Компьютерное моделирование изделий медицинского назначения

Москва  2021

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ЦЕНТР ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ И ПРИЕМА 
 
ПРОЕКТ «ИНЖЕНЕРНЫЙ КЛАСС В МОСКОВСКОЙ ШКОЛЕ»

В.А. Львов

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ  
ИЗДЕЛИЙ МЕДИЦИНСКОГО  
НАЗНАЧЕНИЯ

Методические указания

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4577

УДК 004.922 
 
Л89

Р е ц е н з е н т 
канд. физ.-мат. наук, доц. Е.А. Новикова

Львов, Владислав Александрович.
Л89  
Компьютерное моделирование изделий медицинского 
назначения : метод. указания / В.А. Львов. – Москва : 
Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 2021. – 56 с.

Методические указания содержат рекомендации по проектирова-
нию и исследованию 3D-моделей изделий медицинского назначения, 
в частности имплантатов, используемых в ортопедии. Предлагаемые 
уроки и упражнения позволяют освоить основы проектирования и 
исследования различных вариантов 3D-моделей имплантатов в среде 
Autodesk Fusion 360, развить навыки работы со специализированной 
CAD-системой, научиться анализировать поведение имплантатов в 
результате воздействия внешних факторов. 
Предназначены для учащихся московских школ в рамках город-
ского образовательного проекта «Инженерный класс в московской 
школе».

УДК 004.922

 В.А. Львов, 2021
 НИТУ «МИСиС», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Знакомство с Autodesk Fusion 360 ..................................... 6
1.1. Общие сведения ........................................................ 6
1.2. Рабочие области – Workspaces .................................... 9
1.3. Рабочая область Design .............................................. 9
1.4. Контекстная вкладка Sketch ....................................... 9
1.5. Контекстная вкладка Solid ....................................... 10
1.6. Fusion 360 Simulation .............................................. 10
1.7. Меню маркировки – Marking Menu ............................ 11

2. Эскизы – Sketch ............................................................ 12
2.1. Создание и редактирование эскизов ........................... 12
2.2. Копирование эскизов ............................................... 12
2.3. Копирование элементов эскиза в эскизе ..................... 13
2.4. Копирование элементов эскиза в другой эскиз ............. 14
2.5. Работа с инструментами эскиза ................................. 15
2.5.1. Построение линий – Line .................................... 15
2.5.2. Построение дуги – Arc ....................................... 16
2.6. Построение прямоугольников  
по двум точкам – 2-point rectangles .................................. 16
2.7. Построение окружностей – Circle .............................. 17
2.7.1. Построение окружностей с центральным  
диаметром – Center Diameter Circle .............................. 17
2.7.2. Построение окружности по двум точкам –  
2-Point Circle ............................................................. 18
2.8. Построение эллипсов – Ellipse .................................. 18
2.9. Зеркальное отражение элементов эскиза .................... 19
2.10. Создание прямоугольных массивов –  
Rectangular patterns ...................................................... 19
2.11. Создание круговых массивов –  
Circular patterns ........................................................... 20
2.12. Размеры и ограничения эскиза –  
Sketch dimensions and constrains ..................................... 20
2.12.1. Определение размеров эскиза –  
Sketch dimension ........................................................ 20
2.12.2. Редактирование размеров ................................. 20
2.12.3. Создание измерений со ссылкой  
на существующие измерения ....................................... 21

3. Твердотельное моделирование – Solid .............................. 22
3.1. Принципы создания твердых тел на основе эскизов 
или плоскостей ............................................................. 22
3.1.1. Команда Extrude ............................................... 22
3.1.2. Команда Revolve ............................................... 23
3.1.3. Команда Sweep ................................................. 23
3.1.4. Команда Loft .................................................... 23
3.2. Отверстия и резьбы – Holes and threads ...................... 24
3.2.1. Команда Hole .................................................... 24
3.2.2. Команда Thread ................................................ 24
3.3. Команды Patterns ................................................... 24
3.3.1. Прямоугольный массив (Rectangular Pattern) ....... 25
3.3.2. Круговой массив – Circular Pattern ...................... 25
3.3.3. Массив по контуру – Pattern on Path .................... 26

