ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  САПР  ДЛЯ  ВИЗУАЛИЗАЦИИ  РЕШЕНИЯ  РЯДА  ИНЖЕНЕРНЫХ  ЗАДАЧ

Елена  Витальевна  Бессарабова

канд.  техн.  наук,  доцент  ФГАОУ  ВО

Севастопольский  государственный  университет,

РФ,  г.  Севастополь

Е-mail:  elsev1980@mail.ru

Валентин  Васильевич  Смагин

канд.  техн.  наук,  доцент  ФГАОУ  ВО

Севастопольский  государственный  университет,

РФ,  г.  Севастополь

Е-mail:  smg_valentin@yandex.ru

USAGE  OF  CAD  SYSTEM  FOR  SOLUTION  VISUALIZATION  OF  SOME  ENGINEERING  CHALLENGES

Elena  Bessarabova

candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor  of  FSAEI  HE

Sevastopol  State  University, 
Russia,  Sevastopol

Valentin  Smagin

candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor  of  FSAEI  HE

Sevastopol  State  University, 
Russia,  Sevastopol

АННОТАЦИЯ

Цель  исследования  —  анализ  возможностей  визуализации  ряда  инженерных  задач  при  помощи  различных  систем  автоматизированного  проектирования.  В  ходе  исследования  проведена  классификация  методов  визуализации  и  задач,  нуждающихся  в  визуализации.  Зрительное  восприятие  играет  существенную  роль  при  изучении  ряда  технических  дисциплин,  таких  как  начертательная  геометрия,  инженерная  графика,  перспектива,  техническая  механика,  детали  машин.  Использование  различных  САПР  позволяет  решить  данные  задачи.  Часть  САПР  позволяют  решить  задачи  моделирования,  тогда  как  другие  позволяют  проводить  конечно-элементный  анализ. 

ABSTRACT

The  aim  of  research  is  to  analyze  visualization  capabilities  of  some  engineering  problems  using  different  computer-aided  design  systems.  As  a  part  of  the  study,  the  classification  of  visualization  methods  and  tasks  requiring  visualization  is  presented.  Visual  perception  plays  a  significant  role  in  the  study  of  a  number  of  technical  disciplines  such  as  descriptive  geometry,  engineering  drawing,  perspective,  technical  mechanics,  and  machine  parts.  The  use  of  different  CAD  systems  can  solve  these  tasks.  Some  CAD  simulations  can  solve  the  problem  while  others  allow  carrying  out  finite  element  analysis.

Ключевые  слова:  анимация;  моделирование;  трехмерная  модель;  твердотельное  моделирование;  визуализация;  геометрия;  технологический  процесс.

Keywords:  animation;  modeling;  3-D  model;  solid  modeling;  visualization;  geometry;  technological  process. 

Изучение  ряда  инженерных  дисциплин:  начертательная  геометрия,  инженерная  графика,  детали  машин,  теоретическая  механика,  сопротивление  материалов,  взаимозаменяемость  и  стандартизация  связано  с  проблемой  визуализации  излагаемого  материала.  Проблема  заключается  не  только  в  визуализации  и  пространственном  представлении  изображения  наиболее  удобного  для  восприятия  пользователями  [2],  но  так  же  и  в  анимации  самого  процесса  построения  изображения  или  в  визуализации  нагрузок,  испытываемых  конструкцией. 

Классификацию  всех  видов  визуализации  можно  условно  представить  следующим  образом:  простая  визуализация;  сложная  визуализация;  визуализация  технологических  и  конструкторских  нагрузок;  анимация  создания  трехмерных  деталей,  сборочных  узлов;  анимация  решения  геометрических  задач;  анимация  технологического  процесса. 

Простая  визуализация  —  трехмерное  представление  объекта  (рисунок  1),  реализуемая  при  помощи  различных  САПР:  AutoCAD,  T-FLEX,  Solidworks,  ProEngeneering,  Inventor,  КОМПАС  и  др.  Сложная  визуализация  —  логическое  продолжение  простого  трехмерного  твердотельного  моделирования,  включающее  в  себя  несколько  моделей  деталей,  объединенных,  как  правило,  в  сборочный  узел.  На  рисунке  2  показаны  детали,  входящие  в  сборочный  узел  и  расположенные  так  как  они  будут  установлены  при  сборке.  На  рисунке  3  все  представленные  на  рисунке  2  детали  собраны  в  узел.  Сложность  выполнения  таких  графических  моделей  заключается  в  точном  позиционировании  одной  детали  относительно  другой,  а  так  же  в  работе  с  системой  координат  в  трехмерном  пространстве.  Осуществляются  данные  сложные  визуализации  объектов  теми  же  САПР  [3],  что  и  в  случае  простой  визуализации. 

Простая  и  сложная  визуализации,  используемые  в  инженерных  дисциплинах,  позволяют  упростить  выполнение  сборочных  чертежей,  пояснить  конструкцию  узла,  детали,  различных  сборок,  наглядно  представить  узлы,  детали  и  др.

Рисунок  1.  Трехмерная  деталь

Рисунок  2.  Детали  сборочного  узла

Рисунок  3.  Сборочный  чертеж

Анимация  процесса  создания  трехмерных  деталей  и  сборочного  узла  необходима  для  представления  работы  и  визуализации  сборки  определенных  узлов. 

