11. Три уровня САПР. Характеристика входящих в них систем. В зависимости от возможностей, а соответственно и стоимости, современные САПР можно условно разбить на три уровня: нижний, средний и высший. Деление на уровни в специальной литературе производят либо по их возможностям, либо по стоимости, например: до 1000 долл., от 1000 до 10 000 долл., свыше 10 000 долл.Легкие системы – предназначены для черчения, а также для двумерного и трехмерного геометрического каркасного моделирования. Обычно они не включают дополнительные приложения и не имеют встроенных средств управления инженерными данными. С их помощью можно создавать небольшие сборки и отдельные детали. они находят применение на предприятиях самого разного масштаба. Нередко компании, имеющие тяжелые и средние системы, используют их для чертежных работ. Стоимость таких САПР гораздо ниже, чем систем более высокого класса, – от 1 тыс. долл. до немногим более 4 тыс. долл. за рабочее место. (например, AutoCAD, VersaCAD, CADKEY).Системы среднего уровня (например, Т-FLEX CAD, Solid Edge) сокращают сроки выпуска документации и время разработки проектов за счет автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации, программирования 2,5-координатной обработки заготовок на станках с ЧПУ. Эти системы позволяют создать объемную модель изделия, по которой определяются инерционно-массовые, прочностные и иные характеристики, контролируется взаимное расположение деталей, моделируются все виды ЧПУ-обработки, отрабатывается внешний вид по фотореалистичным изображениям, выпускается документация. Кроме того, обеспечивается управление проектами на базе электронного документооборота. Экономический эффект состоит в многократном повышении производительности труда при резком сокращении ошибок и соответственно в улучшении качества изделий. имеют встроенную подсистему управления инженерными данными (PDM), которая, как правило, может работать только с «родными» данными и обладает более ограниченными возможностями, чем PDM-продукты масштаба предприятия. Такие системы стоят от менее 5 тыс. долл. до немногим более 7 тыс. долл. за одно рабочее место (в зависимости от набора функций).Системы высшего уровня (EDS Unigraphics, Pro/Engineer, CATIA или CADDS) - полнофункциональные системы автоматизации проектно-конструкторской и технологической подготовки производства (в англоязычной терминологии CAD-/CAM), предназначенные для черчения, двумерного и трехмерного геометрического, твердотельного и поверхностного моделирования (включая моделирование сложных поверхностей); поэлементного проектирования и проектирования с комплексной увязкой параметров. Они включают встроенные подсистемы инженерного анализа (CAE), подготовки программ для станков с ЧПУ и многие другие специализированные средства разработки. С их помощью можно создавать очень сложные и большие сборки, состоящие из десятков тысяч деталей. Кроме того, они интегрированы с подсистемой управления инженерными данными (PDM), способной охватить целое предприятие, включая поставщиков и партнеров, а также поддерживать работу с данными, поступающими из других CAD/CAM. Стоимость тяжелых систем варьируется от 7 тыс. до 20 тыс. долл. и более за рабочее место (в зависимости от количества и типа необходимых функций). На долю поставщиков таких систем приходится большая часть объема рынка САПР.

12. Интегрированные САПР и предъявляемые к ним требования. Использование технологии PLM. Интеграции CAD и CAE, использование технологии управления информацией об изделии на протяжении его жизненного цикла затрагивает не отдельные вопросы улучшения совместной работы этих двух систем, а более глобальные задачи объединения в одно целое всех процессов проектирования, производства, модернизации и сопровождения технически сложных изделий. Основная задача PLM - это объединение отдельных участков автоматизации в едином информационном пространстве и реализация сквозного конструкторского, технологического и коммерческого цикла, от подготовки проекта до утилизации. Такой подход сулит предприятиям немалые выгоды, главные из которых:

- ускорение выпуска новых продуктов; - усиление контроля за качеством;-  сокращение издержек заменой физических макетов виртуальными; - экономия за счет многократного использования проектных данных; -  расширение возможностей оптимизации изделий; -   экономия благодаря сокращению отходов производства; - снижение затрат с помощью полной интеграции инженерного документооборота. Но, чтобы воспользоваться преимуществами данной концепции, необходимо преодолеть серьезные технические трудности. Основная проблема, стоящая перед пользователями и разработчиками заключается в необходимости объединения разнородных систем автоматизации на предприятии и обеспечении коллективной работы персонала. Обычно каждое подразделение выдает свою информацию и по-своему ее обрабатывает. Так, отделы проектирования (использующие CAD), и анализа продукции (CAE) могут использовать совершенно разные спецификации и стандарты и принимать решения независимо друг от друга. Поэтому перед внедрением PLM должны прежде всего быть установлены корпоративные стандарты на форматы данных. Также многие предприятия для выполнения отдельных заданий производственного процесса используют программное обеспечение - ПО (чаще всего САПР) разных поставщиков. Для их интеграции в рамках PLM-среды приходится применять средства преобразования данных из одного формата в другой, что нередко вызывает ошибки и ухудшает качество информации. Наиболее очевидный способ избежать этого - внедрять PLM-продукты одного поставщика. Однако лишь немногие поставщики предлагают весь набор средств PLM, да и предприятия вряд ли захотят менять привычные САПР на новые. Единственный выход - создание открытого формата данных. Такие попытки предпринимаются, но, к сожалению, особого прогресса здесь не наблюдается. Организация ISO выпустила стандарт STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) для описания трехмерных CAD-моделей, но он не получил серьезной поддержки у поставщиков. Теперь идет разработка форматов на основе метаязыка XML. Например, компания EDS предлагает для визуализации и описания геометрии формат PLM XM.. Эти разработки еще только начинают внедряться, и пока неясно, станут ли они основой для полноценного стандарта PLM. Интегрированные САПР должны: охватывать все этапы проектирования от ввода описания проектируемого объекта до получения проектно-технической документации (интеграция по глубине); иметь на отдельных этапах альтернативные алгоритмы и программы, позволяющие формировать наиболее экономичные и достаточно адекватные математические модели в соответствии с конкретными условиями проектирования, выбирать различные математические методы для решения заданной задачи (интеграция по ширине); иметь систему управления проектированием, а также интегрированную базу данных; быть приспособленными для тиражирования в различных проектных организациях.

13. Основные классификационные характеристики САПР. Легкие системы – предназначены для черчения, а также для двумерного и трехмерного геометрического каркасного моделирования. Обычно они не включают дополнительные приложения и не имеют встроенных средств управления инженерными данными. С их помощью можно создавать небольшие сборки и отдельные детали. Но это не значит, что такие продукты мало распространены. Напротив, они находят применение на предприятиях самого разного масштаба. Нередко компании, имеющие тяжелые и средние системы, используют их для чертежных работ. Стоимость таких САПР гораздо ниже, чем систем более высокого класса, – от 1 тыс. долл. до немногим более 4 тыс. долл. за рабочее место. Системы среднего класса – надежные и многофункциональные продукты, которые содержат многие компоненты своих тяжелых собратьев, за исключением средств моделирования сложных поверхностей, встроенных подсистем инженерного анализа (CAE), подготовки производства (CAM) и специализированных приложений – многие из них можно купить у независимых разработчиков. «Середняки» поддерживают сборки, включающие от сотни до нескольких тысяч деталей, и имеют встроенную подсистему управления инженерными данными (PDM), которая, как правило, может работать только с «родными» данными и обладает более ограниченными возможностями, чем PDM-продукты масштаба предприятия. Такие системы стоят от менее 5 тыс. долл. до немногим более 7 тыс. долл. за одно рабочее место (в зависимости от набора функций). Тяжелые системы – полнофункциональные системы автоматизации проектно-конструкторской и технологической подготовки производства (в англоязычной терминологии CAD-/CAM), предназначенные для черчения, двумерного и трехмерного геометрического, твердотельного и поверхностного моделирования (включая моделирование сложных поверхностей); поэлементного проектирования и проектирования с комплексной увязкой параметров. Они включают встроенные подсистемы инженерного анализа (CAE), подготовки программ для станков с ЧПУ и многие другие специализированные средства разработки. С их помощью можно создавать очень сложные и большие сборки, состоящие из десятков тысяч деталей. Кроме того, они интегрированы с подсистемой управления инженерными данными (PDM), способной охватить целое предприятие, включая поставщиков и партнеров, а также поддерживать работу с данными, поступающими из других CAD/CAM. Стоимость тяжелых систем варьируется от 7 тыс. до 20 тыс. долл. и более за рабочее место (в зависимости от количества и типа необходимых функций). На долю поставщиков таких систем приходится большая часть объема рынка САПР.

14. Параллельное проектирование. Общее понятие и используемые системы. При параллельном проектировании информации относительно каких–либо промежуточных или окончательных характеристик разрабатываемого изделия формируется и предоставляется всем участникам работ, начиная с самых ранних этапов проектирования. В этом случае информация носит прогностический характер. Ее получение базируется на математических моделях и методах прогностической оценки критериев качества проектного решения. Оценка может производиться на основе аналитической модели, статистических методах и методах экспортных систем. Технология параллельного проектирования реализуется на основе интегрированных инструментальных средств прогностической оценки и анализа альтернативных проектных решений с последующим выбором базового проектного решения. Предполагается, что инженер начинает работать над проектом на высоком уровне абстракции с последующей детализацией проекта. Принципиальным отличием параллельного проектирования от сквозного проектирования (хотя параллельное проектирование получило развитие на основе сквозного) в том, что информация не просто поступает на все последующие этапы проектирования, но и по существу эти этапы начинают выполняться одновременно. Фирма MENTOR GRAPHНICS впервые создала среду параллельного проектирования на основе принципа объединения всех инструментальных средств проектирования и данных в одном непрерывном и гибком процессе создания изделия. В состав этой инфраструктуры входят: Среда управления проектированием; Система управления данными проекта; Система поддержки принятия решений ( СППР).

