Моделирование сборок

Первые системы геометрического моделирования использовались главным образом для моделирования отдельных деталей, а не сборок. Детали создавались поодиночке, а затем собирались. На этом же этапе проверялось, подходят ли детали друг другу. Такой подход был пригоден для небольших команд работавших с простыми устройствами. Однако он неприемлем в том случае, когда проект ведется несколькими командами, разбросанными по всему миру, а разрабатываемая сборка является достаточно сложной. Конструктор может изменить конфигурацию компонента и забыть сказать об этом другим или забыть внести изменения в другие компоненты, зависимые от измененного.

В настоящее время в CAD-системах реализуются два основных подхода к созданию сборочных конструкций. Первый из них предусматривает первоначальное создание моделей деталей и последующее включение их в сборку. Этот метод можно условно назвать проектированием «снизу-вверх» (рис.8). Он применяется, когда у конструктора есть достаточно полное представление о геометрии деталей или используются детали из уже выпускающихся изделий и стандартные элементы.

Второй метод называется проектированием «сверху-вниз». Сначала разрабатывается структура и компоновка изделия, определяются габариты, а затем проектируются входящие в изделие узлы, детали и задаются взаимозависимости между ними.

На практике чаще всего используется сочетание вышеназванных методов.

Рис.8

В CAD-системах используются несколько способов соединения элементов в сборке: по системам координат, плоскостям, осям, точкам.

Элемент сборки в свою очередь также может быть сборочной моделью. Уровень вложенности элементов неограничен.

В документе сборки сохраняется ассоциативная связь с документом элемента сборки, т.е. при изменении любого из элементов все изменения будут перенесены в файл сборки автоматически или при выполнении команды обновления.

Важной особенностью работы со сборочными единицами является возможность создания параметрических ограничивающих отношений между отдельными деталями. После указания всех соотношений конструктору достаточно будет изменить только ключевые размеры, а все остальные будут изменены автоматически, что значительно упрощает работу со сборками, так как отпадает необходимость в отслеживании всех изменений.

Современные системы геометрического моделирования могут работать со сборками, содержащими десятки тысяч деталей. В свою очередь, большое количество деталей и их сложная форма предъявляют достаточно жесткие требования к возможностям компьютера. Поэтому во многих системах предусмотрены функции упрощения сборок.

Одним из методов упрощения сборок является использование экземпляров. Этот метод позволяет моделировать стандартную деталь (в частности крепежную) только один раз, после чего достаточно лишь задать положение следующего экземпляра этой детали. Кроме того, экземпляры легко изменять, поскольку изменения достаточно внести один раз.

Другим методом является укрупнение, т.е. группировка всех деталей или отдельных узлов в одно целое. При этом исчезают все внутренние особенности узлов, а сохраняются только внешние. Если пользователю необходима лишь внешняя форма, это значительно упрощает работу с моделью.

Сложность модели может быть снижена методом игнорирования особенностей деталей в тех случаях, когда они не важны. Однако эти детали постоянно сохраняются как части геометрической модели.

Немаловажной особенностью современных систем геометрического моделирования является наличие модулей проверки изделий на собираемость и исследование элементов сборки на предмет взаимных проникновений, так как уже на этапе моделирования появляется возможность оценить корректность создания отдельных деталей. Кроме того, для оценки работы всех деталей механизмов можно применить имеющийся в CAD-системах режим анимации.

В условиях применения сквозных компьютерных технологий, когда информация с компьютера передается непосредственно на станок по локальной сети, чертежи теряют то ведущее положение, которое они занимали в традиционном конструировании. Однако во всех программных пакетах есть средства разработки чертежно-конструкторской документации.

Для пакетов нижнего уровня функция вычерчивания является основной, и подготовка чертежа на компьютере мало чем отличается от работы на кульмане.

