6.8. Программное обеспечение

конструкторского проектирования

В данном разделе приведена краткая характеристика, возможности и отличительные черты наиболее популярных программных продуктов.

Любая программа, используемая в жизненном цикле продукта для сокращения времени и стоимости разработки, повышения его качества, может быть отнесена к классу САD/САМ/САЕ. В основе лежат программы САD, позволяющие конструктору создавать формы и манипулировать ими на мониторе в интерактивном режиме, сохраняя результаты в БД. Однако в принципе любая программа, облегчающая процесс разработки, может быть названа программой САD. Например, специализированное приложение, предназначенное для автоматизации проектирования конкретной детали или механизма, также считается приложением САD. Твердотельная модель, созданная в системе геометрического моделирования, которая также является типичным представителем программ САD, приведена на рис. 36.

Форма, созданная в системе САD, может использоваться для приложений, рассчитывающих траекторию движения инструмента или выполняющих трехмерный анализ напряжений, только в том случае, если она строилась как трехмерная. По этой причине конструкторы часто начинают работать сразу с трехмерной моделью детали в системах геометрического моделирования (например, SolidWorks).

Рис. 36. Трехмерная модель (а) и сечение (б) детали,

созданные в SolidWorks

Любая программа, применяемая в процессе производства продукта, считается средством САМ. Таким образом, к САМ относятся программы для планирования, управления и контроля производственных операций через прямой или косвенный компьютерный интерфейс с производственными ресурсами завода. Это может быть программа, формирующая план процесса производства (технологический процесс) детали, программу для станков с ЧПУ, моделирующая движение резца и контролирующая работу станка в процессе обработки детали.

Программы САЕ применяются для анализа геометрии конструкции и позволяют разработчику моделировать и изучать поведение продукта для улучшения и оптимизации проекта. Типичным примером является программа для расчета напряжений, деформации, теплопередачи в детали МКЭ.

Ш ироко известные коммерческие программы САD/САМ/САЕ перечислены в табл. 8. Интегрированные системы предоставляют комплексную функциональность САD, САМ и САЕ посредством подключаемых модулей.

Таблица 8

Типичные системы САD/САМ/САЕ

Область применения	Программы	Интегрированные системы
CAD: двумерные чертежи	AutoCAD, CADAM, MicroCADAM, VersaCAD	Pro/ENGINEER Unigraphics CATIA I-DEAS I/EMS EUCLID-IS
CAD: твердотельное моделирование	Solid Edge, Solid Works, Solid Designer, Mechanical desktop
САМ	BravoNGG, VERICUT, DUCT, Camand, Mastercam, PowerMILL
САЕ	MSC/NASTRAN, ANSYS, PATRAN, DADS, ADAMS, C-MOLD, MOLDFLOW, Design Works

Помимо систем, перечисленных в табл. 8, существуют наборы для моделирования, стремительно набирающие популярность благодаря своей гибкости (универсальности), дающей возможность настройки под любую задачу. При помощи средств из таких наборов может быть создано любое приложение для конструирования и манипулирования трехмерными формами. В результате получится компактное приложение, ориентированное точно на решаемую задачу. Примером являются следующие типичные наборы для моделирования: АСIS, SНАРЕS, Раrаsolid, САS.САDЕ и DESIGNBASE.

D UCT. Концепция этой системы разработана в конце 1960-х годов на инженерном факультете Кембриджского университета. Ее промышленный вариант распространяется с 1983 г. фирмой DELCAM (Delta Computer-Aided Manufacturing). Система DUCT позволяет конструктору создавать трехмерные каркасные и поверхностные модели объектов; вычислять площади поверхности, объем, координаты центра тяжести и т.п.; генерировать сетку конечных элементов для анализа потоков и расчетов на прочность; автоматизировать процесс создания литейных форм и штампов, подготовки чертежей изделий и программ для станков с ЧПУ; содержит широкий набор методов механической обработки с базами данных и возможностями визуализации.

Встроенный в DUCT каркасный редактор позволяет быстро и просто задать форму объекта. Поверхности задаются на основе поперечных сечений, определяемых набором точек. Эти сечения могут ориентироваться относительно заранее построенной кривой (спина), играющей роль «хребта», вдоль которого вытянута поверхность. Для интерполяции поперечных сечений по заданных точкам используются кривые Безье.

При генерации поверхности, состоящей из «лоскутов», имеется возможность задавать границы виде сложных кривых. При этом автоматически обеспечивается гладкость поверхности между двумя любыми лоскутами. Можно выполнить скругления угла, образованного двумя и тремя плоскостями с постоянным и переменным радиусом. Из набора поверхностей DUCT позволяет создать единый объект в виде оболочки, соединяющей в себе преимущества твердотельного и поверхностного моделирования. Визуализация объекта использует различные цвета и источники освещения.

