[elib.tsogu.ru]_kompjuternye-tekhnologii...83-a5 (2)

Специальные (нерегулярные) свойства, провозглашенные для данного изделия в связи с какими-то уникальными его особенностями.

Особенно важно то, что между разнородными характеристиками могут быть выражены отношения различных типов – логические, алгебраические, основанные на массивах значений или определяемые сценариями – скриптами. Эти отношения, имеющие вид правил, представляют собой форму организации конструкторско-технологических знаний об изделии.

Отметим, что важность представления и использования знаний в задачах ТПП понималась еще до появления методов и средств 3D моделирования. В многочисленных работах предлагалось использование знаний в виде таблиц решений, правил, семантических сетей и фреймов для задач проектирования оснастки, инструмента и технологических процессов. Использование декларативных знаний обеспечивало гибкость создаваемых систем, их адаптируемость к особенностям предметной области и правилам принятия проектных решений. Однако отсутствие на тот период средств создания 3Dмоделей изделий не позволяло получить значимый практический эффект от выполненных разработок.

Рис. 1.6. Схема интегрированного использования 3D-модели и базы знаний

21

С другой стороны, автоматизация конструкторского проектирования лишь за счет построения 3D-моделей и последующего получения чертежей также во многих случаях не приносит должного эффекта в силу недостаточно

высокого уровня автоматизации. Частичное	улучшение	дает разработка
и использование специальных процедурных	приложений	к CAD-системе

(например, конструирование пакета пресс-формы с использованием баз нормализованных деталей).

Существенно больший эффект может дать интегрированное использование набора процедурных приложений. Однако этот подход не может быть реализован для всех видов проектных процедур.

Подход к решению задач автоматизации проектирования за счет интегрированного использования 3D-моделей и баз знаний способен привести одновременно и к гибкости создаваемой системы, и к существенному общему повышению уровня автоматизации.

Общая схема интегрированного использования 3D-моделей и баз знаний приведена на рис. 1.6. Здесь под приложением понимается некоторая проектная процедура ТПП, реализуемая средствами прикладного программного интерфейса (API) CAD-системы и решающая конкретную задачу конструкторского или технологического проектирования с использованием базы корпоративных знаний.

На приведенной схеме не конкретизировано, является ли 3D-модель моделью основного изделия или моделью изделия ТПП – это зависит от характера решаемой приложением задачи. Приложение может использовать в своей работе несколько моделей, а также вспомогательную информацию – например, геометрические или технологические шаблоны.

Применение данной схемы позволяет строить прикладные САПР, работающие «от технического задания» и генерирующие все необходимые геометрические модели, чертежи, технологические процессы, текстовые или текстово-графические документы. Реализация каждой конкретной САПР требует определенных усилий, однако в результате достигаются высокий уровень автоматизации проектных решений и гибкость системы.

1.4. Параметрическое проектирование

Параметрическое моделирование (параметризация) — моделирование (проектирование) с использованием параметров элементов модели и соотношений между этими параметрами. Параметризация позволяет за короткое время «проиграть» (с помощью изменения параметров или геометрических отношений) различные конструктивные схемы и избежать принципиальных ошибок.

Параметрическое моделирование существенно отличается от обычного двухмерного черчения или трёхмерного моделирования. Конструктор в случае параметрического проектирования создаёт математическую модель объектов с параметрами, при изменении которых происходят изменения конфигурации детали, взаимные перемещения деталей в сборке и т. п.

22

Идея параметрического моделирования появилась ещё на ранних этапах развития САПР, но долгое время не могла быть осуществлена по причине недостаточной компьютерной производительности. История параметрического моделирования началась в 1989 году, когда вышли первые системы с возможностью параметризации. Первопроходцами были Pro/Engineer (трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование) фирмы

Parametric Technology Corporation и T-FLEX CAD (двухмерное параметриче-

ское моделирование) фирмы Топ Системы.

