Компьютерное моделирование в программе Компас 3D

МБОУ «Основная общеобразовательная школа №3»

НОУ «Поиск»

«Компьютерное моделирование»

исследовательская работа

Автор:  Билюр Павел, 9 класс

Руководитель: Афанасьева Юлия

Владимировна,

учитель информатики

Ленинск-Кузнецкий

2015

Содержание

Введение……………………………………………………………….

Глава 1. Моделирование как метод познания

1.1 Понятие модели……………………………………………………..

1.2 Классификация моделей…………………………………………………..

1.3 Основные этапы моделирования…………………………………

Глава 2 Моделирование в программе Компас 3D

2.1 Общая характеристика программы……………………………..

2.2 Практическая часть в программе Компас 3D

Заключение………………………………………………………………

Список использованной литературы……………………………

Введение

Моделирование, в том числе и компьютерное моделирование, как познавательный приём неотделимо от развития знания. Практически во всех науках о природе построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование вначале этой модели. Компьютерное моделирование в настоящее время приобрело общенаучный характер и применяется в исследованиях живой и неживой природы, в науках о человеке и обществе.

Объектом нашего исследования - процесс моделирования. Предмет исследования -  программа для создании моделей - Компас 3D.

Целью работы является создание моделей в программе Компас 3D.

Задачи:

-  рассмотрение достоинств и недостатков при создании компьютерных моделей;

- изучение программы Компас 3D;

-  составление практической части в  программе Компас 3D, которая используются для создании моделей.  

Технологии компьютерного моделирования широко используются в настоящее время. С помошью компьютерного моделирования создают сложные технические разработки и научные исследования.  В будущем роль и значение компьютерного моделирования, безусловно, значительно возрастет. Современное компьютерное моделирование выступает как средство общения людей (обмен информационными, компьютерными моделями и программами), осмысления и познания явлений окружающего мира (компьютерные модели солнечной системы, атома и т.п.), обучения и тренировки (тренажеры). Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем.

Одной из разновидностей моделей являются геометрические модели. Они передают внешние признаки объекта: размеры, форму, цвет. Геометрические модели представляют собой некоторые объекты, геометрически подобные своему прототипу (оригиналу). Они служат, в основном, для учебных и демонстрационных целей, используются при проектировании сооружений, конструировании различных устройств и изделий. Простейшие модели такого типа окружают нас с раннего детства – это игрушки. С возрастом мы сталкиваемся с все более сложными геометрическими моделями. Изучая биологию, мы пользуемся чучелами или макетами животных, скелетом человека с шарнирами вместо суставов для демонстрации движения рук и ног. Макет здания, корабля, скульптура, рисунок – все это геометрические модели. Приступая к созданию таких моделей, следует выделить объект, определить цели моделирования, сформировать информационную модель объекта в соответствии с поставленной целью и выбрать инструмент моделирования. Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Глава 1. Моделирование как метод познания

На современном этапе развития человечества нельзя найти такой области знания, в которой в той или иной мере не использовались бы модели. Науки, в которых обращение к модельному исследованию стало систематическим, не полагаются больше лишь на интуицию исследователя, а разрабатывают специальные теории, выявляющие закономерности отношений между оригиналом и моделью.

История моделирования насчитывает тысячи лет. Человек рано оценил и часто применял в практической деятельности метод аналогий. Моделирование прошло долгий путь от интуитивного использования аналогий до строгого научного метода.

Создание и использование материальных моделей относится к экспериментальному методу познания окружающего мира.

1.1 Понятие модели

Слово модель в переводе с латинского означает мера, образ, способ. Первоначальное значение связано со строительным искусством, употреблялось для обозначения образа или прообраза, или вещи, сходной в каком-то отношении с другой вещью.

Чтобы понять, как действует тот или иной объект окружающего мира, часто приходится вместо самих объектов рассматривать их упрощенные представления – модели. Один объект может быть описан множеством моделей, различных по сложности и степени сходства с оригиналом. Можно сказать, что модель – это некий заменитель объекта, процесса или явления, который в определенных условиях может заменить оригинал, воспроизводя интересующие нас свойства и характеристики оригинала. Причем, модель имеет существенные преимущества: наглядность, доступность испытаний и т.д. Наиболее важное преимущество модели – возможность простыми средствами изменять ее параметры, что в реальных условиях получить значительно труднее. Модель – это другой объект (реальный, знаковый или воображаемый), отличный от исходного, который обладает существенными для целей моделирования свойствами и в рамках этих целей полностью заменяет исходный объект.

