4.2.1. Методы построений зd-молелей
•I
Управление геометрическими моделями. В универсальных
CAD-системах трехмерная модель формируется и управляет
ся пользователем с использованием «дерева построения» (иначе
172
4.2.2).
Дерево построения можно считать графо-аналитическои мо
лью процесса построения геометрической модели - наглядное
изображение алгоритма получения модели. В дереве построения
представлена вся последовательность составляющих моделируе
мое тело объектов и операций с ними. Например, объекты могут
изображаться в «дереве» в виде иерархического списка, вклю
чающего плоские эскизы и операции движения этих эскизов.
Дерево построения и графическая область экрана динамически
связаны. В режиме диалога пользователь может получить доступ
и модифицировать объекты, операции и образующие эскиз ли
нии и контура.
В последние годы специалистами активно обсуждаются воз
можности построения объемных геометрических моделей без
сохранения истории построения, за счет расширения возмож
ностей вариационной параметризации [132]. Отказаться от
дерева построения позволяет использование так называемых
базовых конструктивных элементов (feature-based design), при
менение достижений искусственного интеллекта и объектно-
ориентированного программирования.
Один из известнейших разработчиков программного обеспе
чения для САПР — компания Siemens PLM Software [163] — в 2008 г.
анонсировала новую стратегию технического развития своих
программных продуктов, которую предложено называть ярким
и запоминающимся слоганом «Синхронное моделирование». Но
вая методика моделирования синхронизирует геометрию и пра
вила проектирования за счет применения механизма принятия
Решений, основанного на экспертной системе знаний.
Организационно изменения традиционной методики про
ектирования заключаются в интерактивном порождении поль
зователем ЗD-модели технического объекта из конструктивных
элементов, без обязательного предъявления ему дерева построе
ния. Но при этом проектировщик должен получить достаточно
гибкий инструмент для редактирования геометрических форм.
Например, допускается динамическое перемещение конструкти-
вов, когда мышкой можно перетаскивать бобышку или отверстие
173
производительность визуального моделирования. Данная функ
циональность важна и для задач анализа кинематики машин и ме
ханизмов.
При отсутствии потребности в обязательном наличии дерева
построения становится возможным оперативное заимствование
конструктивов, созданных в других программах. Обычно при
перемещении модели из одной системы в другую дерево ее по
строения теряется, что исключает полноценное редактирование
импортированной геометрии. Синхронная технология позво
ляет включать в новый проект импортированные модели «как
свои собственные». На самом деле эффект непосредственного
включения достигается за счет использования интеллектуальных
методов распознавания конструктивных элементов и создания
в процессе трансляции точной копии «чужой» модели, но уже
в рамках своего геометрического ядра.
Существует и ряд ограничений данной методики. Основные
проблемы моделирования без сохранения истории построения,
при его реализации в универсальных САПР, проявляются в не
достаточной масштабируемости моделей (время решения растет
значительно быстрее размера модели), ненатуральности (най
денное решение не соответствует прагматическим ожиданиям
пользователя), отсутствия гарантии решения [132]. Например,
как указывают сами авторы синхронной методики, модель им
портируется как одно тело, вследствие чего такие конструктив
ные элементы, как отверстия, распознаются в виде полых цилин
дров, а тонкостенные элементы рассматриваются как объекты
с независимыми поверхностями.
Идея проектирования, основанного на использовании стан
дартных конструктивных элементов, не является новой [95, 147].
Но ее программная реализация достаточно сложна и требует объ
единения достижений теории и практики многих направлений
развития компьютерных наук. Таким образом, синхронное гео
метрическое моделирование можно классифицировать как но
вую информационную технологию, основанную на комплексном
применении методов граничного представления объемных тел,
вариационной параметризации, искусственного интеллекта и
объектно-ориентированного программирования, предназначен
ную для повышения уровня автоматизации ЗD-геометрического
175
4.2.2.
Геометрические
операции
Одними из самых популярных методов порождения объем
ных примитивов являются операции движения плоских эскизов.
Плоский эскиз (Sketch) первоначально создается пользова
телем на одной из базовых плоскостей системы координат (см.
рис. 4.1.12: ху —Top, xz — Front, yz — Right) вспомогательной пло
скости, получаемой с помощью специальных команд, или пло
ской грани объемной модели.
