Подготовительные работы с 3D
реклама
Содержание Введение Глава 1 Основные характеристики современного спортивного автомобиля 1.1. Двигатель внутреннего сгорания 1.2. Аэродинамика Глава 2 Исследование 2.1. Описание 3Ds Max 2011 2.2. Создание 3D модели современного спортивного автомобиля 2.3. Исследование интереса учащиеся 9-х классов к моделированию в 3Ds Max 2011 Заключение Список использованных источников 3 4 4 10 17 17 22 26 28 29 Введение Актуальность применения трехмерного моделирования в области ГИС объясняется, прежде всего, тем, что оно обеспечивает большую наглядность и интерпретируемость данных, предоставляет возможность наиболее полно передавать информацию об изменениях объектов и исследуемой среды с течением времени, а также позволяет реализовать ряд прикладных задач недоступных для решения с использованием двухмерных данных. Использование трехмерных моделей позволяет: точно определять пространственные, географические координаты объектов; получать информацию о высоте строения; комбинировать тематические слои цифровой карты, а также данные снимка с внедренными 3D объектами; осуществлять реалистичное отображение территории и виртуальное передвижение по модели; проводить анализ зон видимости и определение линии взгляда; проводить интерполяцию по точкам высот. Кроме того, по таким моделям легко можно производить расчеты площадных и объемных характеристик поверхностей и уклонов, экспозиций и отмывки рельефа, а также выполнять построение профилей и изолиний рельефной поверхности. Это очень удобно для тех, кому важно наиболее полное представление о пространственном распределении векторных и растровых данных. 3D-моделирование ситуаций дает возможность визуальной оценки взаимного влияния различных факторов друг на друга и составления последующего прогноза развития ситуации. Совместное использование функций растрово-векторного и интерактивного трехмерного анализа и визуализации, позволяет получать актуальную и полезную информацию: от анализа трехмерных поверхностей загрязнения воздуха до выявления демографических закономерностей на определенной территории. Цель работы: создание 3D модели современного спортивного автомобиля Задачи проекта: - изучить основные возможности двигателя внутреннего сгорания и аэродинамики - исследовать возможности 3Ds Max 2011. - используя знания о двигателе внутреннего сгорания и аэродинамики создать 3D модель современного спортивного автомобиля. - определить интерес учащиеся 9-х классов к моделированию в 3Ds Max 2011. Объект исследования: изучение возможностей 3Ds Max 2011. Предмет исследования: 3D модель современного спортивного автомобиля, созданная в 3Ds Max 2011. Гипотеза проекта: доказать, что изучив основные функции 3Ds Max 2011, можно самостоятельно создать 3D модель автомобиля. 3 Глава 1 Основные характеристики современного спортивного автомобиля 1.1. Двигатель внутреннего сгорания Двигатель внутреннего сгорания – тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя. Как любая другая тепловая машина, ДВС преобразует теплоту сгорания топлива в механическую работу. По сравнению с двигателями внешнего сгорания ДВС: не имеет дополнительных элементов теплопередачи - топливо, сгорая, само образует рабочее тепло. компактнее, так как не имеет целого ряда дополнительных агрегатов легче экономичнее потребляет газообразное или жидкое топливо, обладающее весьма жестко заданными параметрами (испаряемостью, температурой вспышки паров, плотностью, теплотой сгорания, октановым или цетановым числом), так как от этих свойств зависит сама работоспособность ДВС. Рис. 1.1. – Схема: Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с резонаторной трубой. Рис. 1.2. – Рядный четырёхцилиндровый двигатель внутреннего сгорания Типы двигателей внутреннего сгорания: Поршневые двигатели - камера сгорания содержится в цилиндре, тепловая энергия превращается в механическую с помощью кривошипно-шатунного механизма. Рис. 1.3. - Поршневой ДВС Газовая турбина - преобразование энергии осуществляется ротором с клиновидными лопатками. Рис. 1.4. - Газотурбинный ДВС Жидкостно-реактивный двигатель и воздушно-реактивный двигатель преобразуют энергию сгорающего топлива непосредственно в энергию реактивной газовой струи. Роторно-поршневые двигатели - в них преобразование энергии осуществляется за счет вращения рабочими газами ротора специального профиля (двигатель Ванкеля). 4 Рис. 1.5. - Роторный ДВС ДВС классифицируют: а) По назначению - на транспортные, стационарные и специальные. б) По роду применяемого топлива - легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты). в) По способу образования горючей смеси - внешнее (карбюратор) и внутреннее (в цилиндре ДВС). г) По объему рабочих полостей и весогабаритным характеристикам - легкие, средние, тяжелые, специальные. Помимо приведенных выше общих для всех ДВС критериев классификации существуют критерии, по которым классифицируются отдельные типы двигателей. Так, поршневые двигатели можно классифицироать по количеству и расположению цилиндров, по количеству и расположению коленчатых и распределительных валов, по типу охлаждения, по наличию или отсутствию крейцкопфа, наддува (и по типу наддува), по способу смесеобразования и по типу зажигания, по количеству карбюраторов, по типу газораспределительного механизма. Октановое число топлива Энергия передается на коленчатый вал двигателя от расширяющихся газов во время рабочего хода. Сжатие топливо-воздушной смеси до объёма камеры сгорания повышает эффективность работы двигателя и увеличивает его КПД, но увеличение степени сжатия также увеличивает вызываемое сжатием нагревание рабочей смеси согласно закону Шарля. Если топливо легковоспламеняемое, вспышка происходит до достижения поршнем ВМТ. Это, в свою очередь, заставит поршень провернуть коленвал в обратном направлении - такое явление называют обратной вспышкой. Октановое число является мерой процентного содержания изооктана в гептаноктановой смеси и отражает способность топлива противостоять самовоспламенению под воздействием температуры. Топлива с более высокими октановыми числами позволяют двигателю с высокой степенью сжатия работать без склонности к самовоспламенению и детонации и, стало быть, иметь более высокую степень сжатия и более высокий КПД. Работа дизельных двигателей обеспечивается самовоспламенением от сжатия в цилиндре чистого воздуха или бедной газовоздушной смеси, неспособной к самостоятельному горению (газодизель) и отсутствия в заряде топлива до последнего момента. Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня Одним из основополагающих параметров ДВС является отношение хода поршня к диаметру цилиндра (или наоборот). Для более быстроходных бензиновых двигателей это отношение близко к 1, на дизельных моторах ход поршня, как правило, тем больше диаметра цилиндра, чем больше двигатель. Самым оптимальным с точки зрения газодинамики и охлаждения поршня является соотношение 1:1. Чем больше ход поршня, тем больший крутящий момент развивает двигатель и тем ниже его рабочий диапазон оборотов. Наоборот, чем больше диаметр цилиндра, тем выше рабочие обороты двигателя и тем ниже его крутящий момент. При большем диаметре цилиндра/поршня сложнее обеспечить должный теплоотвод от донышка поршня ввиду его больших линейных размеров. Бензиновые Бензиновые карбюраторные Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность. Бензиновые инжекторные Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного (моновпрыск), и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плун5 жерно-рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется с помощью электронного блока управления (ЭБУ), управляющего электрическими бензиновыми вентилями. Дизельные, с воспламенением от сжатия Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый от сжатия в цилиндре воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топливной смеси происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топливной смеси возникают очаги сгорания, по мере впрыскивания топливная смесь сгорает в виде факела. Так как дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что, в сочетании с длительным горением, обеспечивающим постоянное давление рабочего процесса, благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 70 % в случае с крупными судовыми двигателями. Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо, в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора. Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты. Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её гибридов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах. Газовые двигатели - отсекатели Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях: смеси сжиженных газов - хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. сжатые мозговые створки - хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя. генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются: уголь торф древесина Газодизельные Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю. Роторно-поршневой Рис. 1.6. - Схема цикла двигателя Ванкеля: впуск (intake), сжатие (compression), рабочий ход (ignition), выпуск (exhaust); A — треугольный ротор(поршень), B — вал. Предложен изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 86 образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗОЧКОЙ в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426,ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки. В Германии в конце 70-х годов ХХ века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии». RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок. Турбонагнетание Турбонагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это такой нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова «турбина» (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закреплённых на противоположных концах общего вала. Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На валу, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет «закачивать» под давлением воздух в цилиндры ДВС. Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного воздуха в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема). Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Здесь был Вася.Нагнетание обстановки обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором. На холостом ходу, при небольших оборотах, турбокомпрессор вырабатывает небольшую мощность и приводится в движение малым количеством выхлопных газов. В этом случае турбонагнетатель малоэффективен, и двигатель работает примерно так же, как без нагнетания. Когда от двигателя требуется намного большая выходная мощность, то его обороты, а также зазор дросселя, увеличиваются. Пока количества выхлопных газов достаточно для вращения турбины, по впускному трубопроводу подаётся намного больше воздуха. Турбонагнетание позволяет двигателю работать более эффективно, потому что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна. Однако существует технологическое ограничение, известное как «турбояма» («турбозадержка») (за исключением моторов с двумя турбокомпрессорами — маленьким и большим, когда на малых оборотах работает маленький ТК, а на больших — большой, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры). Мощность двигателя увеличивается не мгновенно из-за того, что на изменение частоты вращения двигателя, обладающего некоторой инерцией, будет затрачено определённое время, а также из-за того, что чем больше масса турбины, тем больше времени потребуется на её раскручивание и создание давления, достаточного для увеличения мощности двигателя. Кроме того, повышенное выпускное давление приводит к тому, что выхлопные газы передают часть своего тепла механическим частям двигателя (эта проблема частично решается заводами-изготовителями японских и корейских ДВС путём установки системы дополнительного охлаждения турбокомпрессора антифризом). Комбинированный двигатель внутреннего сгорания – двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Приме7 ром комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер, профессор А. Н. Шелест. Циклы работы поршневых ДВС Рис. 1.7. - Двухтактный цикл Рис. 1.8. - Схема работы четырёхтактного двигателя, цикл Отто 1. впуск 2. сжатие 3. рабочий ход 4. выпуск Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные. Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа или 720 градусов поворота коленчатого вала (ПКВ), состоящий из четырёх отдельных тактов: 1. впуска, 2. сжатия заряда, 3. рабочего хода и 4. выпуска (выхлопа). Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна. Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики — инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения. Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Особенно пригодны для этой цели двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW, Mazda). Имеются также двигатели с переменной степенью сжатия (SAAB AB), обладающие большей гибкостью характеристики. Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя — исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ) до 20—30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20—30 градусов после НМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания — дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД. В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные 8 двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров. Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня + высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил, увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором. Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами. Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом. В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки — петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы — изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели голов, рук и ног, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа). Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки — относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала. 1.2. Аэродинамика Аэродинамика автомобиля — это раздел аэродинамики, изучающий аэродинамику автомобилей и другого дорожного транспорта. К числу первых автомобилей с кузовами удобообтекаемых форм следует отнести автомобили, построенные Женетти, Бергманом, Альфа-Ромео, Румплером и Яраем, появившиеся не столько в связи с изучением законов аэродинамики, сколько в результате чисто механического заимствования форм, используемых в снарядо-, корабле-, дирижабле- и самолетостроении. Наибольшего внимания заслуживает автомобиль конструкции инженера Ярая, который считал, что для тела, движущегося в непосредственной близости к поверхности дороги, в качестве теоретически наивыгоднейшей формы может служить разделенный пополам корпус дирижабля со слегка выпуклой нижней стороной и тщательно закругленными краями. Есть отличия в аэродинамике автомобилей и аэродинамике воздушного транспорта. Вопервых, характерная форма дорожного транспорта намного менее обтекаемая в сравнении с воздушным транспортом. Во-вторых, для автомобилей необходимо учитывать влияние дорожного покрытия на потоки воздуха. В-третьих, скорости наземного транспорта намного меньше. Вчетвертых, у наземного транспорта меньше степеней свободы чем у воздушного, и его движение меньше зависит от аэродинамических сил. В-пятых, Наземный транспорт имеет особые ограничения во внешнем виде, связанные с высокими требованиями безопасности. И, наконец, большинство водителей наземного транспорта менее обучены, чем пилоты и обычно водят, не стремясь достичь максимальной экономичности. Особое внимание заслуживает влияние аэродинамики на устойчивость и управляемость автомобилем. Это в первую очередь связано с возникновением подъемной силы, которая серьезно влияет на ходовые качества машины - уменьшает силу сцепление колес с дорогой, а в некоторых случаях может быть одной из причин опрокидывания автомобиля. Причина появления подъемной силы у автомобиля кроется в форме его профиля. Длины путей движения воздуха под автомобилем и над ним существенно разняться, следовательно, обтекаемому сверху воздушному потоку 9 приходится проходить его с большей скоростью, нежели потоку движущемуся внизу автомобиля. Далее вступает в действие закон Бернулли, по которому, чем больше скорость, тем меньше давление и наоборот. Поэтому внизу автомобиля создается область повышенного давления, а сверху пониженного. В результате получаем подъемную силу. Конструкторы стремятся всякими ухищрениями свести ее к нулю, и частенько это им удается. Так, например, у "десятки" нулевая подъемная сила, а у "восьмерки" существует тенденция к подъему. Избавиться от подъемной силы можно установкой антикрыльев. Они создают дополнительную прижимную силу, хотя несколько и ухудшают общее аэродинамическое сопротивление. Следует заметить, что используются они в основном на гоночных болидах. Не следует путать между собой антикрыло и спойлер. Каждый из них выполняет свою задачу. Спойлеры, которые устанавливаются на серийные модели легковых автомобилей, предназначены в большей степени для лучшей организации движения потока воздуха. На устойчивость автомобиля влияет и характер обтекания кузова воздушными потоками, направленными под определенным углом к его продольной оси. В этом случае результирующая сила лобового сопротивления, приложенная к его центру парусности, который находится на некотором расстоянии от поверхности контакта автомобиля с дорогой, а также смещен от его центра масс, создает разворачивающий момент и крен автомобиля. Ощутить всю прелесть данного явления можно, например, на "Таврии" при движении на высокой скорости в момент прохождения рядом "фуры". Как оценить потери мощности на качение шин? Если дорога имеет твердое, ровное покрытие, а давление в шинах нормальное, то в широком диапазоне скоростей (примерно до 60–70% от максимальной) сила сопротивления качению шин почти постоянна и, по данным ряда исследований, составляет 0,013–0,015 полного веса машины. На скоростях 150–160 км/ч этот коэффициент может увеличиваться в зависимости от особенностей шины, давления в ней, температуры и т. д. до значений 0,019–0,020. А вот другая составляющая пространства – это воздух. Чем быстрее едешь, тем сильнее его сопротивление. На очень высоких скоростях воздух становится "железным": так, на некоторых боевых самолетах при энергичных маневрах один квадратный метр крыла испытывает нагрузку до нескольких тонн. Сопротивление воздуха – главный враг высоких скоростных показателей. Этот «враг» по-настоящему серьезен, так как резко увеличивается с ростом скорости: увеличили ее втрое – сила сопротивления подскочила в девять раз! Она пропорциональна квадрату скорости. Но чтобы вычислить аэродинамическое сопротивление автомобиля, достаточно знать два важных его показателя. Во-первых, коэффциент аэродинамического сопротивления Cx . Его называют коэффициентом формы – вполне справедливо, так как он указывает именно на совершенство формы. "Це-икс" грузовиков и мотоциклов может достигать 0,6–1,0, для легковых машин типа "жигулей" составляет примерно 0,45, у лучших современных автомобилей – ниже 0,3. Вовторых, максимальная площадь поперечного сечения машины S (лобовая площадь). Поле потока вокруг легкового автомобиля Вообще, оценивая различные тела, которые перемещаются в воздушном пространстве, можно понять, что «грамотная» форма объекта – это необходимое условие, чтобы перемещение было менее трудным. На рисунке 1.10 сравниваются тела с одинаковым отношением длины к высоте l/h или длины к диаметру 1/d (это отношение иногда называют коэффициентом полноты тела); фактор близости основания (т.е. поверхности дороги) при таком рассмотрении может не учитываться. Рис. 1.9. - Соотношение мощности к скорости Так изменяется необходимая для движения мощность в зависимости от скорости автомобиля: N – мощность, л.с.; V – скорость, км/ч (м/с); Cx – коэффициент аэродинамического сопротивления; S – "лобовая площадь" автомобиля; 10 1 – расчетная мощность, с учетом изменения потерь на качение шин по скорости; 2, 6 – характеристики максимальной ("располагаемой") мощности двигателей ВАЗ-2103 и ВАЗ-2101; 3, 4 – результаты расчета для попутного и встречного ветра 5 м/с; 5 – расчетная кривая необходимой мощности для современного автомобиля со сниженным аэродинамическим сопротивлением Сх = 0,3. Рис. 1.10. – Сравнение тел. Аэродинамическое сопротивление тела вращения (Cx~0,05) состоит преимущественно из сопротивления трения; предельный случай чистого сопротивления трения имеет место при продольном обтекании плоской пластины. Для этого вида сопротивления имеется хорошая теоретическая база. Влияние вязкости воздуха заметно только в очень тонкой, прилежащей к стенкам зоне, называемой пограничным слоем. Основываясь на экспериментально определенных законах распределения касательных напряжений вдоль стенок, можно рассчитать характеристики этого пограничного слоя, например его толщину, касательное напряжение вдоль стенки, место отрыва, для этого лишь необходимо, чтобы был предварительно рассчитан внешний поток, который в данном случае рассматривается как идеальный, т.е. не обладающий вязкостью. Таким образом, можно провести оптимизацию, например, тела вращения, т.е. для тела с предварительно заданным отношением l/h и предварительно заданным объемом можно рассчитать форму, обеспечивающую минимальное аэродинамическое сопротивление. В дальнейшем можно, используя теоретические преобразования, пересчитать полученные для этого тела результаты применительно к телу, напоминающему автомобиль. Однако с уменьшением коэффициента полноты l/d сопоставимость теоретических расчетов с экспериментальными данными ухудшается. Причина этого заключается в отличие давлений, рассчитанных теоретически и имеющих место в реальных условиях, в области отрываемого потока (базовое давление, в отечественной литературе этот параметр часто называют донным давлением). Аэродинамическое сопротивление прямоугольного параллелепипеда, обтекаемого продольным потоком (Cx~0,9) является в основном сопротивлением давления, в чистой форме этот вид сопротивления имеет место при обтекании плоской пластины, расположенной поперечно к потоку. Но даже в этом простом случае - простом в смысле того, что место отрыва однозначно определено острыми кромками - сопротивление давления в интересующем нас случае турбулентного потока в вихревом следе за пластиной не подается расчету. Обратное действие области возмущенного потока, в которой существенно влияние трения, на идеальный, не обладающий вязкостью внешний поток гораздо