статья

УДК 004.92:624.014

РАЗРАБОТКА ФОРМАЛИЗОВАННОЙ МЕТОДИКИ ПОСТРОЕНИЯ 3D-МОДЕЛИ УЗЛА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОНСТРУКЦИИ В СРЕДЕ AUTOCAD

Ш.Х. Султонов, Ф.И. Джумабаева, И.Р. Жураев

Ташкентский государственный транспортный университет,

г. Ташкент, Узбекистан.

Аннотация. Предложена формализованная методика построения 3D-модели узла металлической конструкции по исходному чертежу в среде AutoCAD. Методика основана на предварительном анализе чертежа, декомпозиции узла на конструктивные элементы, выборе базовой детали, классификации элементов по геометрическим признакам и назначении рациональной операции моделирования. На примере узла с фасонным листом, листовыми планками и равнополочными уголками показана последовательность создания прототипов, их повторного использования, пространственного позиционирования и сборки. Научно-методическая новизна работы заключается в переходе от описания отдельных команд AutoCAD к воспроизводимому алгоритму выбора способа построения элемента в зависимости от его геометрии, повторяемости и пространственной ориентации.

Ключевые слова: металлическая конструкция, узел, 3D-модель, AutoCAD, алгоритм моделирования, декомпозиция, пространственная сборка.      

DEVELOPMENT OF A FORMALIZED METHODOLOGY FOR CONSTRUCTING A 3D MODEL OF A STEEL STRUCTURAL JOINT IN AUTOCAD

Sh.Kh. Sultonov, F. I. Djumabaeva, I.R. Juraev

Tashkent State Transport University, Tashkent, Uzbekistan

Abstract. A formalized methodology for constructing a 3D model of a steel structural joint based on an original engineering drawing in AutoCAD is proposed. The methodology is based on preliminary analysis of the drawing, decomposition of the joint into structural elements, selection of a base component, classification of elements according to their geometric features, and assignment of an appropriate modeling operation. Using a joint consisting of a gusset plate, steel plates, and equal-leg angle sections as an example, the sequence of creating prototype elements, reusing them, spatial positioning, and assembling the complete model is demonstrated. The scientific and methodological novelty of the study lies in the transition from describing individual AutoCAD commands to a reproducible algorithm for selecting an appropriate element-modeling method depending on its geometry, repeatability, and spatial orientation.

Keywords: steel structure, structural joint, 3D model, AutoCAD, modeling algorithm, decomposition, spatial assembly.

Введение

Узлы металлических конструкций представляют собой совокупность взаимосвязанных стальных элементов, положение и способ соединения которых задаются рабочими чертежами. При чтении таких чертежей необходимо по видам, сечениям и размерам восстановить пространственное положение колонн, балок, уголковых профилей, фасонных листов и других деталей. Трехмерная модель облегчает анализ взаимного расположения элементов и может использоваться как на этапе инженерной подготовки, так и при обучении строительному черчению [1, 2].

  Вместе с тем построение 3D-модели по готовому двумерному чертежу часто выполняется как последовательность отдельных программных действий без формализованного выбора базового элемента, способа создания геометрии и порядка позиционирования деталей. В результате одна и та же конструкция может моделироваться различными способами, причем часть операций неоправданно повторяется. Поэтому актуальной является задача разработки воспроизводимой последовательности перехода от 2D-чертежа к пространственной модели.

Рисунок 1. Пример узла металлической конструкции: крепление балок к стенке колонны.

На рис. 1 приведен характерный узел металлической конструкции. Колонна имеет двутавровое сечение и состоит из двух полок и стенки, соединенных заводскими сварными швами. Двутавровые балки присоединяются к стенке колонны болтами и взаимодействуют с соединительными уголками. Подобные узлы содержат детали различной геометрии и ориентации, что требует заранее определить рациональную последовательность их пространственного моделирования.

Целью данной работы является разработка формализованной методику построения 3D-модели узла металлической конструкции по двумерному чертежу в среде AutoCAD.

Объект исследования и постановка задачи

В качестве объекта для апробации методики рассматривается более компактный узел металлической конструкции, включающий фасонный лист, листовые планки и равнополочные уголковые профили (рис. 2). Такое представление позволяет проследить все основные операции перехода от двумерного чертежа к пространственной сборке без изменения конструктивного смысла исходного узла.

Исходными данными являются геометрия фасонного листа, размеры листовых элементов и профиль уголков. На схеме каркаса нижний узел показан в масштабе 1:200. Равнополочные уголки 80x80x8 мм используются в качестве раскосов и нижнего пояса и соединяются с фасонным листом сварными швами. Толщина основных листовых элементов в рассматриваемом примере составляет 20 мм.

Рисунок 2. Исходный чертеж и пространственное представление узла с фасонным листом.

Предметом исследования является не прочностной расчет соединения, а логика геометрического формирования 3D-модели по данным 2D-документации. Для каждого элемента необходимо определить: исходную рабочую плоскость, способ получения объема, необходимость повторного построения, наличие симметрии, пространственную ориентацию относительно базовой детали.

