Граничное представление твердого тела

Граничное представление твердого тела

Как известно, в современных CAD -системах широко используется так называемое твердотельное параметрическое моделирование, позволяющее за короткое время создать геометрию с высоким уровнем качества. На самом деле современные "твердотельные" системы моделирования основаны на поверхностном моделировании c граничным представлением твердых тел – BREP (Boundary REPresentation).

В граничном представлении твердое тело описывается как набор поверхностей, с заданной точностью соединенных по границам и образующих замкнутый объем (рис. 1). Помимо прочего, подобное представление позволяет определять объем тела и его массово-инерционные характеристики, а также упрощает его разбиение на конечные элементы для инженерного анализа (так как можно легко определить, лежит ли точка внутри тела или за его пределами).

Для удобства работы параметрические модели представляются в виде логического дерева построения. В качестве примера приведен этап работы по созданию обводов корпуса судна. Фактически, каждая геометрическая операция (вытянуть, построить по сечениям и др.) – это просто набор "макросов", создающих набор корректно связанных поверхностей. При изменении компонента дерева построения все последующие элементы будут перестроены. Если при этом исчезнут элементы, к которым были привязаны последующие построения, то модель окажется некорректной. Поэтому, проектируя изделие, необходимо четко представлять иерархию дерева и возможные способы последующего изменения геометрии.

Геометрическое ядро.

Пакет геометрического моделирования (называемый также геометрическим ядром) — набор библиотек с программным интерфейсом (API), с помощью которого можно пользоваться функциями геометрического (например, твердотельного) моделирования. Многие ведущие CAD-системы (такие как CATIA, Pro/E, NX) построены на основе собственных геометрических ядер (CGM, GRANITE и Parasolid соответственно), тогда как другие (SolidWorks, T-FLEX, ADEM и пр.) построены на основе лицензированных геометрических ядер. Популярными коммерческими ядрами (используемыми в наибольшем количестве САПР) являются Parasolid (компании Siemens PLM Software), ACIS (выпускаемый Spatial Corp. — дочерней компании Dassault Systèmes) и GRANITE (PTC). Свободно распространяется в открытом коде ядро Open CASCADE.

Типичной функциональностью пакета геометрического моделирования является предоставление набора программных интерфейсов (структур данных, функций и классов) для создания приложения каркасного, поверхностного, твердотельного или немногообразного моделирования. Обычно родственные интерфейсы группируются в модули, среди которых выделяют:

• базовые типы и операции;
• моделирование топологии граничного представления;
• геометрические объекты и операции над ними;
• булевы операции и операции редактирования поверхностей;
• удаление невидимых линий и рендеринг;
• модули для чтения и записи геометрических файлов популярных форматов.

 

 

10. Способы проектирования в универсальных чертежных системах;

11. Способы редактирования трёхмерных геометрических моделей;

Преобразование в объекты других типов

Во многих случаях имеется возможность преобразовать объект данного типа в объект другого типа, чтобы использовать преимущества конкретного способа редактирования.

Например, выбранные типы поверхностей, тел и использовавшихся в предыдущей версии программы сетей можно преобразовать в объекты-сети, чтобы воспользоваться связанными с ними возможностями сглаживания и моделирования.

Сходным образом можно преобразовать сеть в 3D тела и поверхности; это позволяет решать некоторые задачи моделирования составных объектов, что невозможно без такого преобразования. Часто преобразование предлагается в качестве варианта выбора при запуске операций, которые доступны только для тел и поверхностей.

Просмотр модели под разными углами обзора

При работе с любым 3D объектом можно легко вносить изменения, точное отображение которых в текущем виде невозможно. Чтобы вносимые изменения соответствовали ожиданиям, пользователю необходимо уметь пользоваться следующими возможностями:

• Работа с 3D рабочей плоскостью (ПСК). Чтобы понять, как модель проецируется в 3D пространстве, следует научиться пользоваться осями X, Y и Z. Более подробная информация приведена в разделе Методы записи координат.
• Поворот вида для отображения модели с различных точек обзора. Имеется несколько инструментов навигации, в том числе 3D орбита и инструмент построения видового куба, которые позволяют различными способами поворачивать модель в рабочем пространстве. Более подробная информация приведена в разделе Использование инструментов просмотра.
• Вывод нескольких видовых экранов. Можно установить два или большее количество видовых экранов с разными углами обзора и визуальными стилями. Внося изменение в один видовой экран, можно видеть его результаты одновременно с нескольких точек обзора. Более подробная информация приведена в разделе Работа с несколькими видами в пространстве модели.

