Моделирование поверхностей в Solid Edge

Лев Донковцев

Проектирование кузова автомобиля

Проектирование черновых обводов

Построение точных поверхностей

Часто можно слышать заявление (многие даже возвели его в аксиому): «Без информационных технологий проектирования невозможно выиграть конкуренцию в современном мире», которым оправдывают необходимость приобретения программных продуктов. Но программный продукт сам по себе не гарантирует успеха.
Компания UGS предлагает эффективные методы применения cвоих продуктов в конкретных отраслях, то есть предлагает технологии.

В настоящей статье мы продолжим знакомство с возможностями системы проектирования Solid Edge. Поговорим о поверхностях.

Инструментарий Solid Edge по поверхностному моделированию довольно широк и базируется на уникальных технологиях, таких, например, как Rapid Blue. В русской версии данная технология представлена двумя командами: поверхность и общая точка. Несмотря на кажущуюся простоту, эта технология дает дизайнеру большие возможности. Она позволяет моделировать и редактировать поверхности независимо от порядка их построения. Конструктор не ограничен деревом построения — он в любой момент может выбрать нужные для дальнейшего построения параметры в качестве определяющих. Приведу пример.

Рис. 1. Применение команды «Общая точка»

Построю поверхность произвольной формы на основе сечения и направляющей (рис. 1). Обратите внимание, что кривые не имеют общих точек. Такая проблема решается с помощью простой команды «Общая точка», которая не является элементом дерева построения и не отображается в нем. Это значит, что результат этой команды действителен для любой операции независимо от ее позиции в дереве построения. Итак, применив операцию объединения точек, я получаю корректный каркас для построения поверхности (см. рис. 1). А теперь мне понадобилось управлять построенной поверхностью с помощью других кривых — не тех, на которых была построена поверхность. Я запросто могу вставить управляющую кривую для поверхности — Solid Edge автоматически создает необходимый эскиз до операции построения поверхности (рис. 2). Теперь я могу путем редактирования нового эскиза изменить результирующую поверхность.

Рис. 2. Построение дополнительной управляющей кривой для поверхности

Совет Не старайтесь полностью параметризовать эскизы при поверхностном моделировании. Используйте только действительно необходимые размеры.

Еще раз обращу ваше внимание на операцию «Общая точка». Допустим, во время редактирования кривой я разрушил условия  пересечения сечений и направляющих в образующих кривых. Соответственно поверхность не может быть построена (рис. 3). Все просто — задаю общую точку (при этом не надо переходить на соответствующий шаг построения), и поверхность снова строится корректно.

Рис. 3. Применение команды «Общая точка» для исправления ошибок при редактировании поверхности

Возможности динамического редактирования кривых и управляющих точек позволяют в реальном времени изменять геометрию поверхности для достижения наилучшего результата. Описанная технология есть только в Solid Edge и обеспечивает конструктору большую свободу действий при проектировании поверхностей.

Как и большинство современных систем проектирования, Solid Edge имеет исчерпывающий набор традиционных инструментов построения и редактирования поверхностей. Не стоит перечислять весь функционал, чтобы убедиться в богатейшем наборе инструментов. Посмотрите на рис. 4, где изображены кнопки команд.

Рис. 4. Команды построения, редактирования и анализа кривых и поверхностей

Важным компонентом поверхностного моделирования являются кривые. Solid Edge имеет широчайший набор функций по построению, сопряжению, проецированию и редактированию кривых. Пользователь может контролировать каждую точку кривой, точки образующих ломаных и полюсов. На эти точки можно наложить любые доступные геометрические ограничения (связи) и размеры. Вы можете контролировать жесткость и гладкость кривых и упрощать сложную кривую с заданной точностью (рис. 5).

Рис. 5. Построение и анализ кривой

 

Надеюсь, внимательные читатели не упрекнут меня в  излишне поверхностном описании поверхностного моделирования (простите за забавный каламбур), если я не буду останавливаться на имеющихся средствах анализа кривых и поверхностей. Просто скажу, что они есть и не уступают по удобству и возможностям лучшим инструментам систем проектирования среднего уровня.

Позволю себе, не отвлекаясь на красивые маркетинговые заявления, продемонстрировать реальную работу в Solid Edge.

Проектирование кузова автомобиля

Цель — проект перспективного транспортного средства.

Текущая задача — концептуальный дизайн кузова.

Инструмент — Solid Edge, только инструменты поверхностного моделирования.

Мои коллеги разработали узлы шасси и передали мне модели базовых узлов. Я открываю проект в Solid Edge  и начинаю, как настоящий дизайнер, моделировать обводы. Традиционно такая работа выполняется в несколько итераций.

Сначала я определяю грубые обводы. На этом этапе необходимо узнать, из каких поверхностей будет состоять кузов, их примерную топологию и взаимодействие. На этой стадии не стоит заниматься точным сопряжением элементов и выглаживанием недостаточно эстетичных поверхностей.

На втором этапе я работаю главным образом с переходными участками и более точным разбиением поверхностей. Также я обращаю внимание на качество поверхности и продумываю некоторые элементы переходов одной поверхности в другую.

