Глава 9 Твердотельное моделирование

Твердотельные объекты имеют сходство с поверхностными объектами и создаются примерно так же. Основная разница между ними в том, что твердотельные объекты обладают некоторыми физическими характеристиками.

Для твердых тел определены масса, объем, центр масс, момент инерции и ряд других специфических характеристик, присущих реальным физическим телам. Наличие у объектов такого свойства как объем позволяет производить над твердыми телами логические (булевы) операции сложения, вычитания, пересечения, то есть комбинировать их с другими твердотельными объектами.

Процесс твердотельного проектирования начинается с рисования твердотельных базовых примитивов.

В Автокаде шесть базовых твердотельных объектов (твердотельных примитивов): прямоугольный параллелепипед, конус, цилиндр, сфера, тор и клин, которые соответственно рисуются командами: BOX, CONE, CYLINDER, SPHERE, TORUS, WEDGE (рисунок 9.1).

Рисунок 9.1

Кроме этого имеются универсальные команды для создания твердотельных объектов из 2D примитивов: тел вращения - REVOLVE и тел, получаемых выдавливанием (экструзией), - EXTRUDE.

На следующем этапе из нарисованных примитивов при помощи логических (булевых) операций сложения (команда UNION), вычитания (команда SUBTRACT), пересечения (команда INTERSECT), и других команд редактирования (например, добавлением фасок, галтелей) создаются основные геометрические формы объемной модели.

Упражнение 9.1

В упражнении 7.1 создавалась объемная каркасная модель, рисунок которой с необходимыми размерами хранится у вас на листе бумаги. Ранее вами в самостоятельной работе по этому рисунку были созданы два объемных изображения с помощью поверхностного моделирования. В этом упражнении, используя команды BOX, CYLINDER UNION и SUBTRACT, создадим твердотельную модель этого рисунка.

Начните новый чертеж. Обратитесь к меню File или стандартной панели инструментов к команде New.

Изображение будем создавать в двух видовых экранах по следующим шагам.

1. Задайте лимиты 46 мм. Для этого обратитесь к меню FormatDrawing Limits. Измените масштаб изображения, обратившись к команде Zoom All.

2. Вызовете диалоговое окно Viewports, обратившись к меню View®Viewports®New Viewports…. На активной странице New Viewports в поле списков Standard viewports: выберите Two: Vertical. В поле Setup выберите опцию 3D. Нажмите клавишу ОК диалогового окна.

Активизируйте левый видовой экран, выбрав точку внутри его границ (щелкнув на нем).

3. Выведите на экран стандартную графическую панель Solids с помощью контекстного меню.

Контекстные меню появляются в точке размещения графического курсора при нажатии правой кнопки мыши. В зависимости от местоположения курсора в графическом окне меняется содержание такого меню и его вид.

Вам необходимо поместить указатель мыши в область любой панели инструментов и нажать правую клавишу. Появится контекстное меню, которое в этом случае содержит перечень панелей инструментов и пункт вызова диалогового окна Customize (рисунок 9.2). Флажки (галочки), стоящие с левой стороны названия панелей, показывают активные панели (выведенные на экран).

Выберите панель Solids, щелкнув в перечне по ее названию.

Рисунок 9.2

Появившуюся на экране плавающую панель Solids закрепите вертикально рядом с панелими Draw и Modify.

4 . Выберите команду BOX из панели Solids (рисунок 9.3), которая создает прямоугольный параллелепипед. Эту же команду можно вызвать еще двумя способами:

из командной строки, набрав на клавиатуре box и

из меню DrawSolidsBox.

В ответ на подсказку

Command: _box

Specify corner of box or [CEnter] <0,0,0>:

введите 0,0,0 и Enter, задав координаты первого угла параллелепипеда. Затем на подсказку о расположении противоположного угла параллелепипеда

Specify corner or [Cube/Length]:

введите 1.5,1.5,1 и Enter. Итак, определены передний левый нижний и задний правый верхний углы, по которым построен трехмерный твердотельный параллелепипед (рисунок 9.4).

Рисунок 9.4

5 . Создадим цилиндр с точкой центра окружности нижнего основания в 1.5,0.75, радиусом 0.75 и высотой 1. Для этого используем команду CYLINDER из панели Solids (рисунок 9.5).

Команду CYLINDER можно вызвать также и другими способами:

из меню DrawSolidsBox,

из командной строки, набрав на клавиатуре Cylinder.

В ответ на подсказку

Command: _cylinder

Current wire frame density: ISOLINES=4

Specify center point for base of cylinder or [Elliptical] <0,0,0>:

введите точку центра окружности нижнего основания 1.5,0.75 и Enter.

На подсказку

Specify radius for base of cylinder or [Diameter]:

введите значение радиуса окружности нижнего основания 0.75 и Enter.

На подсказку

Specify height of cylinder or [Center of other end]:

введите значение высоты цилиндра 1 и Enter. Получим рисунок 9.6.