Параметризация двухмерных чертежей обычно доступна в CADсистемах среднего и тяжёлого классов. Однако упор в этих системах сделан на трёхмерную технологию проектирования и возможности параметризации двухмерных чертежей практически не используются. Параметрические CADсистемы, ориентированные на двухмерное черчение (лёгкий класс) зачастую являются студенческими версиями более продвинутых САПР.

Примеры двухмерных САПР с возможностью параметризации:

•ADEM CAD/CAM/CAPP — интегрированная система, предназначенная для автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства.

•T-FLEX CAD — САПР российской компании «Топ Системы». Позволяет создавать полностью параметризованные чертежи. Имеется функция автоматической параметризации.

•Solid Edge 2D — продукт компании Siemens PLM Software.

•AutoCAD — с версии 2010 появилась возможность создавать параметрические чертежи так же присутствует возможность создавать двухмерные динамические блоки, которые фактически представляют собой реализацию табличной параметризации.

•AutoCAD Mechanical — специализированное решение для двухмерного машиностроительного проектирования и черчения на базе AutoCAD. В AutoCAD Mechanical используется собственный механизм параметризации.

•КОМПАС-График — система машиностроительного и строительного проектирования и черчения, разработанная компанией АСКОН.

Параметрическое трёхмерное моделирование является гораздо более эффективным инструментом. В современных системах среднего и тяжёлого класса наличие параметрической модели заложено в идеологию самих САПР. Существование параметрического описания объекта является базой для всего процесса проектирования.

Примеры САПР, использующих трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование:

•ADEM CAD/CAM/CAPP – российская САПР среднего класса.

•CATIA — САПР тяжёлого класса французской фирмы Dassault Systemes.

•NX (Unigraphics) — САПР тяжёлого класса Siemens PLM Software.

•Creo Parametric ранее Pro/Engineer — САПР тяжёлого класса Parametric Technology Corporation (PTC).

•Inventor — САПР среднего класса Autodesk.

•Solid Edge — САПР среднего класса Siemens PLM Software.

•SolidWorks — САПР среднего класса SolidWorks Corporation (подразделение Dassault Systemes).

23

•3design CAD — САПР для ювелирного и графического дизайна французского разработчика Vision Numeric.

•T-FLEX CAD — российская САПР среднего класса, использующая геометрическую параметризацию, компании Топ Системы.

•КОМПАС-3D — известная российская САПР среднего класса компании АСКОН, созданная на основе собственного ядра геометрического моделирования.

Типы параметризации применяемые в САПР:

1)Табличная параметризация заключается в создании таблицы параметров типовых деталей. Создание нового экземпляра детали производится путём выбора из таблицы типоразмеров. Возможности табличной параметризации весьма ограничены, поскольку задание произвольных новых значений параметров и геометрических отношений обычно невозможно.

Однако табличная параметризация находит широкое применение во всех параметрических САПР, поскольку позволяет существенно упростить и ускорить создание библиотек стандартных и типовых деталей, а также их применение в процессе конструкторского проектирования.

2)Иерархическая параметризация (параметризация на основе истории построений) заключается в том, что в ходе построения модели вся последовательность построения отображается в отдельном окне в виде «дерева построения». В нем перечислены все существующие в модели вспомогательные элементы, эскизы и выполненные операции в порядке их создания.

Помимо «дерева построения» модели, система запоминает не только порядок её формирования, но и иерархию её элементов (отношения между элементами). Пример: сборки > подсборки > детали.

Параметризация на основе истории построений присутствует во всех САПР использующих трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование. Обычно такой тип параметрического моделирования сочетается с вариационной и/или геометрической параметризацией.

3)Вариационная (размерная) параметризация основана на построении эскизов (с наложением на объекты эскиза различных параметрических связей) и наложении пользователем ограничений в виде системы уравнений, определяющих зависимости между параметрами.

