Кокарева Яна Андреевна | (Донской государственный технический университет ) |
В статье рассмотрен алгоритм синтеза поверхностей путем погружения произвольной линии в конгруэнцию на основе конструктивно-параметрического метода формообразования. Получены параметрические уравнения координации пространства винтовыми и эллиптическими линиями, на основании которых определены u-, v- и w-конгруэнции. Визуализированы поверхности полученных конгруэнций. Определены общая структура поверхностей.
Формообразование поверхностей является неотъемлемой частью проектирования. С развитием технологий, методов расчетов, появлением новых материалов, позволяющих реализовать всё более футуристические проекты, развиваются и методы формообразования поверхностей.
Методы формообразования исторически развивались в соответствии с доступными способами визуализации и расчета конструкций: синтетический [1-3], конструктивно-синтетический [4-6], кинематический [7-9], метод преобразований [10-11], метод криволинейного проецирования [12-14], параметрический [15], методы представления кусочно-аналитическими функциями [8, 16, 17].
Наличие аналитической модели при проектировании сложных криволинейных форм упрощает расчеты конструкции. Однако часто по аналитическому представлению практически невозможно представить будущую форму поверхности. Одним из методов формообразования, который позволяет включить в уравнения поверхностей конструктивные элементы с задаваемыми параметрами, является конструктивно-параметрический метод, разработанный Скиданом И.А. и его учениками [18-22].
Цель статьи – синтез параметрических уравнений и визуализация поверхностей u-, v- и w-конгруэнций конструктивно-параметрическим методом на основе конструктивной схемы координации пространства винтовыми и эллиптическими линиями.
Суть конструктивно-параметрического метода сводится к тому, что используется конструктивная модель будущей поверхности в качестве переходной от задуманной к аналитической. При этом пространство параметризируется в соответствии с этой моделью, то есть создается конструктивная схема координации пространства заданными линиями в качестве координатных. При этом, с одной стороны мы задаем пространство криволинейными координатами, а с другой – эти же координатные линии образуют три взаимосвязанных конгруэнции линий. Для образования поверхности используется погружение линии в одну из конгруэнций.
Алгоритм синтеза параметрических уравнений поверхности, полученной путем погружения линии в конгруэнцию, состоит из следующих пунктов:
x=f1(u,v,w), y=f2(u,v,w), z=f3(u,v,w). (1)
Уравнениями (1) также задаются три конгруэнции: u-, v- и w-линий.
u=φ1(x,y,z), v=φ2(x,y,z), w=φ3(x,y,z). (2)
X=F1(t), Y=F2(t), Z=F3(t). (3)
u=φ1(X(t),Y(t),Z(t)), v=φ2(X(t),Y(t),Z(t)), w=φ3(X(t),Y(t), Z(t)). (4)
x=f1(u(t),v(t),w), y=f2(u(t),v(t),w), z=f3(u(t),v(t),w). (5)
Рассмотрим конструктивную схему координации пространства винтовыми и эллиптическими линиями (см. рис. 1):
Фактически конструктивная схема представляет собой множество соосных винтовых поверхностей с подобными сечениями-эллипсами в плоскостях, перпендикулярных плоскости XOY.
Согласно выше приведенному алгоритму, составим параметрические уравнения конгруэнции-координации.
В плоскости сечения u=u0 уравнения плоского поля концентрических подобных эллипсов (s – коэффициент соотношения полуосей эллипса) с учетом параметра-радиуса a и параметра-шага b винтовой линии будут иметь вид:
x'=vcosw+a,y'=svsinw+bu. (6)
С учетом поворота плоскости найдем уравнения конгруэнции-координации:
x=x'cosu=( vcosw+a)cosu,
y=x'sinu=( vcosw+a)sinu, (7)
z=y'= svsinw+bu.
Область определения функций (7) определяем, рассчитав якобиан и приравнянв его к нулю:
J=-vs(a+vcosw)=0. (8)
Анализируя выражение (8), можно определить, что при v=0 мы получаем уравнение винтовой цилиндрической линии, на которой располагаются центры эллипсов, а выражение в скобках определяет плоское поле эллипсов.
Координатные поверхности заданной криволинейной системы координат:
Координатные линии:
Далее выполняя пункты 3-6 приведенного алгоритма, были получены изображения поверхностей u-, v- и w-конгруэнций, приведенные на рисунках 2, 3 и 4 соответственно. В конгруэнции (7) погружена астроида:
X=cos3t, Y=sin3t, Z=2.
Постоянные параметры конгруэнции: a=1.5, b=1, s=2. Сами уравнения выражений (2) и поверхностей (5) не приведены из-за громоздкости полученного результата.
Рассмотрим структуру полученных поверхностей.
При приближении к значениям u=πn (n=0, 1, 2...) поверхности не определены.