сильнее, чем в случае пограничного слоя. Общепризнанной модели для вихревого следа за телом, несмотря на интенсивные работы по ее созданию, до сих пор нет. Итеративное рассмотрение идеального, не обладающего вязкостью, а затем реального, обладающего вязкостью, потока - как в случае пограничного слоя - невозможно. Решение полных уравнений движения, так называемых уравнений Навье-Стокса, возможно только для ламинарного потока, когда закон изменения касательных напряжений известен; в случае турбулентного потока из-за отсутствия подходящего закона изменения касательных напряжений, не говоря уже о проблемах вычисления, такого решения нет. Легковой автомобиль, несмотря на меньшее по сравнению с параллелепипедом аэродинамическое сопротивление, по механике потока ближе к параллелепипеду и сильно удален от тела вращения. Как будет показано в двух последующих разделах, обтекание автомобиля сопровождается отрывами, а его аэродинамическое сопротивление является пре-имущественно сопротивлением давления. Так как аэродинамическое сопротивление не поддается расчету, то были предприняты попытки каталогизировать его в зависимости от основных параметров формы. Можно сказать, что эти усилия до сегодняшнего дня безуспешны. Число параметров, описывающих геометрию легкового автомобиля, слишком велико, и отдельные поля потоков находятся в весьма сложном взаимодействии друг с другом. 11 Спойлер передка может выполняться отдельно устанавливаемой деталью кузова либо изготовляться как единое целое с панелью передка, т.е. отштамповываться совместно с ней. В первом случае существует относительно большая свобода в выборе положения, высоты и наклона спойлера. Во втором случае возможности при выборе параметров спойлера меньше, связано это прежде всего с технологическими причинами. Рис. 1.11. – Спойлер. Стойка ветрового стекла (стойка А). Влияние стойки ветрового стекла на аэродинамическое сопротивление очень сильно зависит от положения и формы ветрового стекла, а также от формы передка. Решая вопрос снижения аэродинамического сопротивления путем правильного формообразования стойки ветрового стекла, как, впрочем, и любого другого элемента кузова, необходимо учитывать технологические возможности изготовления и ее функциональную нагрузку, которая заключается, например, в защите передних боковых стекол от попадания дождевой воды и грязи, сдуваемой с ветрового стекла, в поддержании приемлемого уровня внешнего аэродинамического шума и др. Рис. 1.12. - Схема обтекания передка легкового автомобиля и его элементов Полученное таким образом поле потока для легкового автомобиля представлено на рис. Поле потока характеризуется многочисленными отрывами. Места, в которых может иметь место отрыв потока, показаны отдельно. Можно выделить два типа отрывов, а именно двумерные и трёхмерные. Линия отрыва в двумерном случае проходит преимущественно перпендикулярно к местному направлению потока. Если имеет место повторное прилегание потока, то образуются так называемые обратные потоки (циркулирующие потоки). Такие вихри могут возникать в следующих местах: на передней кромке капота; сбоку на крыльях; в зоне, образованной пересечением капота и ветрового стекла; на переднем спойлере и, возможно, в зоне излома при ступенчатой форме задней части автомобиля. Зоны, в которых оторвавшийся поток представляет собой близкое к двухмерному вихревое движение (зоны "спокойной воды") чаще всего образуются с обратной стороны задка автомобиля. Рис. 1.13. - Схематичное изображение формы потока при различных исполнениях задней части автомобиля В зависимости от структуры поля потока за автомобилем образуется длинный, сильно вытянутый назад открытый или короткий замкнутый вихревой след (см. рис.). Оторвавшиеся потоки совершают циркулирующие движения, оси которых, как правило, проходят перпендикулярно к набегающему невозмущенному потоку и параллельно к линии отрыва. На рис. для каждой из трех форм задней части автомобиля показана пара вихрей, вращающихся навстречу друг другу. Нижний вихрь вращается в направлении против часовой стрелки; именно он переносит частицы грязи на обратную сторону автомобиля. Верхний вихрь вращается в противоположную сторону, т.е. по часовой стрелке. 12 Конструкторы наблюдали, что после отрыва потока в вихревом следе образуется пара противоположно вращающихся продольных вихрей, которая в случае формы задка "универсал" индуцирует восходящий поток, а при плавно спускающейся и ступенчатой формах задка - нисходящий поток в вихревом следе. При форме задка "универсал" пара вихрей поднимется в направлении потока и перемещается к плоскости симметрии. При плавно спускающейся и ступенчатой формах задка вихри вдоль потока опускаются к дороге и перемещаются наружу. Можно предположить, что эти продольные вихри являются продолжением описанных выше поперечных вихрей. Второй тип отрыва имеет трехмерный характер; эти отрывы на рис. отмечены штрихпунктирными линиями или заштрихованными зонами. Вихревые трубки образуются на наклонно обтекаемых острых кромках, совершенно так же, как на треугольном крыле самолета. Такая пара вихрей образуется на правой и левой стойках ветрового стекла, так называемых стойках А. В районе верхнего конца стоек указанная пара вихрей изгибается по направлению к крыше; их дальнейшее взаимодействие с потоком в районе задней части автомобиля еще не изучено. Ярко выраженная пара вихревых трубок образуется позади автомобиля при определенном наклоне линии задка (см. рис.). Эти вихри взаимодействуют с внешним потоком и с двухмерным вихревым следом. Они в значительной степени аналогичны кромочным вихрям крыла конечного размаха. Указанные вихревые трубки в пространстве между их осями индуцируют поле нисходящего потока, которое определяет расположение линии отрыва потока, обтекающего тело. Этот механизм становится понятным, если рассмотреть рис. На правой фотографии существует пара сильных вихрей; на левой фотографии образование такой пары искусственным путем предотвращено. В первом случае индуцированный парой вихревых трубок нисходящий поток способствует тому, что линия отрыва расположена очень низко, и это приводит к образованию небольшого замкнутого вихревого следа. Во втором случае поток отрывается от задней кромки крыши, вихревой след так сильно вытянут, что оканчивается вне пространства, имеющегося для наблюдений (длина рабочей части аэродинамической трубы). Следует указать на то, что конструкторы на своей модели автомобиля с плавно спускающейся формой задка не наблюдали описанные выше продольные вихревые трубки; другие измерения явно показали существование этой пары вихрей. Указанное несоответствие лишний раз подтверждает, что этот процесс формирования потока за автомобилем изучен еще не в полной мере. Рис. 1.14. - Вращающиеся навстречу друг другу поперечные вихри в вихревом следе за автомобилями с разной формой задка: а) ступенчатая форма задка; б) плавно спускающаяся форма задка; в) круто спускающаяся форма задка Для чего нужен козырёк? Для анализа "десятку" загнали в аэродинамическую трубу. Вопреки ожиданиям, подъемная сила осталась прежней. Да и коэффициент аэродинамического сопротивления изменился незначительно - следовательно, существенного увеличения расхода топлива не будет. Правда, немного изменился опрокидывающий момент -при установке козырька на "десятку" подъемная сила, действующая на колеса передней оси, увеличивается на 50 Н, а задние колеса немного догружаются. Если для визуализации воздушных потоков пустить над капотом "десятки" струю дыма, то видно, что сразу за