THE BASICS OF THREE-DIMENSIONAL MODELING TECHNIQUES AS EXEMPLIFIED IN THE TECHNICAL AND SOCIAL MODEL


Cite item

Abstract

In present-day science innovative technologies are given more and more attention. Not only machine manufacturing, physics, chemistry, but also architecture and planning building design are involved in that. The most affordable and effective way to display design features , static, dynamic characteristics of the devices is computer simulation. One can get to know all the things in the world with the help of small copies, built in three-dimensional image. A copy is a small pro-original of the real subject of the cognitive process, i.e. this is its model.

Full Text

В современной науке все больше уделяется место инновационным технологиям. Это касается различных областей, среди которых не только машиностроение, физика, химия, но и архитектура и планирование зданий. Наиболее доступным и эффективным способом отображения конструктивных особенностей, статических, динамических характеристик устройств, является компьютерное моделирование. Применение плоских моделей не требует высокоскоростных компьютеров, и с точки зрения стоимости, является наиболее приемлемой основой для разработки трехмерных моделей. Разработка компьютерных моделей в трехмерном пространстве является более дорогостоящим процессом, но и оно в несколько раз дешевле натурного и полунатурного моделирования. Стоимость, наглядность и достоверность моделирования определяет приоритет в создании моделей. По статистическим оценкам, сочетаниям цены и качества, одним из самых перспективных направлений является компьютерное моделирование. В работе рассматривается модель инновационного исполнительного механизма на основе волновой передачи, конструкции и арихитектурно-социальных разработок. Одним из направлений в области машиностроения является применение двигателей и исполнительных механизмов, в основе которых лежит принцип использования волновой передачи. Зубчатая волновая передача была изобретена американским инженером Массером в 60-х годах прошлого века. Ее компактность, высокая точность позиционирования, массогабаритные показатели сразу сделали ее конкурентноспособной на рынке механических устройств, в частности силовых, позиционных и высокоточных редукторов силовых механизмов. В 90-х годах прошлого века была предложена конструкция волнового механизма, использующего не зубчатое звено, а гладкое звено для передачи движения. Широкое использование в инновационных проектах такой конструкции позволяет предположить перспективность дальнейшей модернизации устройств, основанных на принципе волновых передач. Конструктивно исполнительный механизм содержит три основных элемента. Это волнообразователь, являющийся задающим звеном, гибкое звено, осуществляющее кинематическую связь между задающим звеном и выходным валом, и сам выходной вал. Все три основных компонента исполнительного механизма могут иметь различные конструктивные исполнения. Так, например, волнообразователь может быть механическим, выполненным в виде гибкого подшипника, плунжерного волнообразователя, выполненного в виде цилиндра, на торцах которого равномерно по окружности расположены цилиндры с плунжерами, использующего в качестве рабочего тела жидкость под давлением или газ. Гибкое звено также возможно в различных исполнениях. В зависимости от поставленных задач оно может содержать внешние или внутренние зубья. В статье рассматривается моделирование конструкций исполнительного механизма, в котором промежуточное гибкое звено выполнено в виде гладкой гибкой тонкостенной трубы. Возможно использование в качестве промежуточного звена жидкости, находящейся в замкнутом объеме. Реализация выходного вала имеет множество интерпретаций. Выходным валом может быть зубчатое звено с разностью зубьев равной двум, при условии выполнения промежуточного звена в виде гибкого колеса с зубьями. В рассматриваемой конструкции выходной вал выполнен в виде четырех подшипников, оси которых жестко соединены меду собой. При этом одновременное перемещение четырех подшипников вдоль оси позволяет регулировать развиваемый момент и устанавливает предельные режимы нагрузки, так называемый «проскок», без негативных последствий для исполнительного механизма, в случае работы в так называемых критических режимах нагрузки. Для наглядного анализа статических и динамических характеристик устройства предложен метод компьютерного моделирования с применением трехмерной графики. Особое внимание уделено отображению механических воздействий на выходные характеристики исполнительного механизма. Моделирование исполнительного механизма разбито на три уровня. Первый уровень моделирования. На первом, начальном уровне моделирования отображается транспортное средство и конструктивное расположение исполнительного механизма относительно основных