Параметрическое моделирование: описание, методы, обзор программ

Параметрическое моделирование (parametric model, PM) использует инструменты проектирования на основе конструктивных элементов. Оно позволяет разработчику определять целые классы фигур, а не только конкретные детали. До появления этой технологии редактирование формы было сложной задачей. Например, чтобы изменить трехмерное тело, дизайнер должен был изменить длину, ширину и высоту. Применяя технологию PM, проектировщику потребуется изменить только один параметр, два других настраиваются автоматически.

История автоматизированного проектирования

Ключевой вехой в истории автоматизированного проектирования (CAD) стало появление в 1987 году версии Pro/ENGINEER, теперь PTC Creo, которая познакомила индустрию САПР с параметрическим моделированием. С тех пор эта парадигма используется практически во всех основных программах проектирования, включая SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, NX и Onshape.

PM-проектирование выполняется инженерами, строящими трехмерную геометрию по частям. Двухмерные эскизы превращаются в трехмерные объекты, при этом проектные ограничения и допуски должным образом реализуются в соответствии с дизайнерским планом. Поскольку каждый шаг следует из предыдущих – требуется подробный предварительный эскиз.

Несмотря на мощь и популярность РМ-моделирования, другая парадигма прямого моделирования САПР также имеет своих сторонников. Некоторые современные системы САПР используют прямое, а не параметрическое моделирование на основе истории, также существуют и такие системы, которые предоставляют сочетание двух инструментов.

Парадигма дизайна и терминология

Параметрический дизайн начинается с эскиза, а для получения окончательного результата применяют различные математические функции. Парадигму дизайна, впервые разработанную Pro / ENGINEER, называют «основанной на истории», поскольку линейная пошаговая природа модели отличает ее от прямого параметрического моделирования, которое называют «свободным от истории».

Программное обеспечение запоминает функции по порядку, а модель выполняет их шаг за шагом. Пользователи часто ошибочно полагают, что только ПО, основанное на истории, является параметрическим. На самом деле к нему относятся все модели с данными, включающими размеры, образцы, толщину стенок, диаметры, глубины отверстий и другие. С помощью параметрического подхода инженеры могут быстро и легко создавать различные конфигурации конструкций.

В настоящее время получили развитие и параметрическое, и квалиметрическое моделирование. Квалиметрия – научная дисциплина, занимающаяся методиками количественного определения качества моделей. Это теория, разработанная в бывшем СССР Г. Азгалдовым, используется сегодня при разработке российских стандартов, в том числе в металлургии и машинообработке.

Большая часть программного обеспечения САПР позволяет реализовать качественные проекты. Прежде чем сделать выбор, разработчику нужно проанализировать показатели:

1. Размер структуры.
2. Количество разработчиков, связанных с проектом.
3. Мобильность модели.
4. Тип файла, установленный клиентом.

Процесс параметрического моделирования

Модели строятся из набора математических формул и чтобы они имели легитимность, они должны основываться на реальной информации об изделии. Совершенство методов проверки и полнота информации об изделии определяют жизнеспособность решения.

Существует две популярные PM-модели:

1. Конструктивная твердая геометрия (CSG) – определяет модель с точки зрения объединения основных и генерируемых физических форм. Она использует логические операции для построения модели. Это комбинация трехмерных элементарных форм, например, цилиндра, конуса, призмы, прямоугольника или сферы, которыми управляют с помощью простых логических операций.
2. Граничное представительство (BR) – сплошная модель формируется путем определения поверхностей, которые формируют пространственные границы. Затем создается объект путем соединения точек в пространстве. Многие программы используют метод конечных элементов (FEM), поскольку он позволяет легко контролировать внутреннюю сетку объема.

Термин параметрическое 3D моделирование означает, что программа MCAD использует физические данные. В этом методе размеры определяют геометрию, а не наоборот, как в случае 2D и традиционных трехмерных твердотельных моделях. Поэтому любое редактирование значений приводит к изменению размера. Кроме того, отношения или ограничения, используемые для создания элементов изделия, фиксируются и контролируются программой.