козырьком воздух закручивается в вихре, и это создает над капотом значительное разрежение. Из-за этого поток воздуха на передней части капота даже меняет направление на противоположное. Естественно, ни один изготовитель подобных "элеронов" об этом и не подозревает - никто из них наверняка не проводил аэродинамических исследований... Поток воздуха плавно обтекает передок стандартной "десятки" 13 А при установке козырька над капотом автомобиля возникает сильное завихрение Но, может быть, козырек хотя бы снижает загрязняемость лобового стекла? Ничуть не бывало - наш "элерон", установленный на одну из редакционных "десяток", при езде по осенним грязным дорогам не дал ни малейшего положительного эффекта. Единственное отличие - если раньше летящая из-под колес впереди идущих машин грязь растекалась по капоту ровными симметричными струями, то теперь передок автомобиля стал напоминать орошенную из пульверизатора поверхность. Так что польза от козырька только одна - он действительно защищает торец капота от мелких камней. Таблица 1.1. - Изменение аэродинамических характеристик автомобиля ВАЗ-2110 Без ко- С козырьБез ко- С козырька ком зырька зырьком Площадь миделя, м2 1,931 1,931 Подъемная сила Рz, Н 324 328 Коэффициент аэроди- 0,347 0,355 колес передней оси 79 134 намического сопротивколес задней оси 245 194 ления Сх Сила лобового сопро- 535 548 Опрокидывающий мо- -206 -075 тивления Рх, Н мент Му, Нм Аэродинамический анализ некоторых автомобилей, а именно автомобилей с большим именем показал, что не всё «крутое» превосходно. Все знают марку спортивного суперкара Lamborghini, да это действительно машина превосходна во всех её отношениях, но для оценки аэродинамического сопротивления она показала неожидаемые показатели. Скорость здесь была достигнута за счёт мощного 12-ти цилиндрового двигателя, низкой подвески, широкой базы (устойчивость), низкого кузова, а также пластикового корпуса, антикрыльев. Спойлеры и антикрылья на этом автомобиле расположены больше для стиля и для внешнего эстетического восприятия. Конструкторы и дизайнеры пытались на этом авто «убрать» поток фронтального набегающего воздуха, свести его на нет. Современное мнение – это плавное распределение потока вдоль формы кузова. Рис. 1.16. - Lamborghini Countach 5000 QW В автомобиле все параметры аэродинамики соподчинены к плоскости земли, а значит нельзя делать конкретные выводы. Все выводы экспериментальны. Распределение всех масс деталей автомобиля тоже влияет на аэродинамику. 14 Глава 2. Исследование 2.1. Описание 3Ds Max 2011 3ds MAX – популярный программный пакет, предназначенный для редактирования 3мерной графики и ее визуализации. Утилита великолепно подходит для создания простых и сложнейших структурированных трехмерных объектов – животных, людей, зданий. Программа также позволяет выполнять глубокое моделирование природной среды, включая освещение, воду, деревья, ветер. 3ds MAX – настоящий лидер среди инструментов, которые используются в дизайне интерьеров и архитектуре. В приложение интегрирован мощный модуль анимации, предоставляющий огромные возможности касательно управления параметрами анимированного изображения. Создаваемый при этом видеоряд обладает высокой реалистичностью. Графическая среда большинства компьютерных игр создана средствами 3ds MAX. Кроме этого, данный пакет широко используется в теле- и киноиндустрии. Потребность в применении утилиты появляется тогда, когда необходимо получить изображение одной и той же сцены или предмета в разных проекциях. Стоит отметить, что прорисовка какой-либо сцены в 2d-редакторе займет меньше времени. Однако создав проект в 3ds MAX, пользователь получает возможность генерировать сцену в неограниченном числе проекций. Немаловажен также тот факт, что процесс наложения теней и света в 3ds MAX осуществляется автоматически (главное правильно настроить источники света), в то время как в 2dредакторах данная операция возлагается на пользователей. Работа в программе осуществляется в четыре этапа: - моделирование – создание каркаса, структуры объектов, подлежащих визуализации, их математических моделей; - текстурирование – формирование текстуры, основных визуальных характеристик для объектов; - постановка света – отдельная и трудоемкая задача, для решения которой 3ds MAX предлагает широкий ассортимент разных типов источника света и немалые возможности по их настройке; - рендеринг – получение конечного результата – растрового изображения. Математическая модель, созданная на предыдущих этапах, трансформируется в изображение, когда идет речь об анимации – в набор изображений. Поддерживаются следующие форматы файлов: 3ds, max, lwo, jpg, png. Визуализация трехмерной сцены в 3ds MAX может осуществляться разными модулями рендеринга, предназначенными непосредственно для 3d-редакторов. Большой популярностью пользуется VRay – внешний визуализатор, характеризирующийся более реалистичными изображениями и огромным числом настроек, сравнительно со встроенным в 3ds MAX визуализатором Scanline. 3ds Max располагает обширными средствами для создания разнообразных по форме и сложности трёхмерных компьютерных моделей, реальных или фантастических объектов окружающего мира, с использованием разнообразных техник и механизмов, включающих следующие: полигональное моделирование, в которое входят Editable mesh (редактируемая поверхность) и Editable poly (редактируемый полигон) - это самый распространённый метод моделирования, используется для создания сложных моделей и низкополигональных моделей для игр. Как правило, моделирование сложных объектов с последующим преобразованием в Editable poly начинается с построения параметрического объекта «Box», и поэтому способ моделирования общепринято называется «Box modeling»; моделирование на основе неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS) (следует отметить, что NURBS-моделирование в 3ds Max-е настолько примитивное что никто этим методом практически не пользуется); моделирование на основе т. н. «сеток кусков» или поверхностей Безье (Editable patch) — подходит для моделирования тел вращения; моделирование с использованием встроенных библиотек стандартных параметрических объектов (примитивов) и модификаторов. 15 моделирование на основе сплайнов (Spline) с последующим применением модификатора Surface - примитивный аналог NURBS, удобный, однако, для создания объектов со сложными перетекающими формами, которые трудно создать методами полигонального моделирования. Рис. 2.1. – Среда 3ds Max. Методы моделирования могут сочетаться друг с другом. Моделирование на основе стандартных объектов, как правило, является основным методом моделирования и служит отправной точкой для создания объектов сложной структуры, что связано с использованием примитивов в сочетании друг с другом как элементарных частей составных объектов. Стандартный объект «Чайник» (Teapot) входит в этот набор в силу исторических причин: он используется для тестов материалов и освещения в сцене, и, кроме того, давно стал своеобразным символом трёхмерной графики. Particle Systems (Система частиц) — это совокупность малоразмерных объектов, управляемых по целому ряду параметров. Примерами ситуаций, в которых бывают необходимы системы частиц, могут служить сцены, где требуется смоделировать дождь, снег, дым, огонь, звёздное небо, струи фонтана, искры и т. п. Начиная с 8 версии имеется 7 основных источников частиц, демонстрирующих различное поведение: PF Source (Источник Particle Flow) — поток частиц, способных реагировать на запрограммированные во