Рисунок 9.6

6. Объединим созданные два тела в одно с помощью команды UNION. Данная команда создает единый объект, объединяя или площади двух и более областей (при 2D проектировании), или объемы твердых тел (при 3D проектировании).

Для вызова команды активизируем панель Solids Editing с помощью контекстного меню (см. шаг 3 данного упражнения). Оставьте панель плавающей.

Н а панели Solids Editing щелкнем по кнопке UNION (рисунок 9.10).

Эту же команду можно вызвать другими способами:

из меню ModifySolids EditingUnion или

набрать в командной строке Union или Uni и Enter.

На подсказку

Command: _union

Select objects:

выберите параллелепипед и цилиндр посредством указания края каждого объекта. Затем нажмите Enter для завершения команды.

7. Из панели инструментов Solids выберите Cylinder, чтобы создать другой цилиндр с точкой центра 1.5,0.75, радиусом 0.375 и высотой 1.

8. С помощью команды SUBTRACT вычтем созданный цилиндр из составного тела, созданного в шаге 6.

Команда SUBTRACT позволяет удалять общую часть двух твердотельных объектов (или областей) и создавать новую составную область или составной твердотельный объект. Сначала необходимо выбрать объект, из которого вычитают, а затем объект, который вычитают. Ввести команду можно:

из командной строки, набрав Subtract или Su,

из меню ModifySolids EditingSubtract.

Введите команду SUBTRACT из панели Solids Editing, щелкнув по кнопке Subtract (рисунок 9.11)

Н а подсказку

Command: _subtract Select solids and regions to subtract from ..

Выберите тело, созданное в шаге 6, указывая на один из его краев. Это тело, из которого будет выполнено вычитание. Нажмите Enter.

Затем на подсказку

Select solids and regions to subtract ..

введите L и Enter для выбора созданного в шаге 7 цилиндра или укажите прицелом на край этого цилиндра, в качестве вычитаемого тела. Теперь нажмите Enter.

9. Проверьте, что цилиндр с радиусом 0.375, созданный в шаге 7, был вычтен из составной модели. Для этого активизируйте правый видовой экран и введите команду HIDE (рисунок 9.12).

На рисунке явно видно получившееся отверстие.

Рисунок 9.12

10. Активизируйте левый видовой экран, выбрав точку внутри его границ.

11. Из меню View выберите 3D Views и установите вид Back. Вид – это изображение обращенной к наблюдателю видимой части поверхности предмета. На рисунке 9.13 показано, с какой стороны необходимо рассматривать модель, чтобы получить соответствующий вид.

Рисунок 9.13

12. После установления вида Back используйте команды Pan Realtime и Zoom Realtime так, чтобы в правом и левом видовых экранах изображения были похожи на рисунок 9.14. Обратите внимание, как располагаются оси координат.

Рисунок 9.14

13. Для дальнейших построений активизируйте левый видовой экран, щелкнув на нем.

14. Вызовите команду BOX из панели Solids. Введите 0,0,0 в качестве координат первого угла и 0.5,2,1.5 для другого угла. Обратите внимание на то, как прорисовывается параллелепипед в правом видовом экране (рисунок 9.15).

Рисунок 9.15

А как бы вы создавали данный параллелепипед из активного правого видового экрана? Давайте проделаем это вместе.

15. Отмените команду построения параллелепипеда и вернитесь к рисунку 9.14. Активизируйте правый видовой экран, щелкнув на нем.

16. Вызовите команду BOX из панели Solids. Введите 0,0,0 в качестве координат первого угла и -0.5,1.5,2 для другого угла. Обратите внимание на вводимые координаты в данном шаге и шаге 14.

Итак, вновь получили рисунок 9.15.

17. Активизируйте левый видовой экран. У созданного параллелепипеда необходимо выполнить в верхней части закругление. Так как рисовать можно только в плоскости XOY или в плоскости параллельной ей, то в левом видовом экране изменим вид по рисунку 9.13 на вид слева.

Из меню View выберите 3D Views и установите вид Left.

Из панели Solids выберите команду CYLINDER. Введите данные для построения цилиндра: координаты центра окружности основания цилиндра -0.75,2, радиус 0.75 и высота цилиндра 0.5 (рисунок 9.16).

Рисунок 9.16

18. Активизируйте правый видовой экран. Из панели Solids Editing выберите UNION. Объедините параллелепипед, цилиндр, предыдущее составное тело в одно составное тело.

19. Активизируйте левый видовой экран. Создайте отверстие с помощью цилиндра, выбрав команду CYLINDER из панели инструментов Solids. Задайте точку центра -0.75,2, радиус 0.375 и высоту 0.5.

20. Из панели Solids Editing выберите SUBTRACT и укажите составное тело, из которого нужно вычесть. Нажмите Enter и выберите цилиндр, созданный в шаге 19, в качестве тела, вычитаемого из составного. Нажмите Enter для завершения команды.

