Применение современных компьютерных технологий

№67-1,

технические науки

В статье рассмотрена возможность использования современных компьютерных технологий для разработки трёхмерных моделей делателей и узлов пожарной техники с целью модернизации пожарно-технического вооружения и создания приспособлений для ремонта пожарной техники.

Похожие материалы

Современные компьютерные технологии предъявляют новые требования к уровню подготовки будущих специалистов самых разных областей. В настоящее время невозможно себе представить квалифицированного специалиста, не владеющего основами работы в какой-либо системе автоматизированного проектирования (САПР).

Система автоматизированного проектирования позволяет:

  • существенно сократить сроки выполнения конструкторской и технической документации;
  • автоматизировать большинство действий при выполнении чертежа;
  • обеспечить наибольшую эффективность восприятия изображаемого объекта.

В настоящее время широкое распространение приобрело использование трехмерной компьютерной графики. Современное программное обеспечение дает возможность создавать трехмерные модели различных геометрических образов. Графические программы трехмерного моделирования способны оказать неоценимую помощь будущим специалистам при выполнении курсовых и расчетно-графических работ, графической части выпускных квалификационных работ т.п. Использование САПР значительно повысит качество технической и графической документации и уровень самих разработок.

Преимуществе трехмерной графики перед двухмерной очевидны, а именно:

  1. Трехмерные модели позволяют получать наиболее полное представление о конструкции, материале, текстуре, фактуре и цвете объекта.
  2. На трехмерной модели можно выполнить любые виды разрезов (простые или сложные) для выявления внутренней конструкции устройства.
  3. Различные системы автоматизированного проектирования позволяют не только визуализировать трехмерный объект и получать его благоприятное эстетическое восприятие, но и определять их параметры: массу, объем, прочность и другие.

Наиболее известными программами трехмерного моделирования для создания проектов различной сложности являются: АutoCAD, ArchiCAD, 3D Studio Max, КОМПАС 3D, SketchUp, ArtCAM, Rhinoceros и др.

В ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России курсанты и студенты первого года обучения изучают программу автоматизированного проектирования АutoCAD-2010 в рамках различных дисциплин: «Инженерная графика», «Детали машин» и др.

Autodesk AutoCAD — это двух- и трехмерная система автоматизированного проектирования и черчения, она является наиболее популярным программным пакетом в мире для создания чертежей и работы с ними на компьютере.

Достоинства программы:

  • высокая точность выполнения чертежей и 3D-моделей (10‾8 мм);
  • работа с использованием «слоев» позволяет выполнять сложные чертежи, где одни объекты накладываются сверху на другие (например, чертежи генеральных планов);
  • функция автоматической простановки размеров в файле чертежа;
  • возможность трехмерного моделирования (твердотельного, поверхностного и полигонного);
  • возможность трехмерной печати моделей на 3D-принтере;
  • возможность работы с объектами, полученными при 3D-сканировании;
  • возможность построения изометрического вида трехмерных объектов, возможность создания и присвоения материалов к ним, имитация системы дневного и искусственного освещения и д.р.

Практическая деятельность выпускников технических вузов связана с использованием достаточно сложных технических устройств и разнообразного технологического оборудования. Поэтому при изучении ряда дисциплин, таких как «Инженерная графика», «Детали машин» и других специальных дисциплин обучающиеся знакомятся с устройством различных деталей, узлов и механизмов, их работой, возможностью ремонта и обслуживания. Однако непосредственное знакомство со многими узлами не всегда возможно. Даже при наличии узла не всегда есть возможность рассмотреть его устройство и взаимодействие его частей между собой, а также форму той или иной детали, входящей в его состав.

Трехмерное моделирование позволяет решить эту проблему [1, 2]. Например, для изучения устройства предохранительного клапана пожарной техники курсантами в рамках научного общества обучающихся в системе трехмерного моделирования была создана его пространственная модель (рис. 1). Созданную 3D модель можно рассмотреть с любой стороны, поворачивая и вращая ее. Для того чтобы оценить строение клапана изнутри, проверить взаимодействие отдельных его частей между собой, в трехмерной модели есть возможность выполнить разрез [3].