Основной критерий рациональности принят в виде минимизации повторного построения одинаковой геометрии. Если элемент может быть получен из ранее созданного прототипа посредством копирования, зеркального отражения или пространственного преобразования, повторное построение его исходного контура не выполняется.

Таким образом, методика должна обеспечивать однозначный переход от геометрических признаков детали к рекомендуемой операции AutoCAD и задавать порядок сборки, при котором каждый последующий элемент позиционируется относительно уже определенной базовой геометрии.

Формализованная методика построения 3D-модели

Предлагается рассматривать узел как множество конструктивных элементов  Для каждого элемента  задается набор признаков: тип геометрии , основные размеры , признак повторяемости или симметрии  и пространственная ориентация . Условно это можно записать в виде:

На основе этого набора признаков выбирается операция моделирования . Например, плоская деталь произвольного контура формируется из замкнутой полилинии с последующим вытягиванием; прямоугольная листовая деталь - как объемный примитив; профиль постоянного сечения - вытягиванием поперечного сечения; повторяющийся или симметричный элемент - из одного прототипа копированием или зеркальным отражением.

Предлагаемая последовательность включает семь этапов: 1) анализ исходного 2D-чертежа; 2) декомпозицию узла на элементы; 3) выбор базовой детали и рабочей системы координат; 4) построение прототипов основных типов элементов; 5) формирование повторяющихся и симметричных деталей; 6) пространственное позиционирование и сборку; 7) геометрический контроль соответствия исходному чертежу.

Таблица 1. Правила выбора способа построения элементов узла

Реализация предложенной методики в среде AutoCAD

На первом этапе выполняются анализ исходного чертежа и выбор рабочей плоскости. Для фасонного листа базовым принимается вид спереди, поскольку его основной контур полностью определяется в этой плоскости. Для контроля пространственной ориентации используются стандартные виды и изометрические проекции. На рис. 3 показан пример перехода от вида спереди к изометрическому представлению.

    а                                          б                                    в

Рисунок 3. Выбор рабочей плоскости и контроль координатной системы: а - вид спереди; б - исходное положение координатных осей; в - положение осей после выбора изометрического вида.

После выбора рабочей плоскости инструментом «Полилиния» строится замкнутый двумерный контур фасонного листа в соответствии с заданными размерами (рис. 4, а). Такой контур используется как генератор объемной модели. Переход к изометрическому виду (рис. 4, б) необходим для визуального контроля направления последующего вытягивания.

      а                                         б

Рисунок 4. Формирование фасонного листа: а - исходный 2D-контур; б - изометрический вид.

С помощью команды «Вытягивание» замкнутому контуру задается толщина 20 мм, в результате чего формируется твердотельная модель фасонного листа (рис. 5). Выбор этой операции определяется геометрическим признаком детали: ее форма задается произвольным плоским контуром, а третье измерение является постоянной толщиной. Команда «Вытягивание» в AutoCAD предназначена для получения 3D-тела из объекта, ограничивающего область [4].

Рисунок 5. Создание 3D-модели фасонного листа методом вытягивания.

Листовые элементы прямоугольной формы рационально моделировать как объемные примитивы. Сначала выбирается вид «Сверху», затем для контроля положения модели устанавливается изометрический вид. В рассматриваемом примере используется «ЮВ изометрия».

Планка 1, расположенная в нижней части конструкции, создается командой «Ящик» с размерами X = 190 мм, Y = 240 мм, Z = 20 мм. В данном случае применение объемного примитива исключает необходимость отдельно строить прямоугольный контур и затем выполнять его вытягивание (рис. 6).

Остальные прямоугольные листовые элементы формируются по тому же правилу. Для планки 2 задаются размеры X = 20 мм, Y = 240 мм, Z = 620 мм, а для планки 3 - X = 100 мм, Y = 240 мм, Z = 20 мм (рис. 7). Использование единого правила построения для деталей одного геометрического класса делает последовательность действий воспроизводимой.

На следующем этапе создается прототип стального уголкового профиля. Поскольку уголок имеет постоянное поперечное сечение, его рационально формировать по схеме «поперечное сечение + вытягивание». Для уголка, продольная ось которого параллельна оси X узла, поперечное сечение строится на виде «Слева» (рис. 8).

После построения поперечного сечения выполняется переход к изометрическому виду. Командой «Вытягивание» формируется трехмерный уголок требуемой длины (рис. 9). Если на исходном чертеже показана только часть общей фермы, длина вспомогательного прототипа может быть выбрана с запасом, а окончательное положение определяется на стадии пространственной сборки.

Рисунок - 9. Формирование 3D-модели уголка командой «Вытягивание».

Парное расположение уголков позволяет не строить второй элемент заново. Он создается из первого прототипа с помощью команды «Зеркальное отражение». Расстояние между парными уголками принимается равным толщине листа - 20 мм. Для трехмерных объектов AutoCAD поддерживает зеркальное копирование относительно заданной плоскости [5].