В CAD-системах среднего и верхнего уровней, работающих с объемными моделями, также присутствуют модули, позволяющие автоматически получать чертежи и другую документации на основе 3D-моделей в соответствии с существующими российскими и международными стандартами. При этом обеспечивается ассоциативная связь между моделью и чертежами, сделанными на ее основе, позволяющая в автоматическом режиме отслеживать изменения, т.е. при изменении формы, размеров и топологии модели изменяются и все связанные с ней виды. Однако, в случае необходимости, ассоциативная связь может быть разорвана. В этом случае все линии чертежа становятся самостоятельными объектами и перестраиваются вручную с помощью функций редактирования плоской геометрии.

Обычно пользователю предоставляются возможности создания стандартных и произвольных видов, местных видов, разрезов и сечений; поддерживаются любые типы размеров: линейные, угловые, радиальные, цепочки размеров и т.д. (рис.9). На чертеж также могут быть нанесены допуски формы и расположения поверхностей, шероховатости, надписи, тексты.

Рис.9

Формирование спецификаций также происходит автоматически на основе данных о деталях сборки, которые могут быть получены либо из форматки, либо введены пользователем, либо взяты из данных для спецификаций (при вставке стандартных изделий). Между спецификацией и чертежом или сборочной моделью также существует ассоциативная связь. Это, в частности, проявляется в том, что при удалении детали из сборки, она удаляется и из спецификации. При этом происходит перенумерация последующих позиций спецификации и соответственно изменение позиций на чертеже.

Инженерный анализ в машиностроении

Выше уже упоминалось, что построение пространственной геометрической модели проектируемого изделия является центральной задачей компьютерного проектирования. Именно эта модель используется для дальнейшего решения задач формирования чертежно-конструкторской документации и т.д. Кроме того, эта модель передается в САЕ-системы и используется там для проведения инженерных исследований.

Первые системы для автоматизации задач инженерного анализа появились более 30 лет назад.

Функции САЕ-систем связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. Средства CAE могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Программы для кинематических расчетов, например, способны определять траектории движения и скорости звеньев в механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениями могут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составных устройствах типа автомобилей. Программы верификации и анализа логики и синхронизации имитируют работу сложных электронных цепей. Следует заметить, что исследоваться могут не только проектируемые изделия или детали, но и проектируемые технологические процессы, например процесс горячей штамповки, гибки, литья из пластмассы и т.д.

Достоинство методов анализа и оптимизации конструкций заключается в том, что они позволяют конструктору увидеть поведение конечного продукта и выявить возможные ошибки до создания реальных прототипов, избежав определенных затрат. Поскольку стоимость конструирования на последних стадиях разработки и производства продукта экспоненциально возрастает, ранняя оптимизация и усовершенствование (возможные только благодаря аналитическим средствам CAE) окупаются значительным снижением сроков и стоимости разработки.

По всей видимости, из всех методов компьютерного анализа наиболее широко используется метод конечных элементов (МКЭ). Первоначально МКЭ применялся главным образом в строительной механике. Однако вскоре стало ясно, что он имеет более широкую область применения. С его помощью рассчитываются напряжения, деформации, теплообмен, распределение магнитного поля и т.д.

На рис.10 приведены некоторые элементы, которые могут присутствовать в библиотеке конечно-элементного пакета. Необходимо отметить, что выбор элементов определяется областью задачи, ее типом, а также конкретным пакетом анализа.

Метод конечных элементов работает на основе расщепления геометрии объекта на большое число (тысячи или десятки тысяч) элементов (рис.11). Эти элементы образуют ячейки сети с узлами в точках соединений. Поведение каждого малого элемента стандартной формы рассчитывается на основе математических уравнений. Суммирование поведения отдельных элементов дает ожидаемое поведение объекта в целом. При этом результаты компьютерного моделирования могут быть представлены в виде таблиц, графиков или в виде реалистичных изображений положений и состояний объектов в разные моменты времени и при различных условиях (нагрузках, температурных режимах и т.д.). Например, объемная модель раскрашивается разными цветами в соответствии с текущими значениями температур в каждой точке детали.

Рис.10

Рис.11

В результате проведенных исследований оптимизируются соответствующие прочностные или тепловые характеристики, повышается ресурс и долговечность объекта.

В качестве «недостатка» МКЭ можно назвать повышенные требования к мощности компьютера при увеличении числа конечных элементов, используемых для анализа модели.