ГРАФИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НАДУВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Рассматривается опыт применения метода проектов при обучении инженерной графике, основанный на профессиональном опыте преподавателей – специалистов в области проектирования надувных конструкций.

Метод проектов является одним из главных методов обучения инженерному делу. В его основе лежит развитие познавательных навыков студента, умений самостоятельно конструировать свои знания, умений ориентироваться в информационном пространстве, развитие критического мышления. Это совокупность приемов, операций овладения определенной областью практического и теоретического знания, способ достижения дидактической цели через детальную разработку проблемы, которая должна завершиться вполне реальным, практическим результатом. Чтобы добиться такого результата, необходимо научить студентов самостоятельно мыслить, находить и решать проблемы, привлекая для этой цели знания из разных областей, умения прогнозировать результаты и возможные последствия разных вариантов решения, умения устанавливать причинно-следственные связи.

Ряд технических университетов, расположенных на разных континентах, позиционируют себя как полностью перешедших на систему проектно-ориентированного обучения (PBL) [1,2]. Однако такого рода переход встречает ряд трудностей организационного и методического характера. Это проблемы мотивации студентов, разделение самостоятельной работы и обязательных лекций, оценка учебных достижений, и, самое главное, поиск реальных проектов, которые могут быть разработаны студентами. Выбор тематики проектов при обучении инженерной графике обычно базируется на практическом опыте преподавателя, НИР кафедры. Выбираются проблемы, посильные для студента и комплексно охватывающие изучаемые дисциплиры, в том числе: начертательную геометрию, как она отражена в стандарте, а также инженерную графику; компьютерную графику; основы САПР.

Наш опыт преподавания инженерной графики убеждает в том, что и много лет назад, учебный процесс в отечественной высшей школе (мы говорим о преподавании инженерной графики) во многих технических вузах отвечал большинству тех требований, которые предъявляются в настоящее время [3]. Изменился только инструментарий благодаря компьютерной графике.

Практическая направленность учебных заданий и демонстрация методов начертательной геометрии при решении прикладных инженерных задач может быть обеспечена на примере проектирования разного рода надувных конструкций [4]. Из этого ряда можно выделить так называемые надувные каркасы, обеспечивающие заданную форму изделия: надувные каркасы мобильных госпиталей, ангаров и т.д.; стартовые и финишные створы на трассах соревнований; баллоны надувных лодок и т.п. Примеры таких конструкций представлены на рис.1.

Методика проведения занятий проектного характера может меняться в зависимости от аудиторной нагрузки, уровня базовой подготовки студентов, численности состава группы, однако неизменным остаётся требование получения реального конечного продукта. Применительно к данным конструкциям с учётом указанных выше факторов, конечным продуктом может считаться получение развёрток (выкроек) отдельных звеньев и макета всего изделия. Из-за больших размеров изделия макет, как правило, изготавливается в уменьшенном масштабе и распечатывается на 3D принтере.

Создание такого проекта большая и трудоёмкая работа. Поэтому одним из вариантов проведения занятий заключается в моделировании реальной производственной ситуации – создании на базе группы некого сектора конструкторского бюро, что является реализацией способности студента к коллективному творчеству. Руководитель сектора назначается преподавателем. Каждый из участников проекта («инженер») решает свою конкретную задачу, например конструирование одного или двух звеньев и изготовление выкроек для них. На последнем этапе все звенья соединяются между собой в единое целое. Руководитель координирует и контролирует все действия «инженеров».

Приведённые на рисунках изделия состоят из звеньев, каждое из которых – цилиндр или конус вращения, т.е. развёртываемая поверхность второго порядка. Эти поверхности целесообразно подбирать так, чтобы их сочетание подчинялось теореме Монжа. На плоскость симметрии линия пересечения проецируется в отрезок прямой. Плоскость симметрии – плоскость, заданная осями сопрягаемых поверхностей.

