. Окончательное решение всё равно принимали люди — и проверяли его не только на экране, но и в опытовом бассейне, на верфи и на воде.