Процесс создания параметрической модели с использованием вариаци-

онной параметризации выглядит следующим образом:

•На первом этапе создаётся эскиз (профиль) для трёхмерной операции. На эскиз накладываются необходимые параметрические связи.

•Затем на эскизе проставляются размеры. Уточняются отдельные размеры профиля. На этом этапе отдельные размеры можно обозначить как переменные (например, присвоить имя «Length») и задать зависимости других размеров от этих переменных в виде формул (например, «Length/2»)

•Затем производится трёхмерная операция (например, выдавливание), значение атрибутов операции тоже служит параметром (например, величина выдавливания).

24

•В случае необходимости создания сборки, взаимное положение компонентов сборки задаётся путём указания сопряжений между ними (совпадение, параллельность или перпендикулярность граней и рёбер, расположение объектов на расстоянии или под углом друг к другу и т. п.).

Вариационная параметризация позволяет легко изменять форму эскиза или величину параметров операций, что позволяет удобно модифицировать трёхмерную модель.

4) Геометрической параметризацией называется параметрическое моделирование, при котором геометрия каждого параметрического объекта пересчитывается в зависимости от положения родительских объектов, его параметров и переменных.

Параметрическая модель, в случае геометрической параметризации, состоит из элементов построения и элементов изображения. Элементы построения (конструкторские линии) задают параметрические связи. К элементам изображения относятся линии изображения (которыми обводятся конструкторские линии), а также элементы оформления (размеры, надписи, штриховки и т. п.).

Одни элементы построения могут зависеть от других элементов построения. Элементы построения могут содержать и параметры (например, радиус окружности или угол наклона прямой). При изменении одного из элементов модели все зависящие от него элементы перестраиваются в соответствии со своими параметрами и способами их задания.

Процесс создания параметрической модели методом геометрической параметризации выглядит следующим образом:

•На первом этапе конструктор задаёт геометрию профиля конструкторскими линиями, отмечает ключевые точки.

•Затем проставляет размеры между конструкторскими линиями. На этом этапе можно задать зависимость размеров друг от друга.

•Затем обводит конструкторские линии линиями изображения — получается профиль, с которым можно осуществлять различные трёхмерные

операции.

Последующие этапы в целом аналогичны процессу моделирования с использованием метода вариационной параметризации.

Геометрическая параметризация даёт возможность более гибкого редактирования модели. В случае необходимости внесения незапланированного изменения в геометрию модели не обязательно удалять исходные линии построения (это может привести к потере ассоциативных взаимосвязей между элементами модели), можно провести новую линию построения и перенести на неё линию изображения.

1.5. Создание ассоциативных связей в документах проекта

Построение трехмерной модели детали или сборки — один из первых этапов на пути к их изготовлению. Эта модель наглядно показывает, как будет выглядеть изделие. С ее помощью можно также произвести расчет

25

будущей конструкции, например на прочность, определить многие другие характеристики и параметры. Использование САПР на этом этапе создания проекта во много раз сокращает затраты времени: компьютер может смоделировать практически любой процесс испытания изделия и с достаточной точностью рассчитать результат.

Когда идеальная с практической и технологической точек зрения модель готова, можно приступать к изготовлению пробного образца. Для этого необходимы выполненные на бумаге сборочные и рабочие чертежи, чертеж общего вида и спецификация. САПР, позволяет рассчитать и смоделировать изделие любой сложности, однако пользователь по-прежнему вынужден строить чертежи этого изделия вручную или с помощью графического редактора.

В некоторых случаях изменения конструкции недостаточно — требуется замена одних деталей другими. При этом помимо редактирования чертежей приходится вносить изменения и в спецификацию. Это, в свою очередь, приводит к изменению порядка следования строк в спецификации, а следовательно, и к изменению номеров позиций в сборочном чертеже. Таким образом, исправление, сделанное в одном-единственном документе, ведет к пересмотру всего комплекта документации, а это заметно снижает эффект от экономии времени, полученный благодаря автоматизации расчетов.

