XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Трехмерное моделирование – это технология, которая позволяет создавать реалистичные изображения объектов, которые можно использовать для их анализа, тестирования, разработки и промышленного производства. Такой подход к проектированию позволяет сократить время и снизить затраты на разработку новых продуктов, улучшить качество проектов и обеспечить большую точность в изготовлении.

Существует несколько основных методов трехмерного моделирования в инженерной графике, которые широко используются в инженерном проектировании и других областях. Наиболее популярными являются следующие методы:

1. Полигональное моделирование

2. Твердотельное моделирование

3. Сплайновое или поверхностное моделирование

Полигональное моделирование – это самый популярный метод трехмерного моделирования. Оно основано на использовании полигонов, и действий с ними. Полигон – плоскость, состоящая из нескольких точек в пространстве, соединенных ребрами. Полигоны должны обладать набором определенных параметров, таких как координаты вершин и нормали. Чаще всего в моделировании используют треугольные или четырехугольные полигоны, реже – n-угольные полигоны. Из полигонов формируется полигональная сетка, которая и представляет собой моделируемый объект.

С помощью данного метода можно смоделировать практически любой объект, однако для точного моделирования объекта, либо при необходимости дальнейшего его увеличения, необходимо применять высокополигональное моделирование, то есть построение модели с использованием как можно большего количества маленьких полигонов для того, чтобы сгладить края и избежать непредусмотренных острых граней модели, что увеличивает как затраты времени на создание модели, так и вычислительные ресурсы компьютера для ее обработки.

Данный метод чаще всего используется при создании трехмерных моделей для компьютерных игр или компьютерной графики для фильмов.

Рис. 1. Отображение полигонов в полигональном моделировании

Твердотельное моделирование – метод трехмерного моделирования, в котором модель представляет собой цельный объект, состоящий из объемных примитивов и имеет все признаки физического тела. При этом поверхность модели описывается не как полигональная сеть с координатами вершин, а как непрерывная поверхность, заданная математическими формулами, благодаря чему модель получается абсолютно гладкая и имеет тонкие настройки различных параметров, например размеров.

Элементами, из которых строится модель, могут быть: Элементы выдавливания (Призмы); Элементы вращения (цилиндры, конусы); Фаски, скругления, ребра жесткости и т. д.

Модель строится путем последовательного «добавления» или «вычитания» элементов, в результате которых на модели образуются выступы или углубления. Также данный метод предполагает возможность установки параметрических зависимостей между элементами одного твердого тела или несколькими телами. При этом изменение параметров одной модели или элемента приводит к соответствующей перестройке всех параметрически связанных элементов или тел. 

Именно этот метод чаще всего используется в современных САПР, поскольку он позволяет достичь максимальной точности моделируемого изделия.

Рис. 2. Твердотельное моделирование в Компас 3D

Сплайновое моделирование – метод трехмерного моделирования, основанный на использовании сплайнов или математических кривых, таких как линия, дуга, окружность, эллипс и т. д.

Также используют так называемые NURBS-кривые – неоднородные рациональные В-сплайны. Различают два вида таких кривых: P-кривые и CV-кривые. Первые задаются вершинами находящимися непосредственно на самой кривой, а вторые – точками лежащими за ее пределами

Линии сплайнов задаются контрольными точками в пространстве, которые определяют гладкость кривой. Они задаются так, чтобы как можно более точно передать форму объекта. После этого формируется сплайновый каркас и на его основе строится трехмерная геометрическая поверхность.

При использовании данного метода, в отличие от полигонального, модель состоит не из полигонов, а из сплайнов, хотя при визуализации все равно преобразуется в полигоны.

Данный метод позволяет сократить затраты времени и усилий на создание моделей, кривизну которых сложно воспроизвести с помощью полигонов.

Рис. 3. Сплайновое моделирование в SolidWorks

Трехмерное моделирование имеет массу применений в инженерной графике. В качестве примеров можно рассмотреть:

1. Проектирование изделий.

Трехмерное моделирование позволяет инженерам создавать точные модели изделий, которые позволяют предсказывать поведение и производить анализ, необходимый для принятия решений при конструировании изделия.

2. Визуализация и архитектурное проектирование.

Трехмерное моделирование позволяет визуализировать проекты в реалистичном формате. Архитекторы используют трехмерные модели для создания прототипов зданий, которые позволяют клиентам увидеть, как будет выглядеть здание в реальном мире.

3. Автомобильное производство.

Автомобильное производство использует трехмерное моделирование для проектирования автомобилей, тестирования и оптимизации узлов и деталей, а также для визуализации готового продукта и создания макетов.

Каждый из методов трехмерного моделирования можно использовать в обучении студентов различных направлений. Например, полигональное и сплайновое моделирование может быть использовано для обучения дизайнеров, которые будут создавать дизайны и трехмерные макеты автомобилей, мебели и других изделий и 3D-художников, которые смогут создавать трехмерные модели для игр и компьютерной графики, которую используют в кино. Твердотельное моделирование же можно использовать для обучения студентов инженерных, строительных и архитектурных направлений, так как оно позволяет создать достаточно точную модель детали по заданным параметром, что необходимо инженерам, а также с его помощью можно создавать наглядные проекты зданий.

Трехмерное моделирование является важным инструментом в инженерной графике. Оно позволяет инженерам создавать точные и реалистичные трехмерные модели объектов в различных областях, таких как автомобильное производство, аэрокосмическая промышленность, архитектура и многих других. Различные методы трехмерного моделирования, такие как твердотельное, сплайновое и полигональное моделирование, имеют уникальные преимущества при решении определенных задач и используются в тех областях, для которых подходят лучше всего.

Списоклитературы

1. Е.И. Яблочников, Д.Д. Куликов. Моделирование приборов, систем и производственных процессов / Учебное пособие – СПб: СПбГУИТМО, 2008 г. – 155 с.

2. NURBS-моделирование / Cайт. – URL: http://delaemmult.narod.ru/Doc/nurbs1.html (дата обращения: 10.06.2023)

3. Виды моделирования. Основы скульптинга, ретопологии и развертки / Cайт. – URL: https://habr.com/ru/articles/448228/ (дата обращения: 10.06.2023)

4. Преобразование полигональных моделей в граничное представление: алгоритм и примеры кода / Cайт. – URL: https://stabi-line.ru/tehnologii/poligonalnyj-eto.html (дата обращения: 10.06.2023)

5. 3D Моделирование в CAD / Cайт. – URL: https://cadcamtutorials.ru/articles/cnc5 (дата обращения: 10.06.2023)

6. Что такое полигональное моделирование / Cайт. – URL: https://deepcloud.ru/articles/chto-takoe-poligonalnoe-modelirovanie/ (дата обращения: 10.06.2023)