Следующим  по  сложности  этапом  визуализации  является  анимация,  используемая  в:  инженерной  графике,  начертательной  геометрии,  ряде  дисциплин,  связанных  с  визуализацией  и  находящихся  на  стыке  искусствоведения  и  инжиниринга,  таких  как  геометрическое  моделирование,  визуализация  и  рендеринг,  графическая  обработка  изображений.  Для  одних  дисциплин  анимация  служит  наглядностью,  а  для  других  —  это  неотъемлемая  часть,  без  которой  невозможно  реализовать  итоговый  результат.

Анимация  решения  ряда  геометрических  задач  по  соответствующим  дисциплинам  желательна  для  упрощения  процесса  восприятия  материала.  Для  этого  возможно  использовать  многочисленные  САПР  и  программы  для  анимации  позволяющие  создавать  видео  ролики.  Так,  на  рисунках  4  и  5  представлены  исходные  данные  и  графическое  решение  задачи  о  нахождении  кратчайшего  расстояния  между  двумя  точками.  Анимация  дает  наглядное  представление  о  правильности  выбранного  решения.

Рисунок  4.  Исходные  данные  задачи

Рисунок  5.  Графическое  решение

Следует  разделять  анимацию  на  визуализацию  процесса  решения  задачи  и  визуализацию  результата  задачи.  Так  на  рисунке  6  представлена  анимация  существующей  линии  пересечения,  которая  образуется  при  пересечении  двух  многогранников.  Данная  анимация  выполнена  для  облегчения  процесса  восприятия  уже  существующего  решения  задачи. 

На  рисунке  6  представлен  слайд,  используемый  при  чтении  лекции  «Моделирование  линий  пересечения  поверхностей»  по  дисциплине  Начертательная  геометрия  на  кафедре  НГ,  И  и  КГ  «Севастопольского  государственного  университета».  На  данном  слайде  есть  возможность  не  только  увидеть  трехмерные  модели  пересекающихся  тел,  но  и  показать  анимацию,  в  ходе  которой  данные  тела  поворачиваются  относительно  своей  оси,  что  позволяет  рассмотреть  линию  пересечению  со  всех  сторон.  Расширение  видеоролика  -  .avi  —  позволяет  использовать  их  как  при  вставке  в  Power  point,  так  и  для  самостоятельного  воспроизведения  в  любом  проигрывателе,  поддерживающем  данный  формат.  С  целью  улучшения  наглядности  иногда  целесообразно  накладывать  материал  и  текстуры  на  заданные  поверхности,  что  в  свою  очередь  позволяет  улучшить  визуальное  восприятие  излагаемого  материала  (рисунок  7). 

Рисунок  6.  Визуализация  линии  пересечения  тел,  с  использованием  видеоролика  на  слайде  лекции

Рисунок  7.  Использование  наложения  текстур  и  материалов

Более  сложными  с  точки  зрения  визуализации  являются  задачи  анимации  технологического  процесса,  а  так  же  визуализации  технологических  и  конструкторских  нагрузок  детали  или  узла  [1]. 

Использование  T-FLEX,  Solidworks  позволяет  выполнять  подготовку  конечно-элементной  модели  для  анализа  и  управления  задачами;  назначать  материалы,  задавать  ограничения  [4;  5];  задавать  механические  и  тепловые  нагрузки;  создавать  сводные  таблицы  нагрузок  с  дальнейшей  возможностью  редактирования;  выполнять  статический  и  усталостный  анализ;  а  так  же  анализ  различных  видов  колебаний.  На  рисунке  8  представлен  пример  схемы  деформации  и  сводный  график  перемещения  определенных  частей  детали  при  статической  нагрузке.  Так,  например,  использование  T-Flex  Анализ  (интегрированной  с  T-Flex  CAD  среды  конечно-элементных  расчетов  и  динамического  анализа)  позволяет  осуществлять  математическое  моделирование  распространенных  физических  явлений,  связанных  с  решением  важных  практических  задач,  возникающих  на  этапе  проектирования. 

Рисунок  8.  Конечно-элементный  анализ  детали

Выводы.  Использование  САПР  для  решения  различных  задач,  таких  как  визуализация  представляемой  задачи  и  хода  ее  решения,  визуализация  технологического  процесса  и  различного  рода  нагрузок,  деформаций  и  др.  позволяет  визуально  облегчить  процесс  понимания  того  или  иного  действия,  повысить  усвояемость  изучаемого  материала,  и  упростить  решение  задач.

Список  литературы:

1. Вайнштейн  Л.А.  Психология  восприятия  /  Л.А.  Вайнштейн.  —  Мн.:  Тессей,  2007.  —  224  с. 
2. Габидулин  В.М.  Адаптация  AutoCAD  под  стандарты  предприятия  /  В.М.  Габидулин.  —  М.:  ДМК-Пресс,  2014.  —  210  с. 
3. Кудрина  М.А.  Методика  преподавания  компьютерной  графики  при  подготовке  по  специальности  «Автоматизированные  системы  обработки  информации  и  управления»  /  М.А.  Кудрина  //  Труды  международного  симпозиума  надежность  и  качество.  Том  1.  —  М.,  2006.  —  С.  34—36.
4. Притыкин  Ф.Н.  Об  эффективности  использования  компьютерного  3D  моделирования  при  изучении  графических  дисциплин  /  Ф.Н.  Притыкин  //  Омский  научный  вестник.  №  5  (91)  —  Омск,  —  2010.  —  С.  198—201.
5. Притыкин  Ф.Н.  Преподавание  графических  дисциплин  с  учетом  возможностей  современных  компьютерных  технологий  /  Ф.Н.  Притыкин  //  Омский  научный  вестник.  №  4  (111)  —  Омск,  —  2012.  —  С.  1—4.