                             1.2 Классификация моделей

Все модели делятся на две большие группы: материальные и абстрактные (нематериальные). Эти две группы характеризуют то, «из чего сделаны» модели. И материальная, и абстрактная модели содержат информацию об исходном объекте, только в случае материальной модели эта информация имеет реальное воплощение — цвет, форму, пропорции и т. п. Ее можно построить с помощью органов чувств: зрения, осязания, обоняния, а также воспользовавшись измерительными приборами и инструментами. В нематериальной модели та же информация представляется в абстрактной форме (мысль, формула, чертеж, схема).

Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими, это физическое подобие объекта. Они всегда имеют реальное воплощение, которое воспроизводит геометрические и физические свойства оригинала (чучела птиц, муляжи животных, внутренних органов человеческого организма, географические и исторические карты, схема солнечной системы).

Такие модели могут отражать:

• внешние свойства исходных объектов;
• внутреннее устройство исходных объектов;
• суть процессов и явлений, происходящих с объектами-оригиналами.

Самыми простыми примерами материальных моделей являются детские игрушки. По ним ребенок узнает внешние свойства окружающих объектов. Разбирая некоторые игрушки в процессе игры (например, машинку), он получает первое представление об устройстве исходного объекта и даже о принципах его работы.

Так как материальные модели помогают узнать свойства реальных объектов и понять «механизм» сложных явлений, они часто используются в процессе обучения. Материальными моделями являются скелет человека и чучело птицы в кабинете биологии, объемная модель Солнечной системы и макет многоступенчатой ракеты в кабинете астрономии, наклонная плоскость с шарами в кабинете физики т. д. К материальным моделям относятся не только школьные пособия, но и различные физические и химические опыты.

Абстрактные модели нельзя потрогать, они не имеют вещественного воплощения. Основу таких моделей составляет информация, а такой тип моделирования реализует теоретический метод познания окружающей действительности.

Выделяют следующие подклассы абстрактных моделей:

1. мысленные и вербальные;
2. информационные.

Мысленные модели формируются в воображении человека в результате раздумий, умозаключений, иногда в виде некоторого образа. Примером мысленной модели является модель поведения при переходе через дорогу. Человек анализирует ситуацию на дороге (какой сигнал подает светофор, как далеко находятся машины, с какой скоростью они движутся и т. п.) и вырабатывает модель поведения. Мысленная модель может быть выражена в разговорной форме. В этом случае она часто называется вербальной. Вербальную модель человек использует для передачи своих мыслей другим.

 Наряду с вербальными и мысленными моделями используются более строгие — информационные модели. Информационная модель - это совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром. Любая информационная модель содержит лишь существенные сведения об объекте с учетом той цели, для которой она создается. Информационные модели одного и того же объекта, предназначенные для разных целей, могут быть совершенно разными.

Существуют разнообразные системы условных обозначений и соглашений, относящихся к разным областям деятельности и пригодных для описания моделей. Подобную систему и правила использования ее элементов называют языком. Язык может быть разговорным, алгоритмическим, математическим, языком кодирования и пр.

Информация, характеризующая объект или процесс, может иметь разную форму представления, выражаться различными средствами. По степени формализации, строгости описания это многообразие можно условно разделить на образно-знаковые и знаковые модели.

Ярким примером образно-знаковой модели является географическая карта. Цвет и форма материков, океанов, гор, изображенных на карте, сразу подключает образное мышление.

Знаковая модель — информационная модель, выраженная специальными знаками, т.е. средствами любого формального языка (математические формулы, химические реакции, ноты)

 Компьютерная модель — модель, реализованная средствами компьютерной программной среды.

                          1.3 Основные этапы моделирования.

Моделирование — творческий процесс. Заключить его в формальные рамки очень трудно. В наиболее общем виде его можно представить поэтапно в следующем виде.

I этап. Постановка задачи

Каждый раз при решении конкретной задачи такая схема может подвергаться некоторым изменениям: какой-то блок может быть убран или усовершенствован. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования.

Под задачей в самом общем смысле понимается некая проблема, которую надо решить. Главное — определить объект моделирования и понять, что собой должен представлять результат.

Цели моделирования определяются расчетными параметрами модели. Чаще всего это поиск ответа на вопрос, поставленный в формулировке задачи.

II этап. Разработка модели

По результатам анализа объекта составляется информационная модель. В ней детально описываются все свойства объекта, их параметры, действия и взаимосвязи.

III этап. Компьютерный эксперимент

Чтобы дать жизнь новым конструкторским разработкам, внедрить новые технические решения в производство или проверить новые идеи, нужен эксперимент.

IV этап. Анализ результатов моделирования.

Заключительный этап моделирования — анализ модели. По полученным расчетным данным проверяется, насколько расчеты отвечают нашему представлению и целям моделирования. На этом этапе определяются рекомендации по совершенствованию принятой модели и, если возможно, объекта или процесса.