Базовая единица проекта

Элемент является базовой единицей параметрической твердотельной модели. Так же, как сборка включает в себя различные детали, файл состоит из отдельных частей. Каждая функция имеет определяющие интеллектуальные свойства. При конструировании объекта указываются геометрические ограничения и применяемые размеры. Разработчик сохраняет эти свойства в базе данных и использует для создания новых изделий.

Примерами этих строительных блоков, называемых элементами, являются отверстия, ребра, желобки, фаски и другие геометрические детали. Новые функции зависят от существующих таким образом, что изменения дизайна фиксируются автоматически. Тем самым функциональное моделирование отражает замысел конструктора. Если деталь или связанная часть изменяется, ПО повторно генерирует этот признак в соответствии с назначенными ему пограничными свойствами. Например, ребро, определенное как касательное к дуге, будет двигаться, чтобы сохранить ограничение касания, если размер дуги изменяется.

Компьютерная генерация модели

В более узком смысле, термин CAD – это компьютерная генерация и модификация геометрической модели. В более широком смысле – включает все автоматизированные действия в процессе проектирования: геометрическое моделирование, вычисление, сбор и предоставление информации от разработки концепции до изготовления.

Изначально приложения использовались для разработки производственных документов. С увеличением вычислительной мощности системы со сложными экспертными приложениями и интегрированными решениями, FEM стал более часто применяться для проектирования и создания продукта. Доступна конструкция технических решений, благодаря которой объекты с самого начала рассматриваются, как трехмерные тела. При необходимости, технические чертежи создаются автоматически из виртуальных моделей деталей.

Особое преимущество 3D-CAD – это возможность проектировать изображение изделия с любого направления. 3D принтер позволяет перейти от виртуального к реальному объекту. Вместе с обнаруживаемыми свойствами материала создаются усовершенствованные модели для заданных физических свойств, например, прочности, упругости. CAD используется практически во всех отраслях техники: архитектуре, гражданском строительстве, машиностроении, электротехники и таких узких направлениях, как стоматологические технологии.

Ведущие отраслевые программные продукты

Сегодня на рынке доступно множество программ параметрического моделирования. По уровню использования они подразделяются:

1. Низкомасштабное использование.
2. Широкого применения.
3. Отраслевое моделирование.

Последняя из этих трех категорий, а именно - отраслевое ПО, приобрела наибольшую популярность.

Ведущие отраслевые программные продукты:

1. SolidWorks – представленный в 1995 году, как недорогой конкурент на рынке. ПО параметрического моделирования SolidWorks было приобретено в 1997 году компанией Dassault Systemes. Оно используется в механическом проектировании и в пластмассовой индустрии.
2. CATIA – создана Dassault Systemes во Франции в конце 1970-х годов. Это сложное программное обеспечение широко используется в авиационной, автомобильной и судостроительной промышленности.
3. Приложение параметрического моделирования Siemens NX, ранее известная, как Unigraphics, была приобретена McDonnell Douglas в 1977 году. Это комплексное решение для проектирования и производства продукции с широким диапазоном потребления.
4. Grasshopper – плагин Rhinoceros, ориентированный на параметрический дизайн, который работает, как редактор генеративных алгоритмов. Преимущества этой программы в том, что, в отличие от многих, для нее не требуется опыт написания сценариев, это позволяет создавать схемы из генерации компонентов, получая значительную временную оптимизацию.
5. Параметрическое моделирование Компас 3d использует компьютер для проектирования объектов или систем, функционирующих в реальном мире.
6. Autodesk, является старшей версией AutoCad и позволяет реализовывать 3D-проекты. Область применения – промышленная механика.
7. KeyCreator - это непараметрическая, не основанная на истории, «прямая» 2D/3D CAD для моделирования твердого тела. Первоначально была известна, как CADKEY, впервые выпущена в 1984 году и работает в операционных системах DOS, UNIX и Microsoft Windows. Первая программа САПР с возможностями 3D для персональных компьютеров. Помимо твердотельного моделирования, KeyCreator выполняет каркасное моделирование поверхностей и черчение.

