КАК НАДО КОНСТРУИРОВАТЬ ЛОДКИ

КАК НАДО КОНСТРУИРОВАТЬ ЛОДКИ В XXI ВЕКЕ

Действительно, новый век уже давно на дворе, а яхты строятся, как при Петре I. Открываешь проект, "проверенный годами практики", и видишь листы бумаги, с которых потом придется переносить какие-то контуры на какие-то шаблоны, ползать по плазу, создавать сантиметровые погрешности, а потом удивляться, что ничего не сходится. Сегодня надо забыть про всю эту бумагу и брать пример с аэрокосмической и автомобильной отраслей. Современные истребители и автомобили полностью проектируются, конструируются и изготавливаются с помощью компьютеров. В яхтенном судостроении процесс даже проще: мотор присутствует, скорее, как опция.

Таким образом, определимся, что нам нужно:

лодка должна быть таких-то размеров, принадлежать к определенному классу;
лодка должна вмещать столько-то помещений, мебели и оборудования;
подводная часть должна обладать минимальным сопротивлением формы;
все должно быть очень надежно, с морем не шутят.

Проект, кстати, можно взять и готовый, но только для того, чтобы сразу ввести его данные в компьютер, а можно и проектировать самому, если позволяют знания и опыт (мне не позволяют, зато все остальное для меня не проблема). Тут, кстати, нужен один лист бумаги, карандаш и ластик; рисуются вид сбоку и вид сверху в разрезах, определяются первые цифры, например, длина по ватерлинии.

Юрий Александрович Сенкевич ставит грот на катамаране Валет 32'. Одна из последних фотографий великого путешественника.

Так мы и действовали со знаменитым яхтсменом и автором замечательных проектов Виталием Беляковым: сначала он нарисовал проект океанского гоночного катамарана Валет 32' на бумаге, определил его внешний вид, внутреннюю застройку, длину и т. д., затем он выдал мне эскизы четырех сечений и формы транца и штевня корпуса будущего катамарана, приблизительно, с рекомендательными размерами. По моей просьбе, это были дистанции 0 (транец) 1100, 3300, 8500 и 9500 мм при общей длине 9700 мм (штевень). Почему такой выбор? Транец и штевень, понятно, являются как бы краевыми условиями, 1100 и 9500 также определяют форму вблизи краев, а остальные сечения находятся вблизи самых характерных мест корпуса. Отметим, что основной вид теоретического чертежа судна представляет собой план-бок с кормой слева (координаты X=0) и носом справа.

Итак, имея такое техническое задание, я сел за компьютер и загрузил программу; впрочем, не буду ее называть, чтобы не рекламировать ее разработчиков. Скажу лишь, что это отечественная система автоматического проектирования, используемая при конструировании летательных аппаратов. Впрочем, подходящих для яхтенной специфики программ достаточно. Подойдет, например, зарубежная CATIA. В Англии в 1999 году я общался со своим коллегой Барри Ноублом, который конструировал гигантский 125 -футовый катамаран и работал в этой системе.

Таким образом, загрузив программу, я построил двумерные сплайны (это такие гладкие кривые второго порядка), соответствующие половинкам правого борта сечений технического задания и разместил их по дистанциям. Затем построил трехмерный сплайн правой половинки транца и двумерный штевня и соединил все трехмерными сплайнами киля, верха и борта. Почему половинки? Корпус-то симметричный – зачем усложнять работу. Конечно, получилось уже далеко не то, что хотел Виталий: одно дело нарисовать на бумаге красивую форму линии, другое – построить сплайн, кривизна которого изменяется монотонно, без разрывов. Это как раз и гарантирует во многом снижение сопротивления формы будущей лодки, продлевая ламинарный участок потока воды далее в корму. Вывел полученные кривые на принтер и показал Виталию. Оказалось, плохо дело: там некрасиво, там чего-то не влезает, тут такое, что вроде ничего, даже здорово, но пока так не делают, поэтому сомнительно. Несколько итераций пришлось пройти, пока формы кривых не удовлетворили нас обоих. Каждый раз сплайны проверялись на монотонность изменения кривизны, а кривые, расположенные ниже ватерлинии, еще и на отсутствие изменения знака кривизны по всей длине. Однако, дело это стоящее, особенно, когда рождается идеал.