В конце я строю точные поверхности и сопрягаю их друг с другом.

Некоторые итерации можно повторить или дополнить технологию новыми шагами. Все зависит от типа проектируемого изделия и требований к нему.

Как видно из вышеизложенного, я не акцентирую ваше внимание на конкретных командах и особенностях их использования. Компания UGS, в отличие от своих конкурентов, предлагает заказчикам не просто продукты, а решения. Об этом я напоминаю в каждой публикации. Мы понимаем, что пользователям надо делать конкретную работу, которая требует мастерского владения инструментом в своей отрасли. Именно это мы и предлагаем нашим заказчикам — в этом наше неоспоримое преимущество. Иногда приходится прибегать к сравнениям для более точного определения своей позиции: каждый может купить скрипку Страдивари, если у него есть на это средства, но не каждый может при этом стать Паганини. Мы хотим, чтобы все заказчики могли пользоваться нашими замечательными инструментами, как виртуозы. Поэтому мы предлагаем не только инструмент, но и проверенные способы его применения. Сегодняшний пример из разряда методов использования программного продукта в конкретном проекте.

Проектирование черновых обводов

Этот этап во многом творческий, каждый дизайнер использует привычные ему подходы. Традиционно сначала выполняются рисунки от руки, которые затем сканируются для построения по ним базовых кривых. Такая технология в Solid Edge доступна и показана во множестве демонстрационных примеров. По старинному русскому обычаю я не буду искать легких путей. Начну строить без рисунков (как большинство конструкторов-машиностроителей, я плохо владею техникой рисунка).

Рис. 6. Контур кузова

 

Рис. 7. Вертикальный контур

 

Рис. 8. Боковина кузова

Сделаю первую проекцию — контур сбоку (рис. 6). Поскольку поверхности, которые я буду строить, должны быть  в первую очередь красивыми и лишь потом точными, построения я делаю на глаз, примерно умещая имеющиеся механические узлы в будущий кузов. На рисунке вы также видите эпюру кривизны кривой. Таким же образом я строю горизонтальный силуэт кузова (рис. 7). Поскольку машина имеет симметричный кузов, я строю только одну его половину. Потом я делаю несколько поперечных сечений и натягиваю по ним первую прикидочную поверхность боковины кузова (рис. 8).

Рис. 9. Построение арки заднего колеса

 

Рис. 10. Построение арки переднего колеса

Творческая мысль направила мои силы на арку заднего колеса, которое вылезло за пределы боковой поверхности (рис. 9). Строю поверхность проецирования снаружи заднего колеса. Делаю ограничивающий эскиз арки и обрезаю по нему поверхность. Аналогичным образом строю граничную кривую на боковине и обрезаю ее. В довершение всего с помощью универсальной команды «Поверхность» соединяю края образующей поверхностью. Точно по такой же технологии строю переднюю арку (рис. 10). Для гладкости сопрягу поверхности (команда «Скруглить») конической гранью равной ширины и займусь капотом (рис. 11). Для построения границ поверхностей капота я создал взаимные проекции кривых, построенных  в ортогональных плоскостях.

Рис. 11. Поверхности капота

Небольшое техническое отступление. При создании поверхностей часто возникает необходимость в построении пространственных кривых. Такие кривые удобно получать в Solid Edge через их ортогональные проекции. Команда «Взаимная проекция кривых» позволяет на базе ортогональных проекций создать пространственную кривую (рис. 12). Также весьма полезны команды «Составить кривую» и «Разбить кривую», которые позволяют построить сложную пространственную кривую, используя ребра деталей и поверхностей, кривые, эскизы и т.д.

Рис. 12. Взаимная проекция кривых

 

Рис. 13. Построение крыши

 

Рис. 14. Разбиение поверхности для фары

Снова вернемся к построению кузова. Поверхность крыши я строю, предварительно сделав эскизы направляющих (рис. 13). Контур обрезки крыши я создаю как эскиз на горизонтальной плоскости. Команда «Разбить поверхность» помогает мне сделать контур будущей фары на поверхности боковины (рис. 14). Далее я хочу сделать вырез в передней колесной арке. Для этого рисую профиль выреза, проецирую его на поверхность и по проекции профиля на поверхность боковины делаю обрезку (рис. 15). Аналогичным образом сформирована и нижняя граница кузова (рис. 16).

Рис. 15. Построение выреза в передней арке

 

Рис. 16. Обрезка нижнего края кузова

Для формирования поверхности остекления я делаю несколько эскизов с сечениями и натягиваю по ним поверхность вдоль контура крыши и боковины (рис. 17).

Осталось построить задний торец кузова. Базовую поверхность я создаю по двум сечениям и одной направляющей, а потом обрезаю ее по пересекающим поверхностям (рис. 18).

Рис. 17. Построение поверхности остекления

 

Рис. 18. Построение и обрезка задней поверхности кузова

Окончательное оформление кузова выполняю с помощью эскизов и команды «Разделить поверхность» (рис. 19). Таким образом я формирую стекла, двери, вентиляционные отверстия для тормозов и задние фонари. Для наглядности раскрашиваю элементы кузова.