Для успешного создания и сопровождения проектов нужна система, которая помогала бы разработчику следить за соответствием сборочной модели чертежам (сборочному, рабочим) и спецификации. Именно такую возможность в полной мере предоставляет новейшие CAD системы. С их помощью пользователь может создать систему взаимосвязанных документов: трехмерной модели, чертежей и спецификации.

Некоторые системы, например Siemens NX, помимо перечисленных ассоциативных связей, имеют возможность сохранять в себе данные о технологии производства, такие как последовательность обработки поверхностей, инструмент, управляющие программы для станков с ЧПУ для каждой детали входящей в сборочный узел, агрегат или изделие в целом.

Использование трехмерной параметрической модели с возможностями ассоциативных связей, позволяют в режиме реального времени, посредством изменения 3D модели изделия перестроить весь комплект документов при сохранении. Так же современные системы производят контроль вносимых изменений, определяют права пользователя в зависимости от уровня его допуска к той или иной информации. Так, например, главный технолог имеет право вносить изменения в технологический процесс, но ограничен в праве вносить изменение в конструкцию изделия.

1.6. Системы анимации и визуализации

Решение о начале разработки проекта зависит не только от желания заказчика. Часто работы начинаются с поиска источников финансирования, изготовителей, с определения объемов работ и, конечно, с оформления исходно-разрешительной документации. Именно здесь можно значительно

26

упростить и ускорить эти процессы, создав в эскизном виде виртуальную мо-

дель будущего объекта. Одна хорошая картинка, дающая представление

об объекте, и необходимый комплект эскизных чертежей с основными технико-экономическими показателями могут стать решающими в принятии решения о проектировании. Поэтому наибольшее количество трехмерных моделей создается на предпроектной стадии — как презентационные материалы. И не стоит забывать, что хорошее впечатление от графики, сложившееся у заказчика, утвердит его в правильности выбора именно вашей организации, особенно если работа велась на конкурсной основе. Условия выполнения подобных работ очень жесткие: ограничения по срокам, недостаток исходных материалов, создание модели по карандашным наброскам, при этом удачно выполненная работа приносит не только моральное удовлетворение, но и соответствующий результат: никакие чертежи не сравнятся

стрехмерной моделью в силе воздействия на заказчика.

Всвоей работе конструктор должен помнить о том, что не все люди

одинаково способны воспринимать линии чертежа как условное изображение неких объемных форм. Сильнейший эффект на восприятие заказчика оказывают трехмерные изображения, близкие к фотографическому качеству. Поэтому разработчик, создающий трехмерную сцену, должен обладать опре-

деленным художественным вкусом. Картинка должна быть максимально фотореалистичной, и лучше, если будущий объект визуализирован в реальном окружении. При этом нужно умело построить композицию будущего изображения — подобрать задний фон, форму и текстуру вспомогательных поверхностей сцены. Важное значение имеют чувство пропорций и композиции, постановка света, выбор палитры цветов. Неудачный рисунок заднего плана, вставленный в сцену, часто наносит огромный вред эстетической стороне работы. Наиболее распространенные ошибки — это нарушение соотношения масштабов самого объекта и его окружения, неправильно выбранная точка зрения, поскольку неудачный ракурс сводит на нет все достоинства презентационной картинки.

Свет — одна из главных составляющих привлекательной картинки.

Самую красивую 3D-модель можно испортить одним лишь светом, а обычный кубик с хорошо подобранной текстурой и красиво освещенный будет представлять большую художественную ценность. Светом всегда можно выделить достоинства и скрыть недостатки, акцентировать внимание, создать настроение. Свет — очень мощный инструмент, которым нужно умело управлять.