Полученные типы поверхностей: винтовая, каналовая и линейчатая с тремя направляющими, - могут быть использованы в технических проектах и дизайнерских решениях.
Конструктивная схема координации пространства винтовыми и эллиптическими линиями
Пример поверхности u-конгруэнции
Пример поверхности v-конгруэнции
Пример поверхности w-конгруэнции
Селиверстов Александр Владиславович (5 марта 2017 г. 14:56) |
Здравствуйте, Яна Андреевна! |
Кокарева Яна Андреевна (5 марта 2017 г. 16:59) |
Здравствуйте, Александр Владиславович! Спасибо за вопросы и замечания. По поводу "эллиптических линий" меня "терзали смутные сомнения". На самом деле, этим докладом я в большей мере хотела обратить внимание на сам метод конструирования поверхностей. На то, что из одних и тех же уравнений можно получать три типа поверхностей, содержащие, как минимум, погружаемую линию (то есть какую-то опорную, заранее заданную конструкцию). А сами получившиеся уравнения и поверхности привести в качестве наглядного примера использования этого метода. Так как я работаю в строительном университете, то, конечно, в первую очередь рассматриваю поверхности с точки зрения архитектурных элементов. И, как Вы правильно заметили, такие винтовые поверхности могут быть использованы в качестве элементов детской площадки. Поверхности пока только получены, поэтому сравнение не проводила, но обязательно в этом направлении поработаю. С уважением, Кокарева Я.А. |
Гайдарь Олег Георгиевич (7 марта 2017 г. 23:12) |
Здравствуйте, Яна Андреевна! Интересная статья, близкая и понятная мне по школе И.А. Скидана Обратил внимание, что Вы единственная из числа учеников И.В. Скидана волею судеб оказавшихся в России и ведущей активную научную работу, по крайней мере, на КГП и пробивающейся в ГиГ. И Вы, безусловно, достойно представляете своего учителя. Есть одно пожелание: более полно знакомить российскую научную общественность с достижениями Скидана и его школы. По вашему перечню ссылок у меня сложилось впечатления что: 1) у Скидана всего два ученика (в том числе и Вы), работающих в данном направлении; 2) у Скидана нет самостоятельного и основательного труда ;3) много публикаций на украинском языке и в принципе малодоступны в РФ. 4) Скидан не занимался вопросами параметризации и преобразований. Это не так. Было бы понятно, если бы ваши ссылки имели конкретный характер, но в качестве обзорных можно подобрать и более информативные и показательные. Чем больше у Вас будет ссылок на Скидана И.А. тем лучше для всех его учеников. С уважением, Гайдарь |
Кокарева Яна Андреевна (7 марта 2017 г. 23:35) |
Здравствуйте, Олег Георгиевич! Спасибо на добром слове. На самом деле, достаточно сложно вести деятельность в одиночку. К сожалению, мне приходится работать на непрофильной кафедре. И хотя я хорошо общаюсь с заведующим кафедры инженерной геометрии АСА ДГТУ, но в научном плане не удается наладить совместную работу. Поэтому приходится бороться сразу с несколькими факторами: 1) каждый новый семестр я веду новую дисциплину (хотя есть и положительные моменты - я изучаю программирование, а моя дипломница прошлым летом сделала программу по моей диссертации); 2) дипломники; 3) одиночество в плане научного напрвления; 4) маленькая дочка, которую я, к сожалению, даже не имею возможности отдать в детский сад. Поэтому времени и сил на науку остается очень мало. По поводу ссылок: пришлось сокращать безбожно, если честно. Конечно, у Ивана Андреевича есть много работ и хороших учеников, но мне тоже сейчас не всё доступно, так как многие материалы в интернете не присутствуют. А я, как Вы понимаете, из дома в чужую страну тоже не могла много забрать... Написала сюда доклад именно потому, что хочу ознакомить российскую научную общественность с достижениями донецкой школы. Хотя после некоторых комментариев задумалась о том, чтобы написать обзорный доклад по школам прикладной геометрии Украины. Ведь связи теряются, в том числе и из-за языкового барьера. |
Конопацкий Евгений Викторович (8 марта 2017 г. 12:45) |
Здравствуйте уважаемые земляки! Давайте совместно напишем такой обзорный доклад на следующую конференцию. Я мог бы более плотно познакомить читателей с Мелитопольской школой прикладной геометрии, вы – с Донецкой, ну а остальные школы тогда совместными усилиями.
|
Кокарева Яна Андреевна (8 марта 2017 г. 21:16) |
Я только "ЗА"! хотя зачем ждать целый год? если есть время, то можно на эту конференцию небольшой обзор сделать. "Пробный". А на следующую (в случае заинтересованности наших российских коллег) в более развернутой форме. Как идея, Евгений Викторович? |
Конопацкий Евгений Викторович (8 марта 2017 г. 22:58) |
Яночка, поздравляю тебя с Международным женским днём! Желаю крепкого здоровья тебе и твоей дочурке! Ещё желаю чтобы "дурной" работы было поменьше, а больше было времени на семью и науку! На следующий год я предложил потому как выше было сказано, что времени на науку остаётся слишком мало, но я не против сделать такой обзор и в этом году, если у нас будет хотя бы неделя, чтобы мы списались, вычитали информацию друг у друга и т.п. |
Кокарева Яна Андреевна (8 марта 2017 г. 23:22) |
Спасибо, Женя, за поздравления! я постараюсь на выходных выделить время. Если что-то получится, напишу тебе на почту ;-) |
Гайдарь Олег Георгиевич (8 марта 2017 г. 23:25) |
Здравствуйте, Яна Андреевна и с праздником! Любви, Добра и Мира! Понимаю Ваши трудности, тоже не сахар... Раскройте подробности программы по вашей диссертации. Я так понял, что Вы общаетесь с Александром Витальевичем Замятиным? Милейший человек! Передавайте ему от меня огромный привет. При оказии не забудьте передать привет и Виктору Федоровичу, Вы ж там рядышком… |
Гайдарь Олег Георгиевич (8 марта 2017 г. 23:27) |
Здравствуйте, Евгений Викторович! Поздравляю Ваших учениц с праздником! Отличная идея! Попробую подключить к ее реализации Скидана. Из Вашего обращения к нам «земляки» напрашивается еще одно предложения: организовать землячество Донбасса. А возглавит его Виктор Федорович, Яна Андреевна обещала устроить. |
Кокарева Яна Андреевна (9 марта 2017 г. 0:01) |
Олег Георгиевич, спасибо )))) Виктор Федорович даже слишком рядом порой ))) наш корпус находится стена в стену с Ростовским судом, куда привозят В.Ф. на видео-допросы. С Замятиным общаюсь, привет обязательно передам! Девочка реализовала алгоритм синтеза уравнений и визуализацию поверхностей конгруэнций прямых, рассмотренных в моей диссертации, в отдельной программе (Delphi + OpenGL). Синтез проходит поэтапно: 1. Выбирается из списка погружаемая кривая (из пространственных и плоских). Пользователь вводит параметры формы и положения кривой, а такжке пределы изменения параметра положения точки на кривой. Здесь же можно посмотреть результат - визуализированное расположение кривой в пространстве. 2. Выбирается конгруэнция, в которую погружается кривая. Задаются параметры конгруэнции. Визуализируется поверхность. Сами уравнения скрыты от пользователя. Из того, что можно сделать с визуализированной поверхностью: поворот, масштабирование, представление каркасом, семействами несущих линий, закрашенной поверхностью, возможность сечения заданной плоскостью (плоскость задается в параметрах A, B, C, D уравнения плоскости, но есть отдельно калькулятор, в котором можно рассчитать эти параметры по уравнению в отрезках и по трем точкам), а также экспорт поверхности в формат .dxf. Это был диплом бакалавра. Что успели, то сделали. В магистратуру она не осталась. |
Конопацкий Евгений Викторович (9 марта 2017 г. 20:30) |
Очень талантливая девочка, а вы ещё жалуетесь на одиночество в научном плане. Если бы мне программно кто-нибудь так реализовывал все полученные алгоритмы... Хорошие получились у вашей программы возможности. Интересует возможность построения сечений заданной плоскостью. Может ли ваша программа определить уравнение кривой (или кривых) полученных при сечении плоскостью или в ней просто заложено условие принадлежности точки к плоскости и она лишнее отбрасывает?