Полный кузов получаю операцией зеркального копирования — «зеркальная деталь» (рис. 20).

Рис. 19. Разбивка поверхностей для формирования остекления, дверей и задних фонарей

 

Рис. 20. Результат предварительного дизайна кузова

Стоит упомянуть о том, что в процессе построения поверхностей я часто прибегаю к их незначительному динамическому редактированию, а также меняю форму и размер базовых эскизов для достижения более гармоничного вида и соответствия пропорций.

Построение точных поверхностей

На этом первый этап чернового моделирования закончен. Теперь можно внимательно изучить дизайн, рассмотреть сделанное с разных сторон, получить фотореалистичные изображения.

Критически оценив выполненную работу, я решаю немного переделать стиль кузова. Итак, следующий этап проектирования.

Технически это выглядит очень просто: вставляем построенную модель как копию в новый файл и, базируясь на существующей геометрии, строим новую (рис. 21).

Рис. 21. Рестайлинг кузова с использованием копии

Совет Не бойтесь сделать поверхностную конструкцию заново. Часто красивая поверхность и форма получаются только после тщательной проработки. Рестайлинг делайте, используя размеры и форму ранее сделанных поверхностей.

Как я уже говорил, здесь главная задача — получение качественных образующих поверхностей. Учитывая замечания своего опытного друга, я строю более стильный вариант кузова, который теперь тянет на твердую четверку (рис. 22, 23, 24 и 25).

Рис. 22. Дизайн кузова с точными базовыми поверхностями

 

Рис. 23. Проработка передней части кузова

 

Рис. 24. Внешний вид кузова

 

Рис. 25. Результат поверхностного моделирования в Solid Edge

 

Для выглаживания поверхностей я пользуюсь упрощением и анализом кривизны базовых кривых. Строя сложные кривые в Solid Edge, можно составлять их из более простых. При этом соединение кривых можно выполнить разными способами. Например, связь «касание» имеет такие опции, как традиционное касание, касание с равной кривизной, параллельное касание; доступна также комбинация этих признаков. Таким образом можно строить цепочки кривых с широким набором условий гладкости, вплоть до непрерывности по второй производной.

Гладкость результирующей поверхности или условий стыковки поверхностей можно проконтролировать с помощью изопараметрических линий — так называемой зебры — или цветовой окраски значений кривизны. Условия стыковки поверхностей задаются при их построении, если в качестве направляющей или сечения выбрать ребро существующей поверхности. Также при сопряжении поверхностей можно задать различную форму сопряжения, простой радиус либо коническую поверхность с множеством контролируемых параметров.

Для справки В данной статье использованы материалы разработки перспективного экологического автомобиля. Новая гибридная силовая установка позволяет расходовать менее 1 л топлива на 100 км. Это возможно благодаря уникальному электроводородному генератору. В движение автомобиль приводят как электродвигатели (задняя ось), так и традиционный ДВС (передняя ось). ДВС также вращает водородный генератор, который вырабатывает воздушно-водородную смесь из воздуха и водяного пара. Такая смесь применяется в качестве топлива для этого же ДВС, что позволяет экономить углеводородное топливо или совсем его заменить. Для работы водородного генератора требуется вода. Расчеты показывают, что для двигателя мощностью 100 л.с. требуется около 1-3 л воды в час. Согласитесь, лучше заливать в бак воду, чем бензин. Побочным эффектом водородного генератора является мощное вихревое магнитное поле, которое просто преобразуется в электроэнергию. Наличие электрического генератора и сравнительно небольшого аккумулятора позволяет снизить общую мощность установки ДВС, используя во время больших нагрузок электродвигатель. Автомобиль с такой силовой установкой массой до 2 т и совокупной мощностью до 250 л.с. будет потреблять 1,2 л бензина и 3 л воды на 100 км при движении по городу.

На третьем этапе работы над кузовом в мою задачу входит объединение отдельных поверхностей в топологические группы по принципу их изготовления или по формообразующему принципу. После чего в каждом таком наборе необходимо тщательно проработать условия сопряжения, особенно в углах, где сходятся несколько поверхностей.

Я не буду рассказывать об особенностях работы на этом этапе по причине того, что нам пришлось бы углубиться в теоретические основы числовых методов. Я оставлю данную тему для другой статьи.

Как видно из моего обзора, Solid Edge обладает внушительным потенциалом поверхностного моделирования, достаточным для решения большинства задач в машиностроении и проектировании товаров народного потребления. Лучшим доказательством тому являются работы наших заказчиков, таких как концерн Merloni. Образцы продукции данного предприятия можно найти практически в каждом российском доме.

Сегодня Solid Edge является лидирующим пакетом проектирования среднего уровня, обладает полным набором современных средств проектирования, а также рядом уникальных технологий.

Уважающий себя пользователь не доверяет рекламным заявлениям — он проверяет их и делает выводы о реальных достоинствах продуктов. Продукты компании UGS отвечают запросам самых требовательных пользователей, их ежедневно применяют в своей работе тысячи лучших инженеров во всем мире.

САПР и графика 11`2006