На рис.2 приведён пример пересечения конуса и цилиндра вращения. Плоскость, в которой лежит сечение (плоскость сечения), проходит через проекцию сечения на плоскость симметрии (прямая АВ на рис 2) и перпендикулярна плоскости симметрии. Плоскость симметрии на рис.2 параллельна фронтальной плоскости проекций. На приведённом примере плоскость симметрии параллельна фронтальной плоскости проекций. В общем случае плоскость симметрии – общего положения. Поэтому на первом этапе нужно преобразовать чертёж. Целесообразно воспользоваться способом замены плоскостей проекций.

Изменение взаимного располжения проецируемой фигуры и плоскостей проекций методом перемены плоскостей проекций достигается путём замены плоскостей П1 и П2 новыми плоскостями П4, П5 и т.д. Новые плоскости выбирают перпендикулярно старым. Некоторые преобразования проекций требуют двойной замены плоскостей проекций.

На рис. 3 приведён пример такого преобразования.

Исходные данные содержат оси вращения сопрягаемых поверхностей (SO и OT) и сопрягающую сферу (из исходных данных). Цель преобразования: плоскость симметрии (SOT) должна стать плоскостью уровня. Преобразование осуществляется в два приёма. Для первого преобразования ось О1-Х1 проводится перпендикулярно горизонтальной проекции горизонтали (h’). После преобразования плоскость (SOT) становится проецирующей (точки S’’’O’’’T’’’ лежат на одной прямой). Для второго преобразования ось О2-Х2 выбирается параллельно S’’’O’’’T’’’. После второго преобразования изображения дополняются очерками поверхностей цилиндра и конуса вращения. Очерки и цилиндра и конуса на обеих проекциях касаются соответствующих проекций сферы. Линия пересечения на плоскость П4 проецируется в отрезок прямой А”” B””.

Для задания исходных данных достаточно задать координаты центров сфер описываемых поверхностями и их радиусы. Если у изделия есть плоскости симметрии, исходные данные можно ограничить координатами сфер между этими плоскостями. Если радиусы сфер одного звена равны, то имеет место цилиндр вращения, если не равны – конус вращения. Эти данные удобно свести в таблицу, или несколько таблиц.

Для примера рассмотрим исходные данные финишной арки приведённой на рис.1. Данные верхней части сведены в таблицу 1; данные нижней части – в таблицу 2.

Таблица 1

Таблица 2

Т.к. радиусы всех звеньев равны – все звенья являются цилиндрами вращения. Для построения трёхмерной модели можно воспользоваться кинематической операцией. Для этого по координатам центров строится пространственная ломаная и эскиз сечения (окружность R=200). 

В данном случае одно звено – цилиндр вращения, а второе звено – конус вращения. Графическая илюстрация исходных данных – на рис.4

Реализовывать такие проекты можно с использованием разных технологий. Первая технология предполагает выпуск конструкторской документации с использованием традиционных средств (карандаша, резинки, линейки и т.д.). Вторая технология отличается тем, что для получения документации используется компьютер с установленным на нём графическим пакетом. При этом компьютер используется для получения чертежей на уровне электронного кульмана. Третья технология предполагает создание трёхмерной модели. Это позволяет уйти от рутинного создания изображений средствами плоского черчения. Плоский чертёж будет создан автоматически указанием необходимых видов, разрезов, сечений. Некоторые пакеты программ могут формировать развёртки отдельных поверхностей.

Для типовых изделий целесообразно создавать параметризованные модели и чертежи. Создав документацию для одного изделия по заданным параметрам, можно без проблем перейти к следующему заданию. Для этого достаточно изменить входные параметры (размеры). Это путь к созданию системы автоматизированного проектирования некоторых классов изделий.

Приведённые примеры относятся к такому типу заданий и могут быть реализованы даже на студенческом уровне.

Список литературы

1. Приходько В.М., Соловьёв А.Н. Каким быть современному инженерному образованию? Высшее образование в России №3, 2015.

2. Pirinen R. Learning by Research and Development. Proceedings of 2014 International Conference on Interactive Collaborative Learning. Dubai, 2014, UAE.

3. Дюмин В.А., Тихонов-Бугров Д.Е. Хорошо не забытое старое, или проектно-конструкторское обучение инженерной графике. Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации. 2015. Т.1.