Ядро системы составляет реляционная база данных, содержащая информацию о деталях (также, библиотеку типовых элементов) и чертежах (в т.ч. и параметрических). Программное обеспечение построено по модульному принципу. К числу основных модулей относятся DUCTmodel, DUCTshade, DUCTnc,DUCTdraft и др. Для передачи данных используются стандарты IGES, DXF.

Графический интерфейс программы включает в себя набор многоуровневых меню, пользователь может создавать собственные меню и программы с помощью специального командного языка, а также средствами языков Си и Фортран.

DUCT обеспечивает работу в сети, может функционировать на рабочих станциях с ОС UNIX.

CATIA. Разработана французской фирмой Dassault Systemes и появилась на мировом рынке САПР в 1981 г. Первоначально она была ориентирована на самолетостроение, но постепенно нашла применение в автомобильной промышленности и других отраслях. В настоящее время система CATIA распространяется фирмой IBM и активно используется компаниями Boeing, Chrysler, российскими ГАЗ и ВАЗ. В качестве аппаратной платформы использует рабочие станции IBM, HP и Silicon Graphics, мейнфреймы, UNIX-станции RISC/6000.

CATIA содержит полные решения для автоматизированного проектирования в следующих областях:

• конструирование механизмов и узлов (Mechanical Design);

• формообразование поверхностей и дизайн (Shape Design and Styling);

• анализ и моделирование (Analysis and Simulation);

• подготовка производства (Manufacturing);

• инженерные расчеты (Equipment and System Engineering).

Система CATIA обладает одной из самых совершенных методик проектирования поверхностей (модули Surface Design, Advance Surface Design, FreeForm Design), анализа их качества по кривизне, гладкости, непрерывности в областях сопряжения и т.д. Поверхностные модели могут быть преобразованы в твердотельные. Сложные кривые строятся на базе кривых Безье. Поверхности, которые нельзя описать стандартными типами элементов, могут быть аппроксимированы точками с заданными координатами, по которым строятся бипараметрические полиномиальные функции.

П риложения CATIA позволяют:

• выполнить динамический анализ механизмов (CATDADS);

• провести моделирование роботизированных комплексов (Robuse);

• подготовить постпроцессоры и программы для станков с ЧПУ (NC PostProcessor Generator, CAT4AXES);

• создать проекты трубопроводов и пневмосистем (3D-Tubing);

• рассчитать трехмерные допуски (Functional DIMENSIONING and 3D-Tolerancing);

• средствами Visualization Studio обеспечивает создание фотореалистичных изображений;

• содержит модуль проверки собираемости изделия (Fitting Simulation), который моделирует процесс сборки с учетом доступности, способов установки, используемой оснастки, а также позволяет оценить возможность съема узла для ремонта и облуживания.

Существенным достоинством системы является совершенная схема построения параметрически связанных моделей и возможность постпараметризации. Это позволяет конструктору начать построение модели руководствуясь только функциональностью и технологичностью, а затем на любом этапе определить параметры и связи между ними, причем можно задавать не все, а наиболее существенные параметры, значения остальных оставить по умолчанию. При варьировании параметрами конструктор может позволить ассоциативно распространить изменения на все объекты, или ограничить изменения некоторой зоной, определив некоторые параметры как локальные. На любом этапе можно принять решение о разрыве связи.

Новым, нетрадиционным для других САПР, средством системы CATIA является «проектирование при помощи правил». Данный подход позволяет конструктору определить собственные правила проектирования.

При помощи CATIA можно автоматизировать некоторые процессы управления предприятием: финансами, складским хозяйством, кадрами и т.д. Для этого используются коммерческие сетевые реляционные базы данных (например, Oracle) и интерфейсы с системами управления предприятиями.

Системы фирмы Autodesk. Наиболее популярным программным продуктом является AutoCAD. Его первые версии были ориентированы на двумерное черчение и выпуск конструкторской документации. В процессе развития этот пакет превратился в развитую среду трехмерного моделирования. Система может функционировать на разных программно-аппаратных платформах. Ядро написано на языке С++ и представляет собой объектно-ориентированную среду, являющуюся основой для множества прикладных программ, доступного для расширения.

Для машиностроения фирма Autodesk предлагает интегрированный пакет в состав которого входят:

• AutoCAD – в качестве рабочей среды;

• AutoCAD Designer – для конструирования деталей и сборочных единиц (в т.ч. и параметрического твердотельного);

• AutoCADSurf – для моделирования сложных трехмерных поверхностей (NURBS - технология), создания каркасных моделей, проецирования различных контуров на плоскость или поверхность;

• IGES Translator – для обмена файлами с другими системами САПР;

• MCAD – система меню для организации взаимодействия с другими машиностроительными приложениями.