После формирования прототипов выполняется пространственная сборка узла. Нижний пояс и раскосы получают посредством операций «Копирование», «3D-перенос» и «3D-поворот». При таком порядке геометрия типового уголка создается один раз, а дальнейшие элементы формируются преобразованием уже проверенного прототипа. Завершающий этап методики включает контроль размеров, расстояний между парными профилями, ориентации раскосов и взаимного положения сопрягаемых поверхностей.

Результаты и обсуждение

Применение предложенной методики к рассматриваемому узлу показало возможность разделить процесс моделирования на устойчивые логические стадии, не зависящие от конкретного расположения кнопок интерфейса: анализ исходной документации, классификация геометрии, создание прототипов, повторное использование типовых элементов, пространственная сборка и контроль. Основным результатом является не набор команд AutoCAD, а правило выбора операции по признакам элемента.

В рассматриваемой конструкции фасонный лист относится к классу плоских деталей произвольного контура и поэтому создается через 2D-контур с последующим вытягиванием. Планки относятся к прямоугольным листовым деталям и формируются как объемные примитивы. Уголок относится к профилям постоянного сечения и создается вытягиванием одного поперечного сечения. Парность и повторяемость уголков используются как основания для зеркального отражения и копирования. Такое сопоставление представлено в табл. 2.

     Таблица 2. Применение формализованных правил к исследуемому узлу

Научно-методическая ценность предложенного подхода состоит в формализации логики перехода от 2D-документации к 3D-модели. В отличие от пошаговой инструкции, привязанной к интерфейсу программы, методика задает общие правила: сначала определяется геометрический класс элемента, затем выбирается способ построения, после чего используются повторяемость, симметрия и пространственные преобразования. Это делает последовательность применимой к другим узлам, содержащим листовые детали и профили постоянного сечения.

Ограничением работы является отсутствие количественного сравнения времени моделирования и числа ошибок с альтернативными последовательностями. Поэтому в настоящей статье не вводятся неподтвержденные показатели эффективности. В дальнейшем методика может быть дополнена экспериментальной оценкой трудоемкости, количества операций и точности восстановления геометрии по исходному чертежу.

Заключение

Разработана формализованная методика построения 3D-модели узла металлической конструкции по двумерному чертежу в среде AutoCAD. Методика включает анализ исходной документации, декомпозицию конструкции, выбор базового элемента, классификацию деталей по геометрическим признакам, создание типовых прототипов, использование операций повторения и симметрии, пространственную сборку и итоговый геометрический контроль. На примере узла с фасонным листом, тремя листовыми элементами и уголковыми профилями показано, что каждой группе деталей можно сопоставить рациональный способ построения. Предложенный подход позволяет представить процесс 3D-моделирования как воспроизводимый алгоритм, а не как набор несвязанных команд, что особенно важно для учебных задач и начального освоения пространственного моделирования.

Актуальность инженерного размышления подразумевает изучение моделей, геометрический анализ, правил и механизмов во всех области инженерии [6].

Данная научно-методическая работа включает развитие компетенций в области компьютерной графики и обучение основам современных информационных технологий. Разработанный педагогический подход к подготовке инженерных кадров в области интеллектуального транспорта и цифровой инфраструктуры в Узбекистане, делая акцент на развитии навыков компьютерной графики и базовом использовании современных ИТ-инструментов [7].

Список использованной литературы

1.        Будасов Б.В. Строительное черчение / Б.В. Будасов, В.П. Каминский, Г.Б. – М.: Архитектура, 2007. – 456 с.

2.        Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В., Белый Г.И. и др. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Конструкции зданий: Учеб. для строит. вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002. – 528с.: ил.

3.        ГОСТ 21.502-2016. Система проектной документации для строительства. Правила выполнения рабочей документации металлических конструкций. М.: Стандартинформ, 2017.

4.        Autodesk. AutoCAD Help. EXTRUDE (Command): создание 3D-тела или поверхности путем вытягивания исходного объекта. Официальная документация Autodesk. URL: https://help.autodesk.com/.

5.        Autodesk. AutoCAD Help. MIRROR3D (Command): создание зеркальной копии выбранных 3D-объектов относительно заданной плоскости. Официальная документация Autodesk. URL: https://help.autodesk.com/.

6.        Алимов Б.М., Синдаров Р.У. Graphical analytical modeling of the kinematic scheme of a rock-piston pump 10.21595/vp.2025.25285

7.        Мамурова, Феруза И., Дильшодбеков, Шохбоз Д.. Маликов, Козим Г., Алимов, Фахриддин Х., Ахмедов, Нурали О. Усовершенствованный педагогический подход к подготовке специалистов инженерной деятельности в области интеллектуального транспорта и цифровой инфраструктуры в Узбекистане. 10.1007/978-3-032-12181-3_27

Скачано с www.znanio.ru