встроенной системе Particle Flow события. Такой поток частиц может имитировать что угодно — от брызг фонтана до дымового шлейфа реактивного двигателя самонаводящейся ракеты; Spray (Брызги) — создаёт упрощённый вариант эффекта водяных брызг, наподобие капель дождя, и имеет несколько параметров для настройки формы частиц, их размера и характера падения; Super Spray (Супер брызги) — существенно усовершенствованная по сравнению со стандартной система брызг, имеющая множество параметров для определения характера рождения, движения и формы частиц. Частицам можно придавать форму различных объектов либо позволять соединяться между собой наподобие водяных капель; Snow (Снег) — создаёт простой эффект падающего снега и имеет много параметров для настройки формы частиц, их размера и характера падения; Blizzard (Метель) — существенно усовершенствованная версия частиц Snow (Снег). Частицам можно придавать форму различных объектов; PArray или Particle Array (Массив частиц) — подходит для моделирования частиц любого типа, а также для усовершенствованных эффектов имитации взрыва. Частицам можно придавать форму различных объектов; PCloud или Particle Cloud (Облако частиц) — создаёт статичное облако частиц и может применяться для имитации трёхмерных звёздных полей, косяка рыб или стаи птиц. Частицам можно придавать форму различных объектов; Визуализация Визуализация является заключительным этапом работы над моделируемой сценой. Дело в том, что в подавляющем большинстве случаев работа со сценой производится в упрощенном виде: размер текстур маленький, тени и источники света, различные свойства материалов (например, отражения) отключены, сложная геометрия и различные эффекты не отображаются. Только после визуализации становятся видны все свойства материалов объектов и проявляются эффекты внешней среды, применённые в составе сцены. Для вывода конечного изображения на экран выбирают необходимый модуль визуализации (МВ), который с помощью математических алгоритмов произведет вычисление внешнего вида сцены со всеми требуемыми эффектами. При этом, время расчета может варьироваться от доли секунды до нескольких месяцев, в зависимости от сложности за16 дачи. Большинство МВ являются отдельными программами, встраиваемыми как дополнение в 3ds Max. Список модулей визуализации Scanline Визуализатор по умолчанию в 3ds Max. Исходным методом визуализации в 3DS Max является сканирующий построчный алгоритм. Некоторые расширенные возможности были добавлены в Scanline спустя годы, такие как расчёт Global Illumination, Ray Tracing и Radiosity, однако большинство функций перешло к нему от других визуализаторов (например — RadioRay). mental ray является пригодной для производственного применения высококачественной системой визуализации, разработанной компанией Mental Images. mental ray встроен в последниe версии 3DS Max, это мощный инструмент визуализации, поддерживающий сегментную визуализацию (подобно механизму сопровождающей визуализации, реализованному в Maya), а также технологию распределённой визуализации, позволяющую рационально разделять вычислительную нагрузку между несколькими компьютерами. Включаемая в 3ds Max версия mental ray поставляется с набором инструментария, позволяющим относительно просто создавать множество различных эффектов. V-Ray Высококачественный фотореалистичный визуализатор, спроектированный в качестве плагина для 3ds Max. Популярнейший в русскоязычном пространстве внешний визуализатор компании Chaos Group. Очень часто используется профессионалами, часто заменяя стандартный Scanline и mental ray. Совместим с более старыми версиями 3ds Max. Имеет собственные материалы, камеры, источники освещения и атмосферные эффекты. Также в него встроена "система дневного света": V-Ray Physical Camera, V-Ray Sky и V-Ray Sun (физическая камера, небо и солнце), использование которых в совокупности позволяет получить хорошие результаты даже при стандартных настройках. RenderMan Стороннее средство подключения к конвейеру RenderMan, также полезно в тех случаях, когда требуется интеграция 3DS Max с системой визуализации Renderman. Конект с 3DS Max происходит с помощью DoberMan. FinalRender Внешний визуализатор компании Cebas. Является наиболее полным фотоноснованным визуализатором, уступая по своим возможностям только mental ray. Преимущество заключается в плотной интеграции с другими решениями Cebas, обеспечивающими широкий спектр разнообразных атмосферных, линзовых эффектов и пр., чего нет у других визуализаторов. Brazil R/S Высококачественная, фотореалистичная система визуализации изображения, разработанная компанией SplutterFish Llc. В этом визуализаторе присутствует несколько алгоритмов просчёта глобального освещения Global Illumination: QMC и Photon Mapping. Brazil хорошо зарекомендовал себя среди архитекторов, дизайнеров и художников компьютерной графики, благодаря простоте настроек, стабильности и качественному результату визуализации. Fryrender Фотореалистичный, основанный на законах физики, спектральный визуализатор. Создан компанией RandomControl. Предоставляет возможность получать изображения высочайшего качества и достигать естественного реализма. Indigo Renderer Физически корректный рендер. Основная особенность его в том, что все расчеты света, энергии, каустики и т. д. происходят взаимозависимо, что и отличает его от других рендеров, где всё раздельно и определяется самим пользователем. Maxwell Render Является первой системой визуализации, в которой принята «физическая парадигма». В основу всей системы положены математические уравнения, описывающие поведение света. Вводя в обращение реальные физические законы, Maxwell Render позволяет избежать длительного и тонкого процесса настройки параметров визуализации, который имеет место в случае большинства визуализаторов, работающих по иным алгоритмам. LuxRender Система физически корректной визуализации трехмерных сцен, имеющая открытый исходный код. Для использования системы LuxRender, необходимо экспортировать сцены и модели из редакторов графики с помощью специальных плагинов или скриптов. Kerkythea Система визуализации, позволяющая создавать фотореалистичные изображения. Использует физически точные материалы и освещение. Kerkythea 2008 Echo имеет свой собственный редактор сцены и материалов, обладает простым и удобным интерфейсом. Arion Render Гибридный, интерактивный рендер GPU+CPU, разработанный компанией RandomControl, на базе NVIDIA CUDA. BIGrender Рендер, способный визуализировать большие изображения. В процессе визуализации разбивает изображение на части и каждую часть сохраняет в отдельном файле. 