Глава 2 Моделирование в Компас 3D

Программа КОМПАС 3D располагает весьма широкими возможностями

создания трехмерных моделей самых сложных конструкций, как отдельных

деталей. Причем процесс моделирования аналогичен

технологическому процессу изготовления изделия. Осуществляя виртуальную

сборку нескольких деталей в сборочную единицу, пользователь может

временно отключить изображение какой-либо детали или выполнить любой

сложный разрез.

В КОМПАС-3D возможно создание твердотельных моделей (деталей),

которые хранятся в файлах с расширением *.m3d. Рабочее окно среды трехмерного моделирования откроется, если нажать на

соответствующую кнопку, которая находится на панели управления.

Основные элементы среды:

1) Строка меню – в ней расположены все основные меню системы, в каждом

меню храниться связанные с ним команды;

2) Панель управления (стандартная) – в ней собраны команды, которые

часто употребляются при работе с программой;

3) Панель вид – на панели вид расположены кнопки, которые позволяют

управлять изображением: изменять масштаб, перемещать и вращать изображение, изменять форму представления модели.

4) Панель переключения(левая часть экрана) – производит переключения

между панелями инструментов.

5) Панель инструментов – состоит из нескольких отдельных страниц

(панелей): редактирования модели, пространственные кривые, поверхности,

вспомогательная геометрия, измерения (3D), фильтры, элементы оформления.

6) Строка состояния объекта – указывает параметры объекта.

7) Дерево модели – это графическое представление набора объектов,

составляющих деталь. Корневой объект Дерева – сама деталь. Пиктограммы

объектов автоматически возникают в Дереве модели сразу после фиксации этих

объектов в детали.

8) Контекстная панель отображается на экране при выделении объектов

документа и содержит кнопки вызова наиболее часто используемых команд

редактирования. Набор команд на панели зависит от типа выделенного объекта и типа документа.

9) Контекстное меню – меню, состав команд в котором зависит от

совершаемого пользователем действия. В нем находятся те команды, выполнение которых возможно в данный момент. Вызов контекстного меню осуществляется  щелчком правой кнопки мыши на поле документа, элементе модели или интерфейса системы в любой момент работы.

Основные термины модели:

Объемные элементы, из которых состоит трехмерная модель, образуют в ней

грани, ребра и вершины. Грань – гладкая (необязательно плоская) часть

поверхности детали. Гладкая поверхность детали может состоять из нескольких

граней. Ребро – прямая или кривая, разделяющая две смежные грани. Вершина–

точка на конце ребра. Кроме того, в модели могут присутствовать

дополнительные элементы: символ начала координат, плоскости, оси и т.д.

Общие принципы моделирования:

Построение трехмерной твердотельной модели заключается в

последовательном выполнении операций объединения, вычитания и пересечения над простыми объемными элементами (призмами, цилиндрами, пирамидами, конусами и т.д.). Многократно выполняя эти простые операции над различными объемными элементами, можно построить самую сложную модель.

Для создания объемных элементов используется перемещение плоских фигур

в пространстве. Плоская фигура, в результате перемещения которой образуется

объемное тело, называется эскизом, а само перемещение — операцией.

Эскиз может располагаться на одной из стандартных плоскостей проекций,

на плоской грани созданного ранее элемента или на вспомогательной плоскости. Эскизы создаются средствами модуля плоского черчения и состоят из одного или нескольких контуров.

Система КОМПАС-3D LT располагает разнообразными операциями для

построения объемных элементов, четыре из которых считаются базовыми.

Операция выдавливания – выдавливание эскиза перпендикулярно его плоскости.

Операция вращения – вращение эскиза вокруг оси, лежащей в его плоскости.

Кинематическая операция – перемещение эскиза вдоль направляющей.

Операция по сечениям – построение объемного элемента по нескольким эскизам (сечениям). Для четырех базовых операций, добавляющих материал к модели, существуют аналогичные операции, вычитающие материал. Операция может иметь дополнительные возможности (опции), которые позволяют изменять или уточнять правила построения объемного элемента. Например, если в операции выдавливания прямоугольника дополнительно задать величину и направление уклона, то вместо призмы будет построена усеченная пирамида. Процесс создания трехмерной модели заключается в многократном добавлении или вычитании дополнительных объемов.

2. Практическая часть в программе Компас 3D

Практическая работа №1 « Построение колеса»

1. Запустить программу Компас 3DLT.

2. Выбрать создание детали (ФайлСоздатьДеталь).

3. Выбрать в дереве модели плоскость x-y.

4. Включить режим эскиз (кнопка панели управления).

