Využití digitálního prototypu při rekonstrukci středověkého trebuchetu

Tags: CAE | Historické rekonstrukce | Petr Fořt | SPŠ | Trebuchet | Výuka | Žďár na Sázavou

Spo­je­ní mo­der­ních metod 3D na­vr­ho­vá­ní v ob­las­tech, které nejsou od­bor­ně až tak pří­buz­né, patří v sou­čas­né době ke stále za­jí­ma­věj­ším ob­las­tem vy­u­ži­tí in­for­mač­ních tech­no­lo­gií. Tech­no­lo­gie a pří­stu­py tvor­by di­gi­tál­ních pro­to­ty­pů, se ob­je­vu­jí v pro­jek­tech pro­po­ju­jí­cích mezi sebou zdán­li­vě ne­sou­ro­dé ob­las­ti. Právě v jed­not­li­vých fá­zích ře­še­ní se uplat­ňuje vý­po­čet­ní tech­ni­ka stále čas­tě­ji díky mož­nos­ti vy­tvo­řit di­gi­tál­ní model, ekvi­va­lent sku­teč­né­ho vý­rob­ku.

Digitální prototyp poskytuje výborný přehled při realizaci libovolného projektu

Po­dí­vej­me se na­pří­klad na me­di­cí­nu, ana­lý­zy spo­je­né se ži­vot­ním pro­stře­dím, bi­o­lo­gii apod. Do této ka­te­go­rie pro­jek­tů patří jedna z velmi za­jí­ma­vých his­to­ric­kých re­kon­struk­cí, která se snaží o spo­je­ní mo­der­ních 3D ná­stro­jů pro tech­nic­ké na­vr­ho­vá­ní, vý­po­čty, ana­lý­zy a vi­zu­a­li­za­ci s in­for­ma­ce­mi do­stup­ný­mi v his­to­ric­kých pra­me­nech. Pů­vod­ní nápad pro­po­jit zdán­li­vě ne­sou­ro­dé obory re­a­li­zo­val Tomáš Musil ze SPŠ ve Žďáru nad Sá­za­vou. Ve své stu­dii se po­ku­sil pro­vá­zat pod­kla­dy his­to­ric­kých pra­me­nů se zcela no­vý­mi po­stu­py kon­struk­ce a ana­lý­zy ne­ob­vyk­lé­ho tech­nic­ké­ho pro­blé­mu, stře­do­vě­ké­ho tre­bu­che­tu. Jedná o plně me­cha­nic­ký pro­blém, který v sobě spo­ju­je ně­ko­lik kon­strukč­ních pro­blé­mů s fy­zi­kál­ní si­mu­la­cí. Cílem pro­jek­tu bylo vy­tvo­řit nejen od­po­ví­da­jí­cí 3D model s mož­nos­tí ana­ly­zo­vat pro­blém jako celek, ale také pro­vést vi­zu­a­li­za­ci vhod­nou pro pre­zen­ta­ci pro­blé­mu před od­bor­nou a laic­kou ve­řej­nos­tí. Prů­běž­ně byla re­a­li­zo­vá­na také vý­ro­ba zmen­še­né­ho funkč­ní­ho mo­de­lu pro účely do­bo­vých pre­zen­ta­cí a his­to­ric­kých vý­stav.

Konstrukční řešení trebuchetu s využitím vizualizačních nástrojů

Tre­bu­chet byl pů­vod­ně ve své době vy­u­ží­ván jako ob­lé­ha­cí zbraň proti ka­men­ným hra­dům a obran­ným valům. Podle do­bo­vých pra­me­nů za­sa­hu­je his­to­rie tre­bu­che­tu až do 13. sto­le­tí. Pra­co­val na prin­ci­pu va­hadla na roz­díl od ji­ných typů do­bo­vých, pře­váž­ně dře­vě­ných zbra­ní. V zá­vis­los­ti na ve­li­kos­ti do­ká­zal tre­bu­chet pře­ho­dit až ně­ko­lik sto­vek ki­lo­gra­mů růz­no­ro­dé zá­tě­že. Díky své čistě me­cha­nic­ké kon­struk­ci a funkč­nos­ti je ide­ál­ním před­mě­tem dal­ší­ho tech­nic­ké­ho zkou­má­ní a bá­dá­ní nejen pro stu­den­ty his­to­rie. Kon­strukč­ně se jed­na­lo o tech­nic­ké za­ří­ze­ní dře­vě­né kon­struk­ce do­sa­hu­jí­cí výšek bez­má­la de­sít­ky metrů, které jsou re­kon­stru­o­vá­ny často jako sou­část ex­po­zic stře­do­vě­kých hradů po celém světě.
Z mo­rav­ských nad­še­nec­kých snah se mů­že­me po­dí­vat na­pří­klad do srpna roku 1990, kdy byl na hradě Hel­fštýn ne­da­le­ko Týna nad Beč­vou re­kon­stru­o­ván funk­ční tre­bu­chet sku­pi­nou his­to­ric­ké­ho šer­mu Mar­kus M. K těmto mís­tům mám jis­tou sla­bost, pro­to­že na jsem le­tiš­ti v Dra­ho­tu­ších ne­da­le­ko hradu Hel­fštýn strá­vil dět­ství a tre­bu­chet byl zde do­kon­ce i tes­to­ván.