|
Кокарева Яна Андреевна (9 марта 2017 г. 20:49) |
Нет, чисто геометрически ищет пересечение. До уравнений не дошли. Это достаточно сложно, учитывая поэтапную подстановку уравнений. Ведь она не реализовывала символьное исчисление. |
Короткий Виктор Анатольевич (19 марта 2017 г. 9:36) |
Яна Андреевна, как ваши дела? Вы уже получили формулу для расчета числа окружностей в n-мерном пространстве? У меня что-то пока не выходит. А давайте задачу обобщим, займемся чем-нибудь невостребованным! Поставим задачу: вывести общую формулу для расчета числа плоских алгебраических многообразий порядка k (как действительных, так и мнимых) в пространстве размерности n. Заодно ответим на ряд наивных вопросов: может ли быть у мнимой окружности действительный центр? А действительный диаметр? А как указать окружность x2+y2=-R2 на плоскости? Что для этого потребуется, какие графические образы? Более невостребованного трудно придумать. Позовем на помощь Д.В. Волошинова, ребят из Донецка, К.Л. Панчука из Омска. В Омске прекрасно умеют считать параметры. Для них это вообще легко. Получится неплохой такой магический пятиугольник: Питер-Дон-Донецк-Урал-Сибирь. Соглашайтесь! Бензин наш - идеи ваши. Есть плюсы и минусы. Минус - нигде не публикуют. Для математиков - мало математики, для практиков - нет приложений. Спасибо, есть наш профессиональный журнал Г и Г. А в скопусные журналы лучше не соваться. Мало того, что это бизнес, так еще там при регистрации в графе "пол" имеется не две, а три клетки. Тут не то, что руки, а вообще все опустится. Другой минус - если задача затянет, то тогда все, человек пропал. Идиотический блеск в глазах и неспособность ответить на вопрос, который час. Третий минус - не применяются информационно- комм. технологии, ректор не начисляет баллы. И так далее. Перейдем к плюсам. Плюсов нет. Если не считать эфемерную возможность получить счастливый момент истины, когда непонятное вдруг становится понятным, и ты осознаешь, что сделал открытие! Маленькое, но свое. Например, какое-то тысяча первое свойство окружности. Возможно, это будет изобретение велосипеда. Скорее всего, так и будет. Но радость от открытия, от озарения, воспоминание об этом моменте озарения - остается с человеком навсегда. Так что соглашайтесь. Будет что вспомнить. Для начала надо сосчитать число мнимых прямых и мнимых окружностей на комплексной плоскости. А там затянет. Как рассказывал хозяин нового пылесоса: вначале его коту новый пылесос не нравился, а потом ничего - втянулся. С уважением, Короткий В.А
|
Короткий Виктор Анатольевич (19 марта 2017 г. 9:54) |
Яна Андреевна, в качестве научного руководителя пригласим А.Г.Гирша из Касселя, который про мнимые окружности все знает лучше нас. Получится Международный клуб невостребованной геометрии. МКНГ. Неплохая идея? С уважением, В.А |
Кокарева Яна Андреевна (19 марта 2017 г. 12:31) |
Спасибо, Виктор Анатольеич, за Ваше "мнимое" предложение. Но в данный момент вынуждена отказать, так как в нашем вещественном мире у меня существует совершенно немнимый муж и немнимая больная четырехлетняя дочь, которые требуют немнимое внимание. Поэтому, если в Вашем ироничном посте есть доля действительности, то мой Вам совет: собирайте команду из мужчин, у которых есть немнимые жены, которые делают за них все немнимые вещи, оставляя им время и возможность заниматься мнимыми вещами в "невостребованной геометрии". Еще раз спасибо за предложение! Пойду готовить вещественный завтрак ) Всем хорошего воскресенья! С уважением, Кокарева Я.А. |
Короткий Виктор Анатольевич (19 марта 2017 г. 13:03) |
Яна Андреевна, не огорчайтесь, все будет хорошо. Все уладится, поверьте. А несерьезное предложение имеет вполне серьезное содержание. Речь идет о кооперации, о научном взаимодействии, о клубах по интересам, которые будут действовать не только во время КГП. Можно очень многому научиться у Д.В. Волошинова, например. Если непонятно - спроси у автора! Связь людей стала очень простым делом. Надо это использовать. Геометрическая лаборатория Д.В. Волошинова - это отчаянный прорыв, попытка вернуться к захватывающе интересному миру проективной геометрии на новом уровне, используя в полную силу компьютерный инструмент для выполнения точных и наглядных ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. Это желание поделиться своими открытиями! Разве это несерьезно? А на шуточную форму не надо обижаться. Вот вполне серьезный адрес OSPOLINA@MAIL.RU. Любые геометрические проблемы - обсудим и решим. Или найдем, к кому обратиться за помощью. С уважением, Короткий В.А |
Кокарева Яна Андреевна (19 марта 2017 г. 13:39) |
Спасибо, Виктор Анатольевич! (за "всё будет хорошо" - отдельное). Я буду иметь в виду. Я.А. |
Бойков Алексей Александрович (27 марта 2017 г. 23:50) |
Здравствуйте, уважаемая Яна Андреевна! Спасибо за доклад. Рад приветствовать на КГП. Будет интересно увидеть продолжение работы и примеры использования поверхностей. Успехов! Отдельное спасибо за второй доклад по украинской школе. С удовольствием бы познакомился с трудами последних десятилетий, недоступными у нас. С уважением, А.Бойков. |
Кокарева Яна Андреевна (28 марта 2017 г. 1:03) |
Здравствуйте, Алексей Александрович! Спасибо. Обязательно разовью дальше мысль! Вы напишите, с какими именно работами Вы бы хотели познакомиться, может чем-то смогу помочь. Или хотя бы помочь Вам связаться с автором (все понимают русский). Если нужна такая помощь, то пишите kokareva.ya.a@gmail.com. С уважением, Кокарева Я.А. |