Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Моделирование является общепризнанным средством познания действительности. Моделирование позволяет исследовать суть сложных процессов и явлений с помощью экспериментов не с реальной системой, а с ее моделью. Известно, что для принятия разумного решения по организации работы системы не обязательно знание всех характеристик системы, всегда достаточен анализ ее упрощенного, приближенного представления.

1. Актуальность темы

3D-моделирование играет очень важную роль в современном мире. На сегодняшний день оно широко используется в самых различных сферах, например, в маркетинге, архитектуре, образовании, промышленности, медицине и т.д. 3D-моделирование позволяет создать прототип будущего сооружения, коммерческого продукта и различных других объектов в объемном формате. Также важную роль 3D-моделирование играет при проведении презентации и демонстрации какого-либо продукта или услуги.

Современная трехмерная компьютерная графика позволяет создавать максимально реалистичные модели объекта, которые бывает трудно отличить от фотографии самого объекта. Стремительное развитие аппаратных средств вычислительной техники привело к появлению мощных программных систем и сред графического трехмерного моделирования, позволяющих создавать 3D-модели сложных объектов и систем, в том числе и в динамике.

Динамику модели можно продемонстрировать с помощью 3D-анимации. 3D-анимация актуальна, когда речь идет о демонстрации изменения предмета моделирования с течением времени.

Еще одна область исследования, затрагиваемая в данной работе – это металлургия. Металлургия является одной из основ промышленности нашего региона, поэтому рассмотрение прогрессивных металлургических технологий является приоритетным и актуальным для Донбасса. Одной из таких новых перспективных технологий является прямое твердофазное восстановление железа (DRI – Direct Reduced Iron) в печи шахтного типа при помощи восстановительного газа, полученного конверсией природного газа в специально предназначенном для этого аппарате – реформере. Эта технология появилась недавно, но уже получила широкое распространение в мире. Сейчас, в связи с падением мировых цен на природный газ, интерес к технологии прямого восстановления возрос.

Наиболее известной и распространенной из всех DRI-установок является установка типа MIDREX, в которой процесс восстановления происходит при относительно низких давлениях и температурах, главным образом, при помощи угарного газа.

Подобная установка – очень сложная составная конструкция, состоящая из множества технических устройств и аппаратов различного назначения, соединенных сложной сетью трубопроводов. В этой конструкции циркулирует система различных материальных (газовых и твердотельных) потоков, подвергающихся во время движения ряду физико-химических превращений.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель работы – разработка оптимальной динамической 3D-модели установки прямого восстановления железа типа MIDREX на основе исследования ее конструктивных и технологических характеристик.

Для выполнения заданной цели нужно решить следующие задачи:

Таким образом в результате работы планируется получить динамическую 3D-модель установки типа MIDREX с учетом конструктивных и технологических характеристик.

3. Обзор исследований и разработок

На сегодняшний день существует большое количество 3D-моделей различных объектов. Это касается как окружающих нас в повседневной жизни вещей, так и различного оборудования.

Однако, несмотря на огромный перечень существующих 3D-моделей, трехмерной модели установки прямого восстановления железа найдено не было, только лишь ее схема.

3.1 Обзор международных источников

При поиске трехмерных моделей в международных источниках, было найдено несколько динамических моделей, похожих по оформлению на разрабатываемую. Например, модель системы очистки воды [13].

pic1

Рисунок 1 – Модель системы очистки воды

3.2 Обзор национальных источников

В ходе поиска было выявлено, что в Украине и России также нет разработанной 3D-модели установки прямого восстановления железа типа MIDREX.

Единственное, что показалось похожим – это 3D-модель доменной печи [2].

pic2

Рисунок 2 – 3D-модель доменной печи ПАО Запорожсталь

Данная модель была разработана для ПАО Запорожсталь. Это украинский металлургический комбинат в Запорожье, одно из градообразующих предприятий. Трехмерная модель была построена в связи с подготовкой к масштабной реконструкции доменной печи № 3.

Стоит отметить, что в данной модели продемонстрирован только внешний вид объекта, но мы не можем увидеть, как протекают процессы внутри установки.

3.3 Обзор локальных источников

В ходе анализа работ студентов Донецкого национального технического университета была найдено несколько работ, связанных с 3D-моделированием:

Однако, все перечисленные работы связаны с шахтным производством, а не с металлургией.

4. Понятие геометрического моделирования

Геометрическое моделирование – создание геометрических моделей и оперирование ими в процессе синтеза геометрии проектируемых изделий. Геометрическое моделирование изучает методы построения численных моделей геометрии реальных или воображаемых объектов, а также методы управления этими моделями. Геометрическая модель содержит описание формы моделируемого объекта и описание связей элементов модели. Для возможности редактирования и создания подобных моделей в геометрическую модель часто включают дерево построения, хранящее последовательность и способы построения модели. Элементы геометрической модели, как правило, наделяют атрибутами, которые несут информацию о физических и других свойствах этих элементов. Геометрическое моделирование начало свое развитие с систем компьютерного черчения. Позже появились системы каркасного и поверхностного моделирования. Компьютерные системы параметрического твердотельного моделирования кардинально изменили технологию работы конструктора. Они позволили фиксировать конструкторскую мысль не в виде плоского чертежа, а в виде трехмерной модели. Для описания связей элементов модели стали применяться вариационные методы.

