Трехмерные кластерные модели для описания технологических процессов
Введение
Важной проблемой при изготовлении ответственных деталей в авиационной промышленности (детали двигательных установок) является выбор рациональных режимов их термообработки, которые, с одной стороны, обеспечивали бы требуемую твердость рабочей поверхности, а с другой — не приводили бы к формированию высоких термических и остаточных напряжений.
Задача проведения расчетов по термической обработке сложных изделий может быть разделена на две — геометрическую и расчетную. Первая требует разработки программной среды по созданию собственно трехмерной геометрической модели изделия, описания его физических свойств и возможности задания различных условий внешнего теплового воздействия (граничных условий задачи). Вторая — применение специализированных алгоритмических процедур, предназначенных для расчета температурных полей.
Имеющиеся коммерческие программные средства трехмерного моделирования [1, 2] либо недостаточно функциональны (слишком специализированы), либо имеют перегруженный интерфейс, что затрудняет их использование неподготовленными пользователями.
Кластерный способ создания трехмерных моделей
Разработанная программная среда геометрического моделирования позволяет простыми средствами создавать довольно сложные трехмерные объекты на основе принципов кластерного описания [3]. Классический способ построения трехмерной геометрической модели предполагает задание точек, описывающих конкретную поверхность, при этом под моделью неявно подразумевается ограниченная этой поверхностью область. Однако задание поверхности еще не определяет трехмерную геометрическую модель, и здесь необходимо какимлибо способом установить, какая часть пространственной области относится к изделию. Реализация этого подхода с помощью программных средств (например, Microsoft Direct X) подразумевает задание для каждой точки поверхности направление нормали, которое и определяет внешнюю для модели область. При модификации созданной таким образом модели в существующих программных средствах предусмотрено довольно большое количество специализированных функций, оперирующих с точками поверхностей, что значительно усложняет интерфейс программных продуктов и налагает на пользователя дополнительные требования по знанию их функциональности в каждом конкретном случае.
Рис. 1. Простейшие кластерные модели, созданные в программной среде Cluster 3D
В отличие от классического метода кластерный подход предполагает, что пользователь идентифицирует элементарные области изделия, при этом поверхность модели формируется автоматически (программным способом) путем объединения соответствующих поверхностей кластерных элементов. Таким образом, для создания простейших двумерных объектов — круга, эллипса, квадрата, прямоугольника и др. пользователю необходимо лишь отметить (щелкнуть мышкой) выбранный кластерный элемент, а генерация формы модели будет выполнена заданными алгоритмическими процедурами. Этот принцип построения легко переносится и на трехмерный случай. Причем трехмерный одноэлементный кластерный объект может включать как сферу, эллипсоид, так и различные типы параллелепипедов. Алгоритмы, которые используются для построения поверхности объединенной кластерной группы, анализируют взаимное расположение кластерных элементов (топологию кластерной группы), и в зависимости от топологического типа формируют соответствующую часть поверхности изделия. На рис. 1 показаны простейшие трехмерные модели, которые были получены на сеточной области, состоящей из девяти кластерных элементов.
Кластерное описание позволяет унифицировать структуру геометрической модели, что упрощает модификацию или всего объекта, или его части, — для этого просто изменяются свойства элементарного кластера (тип соединяющей линии, величина базовых элементов и др.). Кроме того, кластерная модель обладает важным свойством независимости своих элементов, что в случае сложной модели способно значительно ускорить процесс отображения всего объекта на экране монитора — рендеринг каждого кластерного элемента может быть осуществлен в отдельном вычислительном потоке.
Разработанное программное обеспечение обладает простым, интуитивно понятным интерфейсом, причем изменение модели выполняется с помощью унифицированных средств корректировки элементарного кластера. На первом этапе происходит формирование сетки из кластерных точек (прямоугольная или осесимметричная), которая затем используется при создании трехмерного объекта.
Рис. 2. Сложная трехмерная кластерная модель c модифицированной сеточной областью
Дополнительным преимуществом кластерной модели является возможность ее модификации простыми средствами, например путем перемещения базовых точек по плоскостям или изменения самих плоскостей, на которых они расположены. На рис. 2 продемонстрирована модель, полученная в результате различных перемещений входящих в нее кластерных элементов. В этом случае существенно изменяется внешний вид модели.
При увеличении количества узлов в базовой сетке появляется возможность создания более сложных объектов технического назначения, причем формирование их сечений производится также на основе принципов кластерного моделирования — двумерное сечение является двумерной кластерной моделью.
На рис. 3 приведены трехмерные модели технического назначения, которые также создаются в программной среде Cluster 3D путем простых кликов клавиш мыши.
Рис. 3. Трехмерные кластерные модели технических изделий
В программной среде Cluster 3D предусмотрена возможность одновременного просмотра как сечений и итоговой модели (причем режим редактирования доступен и для двумерных сечений), так и укрупненного вида всего сформированного изделия (рис. 4).
Опции вида, доступные в основном окне приложения, позволяют отобразить все сечения непосредственно на самой трехмерной модели. Причем в развернутом виде они отображаются в правой части основного окна. Пользователь имеет возможность перемещать все сечения, а также выбрать одно активное, в котором можно провести текущее редактирование модели.
Рис. 4. Трехмерная кластерная модель в виде диска со стержнем (показано положение всех сечений в цилиндрическом сеточном базисе)
Интерфейс разработанного программного комплекса имеет простую структуру, большую часть которой составляют опции вида. Для редактирования модели используется контекстное меню, возникающее при наведении указателя мыши на соответствующий кластерный элемент. В программе предусмотрены возможности по перемещению базовых точек кластерного элемента в трех направлениях, копированию свойств другого элемента, а также его очистке.
Рис. 5. Трехмерная кластерная модель сложного составного изделия
На рис. 5 представлена трехмерная модель более сложного технического изделия, которая была использована для моделирования процесса термической обработки (закалке) после его сварки. В качестве начальных условий задавалась постоянная температура на всем изделии, а граничные тепловые потоки — из условия охлаждения в воздушной среде.
Характерный вид распределения температур для тестовой задачи показан на рис. 6.
Рис. 6. Характерный вид расчетного температурного поля при закалке сложного составного изделия
Заключение
Разработанная программная среда трехмерного моделирования, имеющая простой и наглядный интерфейс и позволяющая в течение нескольких минут создавать сложные трехмерные объекты, может быть использована как в различных специализированных приложениях, включая разные программы моделирования физикохимических процессов (например, термическая обработка и азотирование), так и для формирования баз данных различных трехмерных изделий технического назначения.
Литература:
- Потемкин А.Е. Твердотельное моделирование в системе КОМПАС3D. Изд. «БХВСанктПетербург», 2004. С. 512.
- TFLEX CAD — Трехмерное моделирование. Руководство пользователя. АО «Топ Системы». Москва, 2005. С. 677.
- Светушков Н.Н. Кластерная модель геометрического описания сложных объектов // CАПР и графика. 2010. № 3. C. 8688.
- Светушков Н.Н, Третьякова О.Н. Проблемы численного моделирования теплообмена в геометрически сложных объектах // Труды пятой российской национальной конференции по теплообмену РНКТ5: Сб. М. 2010. С. 97100.
- Svetushkov N. Geometric integral methods in simulation of thermal processes. // 4th International Conference on Thermal Process Modeling and Computer Simulation. Shanghai, CHINA. 28 May3 June, 2010. P. 6061.
