Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Моделювання є загальновизнаним засобом пізнання дійсності. Моделювання дозволяє досліджувати суть складних процесів і явищ за допомогою експериментів не з реальною системою, а з її моделлю. Відомо, що для прийняття розумного рішення з організації роботи системи не обов’язково знання всіх характеристик системи, завжди достатній аналіз її спрощеного, наближеного подання.

1. Актуальність теми

3D-моделювання відіграє дуже важливу роль у сучасному світі. На сьогоднішній день воно широко використовується в самих різних сферах, наприклад, в маркетингу, архітектурі, освіті, промисловості, медицині і т. д. 3D-моделювання дозволяє створити прототип майбутньої споруди, комерційного продукту і різних інших об’єктів в об’ємному форматі. Також важливу роль 3D-моделювання відіграє при проведенні презентації та демонстрації якого-небудь продукту або послуги.

Сучасна тривимірна комп’ютерна графіка дозволяє створювати максимально реалістичні моделі об’єкта, які буває важко відрізнити від фотографії самого об’єкта. Стрімкий розвиток апаратних засобів обчислювальної техніки призвело до появи потужних програмних систем і середовищ графічного тривимірного моделювання, що дозволяють створювати 3D-моделі складних об’єктів і систем, у тому числі і в динаміці.

Динаміку моделі можна продемонструвати за допомогою 3D-анімації. 3D-анімація актуальна, коли мова йде про демонстрації зміни предмета моделювання з плином часу.

Ще одна область дослідження, зачеплена в даній роботі – це металургія. Металургія є однією з основ промисловості нашого регіону, тому розгляд прогресивних металургійних технологій є пріоритетним і актуальним для Донбасу. Однією з таких нових перспективних технологій є пряме твердофазное відновлення заліза (DRI – Direct Reduced Iron) в печі шахтного типу за допомогою відновного газу, отриманого конверсією природного газу в спеціально призначеному для цього апараті – реформері. Ця технологія з’явилася нещодавно, але вже отримала широке поширення у світі. Зараз, у зв’язку з падінням світових цін на природний газ, інтерес до технології прямого відновлення зріс.

Найбільш відомою і поширеною з усіх DRI-установок є установка типу MIDREX, в якій процес відновлення відбувається при відносно низьких тисках і температурах, головним чином, за допомогою чадного газу.

Подібна установка – дуже складна складова конструкція, що складається з безлічі технічних пристроїв і апаратів різного призначення, сполучених складною мережею трубопроводів. У цій конструкції циркулює система різних матеріальних (газових і твердотільних) потоків, що піддаються під час руху ряду фізико-хімічних перетворень.

2. Мета, завдання дослідження, плановані результати

Мета роботи – розробка оптимальної динамічної 3D-моделі установки прямого відновлення заліза типу MIDREX на основі дослідження її конструктивних і технологічних характеристик.

Для виконання заданої мети потрібно вирішити наступні завдання:

Таким чином в результаті роботи планується отримати динамічну 3D-модель установки типу MIDREX з урахуванням конструктивних і технологічних характеристик.

3. Огляд досліджень та розробок

На сьогоднішній день існує велика кількість 3D-моделей різних об’єктів. Це стосується як тих, що оточують нас у повсякденному житті речей, так і різного обладнання.

Однак, незважаючи на величезний перелік існуючих 3D-моделей, тривимірної моделі установки прямого відновлення заліза знайдено не було, тільки лише її схема.

3.1 Огляд міжнародних джерел

При пошуку тривимірних моделей в міжнародних джерелах, було знайдено кілька динамічних моделей, схожих по оформленню на розроблювану. Наприклад, модель системи очищення води [13].

pic1

Рисунок 1 – Модель системи очищення води

3.2 Огляд національних джерел

В ході пошуку було виявлено, що в Україні і Росії також немає розробленої 3D-моделі установки прямого відновлення заліза типу MIDREX.

Єдине, що здалося схожим – це 3D-модель доменної печі [2].

pic2

Рисунок 2 – 3D-модель доменної печі ПАТ Запоріжсталь

Дана модель була розроблена для ПАТ Запоріжсталь. Це український металургійний комбінат у Запоріжжі, одне з містоутворюючих підприємств. Тривимірна модель була побудована в зв’язку з підготовкою до масштабної реконструкції доменної печі № 3.

Варто відзначити, що в даній моделі продемонстрований тільки зовнішній вигляд об’єкта, але ми не можемо побачити, як відбуваються процеси всередині установки.

