Компьютерное моделирование изделий в конструкторскотехнологической

Кроме печатных изданий, следует особое внимание уделить электронным источникам информации, в частности сайтам Интернета и электронным журналам, в которых представляются новейшие сведения по развитию и практическому использованию конструкторских САПР. Также следует широко пользоваться справочными системами соответствующего программного обеспечения, которые содержат описание техники реализации функциональных возможностей CAD-систем в интерактивном режиме, включая короткие видеофайлы.

Еще раз подчеркнем, что единство теории и практики является основой успешного освоения дисциплины. Без знания теоретических основ нельзя осваивать новые программные средства, рационально и быстро применять известные приемы построения моделей. Без знания и изучения конкретных приемов создания и обработки компьютерных моделей знание теории оказывается бесполезным.

Таким образом, требуется системный подход, сочетающий обучение теоретическим основам современного моделирования в CAD-системах и одновременно практическому использованию соответствующего программного обеспечения. Требованиям такого подхода отвечает, к сожалению, малое число учебной литературы, поскольку большинство книг содержит информацию по прикладному использованию конкретного программного обеспечения. Среди источников, которые отличает системный подход к изучению дисциплины, можно выделить, например, [14, 17, 19, 31].

Настоящее учебное пособие представляет собой еще один опыт системного представления и обобщения в сжатой форме теоретических основ и прикладных аспектов изучения и применения геометрического компьютерного моделирования в деятельности инженера-машиностроителя. Данная разработка рекомендуется к совместному использованию с курсами практических занятий [1, 5, 8, 10, 20, 22], структура которых обладает хорошим лаконичным изложением теории и описанием прикладного программного обеспечения.

11

Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ

И СТРУКТУРЕ СОВРЕМЕННЫХ САПР

1.1.Теория моделирования, рынок

игеометрические модели

Реалии экономической жизни ставят перед отечественными машиностроителями сложную задачу. Если предприятия хотят остаться на рынке и выжить, то должны в корне менять технологию проектирования своих изделий. Эффективность деятельности фирм, непосредственно занимающихся разработкой и изготовлением изделий машиностроительного профиля, можно оценить по формуле

Э TQC ,

где Q – качество машины; T – время разработки; С – стоимость изделия.

Для создания конкурентоспособной продукции необходимо сокращать сроки проектирования T, снижать стоимость изделия C и повышать качество разработок новой техники Q. Развитие и внедрение в процессы проектирования персональных компьютеров привело к широкому распространению систем автоматизированного проектирования (САПР), что позволило существенно увеличить эффективность работы предприятий.

САПР или, как их еще называют, CAD/CAM/CAE-системы стали бурно развиваться в 80-е годы XX века. Начало массового использования компьютеров в проектировании приходится на это время, поскольку компьютер как инструмент проектирования, периферийное оборудование и языки программирования только к указанным срокам были доведены до уровня, когда их использование в промышленности стало не только возможным, но и экономически оправданным делом.

12

В современном же мире только CAD/CAM/CAE-системы могут обеспечить нужное качество проектирования, свободное от дорогостоящего процесса доводки натурных образцов изделия, сократить сроки и обеспечить выполнение проекта меньшим, но более квалифицированным коллективом инженеров. Сегодня эта необходимость не оспаривается [17, 31], поэтому студентам инженерных специальностей необходимо не только изучать принципы функционирования таких систем, но и приобретать навыки практической работы с ними, чтобы быть конкурентоспособными на рынке труда и соответствовать высоким требованиям подготовки современных специалистов.

Практически современные САПР являются мощными средствами моделирования, т.е. одного из самых древних, проверенных и отработанных методов исследования явлений, процессов или систем. Как средство познания и преобразования материального мира, моделирование почти всегда является необходимой частью создания и отработки изделий машиностроения.

Моделирование представляет собой процесс замещения объекта исследования некоторой его моделью и проведение исследований на модели с целью получения необходимой информации об объекте. Модель – это физический или абстрактный образ моделируемого объекта, удобный для проведения исследований и позволяющий адекватно отображать интересующие исследователя физические свойства и характеристики объекта.

Различают моделирование предметное и абстрактное. При

предметном моделировании строят физическую модель, которая соответствующим образом отображает основные физические свойства и характеристики моделируемого объекта, или геометрическую модель, которая предназначена для отображения внешнего вида (конфигурации) объекта. Физическое моделирование широко применялось до недавнего времени при создании сложных технических объектов. Обычно изготавливался макетный или опытный образец объекта, проводились испытания, в процессе которых определялись его выходные параметры и характеристики, оценивались надежность функционирования

13

истепень выполнения технических требований. Физическое моделирование сложных технических систем сопряжено с большими временными и материальными затратами.