15. Сквозная система проектирования и подготовки производства. САПР были изначально предназначены для автоматизации черчения. Но уже долгое время на предприятиях используют трехмерные системы моделирования CAD, в основе которых лежат параметрические объемные 3D-модели. Эти системы изменили в корне подход к проектированию. Создание новой продукции значительно ускорилось, затраты и число ошибок сократились, процесс разработки стал более творческим. Основным недостатком плоского черчения является сложность представления изделия в пространстве, так как конструктору приходится опираться только на виды, а саму модель формировать в «голове», вследствие чего возникают недочеты, которые рождают в дальнейшем крупные ошибки. 3D-системы превосходят плоское черчение, благодаря возможности смоделировать изделие до создания чертежей или опытных образцов, при этом позволяют увидеть результат моделирования на любом шаге проектирования. Визуализация изделия - это одно из основных преимуществ 3D-моделирования. Использование трехмерной технологии позволяет проектировать изделие необходимого качества за короткие сроки, благодаря сокращению возможности появления ошибок и снижению затрат на их исправление. Для проверки проектируемых конструкций визуализации не достаточно, для этого в 3D CAD-системах заложены необходимые инструменты. Для всестороннего анализа изделия созданные модели можно передавать в системы инженерных расчетов CAE, где она проверяется на функциональность, устойчивость, прочность, жесткость, безопасность, долговечность и т.д. По моделям автоматически вычисляются массово-инерционные характеристики, объем и другие важные физические параметры проектируемых деталей и сборок. Анализ виртуальных макетов позволяет оптимизировать конструкцию путем проработки вариантов исполнения с учетом различных физических свойств изделия и выбрать оптимальное решение при минимальных затратах на исполнение. Одно из достоинств трехмерных моделей заключается в том, что их можно передавать в системы подготовки УП ЧПУ (Управляющих программ для станков с Числовым программным управлением) CAM, которые автоматически создают программы для станков с ЧПУ. Благодаря точной и полной передачи данных об изделии сокращается количество возможных ошибок в документации, при этом повышается качество чертежей, конструкторских спецификаций и взаимосвязи между ними. На базе 3D-модели возможно применение технологии сквозного проектирования. Данная технология позволяет связать воедино все этапы разработки и постановки продукции в производство. От конструкторской модели изделия до УП ЧПУ на изделие и оснастку, а также при создании технологических процессов используется единая 3D-модель. Зародившись у конструктора, 3D-модель доходит до производства, проходя все фазы КТПП, что повышает эффективность процесса проектирования в разы. При построении интегрированной информационной системы (ИИС) КТПП 3D-модель закладывается в основу и является объектом управления внутри ИИС КТПП. применение сквозного проектирования позволяет: - значительно повысить качество выпускаемой продукции; - ускорить выход продукции на рынок - на 20-90%;- сократить время на разработку изделия - на 30-70%; - сократить время на внесение изменений - на 65-90%; - сократить затраты на подготовку изделия к производству - на 5-50%;- ускорить окупаемость затрат на 20-85%. Этапы сквозного проектирования:   - проектирование изделия (создание трехмерной геометрической модели);  - технологическая подготовка производства (разработка необходимой ТД и КД на оснастку); - создание управляющих программ для станков с ЧПУ (формирование программы под конкретный станок);   - изготовление оснастки и изделия (передача готовой программы непосредственно в систему ЧПУ станка и ее выполнение). Использование сквозного проектирования на базе 3D-моделирования в единой информационной системе КТПП (Конструкторско-Технологической Подготовки Производства) позволяет избежать многочисленных ошибок при подготовке производства и его сопровождении, а также выпускать продукцию с требуемым качеством и потребительскими свойствами, которые соответствуют условиям эксплуатации и отвечают техническим, экономическим и технологическим требованиям, в кратчайшие сроки.

16. Уровни систем инженерного анализа

CAE (Computer-Aided Engineering) — комплекс программных продуктов, которые способны дать пользователю характеристику того, как будет вести себя в реальности разработанная на компьютере модель изделия. По-другому CAE можно назвать системами инженерного анализа. В своей работе они используют различные математические расчеты: метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов. При помощи CAE инженер может оценить работоспособность изделия, не прибегая к значительным временным и денежным затратам.

