Параметричне моделювання: опис, методи, огляд програм

Параметричне моделювання (parametric model, PM) використовує інструменти проектування на основі конструктивних елементів. Воно дозволяє розробнику визначати цілі класи фігур, а не тільки конкретні деталі. До появи цієї технології редагування форми було складним завданням. Наприклад, щоб змінити тривимірне тіло, дизайнер повинен був змінити довжину, ширину та висоту. Застосовуючи технологію PM, проектувальнику потрібно змінити тільки один параметр, два інших налаштовуються автоматично.

Історія автоматизованого проектування

Ключовою віхою в історії автоматизованого проектування (CAD) стала поява в 1987 році версії Pro / ENGINEER, тепер PTC Creo, яка познайомила індустрію САПР з параметричним моделюванням. З тих пір ця парадигма використовується майже у всіх основних програмах проектування, включаючи SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, NX та Onshape.

PM-проектування виконується інженерами, які будують тривимірну геометрію по частинах. Двовимірні ескізи перетворюються в Тривимірні об`єкти, при цьому проектні обмеження і допуски належним чином реалізуються відповідно до дизайнерського плану. Оскільки кожен крок випливає з попередніх-потрібен детальний попередній ескіз.

Незважаючи на потужність і популярність РМ-моделювання, інша парадигма прямого моделювання САПР також має своїх прихильників. Деякий сучасні системи САПР використовують пряме, а не параметричне моделювання на основі історії, також існують і такі системи, які надають поєднання двох інструментів.

Парадигма дизайну та термінологія

Параметричний дизайн починається з ескізу, а для отримання остаточного результату застосовують Різні математичні функції. Парадигму дизайну, вперше розроблену Pro / ENGINEER, називають "заснованою на історії", оскільки лінійна покрокова природа моделі відрізняє її від прямого параметричного моделювання, яке називають " вільним від історії».

Програмне забезпечення запам`ятовує функції по порядку, а модель виконує їх крок за кроком. Користувачі часто помилково вважають, що тільки по, засноване на історії, є параметричним. Насправді до нього відносяться всі моделі з даними, що включають розміри, зразки, товщину стінок, діаметри, глибини отворів та інші. За допомогою параметричного підходу інженери можуть швидко і легко створювати різні конфігурації конструкцій.

В даний час отримали розвиток і параметричне, і кваліметричне моделювання. Кваліметрія-наукова дисципліна, що займається методиками кількісного визначення якості моделей. Це теорія, розроблена в колишньому СРСР Г. Азгалдовим, використовується сьогодні при розробці російських стандартів, в тому числі в металургії і машинообробці.

Велика частина програмне забезпечення САПР дозволяє реалізувати якісні проекти. Перш ніж зробити вибір, розробнику потрібно проаналізувати показники:

1. Розмір структури.
2. Кількість розробників, пов`язаних з проектом.
3. Мобільність моделі.
4. Тип файлу, встановлений клієнтом.

Процес параметричного моделювання

Моделі будуються з набору математичних формул і щоб вони мали легітимність, вони повинні ґрунтуватися на реальній інформації про виріб. Досконалість методів перевірки і повнота інформації про виріб визначають життєздатність рішення.

Існує дві популярні PM-моделі:

1. Конструктивна тверда геометрія (CSG) - визначає модель з точки зору об`єднання основних і генеруються фізичних форм. Вона використовує логічні операції для побудови моделі. Це комбінація тривимірних елементарних форм, наприклад, циліндра, конуса, призми, прямокутника або сфери, якими керують за допомогою простих логічних операцій.
2. Граничне представництво – BR) - суцільна модель формується шляхом визначення поверхонь, які формують просторові межі. Потім створюється об`єкт шляхом з`єднання точок у просторі. Багато програм використовують метод кінцевих елементів (FEM), оскільки він дозволяє легко контролювати внутрішню сітку обсягу.

Термін параметричне 3D моделювання означає, що програма MCAD використовує фізичні дані. У цьому методі розміри визначають геометрію, а не навпаки, як у випадку з 2D та традиційними тривимірними твердотільними моделями. Тому будь-яке редагування значень призводить до зміни розміру. Крім того, відносини або обмеження, що використовуються для створення елементів виробу, фіксуються і контролюються програмою.

