CC BY
32
© Е.И. Петровичев, 2004
УДК 622.001.57 Е.И. Петровичев
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТАРИЯ ВИРТУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОЕКТНЫХ РАБОТАХ В ОБЛАСТИ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
в ш ри проектировании горных работ на
Аж. различных стадиях разработки проекта может быть целесообразным привлечение методологий виртуального трехмерного моделирования. Очевидными и традиционными являются методики геометрического трехмерного моделирования поверхности месторождения и исследования трехмерных моделей рудных тел. Значительный интерес может представлять развитие методологии моделирования при введении в модель ряда физических параметров как месторождения и объектов рудного тела, так и параметров окружающей среды. При этом интересные результаты могут быть получены при введении в модель временной координаты, т.е. использование анимационного моделирования ряда процессов при их проектировании.
На основе подобного инструментария могут быть получены результаты в транспортных задачах наземных и подземных работ; в процессах отработки пластов рудных тел; в задачах газодинамики (например, извлечения метана из угольных пластов, оценки эффективности вентиляции и т. п.). Применение аналогичного инструментария позволяет значительно повысить качество и наглядность презентационной стороны проекта в рамках создания отчетной документации на стадиях проектирования, требующих согласования.
В рамках современных информационных компьютерных технологий можно отыскать необходимый программный инструментарий для решения подобных задач.
Рассмотрим некоторые возможности инструментария программных продуктов трехмерного
моделирования на примере популярного программного пакета 3DS MAX.
3DS MAX является динамически развивающимся программным продуктом виртуального моделирования, постоянно наращивающим свои инструментальные возможности как в рамках совершенствования версий продукта (в настоящее время - версия 5.1 для операционных систем вплоть до WINDOWS XP), так и за счет постоянной разработки для этого пакета сторонними фирмами дополнительных проблемно-ориентированных модулей - Plug-In.
1. Геометрическое моделирование
3DS MAX имеет развитый и удобный инструментарий построения трехмерных моделей физических объектов на базе объектноориентированной методологии средствами векторной графики с привлечением растровых компонент для моделирования текстур и материалов объектов и ввода параметров окружающей среды. Моделирование осуществляется в выбранных системах размерных единиц с практически любой заданной точностью.
Разработка модели может проводиться модульными единицами с разными уровнями детализации и последующим усложнением модели методами создания объектных групп и разветвленных иерархий объектов с введением между членами иерархий отношений «предок - потомок». В сложных иерархических системах могут быть применены автоматические процедуры прямой и инверсной кинематики взаимодействия объектов иерархии с определением геометрических и физических ограничений связей объектов
и автоматическим расчетом кинематических фаз системы (IK SOLUTIONS).
Многие задачи создания моделей могут быть решены путем прямого использования больших и разнообразных библиотек трехмерных геометрических примитивов с последующим применением булевых операций над твердыми телами: объединения, вычитания, пересечения. В ряде случаев удобно применять операции получения трехмерных объектов из плоских заготовок на базе стандартной плоской геометрии или произвольных сплайнов методами вращения вокруг произвольных осей или выдавливания вдоль прямых или сплайнов. Возможно прямое построение объектов со сложными криволинейными поверхностями на основе редактируемых сеток и полигональных поверхностей (Editable Poly, Editable Mesh), а также универсальных поверхностей на базе неоднородных рациональных двойных сплайнов (NURBS).
Во многих случаях рациональным способом создания адекватных трехмерных моделей является их приблизительное моделирование одним из вышеуказанных способов с дальнейшей обработкой соответствующими модификаторами, которых в составе пакета - десятки и идет их непрерывное пополнение. Разнообразные настраиваемые параметры модификаторов позволяют довести геометрию моделей до необходимой степени совершенства.
2. Построение поверхностей
Удобный и разнообразный инструментарий предоставляет 3DS MAX для построения трехмерных поверхностей модели на основе плоских карт поверхности или даже переведенных в растровый формат фотографий поверхности. Здесь следует указать на такие методы как:
• использование специализированных модулей (типа Mountain);
• применение параметрического модификатора выдавливания Displacement;
• подстановка исходных плоских изображений в карты текстур (рассеяния, неровностей, выдавливания) создаваемого материала 3D модели.
Появившийся в 5-й версии пакета модификатор Unwrap UVW позволяет точно наложить растровый материал на поверхности модели практи-
чески любой степени сложности. Большое разнообразие стандартных типов материалов и отработанная методология их создания и редактирования позволяет достигать реалистичной визуализации модели. Сложные случаи конструирования текстур чаще всего могут быть реализованы на основе типов Blend, Composite, Morpher, Multi/Sub-Obj ect.
3. Моделирование динамики модели
Инструментарий 3D MAX позволяет проводить исследование поведения модели во времени с учетом взаимодействия объектов модели между собой и с элементами окружающей среды. При этом объектам модели могут быть назначены (и рассчитаны) некоторые основные физические параметры, необходимые для моделирования динамики системы. Эти параметры назначаются объектам системы в процедурах их модификации или на стадии присвоения объектам материалов их поверхностей. Могут быть назначены и автоматически рассчитаны следующие физические характеристики объектов:
• объем;
• плотность;
• масса (комбинирование этих параметров позволяет моделировать динамику сплошных, пустотелых и тонкостенных тел);
• упругость;
• коэффициент статического трения;
• коэффициент трения скольжения.
При моделировании динамики определяются
следующие начальные условия:
• определяются группы взаимодействующих объектов;
• назначаются свойства объектов;
• уточняется положение центров преобразования объектов (Pivot Point);
• определяются внешние силы и неоднородности пространства, влияющие на объекты;
• определяются учитываемые на начало взаимодействия начальные движения объектов.
Средство Reactor предоставляет для задач моделирования целый ряд стандартных типов динамических объектов с определенной динамикой: устойчивые и мягкие тела, деформируемые каркасы, нити, ткани, водная поверхность и ряд других.
Возможные типы внешних сил и неоднородностей пространства сгруппированы в категории: силы, отражатели, деформируемая геометрия и включают несколько десятков типов внешних воздействий, таких как гравитация, давление, ветер, следование по пути, соответствие форме, дробление (бомба), отражение, волна и т. д.
Для моделирования окружающей среды предусмотрен инструментарий добавления в модель атмосферы, управляемой газовой среды (туман) на основе контейнеров распространения и масок текстур.
Модель может быть усложнена введением систем частиц. Возможно использование универсальной системы РАггау, элементами которой
могут быть объекты произвольной геометрии и специализированные системы типа брызг, снега, облаков. Данные системы обладают развитой управляемой динамикой: модифицируемыми
геометрическими и физическими параметрами, геометрическими и временными параметрами эмиссии частиц, способами наследования движения и др.
Согласно принятой методологии многих современных профессиональных программных продуктов, 3D MAX имеет собственный встроенный язык программирования - MAX Script. Имеется возможность автоматически записывать макросы типовых процедур или писать программы в авторизированной среде пакета.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------
Петровичев Е.И. - доцент, кафедра «Автоматизированные системы управления», Московский государственный горный университет.