Základní mechanika trebuchetu

Zá­kla­dem pro vy­pra­co­vá­ní kon­strukč­ní­ho ře­še­ní bylo ně­ko­lik do­bo­vých skic a ná­čr­tů, které po­u­ka­zu­jí na dů­my­sl­né ře­še­ní dře­vě­né kon­struk­ce tre­bu­che­tu. Po pří­pra­vě ně­ko­li­ka zá­klad­ních vstup­ních skic byla vlast­ní di­gi­tál­ní re­kon­struk­ce re­a­li­zo­vá­na v Au­to­de­sk In­ven­to­ru. Zde je be­ze­spo­ru jed­nou z výhod vstříc­ná li­cenč­ní po­li­ti­ka Au­to­de­s­ku a do­stup­nost prak­tic­ky všeho po­třeb­né­ho soft­waru vy­ba­ve­ní stu­den­tům pro je­jich dlou­ho­do­bé vy­u­ži­tí. Stu­dent­ské pro­jek­ty mohou být díky tomu ře­še­ny sa­mo­stat­ně­ji jako roz­sáh­lej­ší dlou­ho­do­bé úkoly. Stu­den­ti si mají navíc mož­nost vy­brat svou cestu ře­še­ní a vy­u­žít vhod­ný ná­stroj ze ši­ro­ké­ho spek­tra pro­duk­tů Au­to­de­s­ku.
Tomáš vy­u­žil pře­váž­ně pro­duk­tů pro di­gi­tál­ní pro­jek­to­vá­ní od Au­to­de­s­ku. Pro­jekt byl díky zvo­le­né­mu spek­tru soft­waru řešen jako di­gi­tál­ní pro­to­typ nejen s cílem zpra­co­vat vi­zu­ál­ně věr­nou stu­dii. His­to­ric­ká re­kon­struk­ce se sou­stře­di­la na pro­blémy po­od­ha­lu­jí­cí kon­struk­ci a me­cha­nic­kou funkč­nost za­ří­ze­ní. V první fázi byl vy­tvo­řen 3D model po­mo­cí po­stu­pů adap­tiv­ní­ho a funkč­ní­ho na­vr­ho­vá­ní. Tato pro­cedu­ra je velmi pří­jem­ná svou ote­vře­nos­tí v mož­nos­ti práce s hyb­rid­ní ge­o­me­t­rií skic a čás­teč­ně pa­ra­me­t­ric­ké­ho ná­vr­hu mo­de­lu. Model byl ná­sled­ně ma­te­ma­tic­ky pa­ra­me­t­ri­zo­ván až do po­do­by fi­nál­ní­ho 3D ře­še­ní. Kon­struk­ce tre­bu­che­tu byla prů­běž­ně kon­zul­to­vá­na jak z hle­dis­ka kon­strukč­ní­ho, tak z hle­dis­ka do­bo­vých pra­me­nů. Bylo nutné zo­hled­nit také řadu vý­rob­ních ome­ze­ní da­ných re­a­li­za­cí a vý­ro­bou dře­vě­né kon­struk­ce, která pro­bí­ha­la opra­vu v pol­ních pod­mín­kách.
Velmi dob­rým vo­dít­kem při ře­še­ní di­gi­tál­ní­ho mo­de­lu byla také pa­ra­lel­ní vý­ro­ba zmen­še­né­ho funkč­ní­ho pro­to­ty­pu. Bylo možné otes­to­vat kon­strukč­ní ře­še­ní nejen na pra­cov­ní ploše po­čí­ta­če, ale také přímo na za hradě a vý­sled­ky his­to­ric­ké re­kon­struk­ce srov­ná­vat v ur­či­té mi­ni­ma­lis­tic­ké po­do­bě. Veš­ke­rá kon­struk­ce di­gi­tál­ní­ho pro­to­ty­pu za­bra­la ně­ko­lik týdnů zkou­má­ní nej­vhod­něj­ších prin­ci­pů. Tomáš vy­tvo­řil ně­ko­lik al­ter­na­tiv tak, aby co nej­lé­pe vy­ho­vo­va­ly do­bo­vým pra­me­nům, jak z hle­dis­ka kon­cep­ce, tak z hle­dis­ka kon­struk­ce.