17 Sunflow Система визуализации, позволяющая создавать фотореалистичные изображения, имеющая открытый исходный код. Система Sunflow написана на языке программирования Java. Ориентирован на визуализацию в сфере дизайна. Krakatoa Популярный волюметрический рендер от компании Thinkbox Software для быстрой визуализации систем частиц. Работает со множеством систем частиц, как встроенных в 3ds max, так и подключаемых к нему в виде плагинов, например, Thinking particles, FumeFX или RealFlow. Позволяет рендерить огромные массивы частиц, чего нельзя сделать, например, в Scanline, Mental Ray или V-Ray. Позволяет освещать частицы точечными источниками света с просчетом затухания света в облаке частиц. Имеет собственную систему Magma Flow, позволяющую проводить сложные математические операции с каналами частиц и переводить эти данные в различные свойства частиц, например, цвет или плотность. Video Post (Видеомонтаж) Программный модуль Video Post предназначен для обработки изображений трёхмерных сцен в целях реализации специальных графических эффектов, таких как: создание композиции путём объединения нескольких изображений в одно; фильтрация изображения и реализация таких эффектов, как расфокусировка или ограниченная глубина резкости, блики линз или сияющие ореолы, аналогичные тем, какие имитируются модулем Effects(Эффекты); включение в анимацию межкадровых переходов различного типа; организация циклов повторения отдельных сегментов анимации и т. п. Типы фильтров обработки изображений Фильтр Contrast - позволяет регулировать контраст и яркость изображения. Фильтр Fade - позволяет постепенно уменьшить интенсивность изображения до нуля или, наоборот, постепенно увеличить её от нуля до максимума. Фильтр Image Alfa - позволяет заменить некоторые участки альфа-канала (канала прозрачности) изображения маской из файла. Семейство фильтров Lens Effects: Flare (Блики) - создаёт блики на линзах объектива камеры. Focus (Фокусировка) - создаёт расфокусировку снимка, имитирующую конечную глубину резкости. Glow (Сияние) - генерирует сияющие ореолы вокруг объектов или материалов. Highlight (Сверкание) - создаёт сверкающие зеркальные блики в виде звёздочек. Фильтр Negative - позволяет инвертировать (заменять на дополнительные) цвета изображения, формируя его цветной негатив. Фильтр Pseudo Alfa - позволяет создать мнимый альфа-канал прозрачности у тех изображений, которые его не имеют. Фильтр Simple Wipe - позволяет постепенно стереть изображение с экрана, как бы скрывая его за выдвигающейся шторкой чёрного цвета, или постепенно открывая изображение, отодвигая шторку. Фильтр Starfield - позволяет синтезировать реалистичную картину звёздного неба, к которой при необходимости можно применить эффект смазывания. Типы фильтров композиции Фильтр Adobe Premiere Transition - обеспечивает возможность создания видеоэффектов межкадровых переходов приложения Adobe Premiere. Фильтр Alfa Compositor - позволяет создать композицию из двух изображений, поместив изображение, стоящее в очереди первым, поверх изображения, стоящего в очереди вторым. Фильтр Cross Fade Transition - позволяет организовать эффект наплыва - постепенное проявление изображения, соответствующего второму событию. Фильтр Pseudo Alfa - позволяет объединить два изображения, не имеющих канала прозрачности. Фильтр Simple Additive Compositor - позволяет выполнить микширование изображения нижнего слоя наплывом изображения верхнего слоя, то есть создать эффект постепенного проявления изображения верхнего слоя на фоне изображения нижнего слоя. Фильтр Simple Wipe - позволяет как бы надвинуть поверх одного изображения шторку со вторым изображением или, наоборот, сдвинуть изображение верхнего слоя в сторону, открывая нижнее. Плагины 18 3ds Max обладает довольно обширной базой стандартных средств, облегчающих моделирование всевозможных спецэффектов. Помимо стандартной базы существует масса дополнительных средств (плагинов) позволяющих не только создавать значительно более реалистичные эффекты огня, воды, дыма, но содержащие дополнительные инструменты моделирования. Плагины являются внешними встраиваемыми модулями, которые продаются отдельно от пакета 3ds Max или же распространяются бесплатно через Интернет. Данные программы создаются как крупными компаниями, специализирующимися по разработке программного обеспечения, так и простыми разработчиками-энтузиастами. Дополнительных модулей для 3ds Max настолько много, что количество инструментов предлагаемых ими во много раз превосходит комплект стандартных средств 3ds Max. Плагины упрощают выполнение многих задач - например, позволяют расходовать меньше времени на просчёт визуализации (за счёт более усовершенствованных подключаемых визуализаторов) или ускоряют моделирование объектов, благодаря разнообразным модификаторам и дополнительным функциональным возможностям. Такие дополнительные модули как Particle Flow, Cloth FX, Reactor, - стали настолько популярны, что было решено интегрировать их в программу 3ds Max и теперь они являются частью программы. Ниже представлен список некоторых плагинов для 3ds Max: FumeFX - фотореалистичные эффекты огня, языков пламени, дыма и т. д. DreamScape - реалистичные ландшафты, горы, небо, атмосферные эффекты и т. д. AfterBurn - фотореалистичные эффекты облаков, дыма, взрыва и т. д. RealFlow - фотореалистичные эффекты воды, всплески, туман, пена, водопады, фонтаны, волны и т. д. GrowFX - растения любого вида: от пальм и лиан до сосен, от цветов до крупных широколиственных деревьев и т. д. Каждое растение созданное с помощью этого плагина можно свободно анимировать. 2.2. Создание 3D модели современного спортивного автомобиля Подготовительные работы с 3D-моделью автомобиля Прежде, чем приступить к созданию самой модели мы создали чертеж нашего спортивного автомобиля. Теперь у нас есть файл с разными видами. Далее нам нужно наложить наш файл на коробку. Делается это так: Создаем Box, задаем ему размеры в соответствии с нашими размерами (1). Щелкаем по нему правой кнопкой мыши, и выбираем Convert to editable Poly, и далее жмем Polygon (2) и выделяем полигоны так, как показано на скриншоте (3). Нажимаем Delete, мы удалили 2 плоскости, но у нас коробка внутри черная, а это плохо, чтобы все было так, как нам нужно, надо выделить все остальные полигоны и нажать кнопочку Flip (4). 1 2 3 4 Вот мы и получили заготовку, так сказать, для чертежа. Чтобы мы могли удобнее работать нужно выделить 1 сторону нашей коробки, и нажимаем кнопку Detach. Теперь нам надо отодви19 нуть получившийся объект вот так (Правую плоскость вправо, левую влево, плоскость, где будет бок авто отодвинуть по оси У, ну и плоскость Top оставить без изменения. То же самое делаем с остальными плоскостями Далее нам нужно разместить чертеж. Нажимаем кнопку – М, и нам вылезает редактор материалов выбираем пустой шар Не забудьте нажать на кубик, иначе текстура будет отображаться только при рендере. Открываем нашу текстуру Так же выбираем остальные. Выбираем плоскость, ту текстуру, которая должна лежать на этой плоскости и приминяем. Расставив все по своим местам, мы закончили подготовку к работе. Затем, накладываем текстуры чертежей на студию, создаем переднее крыло автомобиля. Постепенно переходим на капот. Доделываем общую форму капота. Создаем отверстие для решетки радиатора и углубление в капоте. Приступаем к созданию бампера. Продолжаем создание общей формы бампера. Уточняем геометрию бампера для последующей детализации. Начинаем детализацию. Чтобы иметь возможность работать с составными частями автомобиля, потребуется сперва открыть группу верхнего уровня или вообще её разгруппировать. Меню Group > Open (Группа > Открыть группу) или Group > Ungroup(Группа > Разгруппировать). Обратим внимание на переднее левое колесо. В данном случае оно тоже сгруппировано, так что откроем группу. Нужно отсоединить от группы тормозную колодку, деталь, прикрывающую сзади тормозной диск (если подскажете, как она называется, буду признателен, т.к. сам не автомобилист), и амортизатор. Зачем? Логика подсказывает, что при движении колесо вращается, и, по-моему, указанные части вращаться вместе с ним не должны — мы оформим их по-другому. Выделив данные детали, перейдите в меню Group > Detach (Группа > Отсоединить). Теперь эти детали перестали принадлежать группе переднего левого колеса. Закрываем группу колеса, выбрав одну из его составных частей, например обод, и перейдя в меню Group > Close. 