Сравнение передовых технологий

SolidWorks доминирует в разработке корпоративных продуктов, в то время как KeyCreator является выбором САПР для специализированных процессов проектирования и производства. Это два хорошо отточенных инструментов с явными преимуществами. Чтобы определить, является ли KeyCreator подходящим методом параметрического моделирования, сравнивают, какое ПО лучше всего отвечает пользовательским задачам.

Моделирование KeyCreator без истории позволяет дизайнерам не только быстро создавать проекты с нуля, но открывать и редактировать любые файлы САПР независимо от источника. KeyCreator имеет преимущества по сравнению с SolidWorks в виде способности обрабатывать непредсказуемые изменения дизайна, а полный набор переводчиков дает пользователям инструмент для выполнения работы в любой стране мира.

Функции KeyCreator позволяют проектам свободно развиваться, поскольку эскизы и трехмерные модели не связаны историей операций или ограничениями. Этот подход позволяет начальным неструктурированным концепциям постепенно превращаться в сложные сборки. Гибкие возможности экспорта KeyCreator означают, что трехмерная геометрия легко переходит на следующую стадию проектирования производства.

Подход PM, используемый SolidWorks, идеально подходит для управления обновлениями моделей на основе характеристик производительности продукта, жесткие ограничения позволяют рассчитывать уточнения для конструкций, которые на данном этапе являются статичными. Он также обеспечивает широкую совместимость с инструментами управления данными, использующими метаданные проектирования на протяжении всего производственного процесса.

Кроссплатформенное ПО трехмерных объектов

FreeCAD - открытый дизайнер кроссплатформенных параметрических трехмерных объектов в каскаде. ПО в основном используется в машиностроении для разработки реальных продуктов. 3D продукты поставляются с MCAD, CAx, PLM и CAD вместе с полным пакетом опций настройки и расширений.

Пользователи выбирают FreeCAD, благодаря простоте использования на основе QT. Это ПО поддерживает и интегрирует различные форматы файлов, можно легко создать трехмерную фигуру из 2D, извлечь детали дизайна или отрегулировать размеры с достаточным количеством компонентов. FreeCAD также поставляется с моделью рендеринга 3D-сцен, совместимой с Open Inventor, панелями инструментов, переключателями, всеобъемлющим API-интерфейсом Python и макетами.

Особенности программы:

1. Обширная онлайн-документация.
2. Доступность для MacOS, Linux и Windows.
3. Поставляется с пользовательским интерфейсом, который можно легко настроить.
4. Обеспечивает интегрированную поддержку Python.
5. Предоставляет своим пользователям все совершенные и расширяемые инструменты, которые им необходимы: рабочие места для маршрутов, географические данные, экспериментальные CFD, инструменты анализа конечных элементов (FEA), модуль моделирования роботов, а также BIM.
6. Поддерживает аннотации, такие как размеры и текст.
7. Обладает множеством современных функций, бесплатный для всех.

Конструкторский инструмент Fusion 360

Fusion 360 для Windows – это 3D CAD-инструмент, разработанный Autodesk. Трехмерное моделирование в системе Fusion 360 ориентировано на дизайнеров и является мощным инструментом для разработки деталей, предоставляет опции для тестирования функциональности объектов и моделирования движения. Autodesk Fusion 360 основан на облачной технологии. Созданные данные всегда хранятся в облаке, что облегчает работу в команде.

Autodesk Fusion 360 охватывает следующие ключевые фактора при разработке продукта: функциональное моделирование, рендеринг и подготовка к производству. Все эти функции объединены в одном приложении. Формы работают с функцией T-сплайна. Создавая интеллектуальные отношения между компонентами, можно смоделировать функциональность сборок.

Связь отдельных компонентов друг с другом определяется суставами. Путем регулировки свойств, таких как жесткость или вращение, компоненты могут быть расположены с нужным перемещением по отношению друг к другу. Чтобы сделать изделие привлекательным, в Fusion 360 есть ряд материалов, которым покрывают нужную поверхность.