Обычно эскизы строятся в виде замкнутых линейных фигур,
ломаных линий или сплайнов. Если эскиз окажется разомкну
тым, то твердотельный моделировщик автоматически превратит
его в плоский лист малой толщины (Thin). Кстати, на этом эф
фекте основаны приемы моделирования объемных изделий из
листовых материалов (Shit metal), которые имеются практически
во всех машиностроительных САПР. Основными операциями
движения, которые применяются в прикладных программах гео
метрического моделирования (подсистемах САПР), являются
следующие.
Операция выдавливания (Extrude) эскиза в направлении, пер
пендикулярном плоскости эскиза. Это основная и наиболее ча
сто используемая операция. На рис. 4.2.5 приведены примеры
моделей характерных деталей, выполненных преимущественно
с применением выдавливания.
Операции движения, как правило, снабжаются опциональ
ными (дополнительными) параметрами. Например, показаны
различные результаты выдавливания эскиза в форме окружно
сти, построенной на нижней плоскости коробки, по направле
нию, совпадающему с положительным направлением оси z в за
висимости от выбранной опции (рис. 4.2.6):
— выдавливание на определенное расстояние;
—
—
—
—
выдавливание
выдавливание
выдавливание
выдавливание
«через всё»;
до указанной поверхности;
до ближайшей поверхности;
до уровня указанной вершины.
Для образной иллюстрации применимости данной операций
удобно проводить аналогию с технологическим процессом литья
металлов или экструзии полимеров. Так же, как литые детали
178
Некоторые САПР используют гибридные модели, в которых
в различной мере смешиваются поверхностные и твердотельные
объекты, т.е. в гибридных моделях в различной последователь
ности в качестве элементарных частей могут использоваться не
только сплошные тела, заданные с помощью границ, но и сво
бодные (неограниченные) поверхности и даже отдельные ли
нии.
Применение для объемного моделирования операций движе
ния можно считать основным приемом, реализуемым в совре
менных САПР. Но как мы уже отмечали выше, в твердотельных
моделях можно использовать базовые элементы формы (призма,
цилиндр, конус, сфера, тор). Соответствующие команды присут
ствуют в пользовательских меню некоторых систем [29].
В ряде программных реализаций СГМ САПР порождающие
операции могут быть представлены в неявной форме [1, 57].
Считается, что конструктору удобнее оперировать типовыми
конструктивными элементами, такими как бобышка (Boss), вы
рез (Cut), проточка, которые уже содержат все необходимые па
раметрические эскизы, что облегчает и автоматизирует процесс
моделирования.
Но наиболее универсальным подходом считается сочетание
различных методических приемов (конструктивные элементы
и библиотеки), моделей (каркасные, поверхностные и твердо
тельные) и методов моделирования (конструктивная геометрия,
поверхностное представление границ, позиционный метод).
Гибридное моделирование позволяет комбинировать каркас
ную, поверхностную, твердотельную геометрию и использовать
комбинации жесткоразмерного (с явным заданием геометрии)
и параметрического моделирования.
Для удобства использования и освоения инженерами систем
геометрического моделирования, конечно, лучше бы использо
вать единственную стратегию моделирования для всех изделий,
но, во-первых, часто приходится использовать данные, импор
тируемые из различных систем, а они могут иметь разные пред
ставления. Во-вторых, для ряда инженерных задач эффективнее
185
характерных точек векторных геометрических объектов (концы
работать с проволочными моделями или геометрией 3D, опи-
санной поверхностью. И, наконец, часто бывает проще иметь
различные представления для разных компонентов. Например
формообразующие поверхности, разрабатываемые для станков
с ЧПУ, выгоднее моделировать поверхностью, а для конструк-
торских приложений - использовать твердотельное представ
ление.
Если модель предназначена для конструкторского проек
тирования и инженерного анализа изделия, то для того чтобы
вычислить массоцентровочные характеристики, автоматически
построить сечения и сгенерировать КЭМ, необходимо исполь
зовать твердотельный моделлер. Однако для дизайна изделия
и реалистической визуализации внешних поверхностей, от ко
торых зависит облик изделия, лучше подходит поверхностный
моделлер. Если же система предназначена для технологическо
го проектирования, то необходима комбинация твердотельного
и поверхностного описания.
Все эти обстоятельства делают гибридное моделирование во
многих ситуациях совершенно необходимым.