Человек в своей деятельности обычно вынужден решать две задачи – экспертную и конструктивную. В экспертной задаче на основании имеющейся информации описывается прошлое, настоящее и предсказывается будущее. Суть конструктивной задачи заключается в том, чтобы создать нечто с заданными свойствами. Для решения экспертных задач применяют так называемые описательные модели, а для решения конструктивных – нормативные.

В данной работе будет рассмотрена описательная модель. Описательные модели (дескриптивные, познавательные) предназначены для описания свойств или поведения реальных (существующих) объектов. Они являются формой представления знаний о действительности.

Можно назвать следующие цели описательного моделирования в зависимости от решаемых задач:

Геометрическое моделирование, в свою очередь, может рассматриваться не только как описательное, но и как часть математического, так как построение геометрической модели сложного пространственного объекта есть ни что иное, как создание его параметрической модели. Последнее состоит из нескольких этапов:

Построенная таким образом модель будет инвариантной относительно любых ее аффинных преобразований как целого. [1]

5. Физико-химические основы процесса прямого восстановления железа

Твердофазное (прямое) восстановление железа – это восстановление железа из железной руды или окатышей с помощью газов (СО, СО2, Н2, H2O, CH4, N2), твердого углерода, газов и твердого углерода совместно. Процесс ведется при температуре около 1000 °C, при которой пустая порода руды не доводится до шлакования [6]. Этот процесс позволяет производить наиболее высококачественный, чистый по вредным примесям металл, пригодный для использования не только в стандартных отраслях промышленности, но и также в областях, где применяются высокие технологии [7].

Процессы углетермического восстановления оксидов железа принадлежат к числу сложных гетерогенных, физико-химических процессов, в которых участвуют твердые, жидкие и газообразные вещества. Термодинамические и кинетические параметры системы непрерывно изменяются в силу одновременного протекания взаимосвязанных химических превращений и физических явлений [8].

В настоящее время в мире работает много установок прямого восстановления. Наиболее распространенными являются способы Мидрекс (MIDREX, США) и ХиЛ (HyL, по названию фирмы Hojalata-y-Lamina, Мексика). Способом MIDREX осуществляется примерно 2/3 всего мирового производства железа прямого получения.

Главным отличием процесса MIDREX является способ конверсии природного газа, которая в этом процессе осуществляется диоксидом углерода, содержащимся в отходящем из печи газе, по реакции СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2.

В шахтной печи установки типа MIDREX проходят следующие реакции:

3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2

2Fe3O4 + 2CO → 6FeO + 2CO2

FeO + CO → Fe + CO2

На рисунке 3 изображена базовая схема установки прямого восстановления железа типа MIDREX.

pic3

Рисунок 3 – Базовая схема установки типа MIDREX [9]

6. Особенности расширенной 3D-модели MIDREX на основе конструктивных и технологических характеристик

В результате бакалаврской работы была разработана базовая трехмерная динамическая модель установки прямого восстановления железа типа MIDREX. Модель была построена при помощи Autodesk 3ds Max (ранее 3D Studio MAX), полнофункциональной профессиональной программной системы для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации. При этом для удобства использовался MAXScript, это встроенный скриптовый язык для пакета трёхмерного моделирования Autodesk 3ds Max, предназначенный для автоматизации рутинных задач, оптимизации использования существующего функционала, создания новых инструментов редактирования и пользовательского интерфейса.

Результат построения базовой динамической трехмерной модели показан на рисунке 4.

pic4

Рисунок 4 – Базовая динамическая 3D-модель установки типа MIDREX

В магистерской работе она будет взята за основу для расширенной модели. Расширенная модель состоит из большего количества объектов, также планируется сделать ее более реалистичной.

На рисунке 5 показана схема расширенной модели установки типа MIDREX.

pic5

Рисунок 5 – Схема расширенной модели установки типа MIDREX

На схеме цифрами 1–5 обозначены следующие зоны шахтной печи установки:

В разрабатываемой модели следует учитывать не только модификации установки, но и технологии, связанные с ней. Следует иметь ввиду, что нужны технологические параметры по ходу движения материальных потоков (как газовых, так и твердотельных).