12. PLM;

Product Lifecycle Management (PLM) (жизненный цикл изделия) — технология управления жизненным циклом изделий. Организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии и связанных с ним процессах на протяжении всего его жизненного цикла, начиная с проектирования и производства до снятия с эксплуатации. При этом в качестве изделий могут рассматриваться различные сложные технические объекты (корабли и автомобили, самолёты и ракеты, компьютерные сети и др.). Информация об объекте, содержащаяся в PLM-системе является цифровым макетом этого объекта.

PLM обеспечивает степень взаимодействия, к которой стремились система планирования ресурсов предприятия (ERP) и система управления взаимодействия с клиентами (CRM). В начале 90-х годов система планирования ресурсов предприятия (ERP) объединила финансовый отдел, кадровую службу, производство и склад. Десятилетие спустя система управления взаимодействия с клиентами (CRM) объединила центр обслуживания звонков и торговый персонал. Теперь система автоматизированного проектирования (CAD), система автоматизированного производства (CAM), система управления данными об изделии (PDM) и процесс производства работают вместе посредством системы управления жизненным циклом изделия (PLM). Но PLM отличается от других программных решений в масштабе предприятия, поскольку оно направлено на извлечение максимальной выгоды от повторяющихся процессов. При помощи PLM ваша продукция станет инновационной, лидирующей в отрасли и обеспечит максимальный рост.

13. Методологии трёхмерного моделирования. Прямое, косвенное, с историей, без истории;

Параметризация

Важным условием правильного построения параметрических моделей и сборок являются логичные непересекающиеся отношения «предок — потомок». Другими словами, хронология модели или сборки, то есть последовательность создания элементов и их связей, позволяющая легко редактировать процесс создания модели, должна быть логичной и не содержать рекурсивных ссылок.

Что такое логичная хронология? Поясним это на примере простой схемы,на которой заданы четыре прямые: A, B, C, и D. Если прямая B задана от базы (родителя) A, а прямая D от базы C, то такие отношения между родителями и потомками будут логичными. Если задать B от C, а D от A, то такая хронология будет нелогичной. При смещении любой из баз мы сможем наблюдать логичность или нелогичность отношений.

Что такое рекурсивные отношения в хронологии? Рассмотрим простой пример. Даны три детали: вал, втулка и шпонка между ними. Традиционно мы начинаем построение в следующей последовательности:

1. Создаем вал (пока без шпоночного паза). Вставляем в сборку.
2. В контексте сборки, опираясь на ось вала и сопрягаемую поверхность, строим втулку (также без шпоночного паза).
3. По сопряженной поверхности вала вставляем шпонку (стандартное изделие).
4. По сопряженной поверхности шпонки выполняем шпоночный паз (конструктивный элемент) на втулке.
5. Пытаемся сделать то же самое с валом. Возникает рекурсия.

Причина такого поведения параметрической сборки видна из схемы отношений «предок — потомок». Как развязать рекурсивные связи? Важным свойством развитой параметризации является возможность редактирования хронологии. Поэтому поступим следующим образом:

1. Создадим в файле сборки линии сопряжений (осевую линию и линию, где должно быть сопряжение вала с втулкой, причем не привязывая их к элементам фрагментов).
2. Перепривяжем последовательно линии поверхностей и осевые вала, втулки и шпонки к заданным линиям.
3. Выполним на валу конструктивный элемент (КЭ) по шпонке. Теперь этот КЭ будет иметь параметрическую связь в сборке. Какую бы шпонку вы теперь ни выбрали, КЭ всегда будет ей соответствовать.