Затем на эти кривые была натянута одна из разновидностей сплайновых поверхностей, т. н. поверхность Кунса. Это уже часть будущей математической модели корпуса лодки и она начала свое виртуальное существование на диске компьютера. Стали с Виталием смотреть эту поверхность со всех сторон на экране компьютера, прикидывать, нравится или нет. Компьютер сделал ее сечение по ватерлинии, стали смотреть форму ватерлинии, компьютер просчитал получившееся водоизмещение – оказалось, маловато будет. Прикинули распределение водоизмещающего объема по длине лодки – ходить она будет не очень шустро…

Вот и началось самое тяжелое время – 20 и даже более итераций, причем каждый раз приходилось изменять параметры исходных кривых, прежде чем поверхность стала, что называется, как огурчик. Проверили сопротивление формы этой поверхности с помощью специальной программы. Программа быстренько решила уравнение Навье – Стокса и сообщила, что форма хорошая, да мы и сами уже это знали по ощущениям. Компьютер позволил также определить места расположения швертов и рулевых перьев через расчет координат центра бокового сопротивления и центра парусности. Затем я провел несколько итераций с палубной частью и рубкой лодки, пока все не понравилось идеологу Виталию. Здесь уже учитывались эстетические и эргономические, а также и аэродинамические свойства поверхности. Вот такая получилась математическая модель, вернее, ее видимый облик.

Пришла пора конструировать застройку. У Виталия еще с начала проекта в голове уже была «модель» всех помещений катамарана – восемь спальных мест, штурманский стол, кают-компания, камбуз, гальюн, две мойки по разным корпусам и шкафы для хранения провианта, инструмента, парусов... Все это должно быть поделено на отсеки шпангоутами, а они не должны мешать экипажу. В местах предполагаемых шпангоутов, пайолов, коек и столов я стал делать сечения поверхности лодки, а Виталий определял, годится ли такая застройка. Наконец, и с застройкой дело утвердились. Появилась возможность с помощью компьютера просчитать будущий дифферент лодки (в катамаранах крен практически отсутствует). Зная удельные плотности материалов и массы снаряжения и экипажа, это очень легко сделать: компьютер с любой точностью вычисляет все координаты центров масс, и легко можно определить разницу между центром масс лодки и центром ее водоизмещения, то есть на какой угол она просела, например, в корму, и скорректировать этот угол. Таким образом, не вбив ни одного гвоздя в стапель, мы определили все основные параметры остойчивости и гидродинамику будущей лодки.

Еще одна ответственная часть работы – конструирование балок и мачты катамарана. Сначала, конечно, я сделал на бумаге простой прочностной расчет балок и мачты, затем построил в компьютере их модели и произвел точный компьютерный расчет моментов инерции сечений. Компьютерный стресс-анализ в программе CATIA позволил определить все нагрузки катамарана и выяснить, при каких условиях и в каких местах произойдут разрушения конструкции. Исходя из этих данных, Виталий определил места необходимых усилений корпуса, точек крепления такелажа и т. п., разработал структуру материала в различных участках. По результатам этой работы были откорректированы водоизмещающие параметры лодки.

А как же обстоят дела с необходимыми для постройки материалами? Сколько нужно углеволокна, углеткани, пенопласта, смолы и других, довольно дорогих материалов? Компьютерная модель тут же дает на это ответ. Чтобы зря не платить деньги, можно с помощью компьютера сделать, например, оптимальный раскрой ткани. Немного времени у меня ушло на получение чертежей шаблонов выкроек углеткани, зато экономический эффект получился значительным.

Однако, пришла пора работать руками. Настало время делать технологическую оснастку. Оснастка - это прежде всего - матрица корпуса и матрицы отдельных деталей. Чтобы сделать матрицу, необходимо снять слепок с болвана - точной полномасштабной копии будущего корпуса из легкообрабатываемого материала. Было две возможности сделать болван: отфрезеровать его целиком из пенопласта на огромном станке - обрабатывающем центре с помощью той же замечательной программы, с использованием которой создавалась математическая модель нашей лодки и построить его, используя сечения матмодели. Первая возможность отпала по экономическим соображениям. Решено было делать две половинки болвана из фанеры (рубцы) и пенопласта (клепка). Прежде всего я сделал 32 сечения матмодели по длине лодки и множество других сечений в разных направлениях в сложных местах. Затем соответствующие файлы были посланы по электронной почте в один подмосковный НИИ, где с микронной точностью промышленным лазером из фанеры были вырезаны рубцы. Рубцы были собраны на специально подготовленном, строго горизонтальном полу. Пенопластовая клепка вклеивалась в промежутки между рубцами и обрабатывалась шкуркой. Если было необходимо, тут же по матмодели изготовлялся шаблон нужного места - попросту выводился на бумагу с помощью принтера.

Дальше все зависело только от мастерства. Две половинки болвана постепенно, после многочисленных вышкуриваний, грунтовок, лакировок и полировок постепенно становились идеально гладкими.