узлов. При отображении модели транспортного средства используются основные функции пакета трехмерного моделирования, позволяющие наиболее реалистично, с соблюдением всех пропорций, отобразить реальный объект. Второй уровень. На этом уровне происходит детальное отображение непосредственно самого механизма, Представлена внутренняя кинематическая структура исполнительного механизма. Отображены физические процессы, происходящие внутри исполнительного механизма. Применение графического пакета с использованием трехмерного моделирования, позволяет наиболее точно и доступно для пользователя отобразить основные конструктивные и функциональные способности устройства. Третий уровень. На этом уровне осуществляется графическая интерпретация реакции исполнительного устройства, его составных частей, на динамические воздействия. Для наглядного отображения статических и динамических характеристик исполнительного механизма используется диалоговый режим, позволяющий задавать различные конструктивные параметры механизма. Изменения одного или нескольких параметров, например, диаметра гибкого колеса, расположение роликов выходного вала, позволяет оптимизировать, с точки зрения массогабритных показателей, компоновку и месторасположение исполнительного механизма в общей конструкции транспортного средства. Моделирование внешних воздействий, динамической нагрузки позволяет визуально определить основные возможные недостатки конструкции. При создании прочностных характеристик, которые также могут задаваться на этапе компьютерного моделирования с использованием Реактора, позволяет провести анализ живучести и долговечности исполнительного механизма транспортного средства [1]. Разработанная методика компьютерного моделирования статических и динамических нагрузок с применением диалогового режима позволяет получить элементарные навыки в проектировании и конструировании различного рода механических устройств. При этом если полный комплекс моделирования требует инженерных навыков, то при моделировании отдельных узлов исполнительного механизма, а также исследований в области компоновки транспортного средства под силу начинающим разработчикам. Сама методика основана на принципе от простого к сложному. Как было сказано выше, все моделирование разбито на три уровня. На первом уровне моделирования создается библиотека простейших конструкций транспортных средств различного назначения. Здесь применен метод каркасного моделирования. С точки зрения обучающего процесса, предложены элементарные звенья и реально существующие узлы, при помощи которых пользователь может создавать различного рода конструкции. На втором этапе также используется библиотека промежуточных звеньев, которую создает сам пользователь. Использование различного рода промежуточных звеньев позволяет пользователю определить приемлемые массогабаритные показатели, создать требуемый эстетический вид конструкции. Библиотека, создаваемая пользователем для выходного звена, широка. Все определяется требованиями к разрабатываемой конструкции. Информационная насыщенность современной жизни активно предопределяет развитие социальной сфере, способствует зарождению и развитию культурных процессов в обществе. Для современного общества характерным является оживление социальных объектов общества как метод познания окружающего мира, окружающей действительности. Объекты, существующие в этом мире, можно познать с помощью небольших копий, построенных в трехмерном изображении. Все копии – это маленький оригинал реального объекта познания, то есть модель. Любой метод социального познания человеком окружающего мира основывается на моделировании – исследовании явлений, процессов, объектов в природе и обществе путем построения и изучения их моделей. Модель какого-либо объекта или может быть точной копией этого объекта (хотя и выполненной из другого материала и в другом масштабе), или отображать некоторые характерные свойства объекта в абстрактной форме. Под моделью понимают такой материальный или мысленно представляемый (абстрактный) объект, который в процессе познания (изучения) замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые его характерные черты. С помощью любой модели возможно рассмотрение всех структурных особенностей интересующего объекта. Это очень удобно, если нет возможности поехать и увидеть объект познания. Использование моделирования в социокультурной сфере мы рассмотрели на примере учебных корпусов ПГСГА. При построении модели здания ПГСГА мы следовали следующим этапам математического моделирования (рисунок 1) Рис 1. Основные этапы моделирования Этап 1. Постановка и качественный анализ задачи. На этом этапе формулируется сущность проблемы, принимаются предположения, гипотезы, объясняющие поведение объекта; с помощью методов системного анализа выделяются важнейшие свойства объекта, его структура, изучается взаимосвязь его элементов, цели развития. Этап 2. Построение математической модели. Исследуемая проблема формализуется, т.