Математика/4.Прикладная математика
Рябоштан
А.Ф., Миленин А.Н.
Харьковский
национальный технический университет
сельского
хозяйства им. П. Василенко
Конструирование
поверхностей лопаток газовых турбин из множества огибаемых по заданным условиям
Пусть задано множество поверхностей
, (1)
Поверхность, отвечающая заданным начальным
условиям, конструируется наложением связей на параметры и
проведением огибающей полученного поверхностей.
В качестве начальных условий
(геометрических элементов и дифференциальных условий) будем рассматривать:
- кривую (поверхность
должна быть ей инцидентной);
- поверхность (искомая
поверхность должна быть ей касательной);
- линейную полосу
(поверхность должна быть инцидентной кривой-носителю полосы, а нормали
оснащения должны быть нормалями поверхности);
-полосу II порядка
(кроме удовлетворения требований предыдущего пункта должны совпадать вторые частные
производные полосы и поверхности).
При задании начальных условий в виде
кривой
, , (2)
Необходимо выполнить два условия. Условие
инцидентности требует, чтобы уравнения (2) удовлетворяли (1), т.е.
=0, (3)
С другой стороны, касательные к кривой (2)
должны быть перпендикулярны нормалям поверхности (1)
, (4)
где , , - частные производные
функции , вычисленные при условии (2). , , - производные функции
по . Уравнение (4) равносильно дифференцированию (3) по
параметру , т.е. . Для получения поверхности из - параметрического
множества (1) нужно из уравнений (3) и (4) исключить параметр и определить
уравнение связи в виде
, (5)
так что кривая дает уравнений вида (5),
из которых находится зависимость параметров от одного
и определяется огибающая.
Если в качестве начальных условий задана
поверхность
, (6)
которой должна касаться искомая
поверхность, то для получения уравнения связи между параметрами необходимо
исходить из условия совпадения координат нормалей поверхностей (1) и (6) вдоль
линии касания, т.е. , (7)
где и - координаты вектора
нормали.
Согласно схеме Монжа из уравнений (1), (6)
и (7) исключим координаты , , точки касания.
Получим
. (8)
Нетрудно видеть, что поверхность из
множества (1) можно получить при условии касания к поверхности, что дает
уравнение (8) между параметрами. Как и
прежде, находим зависимость параметра от одного,
например, , подставляем их в (1) и определяем огибающую..
Пусть начальные условия заданы в виде
линейной полосы, например, кривой (2), в каждой точке которой задана нормаль к
искомой поверхности.
, , (9)
где и удовлетворяют
уравнению линейной полосы
. (10)
Линейная полоса принадлежит поверхности,
если ее кривая – носитель принадлежит поверхности, что дает уравнение (3), а
нормалями поверхности, т.е.
, . (11)
Таким образом, каждая оснащенная кривая
дает 3 уравнения связи между параметрами и для получения поверхности из - параметрического
множества (1) нужно иметь линейных полос, что
возможно при нечетных .
Например. При помощи множества
(12)
Получить поверхность, инцидентную полосе
, , . (13)
Решение.
1. Условие инцидентности кривой искомой поверхности
(14)
2. Совпадение координат нормалей
, , (15)
, . (16)
3. Из (14), (15) и (16)
. (17)
4. Уравнение (12) с учетом (15), (16) и
(17) имеет вид
. (18)
5. Однопараметрическое множество (18)
полностью удовлетворяет условиями существования огибающей. Поэтому,
дифференцируя (18) по и, исключая из
полученного уравнения и (18) параметр , имеем окончательное уравнение искомой поверхности
(19)
Заметим, что задание начальных условий в
виде линейной полосы может быть сформулировано несколько иначе: при помощи
множества (1) сконструировать поверхность, касающуюся поверхности по линии
, (20)
В этом случае необходимо кривую (20)
перезадать в параметрической форме (2), а координаты нормалей вдоль кривой
определить при помощи поверхности .
Пусть начальные условия заданы полосой II порядка, т.е. кривой (2), оснащенной нормалями (9) и
вторыми частными производными
, , (21)
удовлетворяющими уравнениям полосы второго
порядка
, . (22)
Для получения поверхности из множества (1)
при помощи полосы II порядка необходимо инцидентности полосы I порядка, что дает
уравнения и , выполнение
дифференциальных условий II. Это значит,
что из уравнения (4) при условии (2), (9) и (21) нужно исключить параметр при помощи одного из
уравнений (4) или (11) получим .
Как видим, задание полосы II порядка
позволяет составить 3 уравнения связи параметров , , так что для получения поверхности из множества (1) нужно задать
полос II порядка, что возможно при значениях
, (23)
Аналогично можно в качестве начальных
условий задать полосу III порядка, но
особой необходимости в этом нет, так как практически второй порядок гладкости
является для большинства задач достаточным.
Заметим, что уравнения (11) являются
интегральными уравнениями (4), а уравнение (1) является интегральной
поверхностью (точнее, их множеством) как к (11), так и к (4), так что
выполнение заданных дифференциальных условий при решении по изложенной методике
гарантируется.