Решение задач с использованием программы трёхмерного моделирования

В компьютерной графике 3D-моделирование (или трехмерное моделирование) - это процесс разработки математического представления любой трехмерной поверхности объекта (неживого или живого) с помощью специализированного программного обеспечения. Продукт называется 3D-модель. Модели могут создаваться автоматически или вручную. Разработка математического представления трехмерной поверхности объекта в современной науке активно используется среди инженеров-проектировщиков.

3D моделирование и модели используются в самых разных областях и отраслях промышленности. Например, врачи просматривают 3D-изображения органов для поддержки их диагностики, архитекторы используют их для компоновки и проектирования зданий, киноиндустрия использует их для создания анимации, а инженерное сообщество использует 3D-модели для проектирования продуктов, конструкций и выполнения анализа безопасности и отказоустойчивости.

Решение задач по производству инновационного оборудования, организация производства, освоение современных высокотехнологичных достижений и эксплуатация современных объектов требует не только высокого уровня знаний инженера, но и определённого профессионализма современного программного обеспечения. Уровень знания графической профессиональной подготовки специалиста оценивается умением переносить и отражать техническую идею в графических изображениях (чертежах). Так как графическая деятельность является частью проектной работы инженеров на всех ее этапах.

Среди многих инженерных приложений для 3D-моделирования, приложения безопасности находятся в верхней части списка. Инженеры должны соответствовать различным проектным спецификациям, требованиям и допускам, включая требования к качеству и безопасности. Чтобы удовлетворить эти требования, инженеры используют 3D-моделирование для уточнения своих конструкций. Трехмерное моделирование является максимально наглядным, точным и полным источником информации об объекте. Использование трехмерного смоделированного объекта, а также его проектная документация, может быть сформирована и оформлена на электронном или бумажном носителе, что упрощает работу с объектом в целом (рис. 1).

Современная наука и стремительное развитие технологий, в том числе информационных, заставляет инженера-конструктора выполнять всё новые требования. Информационные технологии кардинально изменили принципы проектирования в последнее десятилетие. Процесс создания изделий стал более интенсивным, что повысило их надежность, прочность и точность. Дизайн-деятельность стала более привлекательной и понятной для молодежи. Автоматизированное проектирование выделилось как отдельная самостоятельная отрасль, благодаря чему сфера проектирования стала более эффективной. 

Рисунок 1. Пример построения чертежа

Введение в учебный процесс курса инженерной графики с выполнением преимущественно чертежей с использованием элементов дизайна имеют ряд преимуществ перед традиционными проектировками. Данный курс даёт лучшее визуальное представление проектируемых изделий, неограниченные возможности и простота редактирования трехмерной модели в процессе проектирования и на любом этапе, а также более высокая точность проектирования особо сложных пространственных объектов. Установлена ассоциативная связь: модель изделия-чертеж-документация на изделие, позволяющая на любом этапе корректировать поставленную задачу. При внесении изменений в 3D-модель она автоматически отображается в других документах, связанных с этой моделью, например, в чертеже и спецификации. Это позволяет сэкономить значительную часть времени проектирования модели. Модель может быть создана автоматически (с помощью 3D-сканера) или вручную 3D-моделистом (с помощью специальных компьютерных программ). Часто 3D-моделирование относится к процессу, когда дизайнер создает 3D – модель с помощью программного обеспечения - в этом случае термин связан с цифровой скульптуры.

Для повышения привлекательности и эффективности экспериментально-исследовательской деятельности студентов в учебном процессе просто необходимо использовать технические средства обучения, основанные на современных информационных технологиях. Следует отметить, что компьютерное моделирование является продуктивным инструментом организации, создающим картину образовательных явлений и переживаний на экране монитора, и способствует совершенствованию учебного процесса [1].