4. Fusion 360 Simulation .................................................... 27
4.1. Задачи, выполняемые Fusion 360 Simulation............... 27
4.1.1. Этапы проведения исследований в Fusion 360 
Simulation ................................................................ 27
4.1.2. Рекомендации для проведения исследований 
в Fusion 360 Simulation ............................................... 28
4.2. Пользовательский интерфейс Fusion 360 Simulation .... 28
4.2.1. Браузер Fusion 360  
Simulation ................................................................ 29
4.2.2. Особенности браузера Fusion 360  
Simulation ................................................................ 29
4.3. Панель инструментов Fusion 360 Simulation ............... 31
4.4. Типы исследований в Fusion 360 Simulation ................ 33
4.5. Примеры исследований Static Stress .......................... 34

Урок 1. Создание модели имплантата в форме цилиндра ........ 35
Упражнение 1 .............................................................. 35
Упражнение 2 .............................................................. 41
Упражнение 3 .............................................................. 41
Упражнение 4 .............................................................. 41

Урок 2. Создание имплантата в форме конуса ....................... 42
Упражнение 5 .............................................................. 42
Упражнение 6 .............................................................. 46
Упражнение 7 .............................................................. 46

Урок 3. Создание имплантата сложной формы ..................... 47
Упражнение 8 .............................................................. 47
Упражнение 9 .............................................................. 49

Урок 4. Проведение испытаний на сжатие  
в среде Simulation ............................................................ 50
Упражнение 10 ............................................................. 50
Упражнение 11 ............................................................. 51
Упражнение 12 ............................................................. 54
Упражнение 13 ............................................................. 54

Библиографический список ............................................... 55

1. ЗНАКОМСТВО  
С AUTODESK FUSION 360

1.1. Общие сведения

Твердотельное моделирование прошло несколько этапов раз-
вития геометрического представления физических моделей или 
концепций дизайна, разрабатываемых в процессе инженерного 
проектирования. Первая каркасная модель была спроектирова-
на в лаборатории Массачусетского технологического института 
(MIT) в начале 1960-х годов. В это же время компания General 
Motors разработала автоматизированный компьютерный дизайн 
(DAC-1), первую серийную интерактивную графическую систе-
му. Постепенно развиваясь, поверхностное моделирование стало 
широко применяться к концу 1960-х годов. В период между на-
чалом 1970 и серединой 1980 года получило свое развитие твер-
дотельное моделирование, функциональное моделирование, а в 
конце 1980-х годов – параметрическое моделирование. В даль-
нейшем теория параметрического твердотельного моделирова-
ния стала основой САПР для поддержки инженерного проекти-
рования. Хорошо известно, что наиболее значительное развитие 
твердотельного параметрического моделирования произошло в 
середине 1990-х годов, когда основные инструменты САПР ста-
ли доступны в персональных компьютерах, что позволило ко-
нечным пользователям в средних и малых компаниях иметь воз-
можность переносить проекты с чертежной доски в цифровую 
форму.
Сегодня в основных CAD-системах, в том числе в Autodesk 
Fusion 360, используются методы параметрического моделирования 
с интерактивным пользовательским интерфейсом. Изучим 
интерфейс Autodesk Fusion 360, чтобы узнать расположение 
всех инструментов программного комплекса, прежде чем начать 
проектирование. Основная рабочая область Autodesk Fusion 360 
представлена на рис. 1.
Рассмотрим подробнее интерфейс Autodesk Fusion 360.
1. Data Panel: Доступ к командам, проектам, управление данными 
проектирования и совместная работа с другими пользователями.

Рис. 1. Рабочая область Autodesk Fusion 360

2. Application Bar (перечисление слева направо):
 
– Data Panel 
: показать или скрыть Data Panel;

 
– File 
: создать, открыть, загрузить, сохранить, экспортировать, 
восстанавливать и делиться проектами;
 
– Save 
: сохранить безымянный проект или внести изменения 
в существующий;
 
– Undo/Redo 
: Undo – отменить последнее действие, 
Redo – повторить последнее отмененное действие;
 
– New Design 
: создать новый проект;

 
– Notification center 
: центр уведомлений;

 
– Extensions 
: управление расширениями Fusion 360;

 
– Job Status 
: статус задания, статус обновления Fusion 
360, статус онлайн/офлайн; вид рабочего окна Job Status показан 
на рис. 2;
 
– Help 
: доступ к обучающим материалам, документации, 
быстрой настройке, технической поддержке и др.; вид рабочего 
окна Help показан на рис. 3.