4. Семёнов В.А. Об одном направлении формирования банка заданий для использования метода проектов при обучении графическим дисциплинам. Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации. 2014.

Рисунки к докладу

 а - надувной баллон; б – надувной каркас; в - финишный створ

Пересечение цилиндра и конуса вращения.   α  -плоскость сечения;     β – плоскость симметрии

 Преобразование чертежа способом замены плоскостей проекций

Исходные данные для построения модели арки финишного створа.

Дударь Елена Сергеевна (27 февраля 2016 г. 14:00)	Уважаемые коллеги,  Владимир Андреевич, Виктор Алексеевич и Дмитрий Евгеньевич! Спасибо за статью. Привлекла внимание конструкция створа (рис. 1в), при большой поверхности которой появляется риск разрушения вследствие  ветровых нагрузок.  Проверяете ли вы в учебных работах конструкции на прочность, жесткость и устойчивость с  последующим уточнением геометрии модели?  С уважением, Елена С. Дударь
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (27 февраля 2016 г. 17:55)	Здравствуйте, Елена Сергеевна. Спасибо за интерес к нашей работе. Вы указали на важную проблему. На данном этапе влияние ветровых нагрузок не учитывается. Знаний у "первоклашек" маловато. Но на эту проблему внимание обращается. Многие из них в дальнейшем будут рассчитывать ветровые нагрузки на ракету на стартовом столе и связанные с этим проблемы. Есть мыслишка договориться с прочнистами о межкафедральной работе.  С уважением, Тихонов-Бугров.
Горнов Александр Олегович (27 февраля 2016 г. 20:34)	Дмитрий Евгеньевич, добрый вечер!  Мое отношение к великолепным постановкам задач и частным  методикам  в рамках проектной  и традиционной ГГП, реализуемым под Вашим руководством,  известны , - поэтому не повторяю, хотя знаю, что “кашу” этим не испорчу. Но ловлю себя на том, что все время как то забываю, уже по плохой  “привычке” , передать  те же добрые оценки Вашим коллегам и соавторам . Передаю  их сейчас ,  они все же среди участников КГП  и ,как говориться, лучше поздно … Знаменательно , что “показав товар лицом” , т.е. высокий  уровень  учебного процесса, Ваши коллеги  в полном составе среди участников  и, полагаю, не без пользы для дальнейшего дела.   Теперь, хотел бы уточнить и это, наверно, будет интересно всем  и не только в отношении работ, представляемых Вашей  кафедрой. Насколько  фронтально  инновационные или творческие  задачи  представлены в рабочей семестровой  программе для данной группы или потока? Или  это частично то,  что удается за пределами временны’х и кадровых “кредитов”, как  эксперимент  или в рамках подготовки к олимпиадам …    Коллеги, хотелось бы ( это просьба ко всем ), чтобы этот аспект был понятен сразу.  Как  всегда, с уважением ко всем.  А.О.
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (28 февраля 2016 г. 13:16)	Здравствуйте, Александр Олегович. Большое спасибо за добрые слова в адрес коллег. Позвольте ответный комплимент. Вы часто виртуально присутствуете у нас на кафедре. Коллеги часто говорят: а Горнов делает так, а Горнов советовал так. И Ваш  соавтор Людмила Анатольевна Шацилло у нас тоже "в авторитете". Раз речь зашла о коллегах, скажу пару слов о тех, кто зарегистрировался на конференции. Проектное обучение на кафедре укоренилось давно и здесь используется индивидуальный опыт преподавателя, т.е. мы не обучаем под одну гребёнку. Один из ведущих специалистов в стране в области проектирования надувных и воздухоопорных контрукций, мастер спорта В.А.Семёнов (о накрытии Мавзолея и вип рафтах говорилось на предыдущих конференциях) опекает свои группы в содружестве с соавторами доклада. Патриарх преподавательского корпуса Б.И.