3.3 Огляд локальних джерел

В ході аналізу робіт студентів Донецького національного технічного університету було знайдено кілька робіт, пов’язаних з 3D-моделюванням:

Однак, всі перераховані роботи пов’язані з шахтним виробництвом, а не з металургією.

4. Поняття геометричного моделювання

Геометричне моделювання – створення геометричних моделей і оперування ними в процесі синтезу геометрії проектованих виробів. Геометричне моделювання вивчає методи побудови чисельних моделей геометрії реальних або уявних об’єктів, а також методи управління цими моделями. Геометрична модель містить опис форми модельованого об’єкта і опис зв’язків елементів моделі. Для можливості редагування та створення подібних моделей в геометричну модель часто включають дерево побудови, що зберігає послідовність і способи побудови моделі. Елементи геометричної моделі, як правило, наділяють атрибутами, які несуть інформацію про фізичні і інші властивості цих елементів. Геометричне моделювання почало свій розвиток з систем комп’ютерного креслення. Пізніше з’явилися системи каркасного і поверхневого моделювання. Комп’ютерні системи параметричного твердотільного моделювання кардинально змінили технологію роботи конструктора. Вони дозволили фіксувати конструкторську думку не у вигляді плоского креслення, а в вигляді тривимірної моделі. Для опису зв’язків елементів моделі стали застосовуватися варіаційні методи.

Людина в своїй діяльності зазвичай змушений вирішувати два завдання – експертне та конструктивне. В експертній задачі на підставі наявної інформації описується минуле, сьогодення і передбачається майбутнє. Суть конструктивної задачі полягає в тому, щоб створити щось із заданими властивостями. Для вирішення експертних завдань застосовують так звані описові моделі, а для вирішення конструктивних – нормативні.

У даній роботі буде розглянута описова модель. Описові моделі (дескриптивні, пізнавальні) призначені для опису властивостей або поведінки реальних (існуючих) об’єктів. Вони є формою подання знань про дійсність.

Можна назвати наступні цілі описового моделювання в залежності від розв’язуваних завдань:

Геометричне моделювання, в свою чергу, може розглядатися не тільки як описове, а й як частина математичного, так як побудова геометричної моделі складного просторового об’єкта є ні що інше, як створення його параметричної моделі. Остання складається з кількох етапів:

Побудована таким чином модель буде інваріантною щодо будь-яких її афінних перетворень як цілого. [1]

5. Фізико-хімічні основи процесу прямого відновлення заліза

Твердофазне (пряме) відновлення заліза – це відновлення заліза із залізної руди або окатишів за допомогою газів (СО, СО2, Н2, H2O, CH4, N2), твердого вуглецю, газів і твердого вуглецю спільно. Процес ведеться при температурі близько 1000 ° C, при якій порожня порода руди не доводиться до шлакування [6]. Цей процес дозволяє виробляти найбільш високоякісний, чистий по шкідливим домішкам метал, придатний для використання не тільки в стандартних галузях промисловості, а й також у галузях, де застосовуються високі технології [7].

Процеси вуглетермічного відновлення оксидів заліза належать до числа складних гетерогенних, фізико-хімічних процесів, в яких беруть участь тверді, рідкі та газоподібні речовини. Термодинамічні та кінетичні параметри системи безперервно змінюються в силу одночасного протікання взаємопов’язаних хімічних перетворень і фізичних явищ [8].

В даний час в світі працює багато установок прямого відновлення. Найбільш поширеними є способи Мідрекс (MIDREX, США) і ХиЛ (HyL, за назвою фірми Hojalata-y-Lamina, Мексика). Способом MIDREX здійснюється приблизно 2/3 всього світового виробництва заліза прямого отримання.

Головною відмінністю процесу MIDREX є спосіб конверсії природного газу, яка в цьому процесі здійснюється діоксидом вуглецю, що містяться у відпрацьованих з печі газі, по реакції СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2.

В шахтній печі установки типу MIDREX відбуваються наступні реакції:

3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2

2Fe3O4 + 2CO → 6FeO + 2CO2

FeO + CO → Fe + CO2

На рисунку 3 зображена базова схема установки прямого відновлення заліза типу MIDREX.

pic3

Рисунок 3 – Базова схема установки типу MIDREX [9]

6. Особливості розширеної 3D-моделі MIDREX на основі конструктивних і технологічних характеристик

В результаті бакалаврської роботи була розроблена базова тривимірна динамічна модель установки прямого відновлення заліза типу MIDREX. Модель була побудована за допомогою Autodesk 3ds Max (раніше 3D Studio MAX), повнофункціональної професійної програмної системи для створення і редагування тривимірної графіки і анімації. При цьому для зручності використовувався MAXScript, це вбудована скриптова мова для пакета тривимірного моделювання Autodesk 3ds Max, призначена для автоматизації рутинних завдань, оптимізації використання існуючого функціоналу, створення нових інструментів редагування і призначеного для користувача інтерфейсу.

