Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

ОПЫТ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ К УЧАСТИЮ В ОЛИМПИАДАХ И КОНКУРСАХ ПО 3D МОДЕЛИРОВАНИЮ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ

Бощенко Т.В. 1 Чепур П.В. 1 Жуков А.А. 1
1 Тюменский государственный нефтегазовый университет
Показано, что современные, продвинутые с точки зрения автоматизации, методы при проектировании изделий являются основой для успешной реализации любой производственной задачи. Описаны преимущества представления изделия в виде сборки, состоящей из 3D моделей деталей. Рассмотрена чрезвычайная важность качественной подготовки студентов инженерных специальностей для работы в программах автоматизированного проектирования, таких как AutoCAD, Компас 3D, Inventer|, Solid Edge, Solid Works, Revit, ANSYS. Установлено, что одной из наиболее эффективных форм повышения уровня компьютерной графической подготовки студентов являются олимпиады и конкурсы по моделированию и прототипированию изделий. Рассмотрены этапы создания моделей сборочных единиц в программных комплексах AutoCad, Компас 3D, общепринятые как в проектировании на производстве, так и при обучении специалистов. Представлены разработанные 3D модели сборочных единиц в ходе подготовки к студенческим олимпиадам студентов 2–5 курсов и студентов, обучающихся на 1 курсе магистратуры технических специальностей. Даны выводы и рекомендации по развитию направления трехмерного проектирования в среде высшего образования.
3D
моделирование
сборка
олимпиада
САПР
обучение
AutoCAD
Компас 3D
проектирование
1. Бощенко Т.В., Жуков А.А., Именовский Д.Ю., Кононенко А.С. Образовательные проекты в области 3D-моделирования и прототипирования изделий // Механика и процессы управления: сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции / под ред. О.А. Новосёлова. – Тюмень, 2015. – С. 10–13.
2. Бощенко Т.В., Репина Н.В., Помигалова Т.Е. Решение задач начертательной геометрии средствами трехмерного моделирования // Современные тенденции и перспективы развития графических и компьютерных технологий в образовании, дизайн-проектировании и нефтегазовой отрасли: сб. материалов регионального научно-методического семинара / Тюменский государственный нефтегазовый университет. – Тюмень, 2005. – С. 13–14.
3. Бощенко Т.В., Плесовских В.В. Моделирование сборочных единиц в системах автоматизированного проектирования // Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных / отв. ред. В.И. Бауэр. – 2012. – С. 95–97.
4. Бощенко Т.В., Фокина Н.И. Образовательное сопровождение одаренных студентов в условиях инновационного образования // Геометрия и графика. – 2013. – Т. 1. – № 3–4. – С. 21–25.
5. Тарасенко А.А., Чепур П.В., Тарасенко Д.А. Численное моделирование процесса деформирования резервуара при развитии неравномерных осадок // Нефтяное хозяйство. – 2015. – № 4. – С. 88–91.
6. Фокина Н.И., Бощенко Т.В. Поиск эффективной методической системы обучения студентов компьютерной графике // Геометрия и графика. – 2013. – Т. 1. – № 1. – С. 68–69.
7. Чепур П.В., Тарасенко А.А. Особенности совместной работы резервуара и устройств размыва донных отложений винтового типа // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2–8. – С. 1671–1675.
8. Чепур П.В., Тарасенко А.А. Создание и верификация численной модели резервуара РВСПК-50000 // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 7–1. – С. 95–100.
9. Чирков С.В., Тарасенко А.А., Чепур П.В. Конечно-элементная модель вертикального стального резервуара с усиливающими элементами при его подъеме гидродомкратами // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–5. – С. 1003–1007.
10. Чирков С.В., Тарасенко А.А., Чепур П.В. Определение оптимального количества тросов поддержки днища при подъеме резервуара // Известия вузов. Нефть и газ. – 2014. – № 5. – С. 72–78.

Стремительная автоматизация производственных процессов в приборостроении, машиностроении, строительстве требует совершенствования существующих подходов к проектированию и конструированию. Высокотехнологические отрасли уже не могут существовать без повсеместного использования станков с числовым программным управлением (ЧПУ), робототехники и прочего оборудования, связанного между собой программными алгоритмами. Очевидно, что любое производство начинается с проекта. Использование современных, продвинутых с точки зрения автоматизации, методов при проектировании изделия является основой для успешной реализации любой задачи.