Параметризации не может быть мало или много, параметризация не может быть мягкой или жесткой — либо она есть, либо ее нет. Параметрические отношения могут быть развитыми или неразвитыми. Но все остальные связи можно называть как угодно: настраиваемые, адаптивные, интеллектуальные и т.п. Суть от этого не меняется, поскольку такие связи не обладают свойствами параметрических связей, хотя и не исключают их существования.

Сборка «снизу вверх»

До последнего времени доминировала организация процесса проектирования сборок по схеме «снизу вверх». Это связано прежде всего с тем, что программные инструменты для ее осуществления были раньше реализованы в программных продуктах. Рассмотрим схему организации процесса проектирования, характерную для метода «снизу вверх».

Начальным этапом проектирования является разработка (выбор) схемы устройства, компоновочного чертежа ответственным лицом (или группой лиц), которого мы назовем ведущим. Затем ведущий формирует задания на проектирование для сотрудников, определяет параметры связей между составляющими сборки. На данном этапе связь с общей компоновкой может быть организована только в виде переменных. Такой связи не всегда достаточно, поэтому, чтобы облегчить и ускорить работу, от нее часто отказываются. Вследствие этого начальный этап разработки становится статичным и не входит в информационное поле модели. По выданным заданиям и параметрам связей между элементами каждый сотрудник проектирует упрощенный вариант детали, входящей в сборку.

На следующем этапе ведущий компонует сборку из упрощенных деталей, дополняет ее унифицированными и стандартными изделиями. Затем он анализирует пересечения тел и потребность в КЭ (например, в отверстиях под крепеж). Назначает или исправляет параметры сопряжений деталей через переменные. На основе полученных данных уточняет задания для сотрудников. По полученному заданию каждый сотрудник детализирует геометрию детали и возвращает ее в сборку. Далее в работе отдела устанавливается некоторая цикличность, сохраняющаяся до завершения проекта.

Сборка «снизу вверх» осуществляется путем привязки деталей друг к другу. В результате этого формируются схемы хронологии связей деталей в виде бамбука. Такая схема без специальных механизмов, обеспечивающих постоянство связей, может оказаться недостаточно устойчивой для внесения изменений в ходе проектирования. Отсутствие данных механизмов затрудняет необходимые функциональные замены деталей для сборок разных версий и разного исполнения. Многие начинающие пользователи, сталкиваясь с данной проблемой, считают ее недостатком самого метода «снизу вверх».

Однако существует множество задач, для которых метод «снизу вверх» дает значительное сокращение сроков проектирования. Прежде всего, это проектирование типичных механизмов с постоянной структурой, работа над которым заключается в расчете параметров и детализации геометрии. Это значительная доля проектирования, так как любой механизм из справочника по механизмам можно считать типичным. Сюда относятся штампы, пресс-формы, редукторы, двигатели, насосы, приводы, гидро- и пневмоцилиндры, муфты и т.п. Ускорение достигается в этом случае благодаря использованию параметрических элементов «корпоративных» библиотек.

T-FLEX CAD 2D и 3D имеют для этого наиболее полную функциональность, включая специальные механизмы для обеспечения замены элементов конструкции.

Кроме того, метод «снизу вверх» достаточно эффективен для проектирования изделий, содержащих базовую деталь (корпус), на которой крепится большинство остальных деталей. В этом случае хронология сборки значительно короче и схема связей выглядит не в виде бамбука, а в виде дерева, стволом которого является базовая деталь.

Сборка «сверху вниз»

В настоящее время появились и достаточно быстро развиваются программные инструменты для организации проектирования сборок по схеме «сверху вниз». Прежде всего, это механизмы контекстной сборки. Нужно отметить, что их использование не всегда приводит к результатам и свойствам сборки «сверху вниз». Достижение положительных результатов при таких сборках в высшей степени зависит от организации процесса проектирования. Рассмотрим две возможные схемы организации процесса проектирования для данного случая.