Рыбин, прошедший путь: конструктор на одном из оборонных предприятий - создатель исследовательской лаборатории - руководитель НИР вуза - заведующий кафедрой, придумывает конструкторские задачи на основе конструтивных схем. Создатели уникальных экспериментальных установок хорошо поработавших на создание тех самых образцов техники, что заставляют считаться с нашей державой С.Н.Абросимов и В.А.Дюмин предлагают студентам задачи на "доконструирование" и "переконструирование". А.Н.Лызлов - наш геометр (к сожалению, единственный). К.О.Глазунов обучает группу, занимающуюся изучением реальной документации, готовит студентов к олимпиадам. Его ребята востребованы уже сейчас в конструкторских организациях. С.А.Жулега (самый молодой) - специалист по технологии обработки на станках с ЧПУ подключается к проектируемым в настоящее время заданиям с выходом на 3D принтеры. Е.А.Солодухин тоже нечуждый нам персонаж, хотя работает на 0,5 ставки. Мы уже много лет сотрудничаем в области исследования преподавательского состава кафедр нашего профиля, создания измерительных материалов. К стати, о составе. Наша кафедра в некотором роде уникальна. Коэффициент гендерного паритета (отношение количества женщин к количеству мужчин преподавателей) составляет 0,09. У нас единственная женщина, и Вы её знаете. Специалист в области проектирования объектов оборонной техники М.В.Ракитская ТРИЗом занимается пока только одна. А ещё готовит студентов к олимпиадам. С.П.Ивкин и М.В.Ракитская создали наш альбом для деталирования, что позволило использовать альбомы Аксарина и Боголюбова, в основном, для "переконструирования". Ну а Ваш покорный слуга курирует все направления, использует свой опыт конструктора, в частности, пневомо -гидро арматуры. По этой причине болезненно реагирую на картинки клапанов и вентилей с ошибками и конструкторскими ляпами. Всё, что мы делаем было бы невозможно без поддержки Первого проректора, проректора по образовательной деятельности д.т.н., профессора Вячеслава Александровича Бородавкина. Он тоже зарегистрировался на конференции, заглядывает на сайт и по окончании обязательно призовёт меня для отчёта и обсуждения. Завершая свой длинный спич замечу, почти всё указанное выше встраивается в основной учебный процесс в 3 семестра.  С уважением, Тихонов-Бугров.
Дударь Елена Сергеевна (29 февраля 2016 г. 7:39)	Добрый день, Дмитрий Евгеньевич! Спасибо за оперативный ответ. Мы с коллегами давно отметили, что системный проектно-деятельностный подход к обучению характерен для «ВОЕНМЕХа». С интересом следим за Вашими публикациями и публикациями Ваших замечательных коллег, удачи Вам!  С уважением, Елена С. Дударь
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (5 марта 2016 г. 11:09)	Здравствуйте, Елена Сергеевна. Большое спасибо за добрые пожелания. Мы с Виктором Алексеевичем давно отметили Ваш  интерес к надувным и воздухоопорным конструкциям, Ваши профессиональные вопросы. К сожалению, на пути проектно-деятельностного подхода стеной стоят ЕГЭ и подушевое финансирование. Ещё раз спасибо.   С уважением, Ваш Тихонов-Бугров.
Бойков Алексей Александрович (22 марта 2016 г. 23:40)	Уважаемые коллеги, спасибо за замечательный доклад и отличные примеры! Давно думаю о том, чтобы на своем потоке организовать групповую работу, но пока, к сожалению, не нашел подходящих проектов. С уважением, Бойков.
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (23 марта 2016 г. 13:30)	Уважаемый Алексей Александрович, спасибо. С большим интересом ознакомились с Вашими докладами и комментариями. Профессионально, доброжелательно. Уверены, что Вашим ученикам повезло. Удачи, скорейшего завершения диссертации. Наилучшие пожелания вашему научному руководителю. Дюмин, Семёнов, Тихонов-Бугров.
Бойков Алексей Александрович (23 марта 2016 г. 21:28)	Уважаемые Дмитрий Евгеньевич, Владимир Андреевич и Виктор Алексеевич, спасибо за высокую оценку и поддержку! Пожелания А.М. Федотову передам. С уважением, Бойков.