Анімаційне комп’ютерне моделювання деяких процесів в задачах пожежної безпеки

Размещено на http://allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Спеціальність 05.01.01 - Прикладна геометрія, інженерна графіка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Анімаційне комп'ютерне моделювання деяких процесів в задачах пожежної безпеки

Росоха Сергій Володимирович

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті (Харківський політехнічний інститут) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: - доктор технічних наук, професор

Куценко Леонід Миколайович,

професор кафедри пожежної техніки,

Академія пожежної безпеки України (м. Харків)

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Найдиш Володимир Михайлович,

завідувач кафедри нарисної геометрії та інженерної графіки,

Таврійська державна агротехнічна академія; (м. Мелітополь);

- кандидат технічних наук, доцент

Несвідомін Віктор Миколайович,

доцент кафедри нарисної геометрії

та інженерної графіки,

Національний аграрний університет (м. Київ)

Провідна установа: Національний технічний університет України

(Київський політехнічний інститут),

кафедра нарисної геометрії, інженерної і машинної

графіки, Міністерства освіти і науки України, (м. Київ)

Захист відбудеться " 25 " червня 2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.06 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою:

01037, Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31, ауд. 466

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою:

01037, Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31

Автореферат розісланий 22 травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.О. Плоский

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Становлення науково-виробничого потенціалу України повинно відбуватися шляхом використання новітніх інформаційних технологій, серед яких чільне місце займає і геометричне моделювання. Дійсно, змодельована на комп'ютері геометрична інтерпретація різного роду "динамічної" інформації в часі є могутнім інструментом пізнання об'єктивної реальності. Зокрема, це стосується і численних задач пожежної безпеки. Адже досліджуючи в режимі комп'ютерної анімації динамічні прояви в часі того чи іншого процесу, завдяки геометричному моделюванню можна наочно простежити етапи їхнього протікання, проаналізувати доцільність використання цих процесів в галузях пожежної безпеки, а також виявити раціональні значення параметрів, що забезпечують їх впровадження.

Геометричне моделювання об'єктів різноманітної природи належать до головних напрямків розвитку прикладної геометрії та інженерної графіки. Значний внесок у розв'язання конкретних задач зробили професори В.В.Ванін, С.М.Ковальов, В.Є.Михайленко, В.М.Найдиш, В.С.Обухова, А.В.Павлов, А.М.Підкоритов, О.Л.Підгорний, К.О.Сазонов, І.А.Скидан та ін. Однак аналіз проведених досліджень не дозволяє говорити про завершеність розробок стосовно алгоритмів комп'ютерної анімації. Однією з причин цього була відсутність геометричних та математичних моделей, які б дозволили створювати ефективні алгоритми анімації, а також відсутність математичних процесорів, які б дозволили б реалізувати ці алгоритми у реальному часі.

У роботах професора Л.М.Куценка і його учнів (Г.В.Реви, О.В.Шоман, В.М.Попова, А.В.Роміна та ін.) для середовища математичного процесора Марle створено алгоритми покадрового синтезу зображень об'єктів різної природи. При цьому ще не зайнятою “науковою нішею” є розробка ефективних узагальнюючих алгоритмів комп'ютерної анімації, які б демонстрували прояви того чи іншого процесу задачі пожежної безпеки, з метою виявлення раціональних значень параметрів протікання процесу, що б забезпечило його впровадження.

Як приклади у роботі розглянуто анімаційні ілюстрації чотирьох задач пожежної безпеки:

зображення ідеалізованої траєкторії струменя рідини з пожежного ствола;

зображення треків часток у об'ємі ізотопного пожежного сповіщувача нового типу;

зображення відбитих екраном вибухових хвиль для гасіння верхових лісових пожеж направленими вибухами, а також

зображення роботи прес-екструдера в процесі виготовлення високоякісного вогнегасного порошку.

Названі задачі розв'язуються з метою дослідження на графічному рівні динамічних процесів задач пожежної безпеки, вони являють інтерес для розвитку методів прикладної геометрії, що і вказує на актуальність теми досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано на кафедрі нарисної геометрії і графіки НТУ(ХПІ) у рамках науково-дослідної теми “Розробка відбивачів - фокусаторів ударних хвиль направлених вибухів для боротьби з верховими лісовими пожежами”, зареєстрованої на кафедрі пожежної техніки Академії пожежної безпеки України (0100U000311). Замовник - Державний департамент пожежної безпеки МВС України.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є створення теоретичної бази для алгоритмів комп'ютерної анімації процесів, що розвиваються в часі, таких як зображення: ідеалізованої траєкторії струменя рідини з пожежного ствола; треків елементарних часток у об'ємі сповіщувача; відбитих екраном вибухових хвиль для гасіння лісових пожеж направленими вибухами, а також обертання кулачків екструдера в процесі виготовлення вогнегасних порошків.

Об'єктом дослідження є деякі „динамічні” процеси і явища, характерні для задач пожежної безпеки.

Предметом дослідження є спосіб складання алгоритмів комп'ютерної анімації на прикладах деяких задач пожежної безпеки.

Методи дослідження: елементи теоретичної механіки, диференціальних рівнянь, а також елементи комп'ютерної графіки у середовищі математичного процесора Марle. Застосовуються положення прикладної геометрії та методи обчислювальної математики.

Для досягнення цієї мети у дисертації поставлено такі основні задачі:

- проаналізувати та класифікувати процеси в часі, що в першу чергу є характерними для основних задач пожежної безпеки;

- зробити огляд методів опису траєкторій елементарної частки речовини у силовому полі іншої частки (як власної, так і невласної);

- розробити метод розв'язання системи нелінійних алгебраїчних рівнянь експоненціального типу за допомогою функції Ламберта;

- знайти опис у аналітичному вигляді форми вибухової хвилі, відбитої від циліндричної поверхні;

- знайти опис нормальної функції для контуру трикутника Релло;

- розробити алгоритм визначення траєкторії частки речовини при обертанні двох трикутників Релло, що постійно дотикаються;

- для перевірки вірогідності розглянутого методу розв'язати ряд тестових прикладів з відомими або прогнозованими розв'язками;

- метод впровадити в НВО „Екструдер” при модернізації шнекового прес-екструдера для виготовлення вогнегасного порошку, та в навчальний процес Академії пожежної безпеки України.

Наукову новизну роботи має метод створення комп'ютерної анімації для

дослідження деяких динамічних процесів, складовими якого є нові способи:

- визначення параметрів струменя рідини на базі розв'язання системи алгебраїчних рівнянь експоненціального типу за допомогою функції Ламберта;

- визначення параметрів конструктивного оформлення пожежного димового сповіщувача на основі моделювання треків елементарних часток;

- визначення параметрів відбивальної системи для формування вибухової хвилі бажаної форми, відбитої від циліндричної поверхні;

- визначення параметрів конструкції прес-екструдера шляхом моделювання траєкторії частки речовини, яка переміщується при обертанні двох трикутників Релло, що постійно дотикаються.

Вірогідність та обґрунтованість одержаних результатів підтверджується доведенням тверджень, аналітичними перетвореннями за допомогою процесора Марle та побудованими за допомогою комп'ютера анімаційними зображеннями для тестових прикладів, а також розрахунками у процесі впровадження.

Практичне значення одержаних результатів дисертації полягає у спроможності на її теоретичній базі впроваджувати в реальну практику анімаційні ілюстрації як розглянутих, так і інших задач пожежної безпеки. Ця графічна інформація допоможе приймати обґрунтовані рішення при розподілі сил та ресурсів в процесі гасіння реальних пожеж, а також при конструюванні протипожежного обладнання. Реалізація роботи виконана в НВО „Екструдер” та в АПБУ, що підтверджується довідками про використання запропонованої методики.

Особистий внесок здобувача. Особисто автор виконав теоретичні дослідження по розв'язанню диференціальних рівнянь і систем алгебраїчних нелінійних рівнянь, зробив огляд методів та розробив для математичного процесора Марle версії алгоритмів побудови траєкторій точки в силовому полі іншої точки, а також склав алгоритми побудови зображень відбитих вибухових хвиль та зображень процесу обертання двох трикутників Релло з метою моделювання роботи прес-екструдера.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювались на:

- науковому семінарі кафедри нарисної геометрії та графіки НТУ під керівництвом к.т.н., проф. А.М.Краснокутського (м. Харків, 2001-2003 рр.);

- науковому семінарі Академії пожежної безпеки України під керівництвом д.т.н., проф. Ю.О. Абрамова (м. Харків, 2002 р.);

- міжнародній конференції по математичному моделюванню (м. Херсон, 2002 р.);

- міській секції графіки під керівництвом д.т.н., проф. Л.М.Куценка (м. Харків, 2002 р);

- науковому семінарі кафедри нарисної геометрії та інженерної графіки ТДАТА під керівництвом д.т.н., проф. В.М. Найдиша (м. Мелітополь, 2003 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 робіт - з них 10 статей одноосібно та 11 у виданнях, які рекомендовано ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел із 128 найменувань та додатків. Робота містить 185 сторінок машинописного тексту та 68 рисунків.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить загальну характеристику роботи. Обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі досліджень. Показано наукову новизну і практичну цінність отриманих розв'язків.

У першому розділі наведено огляд задач, характерних для пожежної безпеки, і для дослідження яких доцільним буде застосування геометричного моделювання у вигляді комп'ютерної анімації.

До характерних для пожежної безпеки задач віднесено розробку роботизованих систем для охорони від пожеж великих за розмірами площ (таких як ангари, криті склади або цехи з небезпечним виробництвом, де присутність людини не бажана), що базуються на застосуванні лафетних стволових систем, якими керує комп'ютер. Також наведено опис конструкції пожежних димових сповіщувачів з радіоактивними ізотопами, опис схеми конструкції прес-екструдера для здрібнювання вогнегасного порошку, та опис технології гасіння лісових пожеж за допомогою направлених вибухів.

Аналізуючи різновиди задач пожежної охорони з позицій доцільності застосування геометричного моделювання відповідних об'єктів в часі, автор дійшов висновку, що типовими серед них є наступні класи задач.

До першого класу слід віднести задачі, пов'язані з описами траєкторії доставки вогнегасної речовини до полум'я пожежі. Типовою задачею тут є визначення в часі геометричної форми траєкторії речовини (струменя рідини), в залежності від параметрів пожежного ствола. Математично це зводиться до аналізу руху елементарної частки (рідини) в полі земного тяжіння.

До другого класу слід віднести задачі, пов'язані з рухом однієї “елементарної” частки у силовому полі іншої частки. Типовою задачею тут є визначення в часі геометричної форми треків часток у силовому полі частки диму у об'ємі пожежного димового сповіщувача, в залежності від розташування згаданої частки диму.

До третього класу слід віднести задачі, пов'язані з геометричним моделюванням у часі об'єктів зі змінною геометричною формою. Типовою задачею тут є визначення в часі геометричної форми вибухової хвилі, відбитої від поверхні. До цього слід додати ще дві задачі - зображення зони викиду зі ствола вогнегасної речовини, та визначення кромки вигоряння рослинного матеріалу при лісовій пожежі.

І, нарешті, до четвертого класу слід віднести задачі, пов'язані з геометричним моделюванням у часі взаємного переміщення об'єктів, за умови їх спряженого формоутворення. Типовою задачею тут є моделювання взаємного переміщення кулачків прес - екструдера у формі трикутників Релло для здрібнювання вогнегасного порошку.

Наголошено, що в дисертації з єдиних позицій наведено метод створення анімацій для згаданих чотирьох задач з метою їх “наочного” дослідження та визначення раціональних параметрів при їх впровадженні.

В другому розділі розглянуто теоретичні основи геометричного моделювання процесів в часі для обраних задачах пожежної безпеки.

Задача 1. Розглянуто опис ідеалізованого струменя рідини з пожежного ствола, розташованого в точці початку декартових координат і спрямованого під кутом до горизонту. Вважається, що початкова швидкість вильоту “елементарної” частки струменя масою m дорівнює 0, і що опір середовища пропорційний (з коефіцієнтом k) швидкості v частки струменю. Позначивши через g прискорення тяжіння, маємо відому систему диференціальних рівнянь

; . (1)

Також відомим є частковий розв'язок цієї системи у параметричному вигляді

; , (2)

де ; ; . Але він не є зручним для реалізації. Тому було використано розв'язок системи (1) у явному вигляді

. (3)

Тобто рівняння (3) є описом ідеалізованої траєкторії руху струменя рідини в полі земного тяжіння з урахуванням опору повітря.

При розробці роботизованих систем пожежогасіння викає задача розрахунку траєкторії рідини за умови її проходження через дві задані точки А(x1, y2) і В(x2, y2), коли джерело струменя знаходиться в точці початку координат (рис.1). Тоді для визначення параметрів траєкторії - кута і швидкості 0, необхідно розв'язати відносно них систему нелінійних алгебраїчних рівнянь експоненціально-тригонометричного виду

;

. (4)

Досвід показав, що розв'язання системи (4) зазначеного виду часом призводить до нестабільності обчислювального процесу. Новим у дисертації є те, що розв'язок системи рівнянь (4) одержано у замкненому вигляді з використанням функції Ламберта W(x), тобто функції, яка задовольняє умові . У результаті у середовищі математичного процесора Maple вдалося знайти аналітичні вирази, які виражають залежність 0 від (з використанням функції LambertW(x)), та залежність від 0 (з використанням функції RootOf).

Задача 2. Для опису траєкторії руху частки у силовому полі другої (нерухомої) частки з потенціалом U = -k/r (частки притягуються, коли k > 0, і відштовхуються у випадку k < 0), використано векторне рівняння

 , (5)

де m - маса частки, x - координата переміщення, r - радіус-вектор частки; тут через позначено момент імпульсу. Тоді при М 2 А/т = В траєкторіями руху частки будуть конічні перетини, описані рівнянням

, (6)

де вектор В в орбітальній площині утворює кут 0 з віссю х, а вектор x0 - кут з тією же віссю х.

Відомим є факт, що умовам B > k, B = k і B < k відповідають гіперболічні, параболічні або еліптичні траєкторії. В роботі вважається, що буде безперспективним алгоритм трасування потоку часток на основі складного аналізу опису ділянки відповідного елемента треку як конічного перерізу (6). Тому на відміну від попередньої задачі, де розв'язок було знайдено в аналітичному вигляді, геометричне моделювання розсіювання паралельного потоку часток було здійснено на основі безпосереднього розв'язання системи диференціальних рівнянь вигляду

; , (7)

які утворені на базі рівняння (5). Тут q1 і q2 - заряди часток, m - маса спокою кожної з часток, константа E0 = 8,8510-12. Крім того, для розв'язання системи (8) необхідно задати початкові умови ; ; ; , де p - прицільна відстань, а швидкість V0x частки визначається через її кінетичну енергію Т за формулою .

При конструюванні ізотопних сповіщувачів нового покоління виникає задача зображення треків потоку часток у полі іншої (переважно радіоактивної) частки диму. Тоді дію сповіщувача можна характеризувати за допомогою кількості треків, які вийшли з одного електроду і досягли другого електроду. При цьому зображення геометричної форми треків допоможе знайти нові схеми конструктивного оформлення димових сповіщувачів.

Задача 3. Опис формоутворення та руху вибухової хвилі, відбитої від циліндричної поверхні, у дисертації здійснено на основі результатів робіт Г.В.Реви. При цьому фронтом вибухової хвилі Lt, що знаходиться на “відстані часу” t від джерела вибуху S, називається множина точок Q, які розташовані на відбитих від кривої L в точці M променях за умови, що SM + MQ = t для довільної точки М L.

В роботі розглянуто циліндричну відбивальну поверхню L, профіль якої в системі координат Oxyz описано рівнянням z = k(1 - cos x). Цей відбивач утворено у результаті пружного згину поздовжніми силами листового металу у вигляді прямокутника. Джерело променів має координати S(0, 0, z0). Новим в дисертації є метод опису фронту хвилі за допомогою рівнянь

, (8)

де і .

У випадку, коли p = z0 = 0,7, то джерело вибуху буде розташоване у квазифокусі синусоїди. При цьому джерело вибуху буде розташовано у площині, утвореної чотирма точками - вершинами зігнутого прямокутника.

При розрахунку відбивальних систем зазначеного типу виникають питання їх удосконалення. Одним з них є пошук таких значень параметрів системи (величин p і z0 ), при яких фронти відбитих хвиль будуть утворювати “короби” - тобто об'єми простору, обмежені ущільненими зонами відбитих вибухових хвиль (рис. 2).

Схема пожежегасіння направленими вибухами виглядатиме наступним чином. За мить до основного вибуху перед відбивачем має розпорошитися вогнегасна аерозоль або якийсь інертний газ (наповнювач). Вибір параметрів системи направлено на те, щоб після вибуху фронти відбитих хвиль утворили вакуумні “короби”, які будуть переміщуватися у просторі, транспортуючи наповнювач. Тобто “механічний” ефект дії вибухової хвилі має підсилитися вогнегасним ефектом аерозолі або інертного газу, яких вибухова хвиля перемістила у район пожежі.

Задача 4. Опис взаємного синхронного обертання пари трикутників Релло в дисертації здійснено на основі результатів робіт В.В.Суліми. При цьому трикутником Релло називається фігура постійної ширини, утворена дугами кіл, центри яких розташовані у вершинах правильного трикутника (на рис. 3 цим трикутником є ABC).

При моделювання траєкторій переміщення речовини в шнекових екструдерах виникає задача опису кривої - еквідистанти трикутника Релло. Розв'язати цю задачу можна за допомогою нормальної функції трикутника Релло.

Нехай радіус кола, описаного навколо трикутника Релло, дорівнює a, і полюс трикутника збігається з початком координат. Новим в роботі є метод побудови необхідної нормальної функції

f(x,y,t) (wa wb fc) (wa wc fb) (wb wc fa) qa qb qc = 0, (9)

де опорні області описані за допомогою функцій

;

;

; ;

; ;

; ; .

Враховуючи (9) введемо позначення

F(X, Y, t, ) = f ( Xcos -Ysin, Xsin + Ycos, t ) = 0. (10)

Вираз (10) названо нормальним рівнянням трикутника Релло, повернутого навколо полюса на кут , а функцію F(X, Y, t, ) - нормальною функцією трикутника Релло.

Враховуючи вираз (10) для нормальної функції трикутника Релло, синхронне обертання пари трикутників Релло, рознесених на відстань , можна описати рівнянням

. (11)

При чому, обертання трикутників Релло буде супроводжуватись їх постійним точковим дотиком.

В третьому розділі розглянуто метод складання алгоритмів комп'ютерної анімації та тестові приклади графічної інтерпретації конкретних процесів розглянутих задач. При цьому наголошується, що існуючі графічні засоби переважної кількості алгоритмічних мов та пакетів програм дозволяють відображати лише статичну суть функціональних залежностей, що не дає можливості оцінювати певні аспекти поводження даної закономірності в часі з метою вивчення її динамічних властивостей. Наочне спостереження в часі за моделями динамічних об'єктами можливе, переважно, засобами комп'ютерної анімації.

В роботі обрано засоби, які підтримуються у середовищі процесора Maple, де штатними є модульні функції animate і animate3d з бібліотеки plots-модуля. Принцип анімації, підтримуваний даними засобами, полягає у швидкій зміні послідовності фреймів (моментальних знімків) геометричного об'єкта один за іншим, створюючи у людському сприйнятті ефект руху, подібно тому, як це робиться в сучасних відео засобах.

Однак, на погляд автора, більш перспективний підхід до створення анімації засобами Maple полягає у створенні програми, що має структуру

restart: with(plots): with(plottools):

Визначення всіх параметрів програми

for i from 1 to m do

Обчислення всіх графічних компонентів і-го кадра анімації (з m кадрів)

Gr[i] := display(Ll, L2, L3, L4):

end do:

display(seq(Gr[i],i=1..m),scaling=CONSTRAINED,

insequence=true);

При цьому в операторі display головною є “слайдова” опція insequence = true, яка дозволяє виводити на екран послідовність зображень (тобто слайдів) покадрово. На практиці це створює ефект анімації. Зазначений підхід покладено в основу всіх анімаційних програм.

Але “синтез” сюжетів комп'ютерної анімації займає значний час, який залежить від кількості кадрів, а також від аналітичного опису параметричної сім'ї, елементи якої зображуються. Досвід показує, що навіть для комп'ютера з швидкодією процесора CELERON 1,4 GHz і об'ємом пам'яті RAM 512 Mb деякі обчислення можуть виконуватися до години і більше. Тому виникає задача збереження синтезованих сюжетів комп'ютерної анімації для їх подальшого показу “зовні” процесора Maple.

Формування анімаційного файлу можна здійснити операторами

plotsetup(gif, plotoutput = `d:\\name.gif`);

display(seq(Gr[i],i=0..m), scaling=CONSTRAINED,

insequence=true);

При цьому на диску d: буде сформовано анімаційний файл name.gif, який можна проглянути за допомогою пакетів AseeDC або Quick Time.

В четвертому розділі представлено можливе впровадження результатів дисертації. Показано, що одержані результати дозволяють створювати комп'ютерну анімацію, використання якої дає можливість визначати раціональні значення параметрів для впровадження динамічних процесів в задачах пожежної безпеки. При цьому наголошується, що дисертація присвячена геометричним, а не пожежно-тактичним питанням стосовно конструювання відповідного пожежного обладнання. В ній лише доводиться ефективність запропонованих алгоритмів комп'ютерної анімації процесів, адаптованих до відповідних впроваджень в наступних конкретних задачах пожежної безпеки.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове розв'язання наукової задачі, що виявляється в розробці методу складання ефективних алгоритмів комп'ютерної анімації, які демонструють прояви деяких процесів задач пожежної безпеки з метою виявлення раціональних значень параметрів, які б забезпечили їх впровадження. Як приклади у роботі розглянуто анімаційні ілюстрації чотирьох задач пожежної безпеки: зображення траєкторії струменя рідини з пожежного ствола; зображення треків часток у об'ємі ізотопного пожежного сповіщувача; зображення відбитих екраном вибухових хвиль для гасіння лісових пожеж направленими вибухами, а також зображення роботи прес-екструдера в процесі виготовлення вогнегасного порошку. При цьому отримані наступні результати, що мають наукову і практичну цінність.

1. Проаналізовано та класифіковано деякі динамічні процеси, які є характерними для задач пожежної безпеки.

2. Запропоновано метод визначення параметрів траєкторії ідеалізованого струменя рідини на базі розв'язання системи алгебраїчних рівнянь експоненціально-тригонометричного типу за допомогою функції Ламберта.

3. Запропоновано метод визначення конструктивного оформлення пожежного ізотопного сповіщувача нового різновиду на основі моделювання треків часток.

4. Запропоновано метод визначення параметрів відбивальної системи для формування відбитої від циліндричної поверхні вибухової хвилі, фронти якої мають геометричну форму “коробів” - тобто замкнутих об'ємів простору.

5. Запропоновано метод модернізації конструкції прес-екструдера шляхом моделювання траєкторії частки речовини, яка переміщується при обертанні двох трикутників Релло, що постійно дотикаються.

6. Реалізація роботи виконана в НВО „Екструдер” при модернізації обладнання для виготовлення високоякісного вогнегасного порошку, що підтверджується довідкою про використання запропонованої у роботі методики. Матеріали дисертації також були використані в учбовому процесі Академії пожежної безпеки України в навчальному курсі „Геометричне моделювання процесів” для магістрів 5-го курсу (9 семестр).

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО У ТАКИХ РОБОТАХ

1. Росоха С.В. Обчислення площі фронту хвилі, відбитої циліндричною поверхнею // Прикладна геометрія та інженерна графіка. Вип. 69. Київ: КНУБА, 2001. - С. 166-169

2. Росоха С.В. Геометричне моделювання променів у випадку нетрадиційного відбиття // Праці / Таврійська державна агротехнічна академія. - Вип. 4. Прикладна геометрія та інженерна графіка. - Т. 11. - Мелітополь: ТДАТА,. - 2000 - С. 96-98

3. Росоха С.В. Метод геометрического моделирования профиля корпуса двигателя Ванкеля // Праці / Таврійська державна агротехнічна академія. - Вип. 4. Прикладна геометрія та інженерна графіка. - Т. 12. - Мелітополь: ТДАТА,. - 2001 - С. 101-104

4. Куценко Л.М., Росоха С.В. Геометричне моделювання розсіювання потоку альфа-часток полем іншої частки // Праці / Таврійська державна агротехнічна академія. - Вип. 4. Прикладна геометрія та інженерна графіка. - Т. 13. - Мелітополь: ТДАТА,. - 2001 - С. 17-21

5. Росоха С.В. Геометрична форма струменя рідини з пожежного ствола з урахуванням опору повітря // Праці / Таврійська державна агротехнічна академія. - Вип. 4. Прикладна геометрія та інженерна графіка. - Т. 16. - Мелітополь: ТДАТА,. - 2002 - С. 88 - 92

6. Росоха С.В. Взаємні точки відбивальних систем // Проблемы пожарной безопасности. Харьков: Фолио, 2000. Вып. 8. - С. 149-153.

7. Росоха С.В. Опис відокремленої хвилі за допомогою асимптотичних ліній псевдосфери // Проблемы пожарной безопасности. Харьков: Фолио, 2001. Вып. 9. - С. 175-178.

8. Росоха С.В., Куценко Л.Н. Изобразительные средства компьютерной графики в исследовании процесса пожара // Проблемы пожарной безопасности. Харьков: Фолио, 2001. Вып. 10. - С. 158-163.

9. Росоха С.В. Моделирование в среде пакета Maple некоторых задач пожарной безопасности // Проблемы пожарной безопасности. Харьков: Фолио, 2002. Вып. 11. - С. 178-182.

10. Куценко Л.Н., Росоха С.В., Сулима В.В. Геометрическое моделирование и некоторые приложения обкатки треугольником Релло // Проблемы машиностроения. 2001. Т. 4, № 3-4. С. 85-94

11. Куценко Л.Н., Росоха С.В. Анимационное моделирование в среде пакета Maple некоторых задач пожарной безопасности // Вестник Херсонского государственного технического университета. 2002. Т. 15, № 2. С. 262-266

12. Росоха С.В. Моделювання геометричної форми зони розпорошення речовини з пожежного ствола // Геометричне та комп'ютерне моделювання. Харків: ХДАТОХ, 2002. Вип. 1. - С. 82-85.

13. Росоха С.В. Моделювання розсіяння часткою диму потоку - часток у димових сповіщувачах // Геометричне та комп'ютерне моделювання. Харків: ХДУХТ, 2002. Вип. 2. - С. 130-134.

14. Росоха С.В. Застосування у технічних впровадженнях поверхонь, що відбивають. - Сучасні проблеми геометричного моделювання. Харків: ХДАТОХ, 2001. - С. 257-262

АНОТАЦІЇ

Росоха С.В. Анімаційне комп'ютерне моделювання деяких процесів в задачах пожежної безпеки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.01 - прикладна геометрія, інженерна графіка. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, Україна, 2003.

Дисертація присвячена методу складання ефективних алгоритмів комп'ютерної анімації, які б демонстрували прояви певного процесу у галузі пожежної безпеки, з метою виявлення раціональних значень параметрів протікання процесу, що б забезпечило б його впровадження. Наукову новизну роботи має метод створення комп'ютерної анімації для дослідження динамічних процесів, складовими якого є нові способи: визначення параметрів струменя рідини на базі розв'язання системи алгебраїчних рівнянь за допомогою функції Ламберта; визначення параметрів конструктивного оформлення пожежного димового сповіщувача на основі моделювання треків елементарних часток; визначення параметрів відбивальної системи для формування відбитої від циліндричної поверхні вибухової хвилі, фронти якої утворюють “короби”; визначення параметрів конструкції прес-екструдера шляхом моделювання траєкторії частки речовини, яка переміщується при обертанні двох трикутників Релло, що постійно дотикаються. Результати роботи було впроваджено в НВО „Екструдер” при модернізації обладнання для виготовлення високоякісного вогнегасного порошку, що підтверджується довідкою про використання запропонованої у роботі методики. Матеріали дисертації також були використані в учбовому процесі Академії пожежної безпеки України в навчальному курсі „Геометричне моделювання процесів” для магістрів 5-го курсу (9 семестр).

Росоха С.В. Анимационное компьютерное моделирование некоторых процессов в задачах пожарной безопасности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.01.01 - прикладная геометрия, инженерная графика. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, Украина, 2003.

Диссертация посвящена методу составления эффективных алгоритмов компьютерной анимации, которые демонстрировали бы проявления определенного процесса в задачах пожарной безопасности, с целью выявления рациональных значений параметров протекания процесса, что обеспечило бы его внедрение. Научную новизну работы имеет метод создания компьютерной анимации для исследования динамических процессов, составными частями которого являются новые способы: определения параметров идеализированной струи жидкости на базе решения системы алгебраических уравнений при помощи функции Ламберта; определения параметров конструктивного оформления пожарного дымового изотопного извещателя на основе моделирования треков элементарных частиц; определения параметров отражательной системы для формирования отраженной от цилиндрической поверхности взрывной волны, фронты которой образовывают “короба”; определения параметров конструкции пресс - экструдера путем моделирования траектории частицы вещества, которая перемещается при вращении двух постоянно соприкасающихся треугольников Релло.

В диссертации рассмотрены решения четырех конкретных задач пожарной безопасности, охватывающие широкий спектр проблем в этой области.

1. Разработан способ определения параметров пожарного ствола для формирования траектории струи жидкости, которая достигла бы заданной точки: - угла наклона ствола к горизонту; 0 - начальной скорости вылета частицы струи; т - массы "элементарной" частицы жидкости, которая поступает в единицу времени, а также k - коэффициента сопротивления среды. Показано, что лишь с привлечением функции Ламберта W(x) можно определить угол наклона лафетного ствола и начальной скорости 0 вылета из него частицы жидкости, при которых траектории принадлежали бы точки A(x1, y1) и B(x2, y2). Показано, что рациональные значения высоты этажа и расположения технологического отверстия для системы автоматического пожаротушения можно выбрать на базе предложенной программы трассирования струи, которая проходит через две заданных точки.

2. Разработан способ определения конструкции изотопного извещателя нового типа на основе геометрического моделирования треков б-частиц, которые выходят с одного электрода и попадают на второй электрод. Предполагалось, что бесперспективным будет способ трассирования потока - частиц на основе описания конических сечений, когда считается, что трек состоит из ветвей параболы, гиперболы или эллипса. При алгоритмической реализации это приведет к сложному анализу формы определенного участка соответствующего элемента трека. Приведена программа построения треков элементарных частиц. Показано, что для случая отталкивания заряд частицы дыма может быть больше подвижной частицы от 80 раз до 120 раз, а для случая притягивания заряд частицы дыма может быть больше подвижной частицы из диапазона от 80 до 300 раз. В этих случаях конструктивное оформление камеры извещателя целесообразно выполнить подобным.