При проектировании нового изделия первичной стадией является создание чертежа общего вида, по которому разрабатывается проектно-конструкторская документация: для деталей – рабочие чертежи; для сборочных единиц – сборочные чертежи и спецификации. В связи с развитием новых технологий, а именно 3D технологии построения чертежа целесообразно использовать трехмерные модели: для изготовления по ним деталей; для разработки рабочих чертежей деталей, а также использовать для сборки изделия. Сборочная единица состоит из моделей и дает наиболее полную и наглядную информацию о деталях, входящих в изделие, способах их соединения и последовательности сборки.

Представление изделия в виде 3D сборки, состоящей из моделей деталей, позволяют:

– конструировать и изменять форму деталей на различных стадиях разработки;

– устанавливать способы соединения деталей;

– изменять элементы детали в связи со способами соединения;

– моделировать движение и взаимодействие деталей;

– проследить последовательность сборки и разборки изделия;

– производить прочностные, теплотехнические расчёты всего изделия в целом и процессов, воздействующих на него.

Иногда при проектировании требуется изменить форму или какой-либо элемент детали, входящей в сборочную единицу. Для этого применяется моделирование непосредственно «по месту», где можно использовать геометрию уже имеющихся объектов в качестве опорных. Кроме того, между деталями образуется ассоциативная связь, которая означает, что при изменении геометрии одной детали остальные, связанные с ней, меняют форму и размеры. Все эти задачи позволяют решать программные комплексы автоматизированного проектирования, такие как AutoCAD, Компас, Solid Edge, Solid Works, Revit, ANSYS и т.д.

Обращаясь к вопросу подготовки кадров для работы в проектно-конструкторских организациях с использованием приведенных программных пакетов, необходимо отметить, что любой высококлассный специалист получает базовые технические знания в высшем учебном заведении, поэтому подготовка студентов на достойном уровне в настоящее время немыслима без внедрения новых технологий в учебный процесс [1–3]. В Тюменском нефтегазовом университете активно внедряются современные компьютерные технологии, в учебный процесс включены такие дисциплины, как «Компьютерная графика», «Инженерная и компьютерная графика», «Автоматизация графических работ». Основной целью курса является формирование у студентов эстетических и функциональных качеств предметной графической среды с использованием технических и программных средств компьютерной графики [4].

Одной из форм повышения эффективности компьютерной графической подготовки студентов являются олимпиады [6]. С 1998 года студенты ТюмГНГУ успешно принимают участие вовсероссийских и международных олимпиадах по графическим информационным технологиям. В Тюменском государственном нефтегазовом университете ежегодно проводится внутренний тур студенческой олимпиады по направлению «Инженерная компьютерная графика». В апреле каждого года проводится региональный тур олимпиады «Интеллект».

В качестве программного продукта используются лицензионные версии пакета AutoCAD, Компас 3D. Участникам олимпиады предлагается задание: по чертежу общего вида выполнить твердотельные модели указанных деталей (обязательно корпус), входящих в изделие, и рабочие чертежи этих же деталей, иногда кроме рабочего чертежа предлагается выполнить сборку изделия используя банк блоков (трехмерных моделей). Таким образом, задание основывается на знании курса компьютерной графики (трехмерного геометрического моделирования) и инженерной графики (проекционного и технического черчения). Подготовка олимпиадного задания осуществляется сторонним вузом по поручению оргкомитета олимпиады. Подготовка задания по компьютерной графике подразумевает разработку подробных критериев оценки работ студентов в баллах по каждому пункту, так как в отличие от олимпиад по другим номинациям здесь должно учитываться не только владение теоретическими знаниями моделирования визуальных объектов, но и владение навыками быстрой работы с программными средствами компьютерной графики, а также творческий подход к выполнению заданий.

Рассмотрим общепринятые (как на производстве, так и в процессе обучения) этапы моделирования изделия в программной среде AutoCAD или Компас 3D.

