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.