История

CAE неразрывно связаны с CAD и CAM. Развитие этих программных продуктов шло параллельно. В начале 80-х годов XX столетия первые пользователиCAD/CAM/CAE применяли для работы графические терминалы, которые были компонентами мейнфреймов IBM и Control Data. Основными поставщиками аппаратного и программного обеспеченияCAD/CAM/CAE были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph. Поскольку мейнфреймы того времени были несовершенными, то появлялись определенные трудности. Интерактивный режим работы был практически недоступен из-за большой нагрузки на центральный процессор. Стоимость одной CAD/CAM/CAE системы составляла порядка $90000. С развитием прогресса аппаратные платформы CAD/CAM/CAE систем перешли с мейнфреймов на персональные компьютеры. Это было связано с меньшей стоимостью и большей производительностью ПК по сравнению с мейнфреймами. Закономерно снизилась и цена на CAD/CAM/CAE до $20000. На базе ПК создавались рабочие станции для CAD, которые поддерживали архитектуру IBM PC или Motorola. В середине 80-х годов появились архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computing). На их основе были разработаны более производительные рабочие станции, опиравшиеся на операционную систему Unix. С середины 90-х годов конкуренцию системам RISC/Unix составили технологии, разработанные компанией Intel на основе операционных систем MS Windows NT и MS Windows 2000. В настоящее время стоимость CAD/CAM/CAE систем снизилась и составляет не более $10000.

Классификация

• Системы полнофункционального инженерного анализа, обладающие мощными средствами, большими хранилищами типов для сеток конечных элементов, а также всевозможных физических процессов. В них предусмотрены собственные средства моделирования геометрии. Кроме того, есть возможность импорта через промышленные стандарты Parasolid, ACIS. Полнофункциональные САЕ-системы лишены ассоциативной связи с CAD. Поэтому, если в процессе подсчета появляется необходимость изменить геометрию, то пользователю придется заново производить импорт геометрии и вводить данные для расчета. Самыми известными подобными системами считаются ANSYS/Multiphysics,AI*NASTRAN и MSC.NASTRAN.

• Системы инженерного анализа, встроенные в тяжелые САПР, имеют значительно менее мощные средства анализа, но они ассоциативны с геометрией, поэтому отслеживают изменения модели. Расчетные данные структурированы и интегрированы в общую систему проектирования тяжелойСАПР. К ним относятся Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER, Unigraphics NX CAEдля Unigraphics NX, Extensive Digital Validation (CAE) для I-deas, Catia CAE дляCATIA;

• Системы инженерного анализа среднего уровня не имеют мощных расчетных возможностей и хранят данные в собственных форматах. Некоторые их них включают в состав встраиваемый интерфейс в CAD-системы, другие считывают геометрию из CAD. К первым относятся COSMOS/Works, COSMOS/Motion,COSMOS/FloWorks для SolidWorks, ко вторым — visualNastran, Procision.

]Возможности САЕ

С помощью САЕ можно проводить:

• Стресс-анализ компонентов и узлов на основе метода конечных элементов;

• Термический и гидродинамический анализ;

• Кинематические исследования;

• Моделирование таких процессов, как литье под давлением;

• Оптимизацию продуктов или процессов.

Этапы работы с САЕ

• Предварительная обработка — определение характеристик модели и факторов внешней среды, которые будут на нее воздействовать;

• Анализ и принятие решения;

• Обработка результатов.

Отрасли применения

Наибольшей популярностью САЕ пользуются в следующих отраслях производства: машиностроение и станкостроение, оборонная и аэрокосмическая промышленность, энергетика, судостроение, производство полупроводников, телекоммуникации, химическая, фармацевтическая и медицинская промышленность, строительство, производство систем отопления, кондиционирования, вентиляции.

Опыт использования САЕ в автомобильной промышленности

Преимущество систем САЕ состоит в том, что автопроизводители могут проводить компьютерное тестирование разрабатываемых моделей. Это позволяет сосредоточить максимум внимания на повышении безопасности, комфортности и долговечности автомобилей, не затрачивая при этом финансовых средств. Безопасность пассажиров при столкновениях может быть оценена при помощи таких программных продуктов, как RADIOSS, LS-DYNA, PAM-CRASH.

Основные направления в развитии САЕ

В процессе развития САЕ разработчики стремятся увеличить их возможности и расширить сферы внедрения. Преследуются следующие цели:

• Совершенствование методов решения междисциплинарных задач моделирования;

• Разработка новых платформ для интеграции различных систем САЕ, а также для интеграции САЕ-систем в PLM-решения;

• Повышение интероперабельности САЕ и CAD систем;

• Совершенствование методов построения расчетных сеток, описания граничных условий, параллельных вычисление и т.д;

• Улучшение характеристик моделей, которые применяются для описания свойсв материалов;

• Оптимизация систем САЕ для компьютерных платформ с 64-битными и многоядерными процессорами, а тем самым улучшение условий для моделирования сложных конструкций с большим количеством степеней свободы.