На первом этапе осуществляется формирование 3D модели корпусной детали, т.к. она заключает в себе единство баз: конструкторской, технологической и измерительной. Корпусной детали уделяется очень большое внимание в связи с её функциональным назначением, сложной формой, количеством присоединяемых деталей и т.п.

На втором этапе разрабатывается банк 3D моделей деталей, входящих в изделие. Банк моделей представляет собой набор готовых блоков, как стандартных деталей, так и оригинальных, из которых выполняется дальнейшая сборка изделия в зависимости от способов соединения деталей. В таких системах проектирования, как «Компас 3D», нет необходимости в создании моделей стандартных деталей, т.к. имеются библиотеки.

На третьем этапе осуществляется процесс сборки, где сборочная единица создается с помощью соединения трехмерных моделей деталей, начиная с корпуса, в таком порядке, чтобы каждая последующая деталь имела общие сопрягаемые поверхности с уже вставленными моделями деталей, на которые накладываются сопряжения, ограничивающие степень свободы. Тем самым каждая деталь занимает свое место в изделии. Иногда требуется предварительное объединение нескольких деталей в сборочную единицу с последующим сопряжением с изделием.

Визуализация внутреннего содержания сборочной единицы осуществляется с помощью разреза, где можно увидеть: местоположение деталей, точность соединения, наличие зазоров и т.д., что позволяет проследить правильность выполнения сборки изделия и выявить коллизии, т.е. невозможные наложения элементов, неточности в соединении.

При создании 3D сборки в модуле кинематических связей возможно моделирование движения деталей, способов взаимного перемещения. Таким образом, трехмерное моделирование сборки позволяет проанализировать процесс работы изделия с точки зрения адекватности перемещений подвижных узлов изделия. Моделирование сборочных единиц позволяет исключить ряд ошибок еще на ранних стадиях проектирования, например:

– неверную последовательность соединения деталей;

– несовпадение присоединительных размеров;

– отсутствие зазоров;

– неточность определения точки вставки детали и т.д.

Опыт работы авторов статьи показал, что логическим развитием навыков 3D моделирования является обучение специализированным программам по прочностным, тепловым расчетам и оптимизации формы и функционала изделия. Ярким примером такого подхода являются работы [5, 7–10], в которых авторы решали задачи обеспечения прочности и устойчивости конструкций вертикальных стальных резервуаров для хранения нефти. Так, в данных работах сначала моделировалась 3D геометрическая модель сооружения, а затем с использованием метода конечных элементов (МКЭ), выполнялся расчет на обеспечение условий прочности с учетом действующих эксплуатационных нагрузок, граничных и контактных условий.

На рис. 1–3 представлены разработанные 3D модели корпусных деталей в ходе подготовки к студенческим олимпиадам студентов 2–5 курсов технических специальностей.

Одним из важных результатов проведения олимпиад являются рекомендации экспертной комиссии, состоящей из представителей разных вузов и администрации Тюмени и Тюменской области, по увеличению количества направлений в программах ВПО по компьютерной графике с целью привлечения студентов не только инженерных специальностей, в том числе студентов-дизайнеров.

pic_6.tif pic_7.tif pic_8.tif

а б в

pic_9.tif pic_10.tif pic_11.tif

г д е

Рис. 1. 3D сборка редуктора

pic_12.tif pic_13.tif

а б

pic_14.tif pic_15.tif

в г

Рис. 2. 3D сборка приспособления для проверки биения торца блока шестерен

pic_16.tif pic_17.tif

Рис. 3. 3D сборка тисков пневматических

Также в актуальных задачах по развитию олимпиадного движения значится расширение направлений и привлечение большего количества студентов за счет кружковой работы:

1) моделирование сборочных единиц, прототипирование изделий, создание прототипа изделия и выполнение модели с соблюдением требований 3D печати;

2) графический компьютерный дизайн с использованием программных средств CorelDraw, Adobe PhotoShop или 3D Studio Max.


Библиографическая ссылка

Бощенко Т.В., Чепур П.В., Жуков А.А. ОПЫТ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ К УЧАСТИЮ В ОЛИМПИАДАХ И КОНКУРСАХ ПО 3D МОДЕЛИРОВАНИЮ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 3-2. – С. 231-235;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=35725 (дата обращения: 30.05.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074