Базова одиниця проекту

Елемент є базовою одиницею параметричної твердотільної моделі. Так само, як збірка включає різні деталі, файл складається з окремих частин. Кожна функція має визначальні інтелектуальні властивості. При конструюванні об`єкта вказуються Геометричні обмеження і застосовувані розміри. Розробник зберігає ці властивості в базі даних і використовує для створення нових виробів.

Прикладами цих будівельних блоків, які називаються елементами, є отвори, ребра, жолобки, фаски та інші геометричні деталі. Нові функції залежать від існуючих таким чином, що зміни дизайну фіксуються автоматично. Тим самим функціональне моделювання відображає задум конструктора. Якщо деталь або пов`язана частина змінюється, ПО повторно генерує цю ознаку відповідно до призначеними йому прикордонними властивостями. Наприклад, ребро, визначене як дотичне до дуги, буде рухатися, щоб зберегти обмеження дотику, якщо розмір дуги змінюється.

Комп`ютерна генерація моделі

У більш вузькому сенсі, термін CAD - це комп`ютерна генерація і модифікація геометричної моделі. У більш широкому сенсі – включає всі автоматизовані дії в процесі проектування: геометричне моделювання, обчислення, збір і надання інформації від розробки концепції до виготовлення.

Спочатку додатки використовувалися для розробки виробничих документів. Зі збільшенням обчислювальної потужності системи зі складними експертними додатками і інтегрованими рішеннями, FEM став більш часто застосовуватися для проектування і створення продукту. Доступна конструкція технічних рішень, завдяки якій об`єкти з самого початку розглядаються, як Тривимірні тіла. При необхідності, технічні креслення створюються автоматично з віртуальних моделей деталей.

Особлива перевага 3D-CAD-це можливість проектувати зображення виробу з будь-якого напрямку. 3D принтер дозволяє перейти від віртуального до реального об`єкту. Разом з виявленими властивостями матеріалу створюються вдосконалені моделі для заданих фізичних властивостей, наприклад, міцності, пружності. CAD використовується практично у всіх галузях техніки: архітектурі, цивільному будівництві, машинобудуванні, електротехніці і таких вузьких напрямках, як стоматологічні технології.

Провідні галузеві програмні продукти

Сьогодні на ринку доступно багато програм параметричного моделювання. За рівнем використання вони поділяються:

1. Низкомасштабное використання.
2. Широкого застосування.
3. Галузеве моделювання.

Остання з цих трьох категорій, а саме - Галузеве ПЗ, набула найбільшої популярності.

Провідні галузеві програмні продукти:

1. SolidWorks-представлений в 1995 році, як недорогий конкурент на ринку. За параметричного моделювання SolidWorks було придбано в 1997 році компанією Dassault Systemes. Воно використовується в механічному проектуванні і в пластмасовій індустрії.
2. CATIA-створена Dassault Systemes у Франції наприкінці 1970-х. Це складне програмне забезпечення широко використовується в авіаційній, автомобільній та суднобудівній промисловості.
3. Додаток параметричного моделювання Siemens NX, раніше відома, як Unigraphics, була придбана McDonnell Douglas в 1977 році. Це комплексне рішення для проектування і виробництва продукції з широким діапазоном споживання.
4. Grasshopper-плагін Rhinoceros, орієнтований на параметричний дизайн, який працює, як редактор генеративних алгоритмів. Переваги цієї програми в тому, що, на відміну від багатьох, для неї не потрібен досвід написання сценаріїв, це дозволяє створювати схеми з генерації компонентів, отримуючи значну тимчасову оптимізацію.
5. Параметричне моделювання Компас 3D використовує комп`ютер для проектування об`єктів або систем, що функціонують в реальному світі.
6. Autodesk, є старшою версією AutoCad і дозволяє реалізовувати 3D-проекти. Область застосування-промислова Механіка.
7. KeyCreator-це непараметричний, не заснований на історії, "прямий" 2D / 3D CAD для моделювання твердого тіла. Спочатку була відома, як CADKEY, вперше випущена в 1984 році і працює в операційна система DOS, UNIX та Microsoft Windows. Перша програма САПР з можливостями 3D для персональний комп`ютер. Крім твердотільного моделювання, KeyCreator виконує каркасне моделювання поверхонь і креслення.