Пользовательский интерфейс Autodesk Fusion 360 четко организован. Панель меню обеспечивает доступ к готовому дизайну и возможность быстрого сохранения текущих проектов. Кроме того, действия могут быть отменены или переделаны одним щелчком мыши. В разделе «Создать» конструируют простые или сложные объекты. Доступ к истории проектирования получают через временную шкалу, чтобы можно было внести изменения и сохранить их.

Отправная точка моделирования

Для эскизного объекта требуется двухмерная модель, которая затем преобразуется одним из основных способов: выдавливание, вращение и развертка.

Отправной точкой для PM модели является эскиз, который первоначально имеет точную форму создаваемой детали или элемента и является интеллектуальным представлением детали. Важно проанализировать и спланировать каждую часть перед проектированием, чтобы определить наиболее эффективную последовательность создания.

Неудовлетворительные стратегии параметрического программного моделирования приводят к появлению деталей, создание которых будет занимать больше времени из-за сложного редактирования. Проектироваться должны такие элементы, которые обеспечивают максимальную гибкость и вариацию изделия, для этого, воспринимая готовую твердотельную модель, как совокупность изменяющихся элементов.

Последовательность создания эскиза

Перед тем, как приступить к созданию эскиза, модель должна быть изучена, чтобы определить наилучший профиль базового варианта. Лучший – это тот, который полностью описывают общую форму, и минимизирует количество оставшихся функций, необходимых для завершения проекта. Каждая новая часть содержит три бесконечные опорные плоскости, которые представляют в пространстве переднюю, верхнюю и правую плоскости, проходящих через начало координат – нулевая точка в пространстве.

Общая процедура PM заключается в выборе наилучшего профиля для первой характеристики модели. Затем выбирают наиболее подходящую плоскость, на которой нужно создать первый эскиз, чтобы конечный вариант имел правильную ориентацию при просмотре в графическом виде.

Геометрия должна создаваться путем захвата ограничений во время создания эскиза, а затем измеряться для определения окончательной геометрии. Полностью определенный вариант является черным, незавершенный является синим, а переопределенный - красный.

2D эскиз затем превращается в 3D твердое тело, путем выдавливания или вращения. Его можно превратить в цельные детали с помощью процесса развертки, которая имеет функции вытягивания чертежа перпендикулярно плоскости, и вращения элементов вокруг оси. Этот метод перемещает его по траектории, состоящей из прямой или изогнутой геометрии. Для черчения используется несколько эскизов, с переходами от одной фигуры к другой. Каждый сеанс связан с получением нового размера. Из готовой модели твердого тела создают чертежный файл со стандартными размерами изометрических видов.

Преимущества САПР

Параметрическое моделирование САПР использует разнообразные инструменты в различных областях, например, геометрического моделирования, которое включает в себя дифференциальную геометрию, теорию множеств, алгебру матриц, теоретическую и прикладную информатику. Эти инструменты могут комбинироваться и различаться в зависимости от системы САПР и отрасли применения. Они ориентированы на вектор, обеспечивающий противоположность ориентации сетки.

САПР используется для создания цифровых моделей проектирования с различными характеристиками, которые предоставляют информацию для производства требуемого изделия, посредством технического чертежа, передачи ЧПУ и других.

Преимущество внутреннего представления модели:

1. Рационализация процесса построения.
2. Способность легко и быстро менять модели на современных этапах процесса проектирования.
3. Предотвращает потери информации и ошибки.
4. Возможность использования в других приложениях
5. Оптимизирует конструкцию, пока продукт не будет готов к производству.
6. Трехмерные твердотельные модели предлагают широкий спектр способов просмотра модели.
7. Визуализация продукта, поскольку можно начать с простых объектов с минимальными деталями.
8. Интеграция с последующими приложениями и сокращение времени цикла разработки.
9. Существующие данные дизайна могут быть повторно использованы для создания новых проектов.
10. Быстрое изменение дизайна, повышение эффективности.
11. Цифровое производство.

Одним из преимуществ программ параметрического моделирования является то, что они позволяют перенести цифровое производство непосредственно в проект, поскольку интегрируется с помощью станков с числовым программным управлением или 3D-принтеров.