Трехмерная модель предохранительного клапана: 1 — корпус, 2 — седло, 3 — гайка, 4 — винт, 5 — опора, 6 — клапан, 7 — пружина, 8 — гайка
Рисунок 1. Трехмерная модель предохранительного клапана: 1 — корпус, 2 — седло, 3 — гайка, 4 — винт, 5 — опора, 6 — клапан, 7 — пружина, 8 — гайка

При проектировании привода пожарной техники в рамках изучения дисциплины «Детали машин» обучающимися была создана трехмерная модель редуктора (рис. 2) [4], которая позволяет увидеть строение редуктора изнутри, проверить работу зубчатой передачи, а также осуществить сборку и разборку агрегата [5].

Пространственная модель цилиндрического двухступенчатого соосного редуктора
Рисунок 2. Пространственная модель цилиндрического двухступенчатого соосного редуктора

Кадеты научного общества обучающихся при изучении основ робототехники знакомятся с программами трёхмерного моделирования для создания виртуальной модели будущего робототехнического устройства (рис. 3) [6, 7]. Разработанные модели позволяют получить полное представление о конструкции и выявить недостатки на этапе проектирования.

Трехмерная модель робототехнического устройства
Рисунок 3. Трехмерная модель робототехнического устройства

В последние годы при выполнении выпускной квалификационной работы выпускники все чаще предлагают новые конструктивные и технические решения по модернизации пожарно-технического вооружения, приспособлений для ремонта пожарной техники и др. [8]. На рисунке 4 представлены трехмерные модели различных устройств, выполненные выпускниками академии.

3D-модели устройств
Рисунок 4. 3D-модели устройств

Как видно из рисунка, трехмерные модели в отличие от двухмерных чертежей более наглядны и позволяют получить наиболее полное представление о конструкции устройства, материале изготовления, его габаритных размерах.

Кроме наглядного представления устройств вычислительные возможности современной компьютерной техники позволяют решать более обширный комплекс задач. Современные программные системы располагают широкими возможностями не только создания трехмерных моделей самых сложных конструкций, но и возможностью выполнения их инженерного анализа. Разработанные трехмерные модели можно поместить в систему инженерных расчетов, например, расчета напряжений и деформаций, тепловых расчетов и т.п.

Для проведения инженерных расчетов и их визуализации в настоящее время широко используется графическая система КОМПАС-3D [9]. Компанией АСКОН и НТЦ АПМ была разработана система прочностного конечно-элементного анализа APM FEM. Инструменты APM FEM являются составной частью КОМПАС-3D и вместе образуют единую систему прочностного анализа, использующую ассоциативную геометрическую модель и единую библиотеку материалов.

В состав APM FEM входят инструменты подготовки конструкции к расчёту, задания граничных условий и нагрузок, а также встроенные генераторы конечно-элементной сетки и постпроцессор. Этот функциональный набор позволяет комплексно проанализировать поведение расчётной модели при различных воздействиях с точки зрения статики, собственных частот, устойчивости и теплового нагружения.

Для создания конечно-элементного представления объекта в APM FEM предусмотрена функция генерации КЭ-сетки, при вызове которой происходит соответствующее разбиение объекта с заданным шагом. Если созданная расчетная модель имеет сложные неравномерные геометрические переходы, то может быть проведено так называемое адаптивное разбиение. Для того чтобы результат процесса был более качественным, генератор КЭ-сетки автоматически (с учетом заданного пользователем максимального коэффициента сгущения) варьирует величину шага разбиения.

Прочностной анализ модуля APM FEM позволяет решать следующие задачи:

  • напряженно-деформированного состояния (статический расчет);
  • статической прочности;
  • устойчивости;
  • термоупругости;
  • стационарной теплопроводности;
  • определять частоты и формы собственных колебаний.

Курсантами Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России при выполнении выпускных квалификационных работ были проведены расчеты разработанных устройств в системе прочностного анализа APM FEM (рис. 5-7). На рисунке 5 представлен результат прочностного расчета рамы подъемника для монтажа аккумуляторных батарей большой массы при ремонте пожарной техники, выполненный методом конечных элементов в программе КОМПАС-3D. На рисунках 6 и 7 представлены результаты прочностного расчета силовой части каркаса подкатного лежака с регулируемой высотой подъема, используемой для проведения мелкого ремонта и технического обслуживания нижней части автомобильной техники. Полученные результаты дают возможность оценить не только геометрию, но и прочность различных конструкций, и уже на начальных стадиях проектирования принимать правильные и обоснованные конструктивные решения.