е. выражается в виде конкретных математических зависимостей. Этап 3. Математический анализ модели. С помощью чисто математических приемов исследования выявляются общие свойства модели и ее решения. Этот этап очень важен с точки зрения верификации модели, что позволяет выбрать потенциально «правильные» модели. Верификация модели – проверка правильности логической структуры модели. Этап 4. Подготовка исходной информации. Этот этап, как правило, наиболее трудоемкий. Во-первых, многие процессы характеризуются закономерностями, которые не обнаруживаются на основании лишь одного или нескольких наблюдений. Во-вторых, многие процессы характеризуются динамичностью, изменчивостью параметров и структурных отношений. Вследствие этого такие процессы приходится постоянно держать под наблюдением, необходимо иметь устойчивый поток новых данных. Поскольку наблюдение за динамичными процессами и обработка эмпирических данных обычно занимает довольно много времени, то при построении математических моделей требуется корректировать исходную информацию с учетом ее запаздывания. В-третьих, используемая при моделировании исходная информация имеет существенно различный характер и происхождение – в зависимости от моделируемых объектов и назначения моделей. Она может быть разделена на две категории. Первая категория: а) о прошлом развитии; б) о современном состоянии объектов, в) о будущем развитии объектов, включающая данные об ожидаемых изменениях их внутренних параметров и внешних условий (прогнозы). Этап 5. Анализ и применение полученных результатов. На этом этапе проверяется адекватность модели, т.е. насколько согласуются полученные знания об объекте-оригинале с практикой. Отметим, что адекватность модели – в какой-то степени условное понятие, так как полного соответствия модели реальному объекту быть не может. Поэтому при моделировании имеется в виду не просто адекватность, а соответствие тем свойствам, которые считаются существенными для исследователя. Моделирование – циклический процесс. Это означает, что за первым 5-этапным циклом может последовать второй, третий и т.д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта и ошибками в построении модели, можно исправить в последующих циклах [2]. После выполнения всех этих этапов получили модель главного корпуса нашего вуза (рисунок 2, 3, 4, 5). Рис. 2. Учебный корпус №1 Рис. 3. Учебный корпус №2 Рис. 4. Учебная аудитория Рис. 5. Учебный корпус №3 Получив модель корпуса, мы можем осмотреть его по кругу. С помощью этой модели мы можем увидеть, как на самом деле выглядит объект. В этой модели объекта мы можем войти внутрь и пройти по коридорам здания, а также войти во все учебные аудитории вуза. Увидеть, как они выглядят и тем самым представить происходящий учебный процесс. Также эти модели помогут абитуриентам адаптироваться в учебных корпусах. Любая модель служит средством, помогающим в объяснении, понимании или совершенствовании объекта. Другими словами, модель – это объект-заменитель объекта-оригинала, обеспечивающий изучение некоторых интересующих исследователя свойств оригинала. На всех трех этапах моделирования пользователь получает навыки конструкторских разработок и совершенствуется как пользователь графического пакета трехмерного моделирования. В перспективе планируется разработать диалогово-тестовый комплекс, позволяющий обучать пользователя прикладным функциям графического пакета трехмерного моделирования, а также осуществлять объективную оценку приобретенных навыков компьютерного моделирования [1].

×

About the authors

Aleksandr Nikolaevich Chesnokov

Samara State Academy of Social Sciences and Humanities

Author for correspondence.
Email: tchess702@mail.ru

candidate of technical sciences, associate professor of the department of «Computer science, applied mathematics and their teaching methods»

443099, Russia, Samara, M. Gorky st., 65/67

Marina Mansurovna Yakupova

Samara State Academy of Social Sciences and Humanities

Email: tchess702@mail.ru

third year student

443099, Russia, Samara, M. Gorky st., 65/67

References

  1. Чесноков А.Н. Компьютерное моделирование и инженерная графика в системах автоматизированного проектирования. Самара: ПГСГА, 2010. 102 с.
  2. Якупова М. М Трехмерное моделирование на примере главного корпуса ПГСГА // Материалы международной заочной научно-практической конференции «Информационные технологии в социальной сфере». Самара: ООО «Пронто-принт», 2013. С. 214-219.
  3. Добудько.Т.В. Формирование профессиональной компетентности учителя информатики в условиях информатизации образования. Самара: Изд-во СамГПУ,1999. 340 с.

Copyright (c) 2013 Chesnokov A.N., Yakupova M.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies