Разработка программного комплекса для моделирования, тестирования и печати пористых структур.

За последние 20 лет информационные технологии уверенно захватили все сферы жизни человека, особенно полезными информационные технологии показали себя в сфере создания и проектирования различных материалов и структур. Автоматизация процесса создания новых материалов намного облегчила работу многих инженеров и ученых. Программные продукты САПР обладают многим полезным функционалом, включающим в себя: стандартизацию, типизацию, унификацию, согласованность данных. САПР позволяют ускорить и облегчить работу, расширить возможности эффективного планирования и управления рабочей группы. Комплексы систем автоматизированного проектирования являются наиболее сложными современными программными системами с множеством разнообразных средств математического моделирования, системами компьютерного отображения графики. Более сложные версии САПР включают в себя возможность программирования на языках высокого уровня, позволяют работать с СУБД, также выполнение рабочих процедур в многопроцессорном режиме, для упрощения математических вычислений. Данные вычисления основываются на огромном многообразии методов высшей математики, вычислительной математики и геометрии; на многих методах статистического и математического анализа, как и дискретной математики. В более современных версиях используются методы молодой науки о данных – Big Data, как машинное обучение, нейронные сети и даже методы распознавания образов. На настоящий момент проектирование новых материалов, в том числе и пористых, в различных исследовательских лабораториях и организациях выполняется, в большинстве, на персональных рабочих компьютерах с помощью программных комплексов, использующих современные способы и методы расчета материалов и структур. Рынок программных средств САПР фактически сформировался и продолжает непрерывно развиваться (1). Предлагаемым решением является программный комплекс для моделирования пористых структур (сокращенное название “Porous 3D”). Porous 3D предлагает возможность работы с различными моделями структур с помощью графического 3D редактора, исследовать их свойства, а также преобразовывать структуры для последующей печати на 3D принтерах. Научная новизна проекта подкреплена, во-первых, оригинальными алгоритмами создания пористых поверхностей – извлеченных трехпериодических поверхностей из их природных аналогов – кристаллов. Во-вторых, оригинальными алгоритмами получения трехпериодических поверхностей (сглаживания). В настоящее время, известно много методов сглаживания треугольной сетки (2), но все они могут быть разделены на две группы методов: основанных на операторе Лапласа - усредняют некоторую метрику элементов треугольной сетки; основанных на методах оптимизации - минимизируют или максимизируют некоторую метрику до выбранного качества (3). Сглаживание Лапласа является выгодным с точки зрения вычислений, но не гарантирует улучшения качества сетки. В частности, с помощью этой техники можно нарушить правила 3D-печати. Например, можно создавать промежутки, пустоты или перекрытия в сетке, которые известны как многосвязная форма элемента поверхности (4), то есть виртуальные объекты 3D-геометрии, которые физически не могут существовать. Алгоритмы, основанные на оптимизации, интегрируют некоторые показатели качества сетки в целевые функции, которые должны быть правильно определены. Созданный алгоритм сочетает в себе оба подхода, чтобы избежать их недостатков. А именно, он рассматривает усредненный двугранный угол между гранями треугольной сетки как метрику и минимизирует среднюю кривизну элементов поверхности. Алгоритм, подробно описанный далее, основан на следующем критерии оптимизации: модуль разности между максимальным и минимальным значениями средних кривизн, вычисленных во всех вершинах поверхностной сетки, должен быть минимальным. Разработанный алгоритм сглаживания средней кривизны трехпериодической поверхности позволит приблизить полученную модель к минимальной трехпериодической поверхности, занимающей меньшую площадь, но обладающей теми же свойствами, что и не сглаженный аналог. В-третьих, научная новизна подкреплена оригинальными методами трансляции, для получения трехмерной периодической поверхности, которые позволяют имитировать бесконечность трехпериодической поверхности. Также, оригинальными методами наращивания толщины поверхности для последующей 3D печати. Актуальность данной работы обусловлена необходимостью разработки нового прикладного программного обеспечения подготовки данных для трехмерного моделирования в рамках Национальной технологической инициативы в направлении «Технет». Одной из важнейших проблем современного технологического производства является повышение качества производимой продукции, при уменьшении затрат и ресурсов. Создание новых пористых структур может решить данную проблему. В рамках проекта было выполнено следующее: 1. Разработаны алгоритмы сглаживания и трансляции моделей. 2. Исследована работоспособность созданных алгоритмов. Точность алгоритма сглаживания задается точностью алгоритма расчета средней кривизны и составляет +- 2 микрона. 3. Исследована производительность разработанных алгоритмов. Алгоритмическая сложность алгоритмов составляет: сглаживания модели - О(N log N), трансляции модели - O(N). 4. Разработка алгоритмов, связанных с 3D моделированием. 5. Разработаны функциональные возможности 3D редактора. Были реализованы следующие функциональные возможности: следующие функциональные возможности: функция открытия моделей, функция сохранения моделей – размер сохраненных моделей не превышает 0.5 гигабайта, список моделей, меню выбора алгоритмов, визуальное представление моделей с точностью более 70%, настройки визуального представления моделей. 6. Исследование работоспособности и производительности функций 3D редактора. 7. Тестирование и отладка работы 3D редактора. 8. Разработан экспериментальный программный комплекса для моделирования, тестирования и печати пористых структур “Porous 3D”. Функциональные возможности программы включают в себя инструменты создания, просмотра и сохранения 3D моделей, инструменты трансляции моделей вдоль координатных осей, инструменты сглаживания, на основе собственного алгоритма сглаживания; инструменты наращивания константной толщины для реализации возможности печати моделей на 3D принтере. Разработанный графический интерфейс предоставляет возможность вращение созданной 3D модели на 360 градусов и возможность увеличение масштаба созданной 3D модели на 150%