Показатель коэффициента запаса прочности устройства
Рисунок 5. Показатель коэффициента запаса прочности устройства
Использование системы конечноэлементного моделирования для расчетов на прочность
Рисунок 6. Использование системы конечноэлементного моделирования для расчетов на прочность
Распределение напряжений в конструкции
Рисунок 7. Распределение напряжений в конструкции

Все выше сказанное позволяет сделать вывод, о том, что современные программы трехмерной графики позволяют выполнять трехмерные виртуальные модели различных проектов технических устройств, приспособлений, механизмов и сооружений, которые позволят получить наиболее полное представление об их конструкции, внутреннем устройстве, материале отдельных частей, текстуре и т.д. [10]. Применение программы КОМПАС-3D для создания трехмерных моделей и выполнения прочностных расчетов деталей и узлов пожарной техники с целью модернизации пожарно-технического вооружения и создания приспособлений для ремонта пожарной техники позволяет выявить недостатки разрабатываемых конструкций на этапе проектирования, и уже на начальных стадиях принимать правильные и обоснованные конструктивные решения.

Список литературы

  1. Иванов В.Е. Внедрение 3D технологий в учебный процесс / В.Е. Иванов, И.А. Легкова, А.А. Покровский, В.П. Зарубин, Н.А. Кропотова // Современное научное знание: теория, методология, практика. Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции в 3-х частях. ООО «НОВАЛЕНСО». Смоленск. 2016. С. 37-39.
  2. Легкова И.А. Визуализация учебного материала средствами системы КОМПАС-3D / Легкова И.А., Никитина С.А., Зарубин В.П., Иванов В.Е. // Современные проблемы высшего образования: материалы VII Международной научно-методической конференции. Курск, 2015. С.34-38.
  3. Легкова И.А. Использование трехмерной графики при изучении устройства узлов механизмов // И.А. Легкова, В.П. Зарубин, В.Е. Иванов / Аграрная наука в условиях модернизации и инновационного развития АПК России. Сборник материалов Всероссийской научно-методической конференции с международным участием, посвященной 85-летию Ивановской государственной сельскохозяйственной академии имени Д.К. Беляева. Иваново. 2015. С. 140-143.
  4. Иванов В.Е. Трехмерное моделирование как одно из направлений информатизации учебного процесса // В.Е. Иванов, С.А. Никитина, В.П. Зарубин / Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. Воронеж. 2014. Т. 2. № 1 (5). С. 36-38.
  5. Покровский А.А. Опыт применения компьютерных технологий при выполнении курсового проектирования по дисциплине «Детали машин» // А.А. Покровский, В.П. Зарубин, В.Е. Иванов, С.А. Никитина / Современные тенденции в науке, технике, образовании. Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции: в 3-х частях. Смоленск. 2016. С. 87-89.
  6. Иванов В.Е. Инженерно-проектировочные решения для разработки типового класса подготовки пожарных-спасателей // В.Е. Иванов, В.В. Киселев, П.В. Пучков, И.А. Роммель / Фундаментальные и прикладные вопросы науки и образования: Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции: в 2-х частях. Смоленск. 2016. С. 27-29.
  7. Никитина С.А. Применение инновационных технологий для развития познавательной способности обучающихся // С.А. Никитина, А.А. Покровский, В.Е. Иванов / Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Воронеж. 2015. Т. 1. № 1 (6). С. 161-164.
  8. Киселев В.В. Применение интерактивных форм обучения для развития профессионально-деловых качеств курсантов // В.В. Киселев, В.Е. Иванов, И.А. Легкова / Новейшие достижения в науке и образовании: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции. Смоленск. 2016. С. 133-135.
  9. Легкова И.А. Возможности современной компьютерной техники для проведения инженерных расчетов / И.А. Легкова, В.П. Зарубин, С.А. Никитина, С.А. Сычев. / Пожарная и аварийная безопасность: материалы ХI Международной научно-практической конференции, Иваново: ИПСА ГПС МЧС России, 2016. С. 265-267.
  10. Иванов В.Е. Использование современных интерактивных технологий при ремонте пожарной техники // NovaInfo.Ru. 2016. Т. 3. № 53. С. 19-23.