Инженерная графика. Компьютерное моделирование
Инженерная графика представляет собой особый сегмент во всем многообразии компьютерной графики. Это связано в первую очередь с тем, что этот вид графики строго стандартизован и требует использования специального программного обеспечения. Кроме того, в настоящее время процесс проектирования нового изделия практически всегда начинается с создания компьютерной модели.
Различают плоское 2D и объемное 3D компьютерное моделирование. Плоское 2D моделирование используется для создания конструкторской документации (чертежи, эскизы, таблицы, схемы и т.д.). Трехмерное 3D моделирование используется для создания трехмерных моделей объектов. При этом термин моделирование можно использовать в равной степени в обоих случаях, так как плоский чертеж так же является моделью объекта, как и его объемное представление.
Сущность геометрического моделирования заключается в создании средствами той или иной CAD-системы математической модели объекта, описывающей их геометрические свойства. Следует иметь в виду, что все модели, создаваемые средствами CAD-систем (плоские или трехмерные), имеют внутреннее и внешнее представления. Внутреннее представление храниться в виде файлов и является собственно математической моделью. Внешнее представление мы видим на экране в виде изображения, построенного средствами ядра системы на основе математической модели, хранящейся в файле. Практически все производители CAD систем сохраняют математические модели в файлах собственного формата, т.е. каждая система может считать данные только из собственного формата. Например, система T-Flex сохраняет информацию о модели (ее математическую модель) в файле *.grb, система SolidWorks − *.sldprt. При этом есть ряд общепризнанных файлов обмена информацией, речь о которых будет идти позже.
Геометрия модели любой сложности может быть описана совокупностью следующих объектов: точка, линия, поверхность, тело. Каждый из этих объектов является классом, состоящим из ряда объектов этого класса (разновидностей родительского объекта). Например, класс линия содержит такие виды линий: прямая, ломанная, сплайн, окружность, спираль и т.д. Класс поверхность содержит следующие виды поверхностей: плоская, цилиндрическая, поверхность Безье и т.д.
При создании плоского изображения в CAD-системе, указывается вид (выбирается из меню системы) линии и задаются ее параметры. Например, для создания отрезка, выбирается соответствующий пункт меню и задаются координаты двух точек, определяющих его концы. При этом в файле сохраняются именно эти параметры, т.е. координаты двух точек и другие свойства (тип, цвет и т.д.), а задача ее отрисовки на мониторе (или при печати изображения) ложится на графическое ядро CAD-системы, использующее эти данные.
Создание объемного 3D изображения осуществляется путем выполнения какой- либо модифицирующей операции (выталкивание, вращение и т.д.) над плоским графическим изображением, построенным на плоскости. Например, для создания цилиндра следует сначала создать на плоскости окружность, а затем, используя команду выталкивание, сам цилиндр (рис. 2).
а) б)
Рис. 2. Создание цилиндра выталкиванием окружности: а) – в системе T-Flex, б) − в системе SolidWorks
Различия в функциональных возможностях той или иной CAD-системы определяются не только возможностями геометрического ядра, но и математикой самой системы. Производители дополняют возможности геометрического ядра собственными алгоритмами построения поверхностей, выполнения сложных операций. При этом возможности выполнения той или иной операции практически полностью зависят от алгоритмов их выполнения, которые являются авторскими секретами разработчиков. Для примера рассмотрим работу команды «сглаживание» в системах T-Flex и SolidWorks (рис. 3), имеющих общее геометрическое ядро Parasolid.
При сглаживании ребер, являющихся пересечением цилиндрических поверхностей и плоскости система SolidWorks по умолчанию строит сглаживание так, что три поверхности (цилиндрическая, плоскость и сглаживающая) имеют одну общую точку поз. 1 (рис. 3, а). Система T-Flex при сглаживании не меняет радиус. Результат представлен на рис. 3,б. Кроме того, следует обратить внимание на сопряжение поз. 2 (рис. 3, а). При сравнении двух аналогичных мест сопряжения можно отметить различие построенных сопрягающих поверхностей.
Эти различия объясняются тем, что в каждой системе заложено несколько алгоритмов построения сглаживания, каждый из которых имеет свою «математику», а следовательно и различные результаты построения.
а) б)
Рис. 3. Выполнение операции сглаживание «по умолчанию» в системах: а) SolidWorks и б) T-Flex