Автоматизация предыдущей модели осуществлялась с помощью скриптового языка MaxScript. Однако, стоит заметить, что задача расчета технологических параметров сложна, многопараметрична и требует интенсивных расчетов. Она основана на балансных соотношениях для материальных и энергетических потоков с учетом термодинамики и кинетики химических реакций, протекающих внутри установки. У MaxScript недостаточно возможностей для решения этой задачи. В связи с этим, принято решение использовать язык высокого уровня для расчетов и API OpenGL для геометрического и динамического моделирования. Предполагается, что расширения OpenGL будут использоваться для чтения и разбора 3ds Max модели с тем, чтобы использовать сделанные ранее разработки.

При выборе графического API сравнивались OpenGL и DirectX.

OpenGL (Open Graphics Library – открытая графическая библиотека) – спецификация, определяющая независимый от языка программирования кроссплатформенный программный интерфейс для написания приложений, использующих двумерную и трехмерную компьютерную графику.

Включает более 250-ти функций для рисования сложных трехмерных сцен из простых примитивов. Используется при создании компьютерных игр, САПР, виртуальной реальности, визуализации в научных исследованиях. На платформе Windows конкурирует с Direct3D [10].

DirectX – это набор API-функций, разработанных для решения задач, связанных с игровым видеопрограммированием под Microsoft Windows. Наиболее широко используется при написании компьютерных игр. Пакет средств разработки DirectX под Microsoft Windows бесплатно доступен на сайте Microsoft [11].

В результате была выбрана именно OpenGL по следующим критериям:

Далее выбиралась среда разработки, было решено использовать в работе Delphi.

Delphi – среда разработки, использует язык программирования Delphi (начиная с 7 версии, язык в среде именуется Delphi, ранее – Object Pascal), разработанный фирмой Borland и изначально реализованный в ее пакете Borland Delphi, от которого и получил в 2003 году свое нынешнее название. Object Pascal по сути является наследником языка Pascal с объектно-ориентированными расширениями.

Реализация среды разработки проектом Lazarus (Free Pascal) позволяет использовать его для создания приложений на Delphi для таких платформ, как GNU/Linux, Mac OS X и Windows CE.

Delphi – результат развития языка Турбо Паскаль, который, в свою очередь, развился из языка Паскаль. Паскаль был полностью процедурным языком, Турбо Паскаль, начиная с версии 5.5, добавил объектно-ориентированные свойства, а Delphi – объектно-ориентированный язык программирования с возможностью доступа к метаданным классов (то есть к описанию классов и их членов) в компилируемом коде, также называемом интроспекцией.

Delphi является ООП – объектно-ориентированным языком программирования, позволяющего резко снизить сроки разработки программ и существенно повысить их качество [12].

Выводы

В ходе научно-исследовательской работы были найдены и проанализированы материалы по теме магистерской работы.

Были выбраны следующие средства реализации поставленных задач:

Замечания

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Предполагаемая дата завершения: май 2018 г. Полный текст работы, а также материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Мартосенко А. Г., Пчелкин В. Н. // 3D-моделирование установки прямого восстановления железа средствами 3ds Max – Донецк: ИУСМКМ-2016, Электронный сборник, 2016 г.
  2. ПАО Запорожсталь приступает к масштабной реконструкции доменной печи № 3 [Электронный ресур]. – Режим доступа: http://iz.html.wtf/zaporoje/100946-pao-zaporozhstal-pristupaet-k-masshtabnoy-rekonstrukcii-domennoy-pechi-3.html
  3. Степных А. И. Геометрическое моделирование подземных шахтных сооружений и оборудования – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2013/fknt/stepnykh/diss/index.htm
  4. Коханова Ю. И. Трехмерное моделирование угольных шахт с целю визуализации опасных ситуаций – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2013/fknt/kokhanova/diss/index.htm
  5. Бабенко Е. В. Трехмерные модульные интерактивные среды для использования в учебном процессе – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2012/fknt/babenko/diss/index.htm
  6. Большая энциклопедия нефти и газа. Прямое восстановление - железо [Электронный ресур]. – Режим доступа: http://www.ngpedia.ru/id592062p1.html
  7. Железо прямого восстановления. [Электронный ресур]. – Режим доступа: http://www.urm-company.ru/production/dri
  8. Твердофазное восстановление оксидов железа углеродом. [Электронный ресур]. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/tverdofaznoe-vosstanovlenie-oksidov-zheleza-uglerodom
  9. Производство стали в дуговой сталеплавильной печи. [Электронный ресур]. – Режим доступа: http://litcey.ru/istoriya/50078/index.html
  10. Технология OpenGL. [Электронный ресур]. – Режим доступа: http://bourabai.kz/graphics/OpenGL/index.htm
  11. DirectX. [Электронный ресур]. – Режим доступа: http://www.windows-media-player.ru/download/directx.html
  12. Вестник Адыгейского государственного университета. Серия 4: Естественно-математические и технические науки. – 2014. – № 2(137), с. 135–146. [Электронный ресур]. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/voprosy-proektirovaniya-i-sozdaniya-trenazherov-mashin-i-mehanizmov
  13. Система очистки воды. [Электронный ресур]. – Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=_Jou8PYdb5c