21. Проверьте, что цилиндр с радиусом 0.375, созданный в шаге 19, был вычтен из составной модели в шаге 20. Для этого активизируйте правый видовой экран и введите команду HIDE (рисунок 9.17).

Рисунок 9.17

22. Закройте панели Solids Editing и Solids. Из правого активного экрана перейдите к одному экрану. Для этого обратитесь View, затем Viewports и выберите 1 Vievport. Отключите показ пиктограммы текущей системы координат.

В данном упражнении можно было бы сократить общее число булевых операций, например, первоначально создать два параллелепипеда, два цилиндра радиусом 0.75 и одной операцией объединить их, затем в одну операцию вычесть из составного тела два цилиндра радиусом 0.375 для получения отверстий.

Для лучшего визуального представления рассмотрим созданную модель с помощью равномерного оттенения, которое обеспечивает команда SHADE, а также рассмотрим ее после оттенения в движении с разных сторон с помощью команды 3Dcorbit.

23. Оттенение дает более реалистичное изображение модели, чем удаление скрытых линий командой HIDE.

Выполним оттенение с отображением поверхностей модели типовым видом материала. Для этого из меню View выберите RenderMaterials. В диалоговом окне Materials щелкните по кнопке Materials Library.

Открывшееся диалоговое окно Materials Library, показывает список всех доступных материалов в алфавитном порядке.

Из списка материалов в окне Current Library выделите название YELLOWPLASTIC щелчком мыши на нем. Затем щелкните по кнопке Import. В левом окне выбранных списков материалов Current Drawing появится надпись YELLOWPLASTIC. Выделите ее в этом окне, щелкнув по ней, и нажмите клавишу ОК.

Вновь появится диалоговое окно Materials. Нажмите на клавишу Attach< (Присоединить). Диалоговое окно закроется и на появившуюся подсказку в командной строке

Command: _rmat

Gathering objects...0 found

Select objects to attach "YELLOWPLASTIC" to:

необходимо на экране выбрать объект для присоединения к нему поверхностных свойств материала YELLOWPLASTIC. Выберите созданную модель с помощью предполагаемой рамки или предполагаемой секущей рамки и нажмите Enter для окончания режима выбора объектов.

Вновь появится диалоговое окно Materials. Нажмите в этом окне на клавишу ОК.

К поверхности модели присоединили цветовые свойства выбранного материала YELLOWPLASTIC, однако визуально на экране монитора это не наблюдается. Теперь модель необходимо с помощью команды Shade оттенить присоединенными цветовыми свойствами.

Активизируйте панели Shade и 3D Orbit с помощью контекстного меню (см. шаг 3 данного упражнения). Оставьте панели плавающими.

Используйте все возможности команды оттенения, выбирая последовательно кнопки панели с соответствующими опциями, и наблюдайте за визуальными изменениями поверхностных свойств модели. После изучения воздействия опций на визуальные поверхностные свойства выберите опцию оттенения Gouraud Shaded, которая отображает объекты затененными и с гладкими краями (рисунок 9.18).

Если теперь вы будете присоединять к оттененной модели поверхностные свойства другого материала, то сразу после закрытия диалогового окна Materials модель приобретет цветовые свойства выбранного материала. Проверьте это, присоединив к вашей модели поверхностные свойства материала AQUAGLAZE.

Вернитесь к рассматриванию модели с поверхностными свойствами материала YELLOWPLASTIC.

24. На панели 3D Orbit выберите команду 3Dcorbit (на панели она называется 3D Continuous Orbit). Данная команда позволяет задавать непрерывное вращение модели для рассматривания ее с разных сторон. Направление и скорость вращения задается направлением и скоростью перемещением курсора по экрану при нажатой левой клавиши мыши. Рассмотрите оттененную модель во вращении с разных сторон.

Рисунок 9.18

Сохраните в папке Студенты окончательный рисунок в файле под именем А-Б-В–модель9.1,

где А – цифры номера лабораторной работы: 01, 02 и так далее;

Б - цифры номера группы МАПП: 01, 11, 21 и так далее;

В – цифра номера подгруппы, например, 1 или 2.

Итак, для создания трехмерных составных моделей вы использовали две команды Union (Объединение) и Subtract (Вычитание). На рисунке 9.19 в качестве графического комментария к этим командам приведен рисунок с двумя исходными твердотельными объектами – кубом и цилиндром. На рисунках 9.20 и 9.21 произведены соответственно булевы операции сложения (объединения) и вычитания этих объектов. Иногда бывает удобно использовать для создания модели команду Intersect (Пересечение). На рисунке 9.22 приведен результат действия этой команды. Данная команда создает составной твердотельный объект, который содержит лишь общий объем двух или более накладывающихся твердых объектов. Эта команда работает также и с областями.

Рис. 9.19 – Два твердотельных Рис. 9.20 – Булево объединение

объекта

Рис. 9.21 – Булево вычитание Рис. 9.22 – Булево пересечение