Рис. 2. Рабочее окно Job Status

Рис. 3. Рабочее окно Help

3. Toolbar: рабочее пространство, в котором производится 
работа. Инструменты в Toolbar различаются в каждом рабочем 
пространстве. Toolbar разделен на вкладки, которые позволяют 
организовать инструменты:
 
– Workspaces: Fusion 360 использует вкладки для управле-
ния доступными командами и типом создаваемых данных;
 
– Tabs: каждая рабочая область разбита на вкладки, которые 
содержат в себе группы связанных инструментов.
4 Browser: Перечисляет объекты в проекте или сборке (ком-
поненты, тела, эскизы, исходные точки, соединения, вспомога-
тельная геометрия и др.). Позволяет управлять видимостью объ-
ектов.
5. Design Assembly: выбор объектов из сборки с помощью ле-
вой клавиши мыши.
6. View Cube: позволяет поворачивать объекты в проекте по 
орбите или рассматривать их с разных позиций.

7. Marking Menu: щелчок правой клавишей мыши дает доступ 
к меню Marking Menu, которое содержит часто используемые ко-
манды и дополнительные команды.
8. Navigation Bar: содержит команды, используемые для мас-
штабирования, панорамирования и вращения объектов в проек-
те, а также настройки отображения внешнего вида интерфейса и 
объекта.
9. Timeline: история действий в проекте. Щелчок правой кла-
вишей мыши в Timeline позволяет вносить изменения в историю 
действий, в том числе изменять их порядок.

1.2. Рабочие области – Workspaces

Возможности Fusion 360 сгруппированы в определенные ра-
бочие области (Workspaces). Инструменты в каждом Workspace 
сгруппированы во вкладки на панели инструментов в соответ-
ствии с конкретными целями проектирования объекта. Некото-
рые инструменты доступны в нескольких рабочих областях.
Контекстные вкладки (Contextual tabs) – вкладки, которые 
становятся активными только в контексте вызываемой коман-
ды. Они не отображаются, пока не будет выбрана команда, с ко-
торой они связаны.
Рассмотрим рабочие области и контекстные вкладки, относя-
щиеся к ним, более подробно.

1.3. Рабочая область Design

Рабочая область Design позволяет создавать и редактировать 
геометрию твердотельных, поверхностных и других объектов, по-
строенных на основе двумерного эскиза, путем выдавливания, вра-
щения и др. Важно отметить, что геометрия обновляется автомати-
чески в случае внесения каких-либо изменений в ее элементы.

1.4. Контекстная вкладка Sketch

Sketch 
 – это контекстная вкладка, содержащая инстру-
менты, позволяющие создавать и изменять двумерные эскизы, 
управляющие трехмерным объектом. Получить доступ к кон-
текстной вкладке Sketch можно в рабочем пространстве Design. 
Solid > Create > Create Sketch. Внешний вид контекстной вклад-
ки Sketch представлен на рис. 4.

Рис. 4. Контекстная вкладка Sketch

При создании Sketch открывается новая контекстная вкладка 
со специальной панелью инструментов, которая по умолчанию 
содержит наиболее часто используемые инструменты на панели 
инструментов. По умолчанию, ограничения Sketch также ото-
бражаются на панели инструментов. Сама вкладка выделена си-
ним цветом, как и кнопка Finish Sketch; это дает возможность 
понять, что работа ведется во временном режиме.
Разница между контекстной вкладкой Sketch и другими 
контекстными вкладками заключается в том, что пока Sketch 
активна, есть возможность переходить на другие вкладки, не 
закрывая вкладку Sketch. Так в случае, когда вкладка Sketch ак-
тивна, можно вызвать команду моделирования (например, Ex-
trude), после этого Fusion 360 автоматически переводит работу 
из режима Sketch в саму команду (Extrude). Подробнее о работе 
с контекстной вкладкой Sketch можно ознакомиться в разделе 
«Эскизы – Sketch».