На начальном этапе проектирования ведущий разрабатывает электронную 2D- или 3D-схему устройства с определенными функциональными связями между компонентами сборки и их сопряжениями. Возможность задавать единое сопряжение для двух деталей — одно из важных преимуществ сборки «сверху вниз». Сопряжения в схеме можно задавать различными способами:

• копиями тел (например, для шарнирного соединения это может быть цилиндр, одна копия которого передается детали с отверстием, а другая — детали с осью);
• разделенными телами (например, строится общий объем верхней и нижней плит пресс-формы, они разделяются каркасной поверхностью и передаются «в деталь» для детализации геометрии);
• конструктивным элементом (например, отверстием, проходящим через верхнюю и нижнюю плиту и служащим для «базирования» операций при детализации геометрии детали).

Далее формируют задания для сотрудников на проектирование деталей, причем параметры связей между составляющими сборки уже определены общей компоновкой. Компоновка становится прародителем всего информационного поля модели. По заданиям и компоновке устройства с переданными в файл детали сопряжениями каждый сотрудник проектирует упрощенный вариант детали, входящей в сборку. Затем организация процесса может идти по двум направлениям:

• Схема первая. Перед передачей компоновки и сопряжений в файл детали устанавливают ассоциативную связь, которая каждый раз возвращает новую геометрию детали в исходный файл.
• Схема вторая. Деталь вставляется в новый файл сборки. Глобальные координаты и положение каждой детали определены компоновкой, поэтому детали автоматически встают каждая на свое место.

При такой организации ведущему уже не приходится участвовать в организации сборки: все необходимые параметры (положение детали в глобальной системе координат и сопряжения деталей) определены компоновочной схемой. Он может пополнять сборку унифицированными и стандартными изделиями, дополнять детали КЭ и анализировать пересечения тел. Хотя единство сопряжения между деталями гарантирует четкую «прилегаемость» деталей, сотрудник, видя окружение сборки, способен сам детализировать геометрию детали. Ведущий также вводит дополнения или ограничения в проект, уточняет задания.

Значительный эффект от такой организации работы проявляется в сложных случаях — при проектировании нетипичных конструкций. Для повышения эффективности такой организации работы целесообразно синхронизировать обновление деталей в сборке и предоставить ведущему инструменты управления процессом проектирования. Наиболее эффективно с такой задачей справляется PDM-система.

Достоинством первой схемы организации сборки «сверху вниз» является удобное анимирование моделей. Преимущество второй схемы обнаруживается при вариантном проектировании, когда необходимы функциональные замены деталей и ведение нескольких версий проекта.

Поскольку положение каждой детали и их сопряжения при методе «сверху вниз» однозначно заданы сборкой, то схема хронологии связей деталей выглядит как куст земляники. Эта схема достаточно устойчива для внесения изменений в ходе проектирования: любую деталь можно извлекать из сборки без всяких последствий. Кроме того, такая схема устойчива к некорректным действиям пользователя. Поэтому разработчики систем, не имеющих специальных механизмов замен, рекомендуют ее как основную.

Граничное представление твердого тела

Как известно, в современных CAD -системах широко используется так называемое твердотельное параметрическое моделирование, позволяющее за короткое время создать геометрию с высоким уровнем качества. На самом деле современные "твердотельные" системы моделирования основаны на поверхностном моделировании c граничным представлением твердых тел – BREP (Boundary REPresentation).

В граничном представлении твердое тело описывается как набор поверхностей, с заданной точностью соединенных по границам и образующих замкнутый объем (рис. 1). Помимо прочего, подобное представление позволяет определять объем тела и его массово-инерционные характеристики, а также упрощает его разбиение на конечные элементы для инженерного анализа (так как можно легко определить, лежит ли точка внутри тела или за его пределами).

Для удобства работы параметрические модели представляются в виде логического дерева построения. В качестве примера приведен этап работы по созданию обводов корпуса судна. Фактически, каждая геометрическая операция (вытянуть, построить по сечениям и др.) – это просто набор "макросов", создающих набор корректно связанных поверхностей. При изменении компонента дерева построения все последующие элементы будут перестроены. Если при этом исчезнут элементы, к которым были привязаны последующие построения, то модель окажется некорректной. Поэтому, проектируя изделие, необходимо четко представлять иерархию дерева и возможные способы последующего изменения геометрии.