В модуле AutoCAD Designer реализован принцип параметрического моделирования, позволяющий гибко вносить изменения на любой стадии проектирования. Процесс создания трехмерных моделей начинается с задания плоского эскиза деталей, затем ему придается третье измерение. При конструировании сборочной единицы пользователю достаточно задать параметрические связи между существующими объектами, ограничивая число степеней свободы проектируемой механической системы. Для разработанных моделей автоматически генерируются двумерные проекции (виды), причем постоянно действует двунаправленная параметрическая связь модель-чертеж, что обеспечивает возможность корректировки размеров, как самой трехмерной модели, так и двумерных видов. Система может выполнять расчет массоинерционных характеристик: площади поверхности, массы, объема, моментов инерции и т.д. Имеются функции обнаружения взаимного пересечения деталей, их взаимодействия в сборочных узлах.

На первом этапе при создании плоского эскиза используются стандартные для AutoCAD команды рисования и редактирования двумерных объектов, причем от конструктора не требуется соблюдения большой точности воспроизведения формы детали, эскиз создается концептуально. Далее выполняется профилирование эскиза – на модель накладываются геометрические связи для однозначного определения профиля, и осуществляется простановка параметрических размеров. Поддерживается ассоциативное нанесение размеров и выносок, автоматическое удаление штриховых и невидимых линий.

Конструирование в AutoCAD соответствует стандартам ANSI, ISO, DIN, JIS и ЕСКД.

Геометрия эскиза может быть любой сложности, но должна представлять собой один замкнутый контур, который используется в дальнейшем для создания третьего измерения или базовой формы. При этом используется выдавливание, вращение, перемещение вдоль двумерной криволинейной направляющей. Далее к базовой форме добавляются стандартные конструктивно-технологические элементы (отверстия, фаски, сопряжения и т.д.). Базовая форма представляет собой твердое тело, формообразование в AutoCAD выполняется посредством булевых операций (например, добавление отверстия – вычитание объема).

AutoCAD Designer поддерживает параметризацию не только на уровне отдельной модели, но и для сборочных единиц. Детали в сборке могут использоваться неоднократно. Конструктор должен строго придерживаться определенной последовательности сборки, вводя сначала базовые компоненты, а затем присоединяемые к ним, однако не предъявляется особых требований к взаимной ориентации деталей, т.к. она автоматически корректируется путем введения параметрических связей (соосно, встык, заподлицо, угловая зависимость). Задание относительного расположения деталей осуществляется по их ребрам, осям или граням. Имеется графическая индикация степеней свободы компонентов.

При генерации сборочных чертежей можно задать любую совокупность проекционных видов и разрезов сборочной единицы, создать изометрические проекции в разобранном виде, автоматически заполнить спецификацию.

Для сборочных узлов AutoCAD возможно графическое и логическое представление иерархической структуры, организация деталей и подузлов в виде внешних ссылок.

Во внутреннем формате AutoCADSurf оболочки и поверхности точно описываются математическими уравнениями, а при выводе на экран преобразуются в каркасы, могут быть представлены в тонированном виде средствами AutoVision. Применяются следующие виды поверхностей: элементарные, вращения (перемещением элементов каркаса), движения (натяжением оболочки на каркас) и произвольные (получаемые из существующих).

П ри проектировании машиностроительных конструкций наибольший эффект достигается за счет совместного использования возможностей AutoCAD Designer и AutoCADSurf.

При проектировании металлических конструкций могут быть использованы и другие программные продукты фирмы Autodesk:

• AutoCAD LT – пакет двумерного проектирования;

• Autodesk View и Autodesk VQ – системы просмотра файлов;

• Autodesk Mechanical Library – библиотека трехмерных конструктивных элементов и твердотельных моделей;

• Autodesk WorkCenter – пакет для управления процессом создания и автоматизации ведения технической документации.

Возможности пакета Autodesk WorkCenter включают: многопользовательский доступ к документации в рамках локальной сети, выбор оптимальной структуры; использование файлов центрального хранилища; «управление» версиями документов в течение их «активной» жизни; электронное уведомление; рассылку и утверждение документации; управление потоком необходимой информации; корректировку документации практически всех типов в процессе проектирования и просмотра.