На завершающей стадии проектирования модель корректируется или заново отстраивается с учетом доработок, замечаний и т.д., выявленных в процессе разработки. После этого нужно достичь высокой степени проработки презентационного материала по готовому проекту, например полной реальной детализации модели, применения материалов и фактур, согласо-

ванных с заказчиком. Компьютерная визуализация и 3D-графика усилива-

ют благоприятное впечатление от проекта на этапе представления его на выставках, конкурсах, в публикациях.

27

Компьютерное моделирование позволяет выполнить анализ различных материалов, цветовых решений, создавая их аналоги в процессе принятия решения на стадии проектирования. А качество визуализации определяется не только фантазией, но и профессионализмом 3D-дизайнера (конструктора). Правильно расставить свет и тени, создать необходимые текстуры, грамотно дать движение объекту и камере — вот далеко не полный список навыков, которыми должен обладать мастер. Трехмерная визуализация в основном нужна для того, чтобы преподнести свой проект заказчику в доступной для восприятия форме и усилить его впечатление. 3D-анимация — это способ

показать все то, что снять невозможно, и обыграть это так, чтобы все было абсолютно понятно.

Мультимедиапрезентация — это в большинстве случаев работа дизайнера и программиста, а еще лучше, когда к ним присоединяются психолог, аналитик, маркетолог, специалист по 3D-графике и видеопроизводству. Задача мультимедиапрезентации состоит в том, чтобы оперативно, ярко и понятно предоставить потенциальному клиенту или партнеру всю необходимую информацию, удивить его и возбудить у него интерес. На выставках, семинарах и даже просто при визите менеджеров к клиентам мультимедиапрезентация может сделать эту работу куда более производительной, что позволяет эффективно распределять и использовать рабочее время.

2. ЭВМ В ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТАХ

Глобализация рынков, конкуренции, образовательных и промышленных стандартов, финансового капитала, технологий и наукоемких инноваций требует гораздо более быстрых темпов развития, предельно коротких циклов разработки, низких цен и высокого качества продукции. Начинают играть особую роль быстрота профессиональной реакции на вызовы, скорость выполнения НИОКР и оказания высокотехнологичных услуг командами специалистов, обладающих компетенциями, оборудованием и технологиями мирового уровня.

Быстрое и интенсивное развитие информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) и наукоёмких компьютерных технологий (НКТ), нанотехнологий, которые носят принципиально «надотраслевой характер», способствует кардинальному изменению характера конкуренции и позволяет «перепрыгнуть» десятилетия экономической и технологической эволюции. Ярчайшим примером такого «скачк» являются Бразилия, Китай, Индия и другие страны Юго-Восточной Азии. Одной из таких НКТ является компьютерный инжиниринг, или САЕ-технологии.

CAE-системы (Computer-Aided Engineering, CAE) – системы автома-

тизации инженерных расчетов, самые передовые из которых представляют собой мультидисциплинарные надотраслевые CAE-системы. С помощью

28

(в рамках) CAE-систем разрабатывают и применяют рациональные математические модели, обладающие высоким уровнем адекватности реальным объектам и реальным физико-механическим процессам, выполняют эффективное решение многомерных исследовательских и промышленных задач, описываемых нестационарными нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных в пространственных областях сложной формы. Для эффективного решения этих задач применяются, как правило, разнообразные варианты современного и наиболее мощного и универсального численного метода – метода конечных элементов (МКЭ; Finite Element Analysis, FEA).

FEA (конечно-элементный анализ; КЭ анализ), в первую очередь, применим для эффективного решения задач механики деформируемого твердого тела, статики, колебаний, устойчивости, динамики и прочности машин, конструкций, приборов, аппаратуры, установок и сооружений, т.е. всего спектра продуктов и изделий, выпускаемых различными отраслями промышленности. С помощью различных вариантов МКЭ эффективно решают задачи механики конструкций, теплообмена, электромагнетизма и акустики, строительной механики, технологической механики (в первую очередь, назовем задачи пластической обработки металлов, задачи сварки и термообработки, литья металлов, литья пластмасс под давлением), задачи механики контактного взаимодействия и разрушения, задачи механики композитов и композитных структур.