1.5. Контекстная вкладка Solid

Вкладка содержит инструменты, позволяющие создавать и 
изменять твердотельные модели. Пример контекстной вкладки 
Solid представлен на рис. 5.

Рис. 5. Контекстная вкладка Solid

Подробнее о работе с контекстной вкладкой Solid можно озна-
комиться в разделе «Твердотельное моделирование – Solid».

1.6. Fusion 360 Simulation

Fusion 360 Simulation позволяет проводить тесты спроекти-
рованного объекта с помощью анализа методом конечных эле-

ментов (FEA). Тесты включают в себя моделирование различных 
нагрузок и условий для выявления физических ограничений 
спроектированного объекта. Внешний вид рабочей области Sim-
ulation показан на рис. 6. Подробнее о работе с областью Simula-
tion можно ознакомиться в разделе «Fusion 360 Simulation».

Рис. 6. Рабочая область Fusion 360 Simulation

1.7. Меню маркировки – Marking Menu

Marking Menu – это круговое меню, обеспечивающее быстрый 
доступ к часто используемым командам. Чтобы вызвать Marking 
Menu, необходимо щелкнуть правой клавишей мыши в любом 
месте рабочей области. Для активации команды следует пере-
местить курсор в направлении команды, затем щелкнуть левой 
клавишей мыши на названии необходимой команды. Чтобы за-
крыть меню маркировки, достаточно щелкнуть левой клавишей 
мыши в центре меню или нажать на кнопку Esc.
Marking Menu содержит три раздела:
 
– Круговое меню первого уровня;
 
– Круговое меню второго уровня;
 
– Контекстное меню.

2. ЭСКИЗЫ – SKETCH

Эскизы (Sketch) – это геометрические объекты, лежащие в 
основе 3D-модели. Эскизы состоят из двумерной геометрии (ли-
нии, окружности, дуги, точки и др.), созданной на плоскости 
или существующей грани 3D-модели.

2.1. Создание и редактирование эскизов

Значок Create Sketch 
 отображается на следующих вклад-
ках панели инструментов рабочего пространства Design:
 
– Solid;
 
– Surface;
 
– Form;
 
– Sheet metal;
 
– Base Feature Solid;
 
– Base Feature Surface.
При выборе Create Sketch открывается контекстная вкладка 
Sketch, которая содержит специальную панель инструментов. 
Наиболее часто используемые инструменты эскиза отображают-
ся на панели инструментов по умолчанию. Ограничения эскиза 
также видны по умолчанию.
Для создания и редактирования эскиза необходимо выпол-
нить следующие действия.
1. В рабочем пространстве Design на вкладке Solid выбрать 
Create Sketch 
.
2. Выбрать плоскость или грань для создания эскиза. Допу-
стимые варианты:
 
– исходные плоскости;
 
– рабочие плоскости;
 
– плоские грани на объектах.

Примечание. Если выбран существующий объект эскиза или 
узел эскиза в браузере, данный эскиз редактируется, при этом 
новый эскиз не создается.

2.2. Копирование эскизов
При копировании отдельных элементов эскиза или всего 
эскиза в другой эскиз, эскиз, который копируется, должен быть 
активным. Другими словами, эскиз, в который переносятся ско-
пированные объекты, редактируется.

Активный эскиз – это эскиз, на котором отображаются все до-
ступные инструменты для построения и редактирования эски-
за. Важно отметить, что эскиз останется активным, пока не бу-
дет нажата зеленая кнопка Finish Sketch. Общий вид активной 
вкладки Sketch показан на рис. 7.

Рис. 7. Активная вкладка Sketch с доступными инструмента-
ми для построения и редактирования эскиза

2.3. Копирование элементов эскиза в эскизе

Для копирования элементов эскиза необходимо выполнить 
следующие действия.
1. При активном эскизе (см. рис. 7) необходимо выбрать элементы, 
которые будут копироваться.
2. Щелкнуть на выделенных элементах правой клавишей 
мыши и затем выбрать Copy, как показано на рис. 8. Также возможно 
использование стандартных сочетаний клавиш Win/Mac, 
Ctrl + C (Windows) или Command + C (Mac).

Рис. 8. Копирование элементов эскиза с помощью команды 
Copy