I-DEAS. Торговая марка I-DEAS (фирма SDRC - Structural Dynamics Research Corporation) объединяет целый ряд программных продуктов и представляет собой интегрированный комплекс CAD/CAM/CAE. Предназначен для автоматизации разработки металлических конструкций в аэрокосмической, автомобильной и других отраслях промышленности. Отличительной особенностью I-DEAS является возможность работы в неоднородных локальных сетях, содержащих рабочие станции разных производителей, а также наличие встроенных средств моделирования МКЭ, оптимизации и автоматизации испытаний.

Типовой набор модулей I-DEAS для проектирования металлоконструкций (Product Design Package) включает:

• I-DEAS Master Modeler – базовый модуль трехмерного моделирования (проволочного, поверхностного, твердотельного);

• I-DEAS Master Surfacing – модуль трехмерного моделирования деталей со сложными «скульптурными» поверхностями (поверхностного и твердотельного) на основе модели, созданной I-DEAS Master Modeler;

• I-DEAS Master Assembly – модуль трехмерного моделирования сборочных узлов и простейших механизмов;

• I-DEAS Drafting – модуль создания чертежа изделия;

• I-DEAS Translation – модуль преобразования форматов графических данных.

При помощи I-DEAS Master Modeler создается твердотельная геометрическая модель, используемая в качестве исходной для других задач (при прочностном анализе, черчении, подготовке программ для ЧПУ и т.д.). В нем реализована NURBS – геометрия, «параллельная ассоциативность», поддерживающая групповую работу нескольких конструкторов. «История» процесса проектирования запоминается в виде дерева, любую ветвь которого можно редактировать.

Модуль I-DEAS Master Assembly позволяет строить трехмерные модели сборочных узлов, состоящих из большого числа более мелких элементов, каждый из которых может также являться сборочным узлом. Для удобства конструирования при вставке элемента в механизм не требуется точного позиционирования, достаточно задать связи между элементами, определяющие точное взаимное расположение деталей. возможно автоматическое формирование спецификации, таблиц сходимости группы сборок, анализ собираемости узла и оценка допусков при помощи I-DEAS Tolerance Analysis, построить модель простейшего механизма. Для создания сложных пространственных механизмов применяется специальный модуль I-DEAS Mechanism Design, позволяющий провести полный динамический анализ (вычислить силы, моменты, перемещения, скорости, ускорения и т.д.).

I -DEAS Drafting предназначен для получения чертежей изделия, созданного I-DEAS Master Surfacing, I-DEAS Master Surfacing и I-DEAS Master Assembly, а также как самостоятельная система двумерного черчения. Поддерживается многопользовательский режим работы. По геометрии мастер-модели легко создаются проекции, сечения, разрезы, проставляются размеры, формируется спецификация. Связь чертежей с моделью двунаправленная – при изменении любого размера на чертеже, происходит обновление модели и наоборот. Также динамически обновляется спецификация при изменении числа объектов, их атрибутов и т.д.

Unigraphics. Разработана фирмой EDS и широко распространена в аэрокосмической, автомобильной промышленности и машиностроении. Отличительными особенностями являются наличие гибридного трехмерного моделирования, ассоциативной базы данных, развитых средств моделирования сборочных узлов и создания чертежей.

В состав Unigraphics входят:

• UG/Gateway – модуль, поддерживающий пользовательский интерфейс системы и взаимодействие между ее компонентами;

• UG/Solid Modeling – базовый модуль трехмерного гибридного моделирования (проволочного, поверхностного, твердотельного и их модификаций);

• UG/Features Modeling – модуль редактирования и параметрического описания стандартных элементов (отверстия, выступы, стержни, желоба и т.п.);

• UG/Freeform Modeling – модуль трехмерного моделирования сложных «скульптурных» поверхностей;

• UG/User-Defined Features Modeling – модуль, позволяющий представлять произвольные группы деталей в виде одного параметризированного стандартного объекта, который может использоваться всеми конструкторами;

• UG/Drafting – модуль автоматизированного черчения, поддерживающий все основные промышленные стандарты (ANSI, ISO, DIN, JIS) и включающий в себя средства формирования ортогональных и изометрических проекций, разрезов, сечений и т.д.;

• UG/Assembly Modeling – модуль создания ассоциативных параметрических моделей сборочных узлов в режиме групповой работы конструкторов;

• UG/Mechanism – модуль проектирования и моделирования двумерных и трехмерных механических систем, осуществления полного кинематического (встроенный модуль ADAMS/Kinematis) и динамического (внешний модуль ADAMS/Solver) анализа, оценки зазора между элементами, выявления столкновений, вычисления сил, моментов и т.д.;

Кроме этого в состав Unigraphics входит целый ряд модулей для подготовки автоматизированного производства, базовыми из которых являются UG/CAM Base и UG/Postprocessor, а также модули, ориентированные на конкретные технологические процессы (виды обработки):

• UG/MF-Flowcheck – литье;

• UG/Lathe – токарная обработка;

• UG/Planar Milling и др.- фрезерование;

• UG/Sheet Metal Design и др. – изготовление деталей из листового материала.