20 Теперь крайне важный момент: Pivot Point — опорная точка, или центр поворота, каждой группы или детали вне группы, составляющих колёса, должна находиться в правильном положении. Выделяем переднее левое колесо, переходим на вкладку Hierarchy (Иерархия), нажимаем Affect Pivot Only (Воздействовать только на опорную точку) и выравниваем по центру объекта, нажав Center to Object(Центрировать по объекту). Аналогично поступаем с тормозной колодкой... ... с деталью за тормозным диском и амортизатором. Только уже ручками подправьте положение опорной точки в соответствии с изображением. С этим колесом пока всё. Смотрим на переднее правое колесо. Оно уже сгруппировано верно, нужно только поправить опорные точки, как это было сделано для первого колеса. Два задних амортизатора представляют собой единый объект, что нам категорически не подходит. Выделяем их, переходим на вкладкуModify (Модифицировать), включаем режим работы с Element (Элементы), выделяем один из амортизаторов и делаем Detach (Отсоединить). Заднее левое колесо тут не сгруппировано, поэтому выделяем его детали (кроме тормозной колодки, тормозного диска и амортизатора) и группируем через меню Group > Group. Не забываем про pivot point'ы. И теперь оставшееся заднее правое колесо. Руль в машине тоже будет крутиться. Отделим в режиме Element рулевое колесо от панели с ручками переключения поворотов, сгруппируем со всеми аксессуарами, расположенными на нём же, и отцентрируем точку вращения. В дальнейшем, планируется доработать модель для импортирования в игру «Street Legal Racing: Redline», в которой ее можно будет собрать, разобрать, опробовать на трассе. 2.3. Исследование интереса учащиеся 9-х классов к моделированию в 3Ds Max 2011 На данном этапе мы провели исследование интереса учащихся 9-х классов к моделированию в 3Ds Max 2011. Был проведен опрос: Вопрос 1-Знаете ли Вы что такое моделирование? Вопрос 2-Создавали ли Вы модели? Вопрос 3- Создавали ли Вы 3D модели? Вопрос 4- Работали ли Вы в программы 3Ds Max 2011? Вопрос 5- Хотите ли Вы изучать 3D моделирование в школе? Вопрос 6- Пригодятся ли Вам знания о 3D моделирование? Ответы учащихся представлены в виде диаграммы 2.1 21 100 50 Да Да 0 Нет Диаграмма 2.1 – Ответы учащихся 9-х классов на вопросы №1-№6. Анализируя данные проведенного исследования, можно сделать следующие выводы: - учащиеся 9-х классов знают, что такое моделирование и создают модели; - большинство учащихся хотя бы один раз создавали 3D модель; - учащиеся 9-х классов интересует изучение 3D моделирование. В связи с вышесказанным хотелось бы порекомендовать использовать программу 3Ds Max 2011 при изучении тем Моделирование. 22 Заключение Среди многообразия возможностей, предоставляемых современными вычислительными средствами, те, что основаны на пространственно-образном мышлении человека, занимают особое место. Современные программно-оперативные средства компьютерной графики представляют собой весьма эффективный инструмент поддержки такого мышления при выполнении работ самых разных видов. С другой стороны именно пространственно-образное мышление является неформальной творческой основой для расширения изобразительных возможностей компьютеров. Это важное обстоятельство предполагает взаимно обогащающее сотрудничество всё более совершенной техники и человека со всем богатством знания, накопленного предшествующими поколениями. Глаз и раньше был эффективным средством познания человеком мира и себя. Поэтому столь привлекательной оказывается компьютерная визуализация, особенно визуализация динамическая, которую следует рассматривать как важнейший инструмент для обучения наукам. Современная машинная графика - это тщательно разработанная дисциплина. Обстоятельно исследованы сегменты геометрических преобразований и описаний кривых и поверхностей. Также изучены, но все еще продолжают развиваться методы растрового сканирования, отсечение, удаление линий и поверхностей, цвет, закраска, текстура и эффекты прозрачности. Сейчас наибольший интерес представляют именно эти разделы машинной графики. В данном исследовательской работе рассматривались методы и алгоритмы машинной графики. Это достаточно простой, но очень важный раздел машинной графики. Анализируя данные проведенного исследования, можно сделать следующие выводы: - учащиеся 9-х классов знают, что такое моделирование и создают модели; - большинство учащихся хотя бы один раз создавали 3D модель; - учащиеся 9-х классов интересует изучение 3D моделирование. В связи с вышесказанным хотелось бы порекомендовать использовать программу 3Ds Max 2011 при изучении тем Моделирование в школах Республики Мордовия. 23 Список использованных источников 1. 3D Studio MAX Искусство трехмерной анимации Platinum Edition (+CD). / Ким Ли: Диасофт-ЮП, 2005. - 887 c. 2. 3D Studio VIZ для дизайнера. / Хаббелл Д., Бордмэн Т.: ДиаСофт, 2004. - 663 c. 3. Билл Флеминг. Создание трехмерных персонажей. Уроки мастерства: пер. с англ. / М.: ДМК, 2005. - 448 с.: ил. (Серия "Для дизайнеров"). 4. Бондаренко С.В., Бондаренко М. Ю.3ds Max 2008. Библиотека пользователя (+CD). Диалектика, 2008. - 560 с.: ил. 5. Бондаренко С.В., Бондаренко М. Ю.3ds Max 8. Библиотека пользователя (+CD). СПб.: Питер, 2006. - 608 с: ил. - (Серия "Библиотека пользователя"). 6. Бондаренко С.В., Бондаренко М. Ю.3ds max. Легкий старт. - СПб.: Питер, 2005. - 128 с.: ил. 7. Бондаренко С.В., Бондаренко М.Ю. Autodesk 3ds Max 2008 за 26 уроков.3D Studio max 2008 (+CD). - Диалектика, 2008. - 576 с.: ил. 8. Бондаренко С.В., Бондаренко М.Ю. Autodesk 3ds Max 2008.3D Studio MAX 2008. Краткое руководство. - Диалектика, 2008. - 144 с.: ил. - (Серия "Краткое руководство"). 9. Бурлаков М.В. Autodesk 3ds Max 2008. Самоучитель 3D Studio MAX 2008 с электронным справочником (+CD). - Диалектика, 2008. - 512 с.: ил. - (Серия "Самоучитель"). 10. Верстак В. А.3ds Max 8. Секреты мастерства (+CD). - СПб.: Питер, 2006. - 672 с.: ил. 11. Информатика.7-9 класс. Базовый курс. Практикум-задачник по моделированию / Под ред. Н.В. Макаровой. - СПб.: Питер, 2004. - 176 с.: ил. 12. Информатика. Задачник практикум в 2т. / Под ред. И.Г. Семакина, Е.К. Хеннера: Том 1. - М.: Бином. Лаборатория Знаний, 2002. - 304 с.: ил. 13. Информатика: Учеб. Для 10-11 кл. общеобразоват. Учреждений / А.Г. Гейн, А.И. Сенокосов, Н.А. Юнерман. - 4-е изд. - М.: Просвещение, 2003. - 225 с.: ил. 14. Келли Л. Мэрдок. Autodesk 3ds Max 9. Библия пользователя.3D Studio MAX 9 (+DVD). - Диалектика, 2008. - 1344 с.: ил. - (Серия "Библия пользователя"). 15. Маров М. Н.3ds max. Материалы, освещение и визуализация (+CD). - СПб.: Питер, 2005. - 480 с.: ил. 16. Маров М. Н.3ds max. Моделирование трехмерных сцен (+СD). - СПб.: Питер, 2005. 560 с.: ил. 17. Мортье Ш.3ds max 8 для "чайников".: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2006. - 368 с.: ил. - Парал. тит. англ. 18. Практикум по информатике и информационным технологиям. Учебное пособие для общеобразовательных учреждений / Н.Д. Угринович, Л.Л. Босова, Н.И. Михайлова - М.: Лаборатория Базовых знаний, 2002.394 с.: ил. 19. Практикум по информатике: Учеб. пособие для студ. Высш. Учеб. заведений / А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер; Под ред. Е.К. Хеннера. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2005. - 608 с. 20. Рябцев Д.В. Дизайн помещений и интерьеров в 3ds Max 7 (+CD). - СПБ.: Питер, 2006. 272 с.: ил. 21. Шафрин Ю.А. Информационные технологии: В 2ч. Ч.1: Основы информатики и информационных технологий. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. - 320 с. 24