Абстрактное моделирование связано с построением аб-

страктной модели. Такая модель представляет собой математические соотношения, графы, схемы, диаграммы. Наиболее мощным и универсальным методом абстрактного моделирования является математическое моделирование. Оно широко используется как в научных исследованиях, так и при проектировании. Однако использование такого вида моделирования в чистом виде не позволяет наглядно представлять конструкцию изделий

иэффективно управлять процессом их создания (построением структурных моделей).

Недостатки указанных подходов позволяет устранить при-

менение имитационного моделирования – метода решения задач анализа или синтеза сложных систем на основе использования их компьютерных моделей [17, 18]. Применительно к процессу проектирования это есть использование современных систем автоматизированного проектирования (САПР) при создании конструкции изделия.

Удобство проведения исследований при проектировании изделий в среде современных САПР определяется, как уже указывалось выше, следующими факторами: легкостью и доступностью получения информации об изделии, значительным сокращением

сроков и уменьшением материальных затрат на исследования и создание конструкции. Применение САПР позволяет построить электронную модель изделия, которая хранится в виде математических формул внутри системы, а пользователю представляется в виде конкретных геометрических форм, выведенных на дисплей компьютера. Поэтому курс и носит название «Компьютерное моделированиеизделий».

САПР позволяет наглядно представить конструкцию изделия с любой степенью детализации. Полученную модель используют для того, чтобы до создания реального технического объекта, возникновения реальной ситуации его функционирова-

14

ния выбрать геометрию конструкции деталей и узлов, провести параметрические исследования по выбору конкретных конструктивных размеров, быстро выполнить компоновку сборочной единицы из отдельных деталей и, возможно, составить объективный прогноз процесса работы создаваемой машины или механизма.

Трехмерные компьютерные модели являются разновидностью геометрических моделей и служат для представления номинальной конфигурации изделий, т.е. той формы, которой должны соответствовать реальные изделия. При этом некоторые виды моделей позволяют на основании описания геометрических форм определить массовые и инерционные характеристики деталей и узлов проектируемых объектов.

Геометрическая модель как разновидность модели математической представляет собой определенный класс абстрактных геометрических объектов и отношений между ними. При этом под отношением понимается правило, связывающее абстрактные геометрические объекты. Рассмотрим основные понятия о компьютерных геометрических моделях.

Каркасная модель (рис. 1, а) полностью описывается в терминах точек и линий. Каркасное моделирование представляет собой моделирование самого низкого уровня и имеет ряд серьезных ограничений, большинство из которых возникает из-за недостатка информации о гранях, заключенных между линиями, и невозможности выделить внешнюю и внутреннюю область изображения твердого объемного тела. Однако каркасная модель требует гораздо меньше компьютерной памяти, чем две другие модели, и может оказаться вполне пригодной для решения некоторых задач, относящихся к простым формам.

Ограничения каркасных моделей:

– неоднозначность: возможность неоднозначно интерпретировать ориентацию и видимость граней каркасного изображения, в отличие от твердотельной модели в каркасной модели нельзя отличить «видимые» грани геометрической формы от «скрытых» (невидимых);

15

касная модель, и, следовательно, как более гибкую и многофункциональную. В поверхностных моделях можно выделить следующие типы поверхностей.

1.Базовые геометрические поверхности. К ним относятся плоские поверхности, которые можно получить, начертив сначала отрезок прямой, а затем введя такую команду, которая разворачивает в трехмерном пространстве образ этого отрезка на заданное расстояние. Подобным образом (разверткой окружностей или дуг) могут быть сгенерированы цилиндрические и конические поверхности.

2.Поверхности вращения. Могут быть легко получены по команде, создающей поверхность вращением плоской грани вокруг определенной оси (эту процедуру можно трактовать как «круговую развертку»). При этом опять необходимо помнить, что создается не объемное тело, а генерируется только поверхность.

3.Поверхности сопряжении и пересечений. Возможность построения плавного сопряжения одной поверхности с другой является наиболее мощным и часто используемым на практике средством поверхностного моделирования. Кроме этого, может быть доступно средство определения пересечения поверхностей.

4.Аналитические поверхности. Каждая такая поверхность определяется одним математическим уравнением с неизвестными X, Y и Z (эти неизвестные обозначают искомые координаты поверхности). Иначе говоря, чтобы изобразить любую аналитическую поверхность, необходимо знать математическое уравнение, которым она описывается.

Области поверхностей также могут быть развернуты в трехмерные объекты. Следует отметить, что системы поверхностного моделирования не распознают такие формы, как твердые объемные тела; они представляют их просто как поверхности, соединенные друг с другом неким образом в пространстве и ограничивающие «пустой» объем.