Порівняння передових технологій

SolidWorks домінує у розробці корпоративних продуктів, тоді як KeyCreator-це вибір САПР для спеціалізованих процесів проектування та виробництва. Це два добре відточених інструментів з явними перевагами. Щоб визначити, чи є KeyCreator відповідним методом параметричного моделювання, порівнюють, яке саме найкращий відповідає призначеним для користувача завданням.

Моделювання KeyCreator без історії дозволяє дизайнерам не тільки швидко створювати проекти з нуля, але відкривати і редагувати будь-які файли САПР незалежно від джерела. KeyCreator має переваги в порівнянні з SolidWorks у вигляді здатності обробляти непередбачувані зміни дизайну, а повний набір перекладачів дає користувачам інструмент для виконання роботи в будь-якій країні світу.

Функції KeyCreator дозволяють проектам вільно розвиватися, оскільки ескізи і тривимірні моделі не пов`язані історією операцій або обмеженнями. Цей підхід дозволяє початковим неструктурованим концепціям поступово перетворюватися на складні збірки. Гнучкі можливості експорту KeyCreator означають, що тривимірна геометрія легко переходить на наступну стадію проектування виробництва.

Підхід PM, який використовує SolidWorks, ідеально підходить для управління оновленнями моделей на основі характеристик продуктивності продукту, жорсткі обмеження дозволяють розраховувати уточнення для конструкцій, які на даному етапі є статичними. Він також забезпечує широку сумісність з інструментами управління даними, що використовують метадані проектування протягом усього виробничого процесу.

Кросплатформне ПЗ тривимірних об`єктів

FreeCAD - відкритий дизайнер кросплатформних параметричних тривимірних об`єктів у каскаді. ПЗ в основному використовується в машинобудуванні для розробки реальних продуктів. 3D продукти поставляються з MCAD, CAx, PLM і CAD разом з повним пакетом опцій настройки і розширень.

Користувачі вибирають FreeCAD, завдяки простоті використання на основі QT. Це ПЗ підтримує і інтегрує різні формати файлів, можна легко створити тривимірну фігуру з 2D, витягти деталі дизайну або відрегулювати розміри з достатньою кількістю компонентів. FreeCAD також постачається з моделлю візуалізації 3D-сцен, сумісною з Open Inventor, панелями інструментів, перемикачами, всеосяжним api Python та макетами.

Особливості програми:

1. Велика онлайн-документація.
2. Доступність для MacOS, Linux та Windows.
3. Поставляється з користувальницьким інтерфейсом, який можна легко налаштувати.
4. Забезпечує інтегровану підтримку Python.
5. Надає своїм користувачам всі досконалі і розширювані інструменти, які їм необхідні: робочі місця для маршрутів, географічні дані, Експериментальні CFD, інструменти аналізу кінцевих елементів (FEA), модуль моделювання роботів, і BIM.
6. Підтримує анотації, такі як розміри та текст.
7. Володіє безліччю сучасних функцій, безкоштовний для всіх.

Конструкторський інструмент Fusion 360

Fusion 360 для Windows-це 3D CAD-інструмент, розроблений Autodesk. Тривимірне моделювання в системі Fusion 360 орієнтоване на дизайнерів і є потужним інструментом для розробки деталей, надає опції для тестування функціональності об`єктів і моделювання руху. Autodesk Fusion 360 заснований на хмарній технології. Створені дані завжди зберігаються в хмарі, що полегшує роботу в команді.

Autodesk Fusion 360 охоплює наступні ключові фактори при розробці продукту: функціональне моделювання, рендеринг і підготовка до виробництва. Всі ці функції об`єднані в одному додатку. Форми працюють з функцією t-сплайна. Створюючи інтелектуальні відносини між компонентами, можна змоделювати функціональність збірок.

Зв`язок окремих компонентів один з одним визначається суглобами. Шляхом регулювання властивостей, таких як жорсткість або обертання, компоненти можуть бути розташовані з потрібним переміщенням по відношенню один до одного. Щоб зробити виріб привабливим, в Fusion 360 є ряд матеріалів, яким покривають потрібну поверхню.