5. На геометрической панели построения выбрать ввод окружности.

6. Ввести параметры окружности: координаты центра – 25, 0; диаметр

окружности – 16 мм.

7. Начертить отрезок с параметрами: координаты начала – 0,-8; координаты

конца – 0, 8; стиль линии – осевая.

8. Закончить редактирование эскиза (повторно нажать на кнопку «эскиз»).

9. На панели редактирования детали выбрать Операция вращения.

10. Задать следующие параметры: вращение прямое; угол прямого

направления - 360 и нажать кнопку Создать.

11. На экране программы должно появиться изображение колеса.

Практическая  работа 2 «Построение конуса операцией врашения»

1. Запустить программу Компас 3DLT.

2. Выбрать создание детали (ФайлСоздатьДеталь).

3. Выбрать в дереве модели плоскость x-y.

4. Включить режим эскиз (кнопка панели управления).

5. На геометрической панели построения выбрать ввод отрезков.

6. Ввести параметры 1 отрезка: координаты начала - 0,0; координаты конца -

20,0; стиль линии - основная.

7. Ввести параметры 2 отрезка: координата начала – 0,0; координата конца –

0, 30; стиль линии – осевая.

8. Соединить окончания отрезков 1 и2 отрезком 3 с параметрами: координата

начала – 0,30; координата конца – 20,0; стиль линии – основная.

20

9. Закончить редактирование эскиза (повторно нажать на кнопку «эскиз»).

10. На панели редактирования детали выбрать Операция вращения.

11. Задать следующие параметры: вращение прямое; угол прямого

направления - 360 и нажать кнопку Создать.

12. На экране программы должно появиться изображение конуса.

             Практическая работа №3 «Построение составной пирамиды»

1.Запустить программу Компас 3DLT.

2. Выбрать создание детали (ФайлСоздатьДеталь).

3. Выбрать в дереве модели плоскость x-y.

4. Включить режим эскиз (кнопка панели управления ).

5. На геометрической панели построения выбрать ввод окружность.

6. Ввести параметры: координаты центра - 0,0; диаметр окружности - 100

мм.

7. Закончить редактирование эскиза (повторно нажать на кнопку «эскиз»).

8. На панели редактирования детали выбрать Операция выдавливания.

9. В окне Параметры на вкладке Операция выдавливания установить

параметры: прямое направление; расстояние 20 мм (высота цилиндра)и нажать

кнопку Создать.

10. На экране должно появиться изображение цилиндра.

11. Выбрать верхнюю грань цилиндра и создать смещенную плоскость 1 на

расстоянии 0 мм.

12. Выбрать в дереве модели Смещенную плоскость 1 и включить режим

эскиз.

13. На геометрической панели построения выбрать ввод окружность.

14. Ввести параметры: координаты центра - 0,0; диаметр окружности -80 мм.

15. Закончить редактирование эскиза (повторно нажать на кнопку «эскиз»).

16. В дереве модели выбрать Эскиз 2. На панели редактирования детали

выбрать Операция выдавливания.

17. В окне Параметры на вкладке Операция выдавливания установить

параметры: прямое направление; расстояние 20 мм и нажать кнопку Создать.

18 .На экране должно появиться изображение детали состоящей из двух

наложенных друг на друга цилиндров.

18. Аналогичным образом (повторяя операции добавить смещенную

плоскость и создать цилиндр) построить цилиндры с параметрами: высота 20 мм; диаметр 60мм, 40мм, 20 мм.

                                                        Заключение

В настоящее время моделированию уделяется большое внимание в науке, так как прежде чем создать новые устройства и явления, необходимо их изучить. Для чего и используются модели этих устройств и явлений.

В процессе написания работы  было изучено, что такое моделирование, классификация моделей, инструменты моделирования, а также основные этапы моделирования.

Работа может быть использована на уроках информатики и будет интересна не только для пользователей компьютера, но и для всех кто интересуется окружающим миром.

 2.

Список литертуры:

1. Макарова Н.В. Информатика. 7–9 класс. Базовый курс. Учебник. –СПб.: Питер, 2001. -288с.: ил.

2. Макарова Н.В. Информатика. 7-9 класс. Базовый курс. Задачник по моделированию. – СПб.: Питер, 2001. – 176 с.: ил.

3. Семакин И.Г, Залогова Л.А, Русаков С.В, Шестакова Л.В. Информатика. Базовый курс. 7–9 классы– 2-е издание. М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. – 390 с.: ил.

4. Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии. Учебник для 10-11 классов.. – М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. – 512 с.: ил.

5. Чертёжно-графический редактор КОМПАС-3D: практ. руководство.

- СПб. : АСКОН, 2001. - 474 с.