Хотя методы поверхностного моделирования обладают многими достоинствами (хотя бы по сравнению с каркасным моделированием), существует ряд ограничений на их использование. Основными являются следующие ограничения:

17

–возникновение неоднозначности при попытке моделирования реального твердого тела;

–недостаточность точности представления некоторых поверхностных моделей для обеспечения надежных данных о трехмерных объемных телах;

–сложность процедур удаления скрытых линий и отображения внутренних областей.

Твердотельная модель (рис. 1, в) описывается в терминах того трехмерного объема, который занимает определяемое такой моделью тело. Таким образом, твердотельное моделирование является единственным средством, которое обеспечивает полное однозначное описание трехмерной геометрической формы. Этот способ моделирования представляет собой самый современный и наиболее мощный из трех описанных методов геометрического моделирования [1, 10, 20].

В принципе, широко используемые в машиностроительных САПР геометрические модели относятся к структурным математическим моделям. Инженерно-физические и структурные модели тесно связаны между собой. Причем первичными являются описания структуры изделия. Геометрическая компьютерная модель сочетает в себе преимущества натурной модели (поскольку пользователь может видеть форму изделия на экране монитора) и математической модели (поскольку данные о конструкции хранятся в памяти компьютера и могут редактироваться за счет изменения численных параметров).

Структурное моделирование (например, синтез геометрии изделия) предшествует соответствующему функциональному моделированию. Например, конечноэлементная модель, моделирующая состояние конструкции или технологический процесс, строится на базе геометрическоймодели техническогообъекта.

Различают следующие объекты геометрии моделей: грани (поверхности, ограничивающие внутренний объем твердотельной модели), ребра (кромки) – линии соединения (стыка) граней

ивершины (крайние точки ребер и точки их пересечения).

18

Программное обеспечение автоматически проверяет геометрию модели при создании каждого элемента для предотвращения появления недопустимой геометрии. В нем также предоставляются разнообразные дополнительные инструменты для проверки модели.

Преимущества твердотельных моделей:

–полное определение объемной формы с возможностью разграничения внешней и внутренней областей объекта, что необходимо для обнаружения нежелательных пересечений компонентов в сборках;

–обеспечение автоматического удаления скрытых линий;

–автоматическое построение трехмерных разрезов компонентов, что особенно важно при анализе сложных сборочных единиц;

–применение перспективных методов анализа с автоматическим получением изображения точных массовых и инерционных характеристик, инженерного анализа конструкций методом конечных элементов;

–широкие возможности внесения изменений в проект на всех этапах проектирования, модернизации проекта, адаптации

ктребованиям заказчиков;

–сокращение сроков проектирования;

–повышение эффективности имитации динамики механизмов, процедур генерации траектории движения элементов конструкции изделий;

–широкие возможности применения моделей для инженерного анализа конструкций (наилучшая адаптация к использованию современных методов расчетов на прочность, жесткость, устойчивость и пр.).

Данные преимущества, явившиеся главными причинами перехода на трехмерное твердотельное моделирование, назвали при опросе инженеры, работающие на предприятиях самых разных отраслей.

Системы твердотельного моделирования ориентированы на формирование моделей конкретных изделий, содержащих как типичные, так и нестандартные, уникальные конструктивные

19

элементы. Параметризация трехмерных моделей позволяет быстро получать типовые детали и сборки на основе однажды спроектированного прототипа. Реализация таких возможностей будет представлена в следующих главах.

Современные CAD/CAM/CAE-системы, как правило, позволяют работать как с твердотельными, так и с поверхностными моделями (эти виды моделей составляют основу геометрии изделий). При этом объекты типа поверхностей являются очень эффективными (иногда незаменимыми) вспомогательными инструментами для моделирования твердотельных моделей.

Таким образом, системы автоматизированного проектирования (САПР), базирующиеся на технологиях объемного параметрического моделирования, уже давно стали промышленным стандартом для проектирования конкурентоспособной продукции. Поскольку процесс проектирования носит итерационный характер, проектировщик вынужден неоднократно вносить изменения в проект с целью улучшения технических характеристик проектируемого объекта. Контролировать эти изменения вручную достаточно сложно, учитывая большое количество варьируемых проектных параметров. Ошибки, допущенные на ранних этапах проектирования, могут коренным образом повлиять на характеристики разрабатываемого изделия и существенно снизить его конкурентоспособность. В связи с этим вопрос автоматизации проектирования для большинства предприятий иконструкторских бюро приобретает в настоящий момент особую актуальность. Качественный выигрыш от использования САПР достигается за счет увеличения степени типизации принимаемых проектных решений, а также за счет принципиальной возможности при меньших издержках решать болеесложные техническиезадачи.

1.2.Основные понятия, определения

иобщая структура CAD/CAM/CAE-систем

Автоматизированное проектирование (Computer Aided Design – CAD) – технология, состоящая в использовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения и оптимизации проектов [1, 17, 18].

20