3. Разработан способ определения параметров отражательной системы для формирования взрывной волны желательной геометрической формы (с т.н. “коробами” - зонами уплотнения), отраженной от цилиндрической поверхности, и предназначенной для тушения лесных верховых пожаров. Построено семейство фаз отраженной от цилиндрической поверхности волны с целью выявления у них геометрической конфигурации, которую принято называть “коробами” - то есть уплотненных зон волны. Показано, что “короба” будут стабильными, когда источник лучей расположен на расстоянии 1,25 единиц от центра согнутого металлического листа с профилем, уравнение которого z = 0,7 (1 - cos x).

4. Разработан способ определения параметров конструкции шнекового экструдера путем анимационного моделирования траектории частицы пожаротушащего порошка, которая перемещается при вращении двух насадок - измельчателей в форме треугольников Релло, которые постоянно касаются. Для этого при помощи трехместной R-операции было построено нормальное уравнение треугольника Релло, поскольку применение двухместной R-операции приводит к „несимметричному” вхождению в формулу описания функций, с помощью которых описываются дуги-стороны треугольника Релло. Приведена программа построения изображений отдельных фаз синхронного перемещения двух треугольников Релло, описанных нормальными уравнениями. Для определения слеживания порошка, изготовленного с помощью модифицированного экструдера, использовался метод пенетрометрии.

Общими чертами, которые характеризуют перечисленные задачи, есть их принадлежность к пожарной безопасности, а также возможность их решения средствами компьютерной анимации. Именно в режиме компьютерной анимации появилась возможность наглядно проследить этапы протекания процессов, проанализировать целесообразность их использования в области пожарной безопасности, а также обнаружить рациональные значения параметров, которые обеспечивают их внедрение. Рассмотрение таких задач представляет интерес и для развития „динамических” методов прикладной геометрии.

Работа выполнена на кафедре начертательной геометрии и графики Национального технического университета (ХПИ) в рамках научно-исследовательской темы “Разработка отражателей - фокусаторов ударных волн направленных взрывов для борьбы с верховыми лесными пожарами”. Тема была заключена на кафедре пожарной техники Академии пожарной безопасности Украины (номер государственной регистрации 0100U000311). Заказчик - Государственный департамент пожарной безопасности МВД Украины.

Результаты работы были внедрены в НПО „Экструдер” при модернизации оснащения для изготовления высококачественного пожаротушащего порошка, что подтверждается справкой об использование предложенной в работе методики. Материалы диссертации также были использованы в учебном процессе Академии пожарной безопасности Украины в учебном курсе „Геометрическое моделирование процессов” для магистров 5-го курса (9 семестр).

анімаційний комп'ютерний моделювання трикутник релло

Rosoha S.V. Animated computer modeling of some processes in the tasks of fire safety. - Manuscript.

A dissertation for the degree of candidate of technical sciences in field 05.01.01 - applied geometry, engineering graphics. - The Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, Ukraine, 2003.

The thesis is devoted to a method of compiling of effective algorithms of computer animation, which would demonstrate manifestations that whether other process in the tasks of flammability control, with the purpose of detection of rational values of parameters a course of the process, that would supply(ensure) it introduction. Scientific novelty of work has the method of creation of computer animation for a research of dynamic processes, which constituents are the new modes: the definition of parameters of a jet of fluid on the basis of a solution of a system of the algebraic equations with the help of functions Lambert; the definition of parameters of design registration fire inform of a smoke because of modeling of tracks of elementary particles; the definition of parameters of a reflective system for shaping an explosive wave, reflected from a cylindrical surface, which fronts organize "korobs"; The definition of parameters of a construction press extruders by modeling of trajectory of a particle of substance, which moves at rotation two constantly of adjoining triangles Rello.

By common features, which characterize the considered tasks, there is their membership to flammability control, and also possibility of their solution by tools of computer animation. Just in a condition of computer animation the possibility visually has appeared to trace stages of a course of processes, to analyze expediency of their use in the field of flammability control, and also to detect rational values of parameters, which ensure their introduction. The reviewing of such tasks is of interest and for development of „dynamic” methods of applied geometry

Outcomes of work was introduced in „Extruder” at modernizing of equipment for manufacture high-quality fire of a powder, that is confirmed by help about use of a technique, offered in work. The materials of a thesis also were used in the educational process of Academy of flammability control of Ukraine in educational course „Geometric modeling of processes” for magisters of the 5-th course (9 semester).

Размещено на Allbest.ru

...