Программное обеспечение для инженерных чертежей, такое как Auto-CAD или Solid Works, позволяет инженерам уделять больше времени созданию и обновлению механических или электрических чертежей. Большинство программ для инженерного рисования поставляется с библиотекой деталей или компонентов, готовых для размещения на экране. Важность программного обеспечения для инженерного рисования - это время, которое оно может сэкономить при создании чертежей для инженеров, ученых, техников и разработчиков. Не менее важна согласованность проектов, которые он может создать. С помощью таких приложений, как Solid Works, составители могут создавать трехмерные чертежи, которые более интерактивны, чем старые программы для проектирования.

Самым ранним программным обеспечением для инженерного рисования является всемирно известное приложение CAD (автоматизированное рисование). САПР изначально была двухмерной программой рисования с очень ограниченными инструментами рисования, состоящей из кругов и простых инструментов рисования линий. Сегодня CAD включает в себя такие расширения, как Wire Frame, которые позволяют создавать трехмерные чертежи.

Одной из областей технологии, которая открывает путь в будущее инженерного рисования, является виртуальная реальность. Виртуальные чертежи позволяют инженерам посещать космические станции будущего, проектировать проблемы с их проектами и улучшать существующий дизайн, даже не выходя из офиса. Виртуальные чертежи могут помочь инженерам в поиске дефектов до того, как продукт поступит на рынок. Фактически, инженеры могут использовать виртуальные чертежи для определения наилучших процедур сборки до того, как первый прототип достигнет конвейера.

3D моделирование - это процесс, который использует компьютерное программное обеспечение для разработки трехмерного представления объекта. Полученный объект является 3D-моделью исходного объекта. Инженеры используют 3D-модели для выполнения широкого спектра испытаний, моделирования и анализа, чтобы ответить на вопросы и решить проблемы. К таким задачам относится задание на выполнение чертежа " зубчатая цилиндрическая передача. "Рассмотрим на примере особенностей создания 3D модели зубчатого колеса. Например, операции экструзии и вращения:

сначала создают основу модели зубчатого колеса, другими словами, выполняют эскиз (рис. 3) - для этого выберите одну из стандартных плоскостей и перейдите в режим выполнения эскиза (опция " эскиз»);

Рисунок 3. Эскиз

·* далее строят зубчатое колесо, т. е. выполняют операции выдавливания или удаления материала. После этого формируется трехмерный твердый объект (рис. 4);

Рисунок 4. Элемент вращения

· далее создаем отверстия в ступице зубчатого колеса, для этого выбираем плоскость, в которой расположена ступица колеса, и входим в режим эскиза для ее создания-создаем эскиз отверстия; Далее выбираем операцию "вырезать выдавливание" - на ступице образовалось отверстие; операцией "массив" устанавливаем необходимое количество отверстий на ступице колеса (рис. 5);

Рисунок 5. Создание отверстий

· создание зубьев зубчатых колес содержит сложные этапы моделирования; операция "вырезание экструзией" выполняется после завершения строительства эскиза (рис. 6);

Рисунок 6. Создание зуба

· затем переходим к заключительному этапу моделирования зубчатого колеса-созданию зубчатого кольца с помощью операции «Массив» (рис. 7).

Рисунок 7. Создание зубчатого колеса операцией «Массив»

Приведенный выше пример показывает, что современный студент должен:

* иметь представление о самом объекте, процессе, системе проектирования; в аппарате обработки;

* уметь анализировать исходную информацию об объекте, процессе, системе, окружающей среде;

* хорошо ориентироваться в математическом моделировании, в методах поиска оптимального решения, в соответствующем программном обеспечении систем автоматизированного проектирования (диалоговые системы, базы знаний и др);

* свободно владеет компьютерными технологиями.

Использование студентами компьютерных средств повышает их интерес к материалу, формирует и углубляет теоретические знания, а также способствует более продуктивному процессу обучения и делает его более технологичным. Компьютерная программа, которая генерирует трехмерные модели, помогает инженерам убедиться, что детали, которые они проектируют, подходят друг к другу.