Příprava modelu na kinematickou simulaci pomocí CAE nástrojů

Po­stu­py funkč­ní­ho na­vr­ho­vá­ní se uká­za­ly v prů­bě­hu ře­še­ní pro­jek­tu jako velmi in­tu­i­tiv­ní i díky so­fis­ti­ko­va­né ob­slu­ze soft­waru. Jed­not­li­vé funkč­nos­ti soft­wa­ru ne­pře­ká­ží při práci a jsou velmi in­tu­i­tiv­ní z hle­dis­ka na­sta­vo­vá­ní jed­not­li­vých pa­ra­me­t­rů a voleb. Pří­jem­nou vlast­nos­tí je mož­nost oka­mži­té dy­na­mic­ké si­mu­la­ce ře­še­ní a aso­ci­a­tiv­ní trans­for­ma­ce po­hy­bo­vých vazeb mo­de­lu, které jsou prak­tic­ky pře­vza­ty z pů­vod­ní se­sta­vy. Po­stup­ně byly tes­to­vá­ny ně­kte­ré z kon­strukč­ních celků také po­mo­cí FEM ná­stro­jů. Zde je vzhle­dem k dře­vě­né kon­struk­ci ovšem brát vý­sled­ky za ori­en­tač­ní, pro­to­že ma­te­ri­á­ly v této ob­las­ti nejsou cha­rak­te­ris­tic­ké pří­liš vý­raz­nou ho­mo­ge­ni­tou me­cha­nic­kých vlast­nos­tí, jak tomu je u ji­ných běžně stro­jí­ren­sky vy­u­ží­va­ných ma­te­ri­á­lů.
Ki­ne­ma­ti­ka mo­de­lu tre­bu­che­tu a její ře­še­ní vy­chá­zí z pod­kla­do­vé se­sta­vy, která je ře­še­na jako sku­pi­na 3D sou­čás­tí pro­vá­za­ných vzá­jem­ně vazba­mi, které ome­zu­jí stup­ně vol­nos­ti po­hy­bů. V našem pří­pa­dě byla si­mu­lo­vá­na tra­jek­to­rie po­hy­bu a ana­ly­zo­vá­ny za­tí­že­ní kri­tic­kých částí tre­bu­che­tu.
Ob­ra­zo­vé pod­kla­dy byly zpra­co­vá­ny do po­do­by in­ter­ak­tiv­ní­ho vi­zu­ál­ní­ho pro­stře­dí po­mo­cí tech­nic­ké vi­zu­a­li­za­ce. Ne­chtě­li jsme jít zá­měr­ně ces­tou tra­dič­ních fo­to­mon­tá­ží, ale Tomáš se po­ku­sil o lehce im­pro­vi­zo­va­nou stu­dii s vy­u­ži­tím sku­teč­né­ho in­ter­ak­tiv­ní­ho 3D pro­stře­dí.

Fotografie z výroby trebuchetu

Re­a­li­zo­va­ný pro­jekt po­u­ka­zu­je na ně­ko­lik spe­ci­fic­kých pro­blé­mů, které uka­zu­jí, že jistá kon­zer­va­tiv­nost v ře­še­ní stu­dent­ských pro­jek­tů je vhod­ná pouze na úrov­ni pre­ciz­nos­ti re­a­li­za­ce a in­te­gra­ce te­o­re­tic­kých po­znat­ků. Obec­ně se ovšem není nutné sou­stře­dit pouze na přís­ně stro­jí­ren­ská té­ma­ta s dogma­tic­kou kon­struk­cí ozu­be­ných kol a hří­de­lů. Dneš­ní mladá ge­ne­ra­ce má v rukou vy­so­ce so­fis­ti­ko­va­né ná­stro­je se špič­ko­vou li­cenč­ní po­li­ti­kou, proč ji tedy ne­vy­u­žít ší­ře­ji a me­zi­o­bo­ro­vě. Na více za­jí­ma­vých pro­jek­tů mů­že­te na­hléd­nout na ad­re­se www.spszr.cz .

Fotografie z výroby trebuchetu