Інтерфейс користувача Autodesk Fusion 360 чітко організований. Панель меню забезпечує доступ до готового дизайну і можливість швидкого збереження поточних проектів. Крім того, дії можуть бути скасовані або перероблені одним клацанням миші. У розділі "створити" конструюють прості або складні об`єкти. Доступ до історії проектування отримують через часову шкалу, щоб можна було внести зміни і зберегти їх.

Відправна точка моделювання

Для ескізного об`єкта потрібна двовимірна модель, яка потім перетворюється одним з основних способів: видавлювання, обертання і розгортка.

Відправною точкою для PM моделі є ескіз, який спочатку має точну форму створюваної деталі або елемента і є інтелектуальним поданням деталі. Важливо проаналізувати та спланувати кожну частину перед проектуванням, щоб визначити найбільш ефективну послідовність створення.

Незадовільні стратегії параметричного програмного моделювання призводять до деталей, створення яких займе більше часу через складне редагування. Проектуватися повинні такі елементи, які забезпечують максимальну гнучкість і варіацію вироби, для цього, сприймаючи готову твердотільну модель, як сукупність елементів, що змінюються.

Послідовність створення ескізу

Перед тим, як приступити до створення ескізу, модель повинна бути вивчена, щоб визначити найкращий профіль базового варіанту. Кращий-це той, який повністю описують загальну форму, і мінімізує кількість залишилися функцій, необхідних для завершення проекту. Кожна нова частина містить три нескінченні опорні площини, які представляють в просторі передню, верхню і праву площини, що проходять через початок координат-нульова точка в просторі.

Загальна процедура PM полягає у виборі найкращого профілю для першої характеристики моделі. Потім вибирають найбільш підходящу площину, на якій потрібно створити перший ескіз, щоб кінцевий варіант мав правильну орієнтацію при перегляді в графічному вигляді.

Геометрія повинна створюватися шляхом захоплення обмежень під час створення ескізу, а потім вимірюватися для визначення остаточної геометрії. Повністю визначений варіант-чорний, незавершений-синій, а перевизначений-червоний.

2D ескіз потім перетворюється в 3D тверде тіло, шляхом видавлювання або обертання. Його можна перетворити в цілісні деталі за допомогою процесу розгортки, яка має функції витягування креслення перпендикулярно площині, і обертання елементів навколо осі. Цей метод переміщує його по траєкторії, що складається з прямої або вигнутої геометрії. Для креслення використовується кілька ескізів, з переходами від однієї фігури до іншої. Кожен сеанс пов`язаний з отриманням нового розміру. З готової моделі твердого тіла створюють креслярський файл зі стандартними розмірами ізометричних видів.

Переваги САПР

Параметричне моделювання САПР використовує різноманітні інструменти в різних областях, наприклад, геометричного моделювання, яке включає в себе диференціальну геометрію, теорію множин, алгебру матриць, теоретичну і прикладну інформатику. Ці інструменти можуть поєднуватися та відрізнятися залежно від системи САПР та галузі застосування. Вони орієнтовані на вектор, що забезпечує протилежність орієнтації сітки.

САПР використовується для створення цифрових моделей проектування з різними характеристиками, які надають інформацію для виробництва необхідного виробу, за допомогою технічного креслення, передачі ЧПУ та інших.

Перевага внутрішнього представлення моделі:

1. Раціоналізація процесу побудови.
2. Здатність легко і швидко змінювати моделі на сучасних етапах процесу проектування.
3. Запобігає втрати інформації і помилки.
4. Можливість використання в інших додатках
5. Оптимізує конструкцію, поки продукт не буде готовий до виробництва.
6. Тривимірні твердотільні моделі пропонують широкий спектр способів перегляду моделі.
7. Візуалізація продукту, оскільки можна почати з простих об`єктів з мінімальними деталями.
8. Інтеграція з наступними додатками і скорочення часу циклу розробки.
9. Існуючі дані дизайну можуть бути повторно використані для створення нових проектів.
10. Швидка зміна дизайну, підвищення ефективності.
11. Цифрове виробництво.

Однією з переваг програм параметричного моделювання є те, що вони дозволяють перенести Цифрове виробництво безпосередньо в проект, оскільки інтегрується за допомогою верстатів з числовим програмним управлінням або 3D-принтерів.