Результат побудови базової динамічної тривимірної моделі показано на рисунку 4.

pic4

Рисунок 4 – Базова динамічна 3D-модель установки типу MIDREX

У магістерській роботі вона буде взята за основу для розширеної моделі. Розширена модель складається з більшої кількості об’єктів, також планується зробити її більш реалістичною.

На рисунку 5 показана схема розширеної моделі установки типу MIDREX.

pic5

Рисунок 5 – Схема розширеної моделі установки типу MIDREX

На схемі цифрами 1-5 позначені наступні зони шахтної печі установки:

У моделі, яка розробляється слід враховувати не тільки модифікації установки, але і технології, пов’язані з нею. Слід мати на увазі, що потрібні технологічні параметри по ходу руху матеріальних потоків (як газових, так і твердотільних).

Автоматизація попередньої моделі здійснювалася за допомогою скриптової мови MaxScript. Однак, варто зауважити, що завдання розрахунку технологічних параметрів складна, многопараметрічна і вимагає інтенсивних розрахунків. Вона заснована на балансних співвідношеннях для матеріальних і енергетичних потоків з урахуванням термодинаміки та кінетики хімічних реакцій, що протікають всередині установки. У MaxScript недостатньо можливостей для вирішення цього завдання. У зв’язку з цим, прийнято рішення використовувати мову високого рівня для розрахунків і API OpenGL для геометричного і динамічного моделювання. Передбачається, що розширення OpenGL будуть використовуватися для читання і розбору 3ds Max моделі з тим, щоб використовувати зроблені раніше розробки.

При виборі графічного API порівнювалися OpenGL і DirectX.

OpenGL (Open Graphics Library – відкрита графічна бібліотека) – специфікація, що визначає незалежний від мови програмування багатоплатформовий програмний інтерфейс для створення прикладних програм, що використовують двовимірну і тривимірну комп’ютерну графіку.

Включає більше 250-ти функцій для малювання складних тривимірних сцен з простих примітивів. Використовується при створенні комп’ютерних ігор, САПР, віртуальної реальності, візуалізації в наукових дослідженнях. На платформі Windows конкурує з Direct3D [10].

DirectX – це набір API-функцій, розроблених для вирішення завдань, пов’язаних з ігровим відеопрограмуванням під Microsoft Windows. Найбільш широко використовується при написанні комп’ютерних ігор. Пакет засобів розробки DirectX під Microsoft Windows безкоштовно доступний на сайті Microsoft [11].

В результаті була вибрана саме OpenGL за наступними критеріями:

Далі обиралось середовище розробки, було вирішено використовувати в роботі Delphi.

Delphi – середовище розробки, використовує мову програмування Delphi (починаючи з 7 версії, мова в середовищі іменується Delphi, раніше - Object Pascal), розроблений фірмою Borland і спочатку реалізований в її пакеті Borland Delphi, від якого і отримав в 2003 році свою нинішню назву. Object Pascal по суті є спадкоємцем мови Pascal з об’єктно-орієнтованими розширеннями.

Реалізація середовища розробки проектом Lazarus (Free Pascal) дозволяє використовувати його для створення додатків на Delphi для таких платформ, як GNU / Linux, Mac OS X і Windows CE.

Delphi – результат розвитку мови Турбо Паскаль, який, в свою чергу, розвинувся з мови Паскаль. Паскаль був повністю процедурним мовою, Турбо Паскаль, починаючи з версії 5.5, додав об’єктно-орієнтовані властивості, а Delphi – об’єктно-орієнтована мова програмування з можливістю доступу до метаданих класів (тобто до опису класів і їх членів) в компільовані коді, також званому інтроспекцією.

Delphi є ООП – об’єктно-орієнтованою мовою програмування, що дозволяє різко знизити терміни розробки програм і суттєво підвищити їх якість [12].

Висновки

В ході науково-дослідної роботи були знайдені і проаналізовані матеріали по темі магістерської роботи.

Були обрані наступні засоби реалізації поставлених завдань:

Зауваження

На момент написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Передбачувана дата завершення: травень 2018 р. Повний текст роботи, а також матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

  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