Главные причины бума в области CAE — быстрый рост вычислительной мощности компьютеров и признание роли компьютерного моделирования для повышения качества продукции, ускорения выпуска новых изделий и снижения затрат на разработку. В течение длительного времени предприятия скептически относились к системам CAE, считая результаты традиционных методик расчета более точными. Тем не менее, растёт число проектов, обязанных своим успехом применению CAE, а у производственников расширяется опыт работы с новыми технологиями. Кроме того, CAE-продукты становятся удобнее в эксплуатации. Огромное значение имеет и то, что совершенствование аналитического ПО сопровождается снижением стоимости и повышением доступности высокопроизводительных компьютеров, так как инженерные расчёты требуют большой вычислительной мощности. Раньше для них были нужны мощные серверы и специализированные рабочие станции, а теперь достаточно настольных ПК. Более того, те расчёты, которые прежде требовали нескольких дней или недель, теперь выполняются за пару часов.

В системах инженерных расчетов и анализа CAE центральное место занимают программы моделирования полей физических величин, прежде всего это программы анализа прочности по методу конечных элементов (МКЭ).

Метод конечных элементов разработан к 1950 г. специалистами, работающими в областях строительной механики и теории упругости. Сам термин «конечные элементы» был введен в 1960 г. Р. Клафом (R.Clough). В 1963 г. был предложен сравнительно простой способ примене-

29

ния МКЭ для анализа прочности путем минимизации потенциальной энергии. Появились программно-методические комплексы для анализа и моделирования на основе МКЭ.

В1965 г. NASA для поддержки проектов, связанных с космическими исследованиями, ставит задачу разработки конечно-элементного программного пакета. К 1970 г. такой пакет под названием NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis) был создан и начал эксплуатироваться. Стоимость разработки, продолжавшейся 5 лет, составила 3-4 млн долларов. Одной из компаний, участвовавших в разработке, была MSC (MacNeal-Schwendler Corporation). С 1973 г. MSC (с 1999 г. компания называется MSC.Software Corporation) самостоятельно продолжает развивать пакет MSC.NASTRAN, который стал мировым лидером в своем классе продуктов.

В1976 г. разработан комплекс DYNA3D (позднее названный LS-DYNA), предназначенный для анализа ударно-контактных взаимодействий деформируемых структур.

К числу лидеров программ CAE можно отнести также комплекс Ansys.

В2000 г. с помощью средств многоаспектного моделирования, реализованных в Ansys, продемонстрирована возможность совместного моделирования электромагнитных, механических и тепловых процессов при проектировании микроэлектромеханических устройств.

Мировым лидером среди программ анализа на макроуровне считается комплекс Adams, разработанный и развиваемый компанией Mechanical Dynamics Inc. (MDI). Компания создана в 1977 г. Основное назначение

Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) — кинематиче-

ский и динамический анализ механических систем с автоматическим формированием и решением уравнений движения.

Для проектирования систем, функционирование которых основано на взаимовлиянии процессов различной физической природы, важное значение имеет возможность многоаспектного моделирования. Теоретические основы многоаспектного моделирования на базе аналогий физических величин рассматривались Г. Ольсоном (1947 г.), В. П. Сигорским (1975 г.) и были

реализованы в программах моделирования ПА6 – ПА9, разработанных в МВТУ им. Н.Э.Баумана в 70–80-е годы.

2.1. Интеграция систем проектирования и расчета конструкций

По мнению ведущих мировых аналитиков, основными факторами успеха в современном промышленном производстве являются: сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение качества. Сейчас общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения современных систем автоматизации. К числу наиболее эффективных технологий, позволяющих выполнить эти требования, принадлежат так называемые CAD/CAM/CAEсистемы (системы автоматизированного проектирования, технологической

30