С помощью UG/Photo можно создавать фотореалистичные изображения разрабатываемых изделий и их трехмерные прототипы (UG/Rapid Prototyping).

Solid Works (разработчик - SolidWorks Corporation). Система трехмерного твердотельного моделирования, имеющая богатейшие возможности. В комплект поставки входят:

• Solid Works в качестве рабочей среды;

• e Drawings – система электронных чертежей, которые можно создать из документов детали, сборки или чертежа, позволяющая обмениваться файлами (например, по электронной почте, в виду их весьма малого размера); просмотр файлов в среде Windows, не требуется дополнительного ПО САПР, а в случае необходимости при отправке файла в сообщение вкладывают eDrawings Viewer (можно бесплатно загрузить с Web-узла SolidWorks);

• FeatureWorks – это приложение, которое распознает элементы на импортируемом твердотельном элементе в документе детали SolidWorks. Распознанные элементы (например, файлы .step предыдущих версий) рассматриваются так же, как и элементы, созданные в программе SolidWorks. Можно редактировать определение распознанных элементов для изменения их параметров. Для элементов, основанных на эскизах, можно отредактировать эскизы для изменения геометрии этих элементов. Программа FeatureWorks предназначена главным образом для механически обрабатываемых деталей, а также для деталей из листового металла;

• PhotoWorks - это приложение по созданию изображений, которое позволяет создавать реалистичные изображения моделей SolidWorks с фотографическим качеством. В PhotoWorks можно задать такие свойства поверхности модели, как цвет, текстура, коэффициент отражения и прозрачность. Имеется библиотека текстур поверхностей (металл, пластмасса и т.д.), и, кроме того, можно сканировать собственные изображения поверхностей, материалов, декораций и логотипов;

• SolidWorks 3D Instant Website позволяет создать web-страницу из программы SolidWorks;

• SolidWorks Animator - используя данное приложение можно анимировать и записывать сборки SolidWorks в движении. SolidWorks Animator генерирует файлы *.avi, которые можно воспроизводить на любом компьютере, работающем в среде Windows. В сочетании с программным обеспечением PhotoWorks можно создавать реалистичные анимации с фотографическим качеством;

• SolidWorks Explorer - это инструмент управления файлами, позволяющий: просматривать связи документов для чертежей, деталей и сборок; используя древовидную структуру копировать, переименовывать или заменять соответствующие документы; находить и обновлять ссылки на документы; просматривать данные и предварительные изображения или вводить данные, в соответствии с используемой в данный момент функцией;

• SolidWorks Toolbox содержит библиотеку стандартных деталей, полностью интегрированных в программу SolidWorks. SolidWorks Toolbox поддерживает несколько международных стандартов, включая ANSI, BSI, CISC, DIN, ISO и JIS. Содержит несколько функциональных инструментов: расчет балки, расчет подшипника, кулачки, канавки, конструкционная сталь;

• SolidWorks Утилиты - это набор инструментов, позволяющих изучить и отредактировать отдельные детали, а также сравнить элементы и геометрию твердых тел пар деталей.

Конструирование детали начинается с создания трехмерной модели, по которой затем можно автоматически сгенерировать чертеж, выбрав количество и расположение проекций (видов), а также спецификации. Одной из наиболее удобных особенностей SolidWorks является отражение любых изменений, выполняемых в детали, в любых связанных чертежах или сборках. Процесс проектирования и все элементы модели отображаются в виде дерева конструирования (рис. 37).

SolidWorks позволяет проектировать не только детали, но и трехмерные сборочные единицы, моделировать работу (анимировать) собранных механизмов, возможно проектирование литейных форм, деталей из листового материала, а также сварных соединений (рис. 38).

Рис. 37. Окно SolidWorks

Рис. 38. Модели сварных соединений в SolidWorks

Встроенный модуль COSMOSXpress осуществляет расчет конструкций на прочность при различных способах приложениях нагрузки (сила, давление, рис. 39), дает возможность оценить напряжения и деформации, графически визуализируя их (рис. 40). Анимацию, изображающую изменение формы детали под действием нагрузок можно сохранить в виде видеоролика в формате *.avi.

а

б

Рис. 39. Задание нагрузки (а) и ограничений (б)

при расчете конструкции COSMOSXpress

Рис. 40. Результаты расчета COSMOSXpress