Вариационное прямое моделирование в КОМПАС-3D V14

Владимир Панченко
Директор по продукту Приложения направления CAD/AEC, АСКОН

История развития технологии прямого моделирования,  причины и предпосылки ее появления в КОМПАС­3D

Моделирование в трехмерном пространстве сегодня уже в полной мере стало стандартом проектирования и объективной необходимостью. Для успешной интеграции в состав своей разрабатываемой конструкции узлов и деталей от других производителей современному конструктору уже недостаточно только взглянуть на двумерный эскиз. Для качественного выполнения своих функций его интересует объемная модель применяемой составной части. Успешная интеграция при совместном проектировании сторонней модели в 3D­пространство своей САПР совместно с собственными разработками обеспечит в дальнейшем быстрый и безошибочный процесс изготовления и сборки изделия. Многообразие различных САПР со своими собственными форматами файлов моделей деталей и моделей сборочных единиц такую интеграцию несколько затрудняет. По той же причине затруднено и успешное взаимодействие конструкторов двух предприятий, которые используют разные САПР и работают над созданием единого изделия.

С появлением нового КОМПАС­3D V14 с технологией вариационного прямого моделирования для конструкторов появляются новые инструменты для работы с импортированной геометрией — геометрией без истории построения. Эти инструменты позволяют практически мгновенно редактировать модели других САПР, изменяя размеры их элементов.

Что же такое вариационное моделирование? Каковы предпосылки его появления в КОМПАС­3D и перспективы его использования и развития?

В основу технологии вариационного прямого моделирования в КОМПАС­ 3D положена технология VDM (Variational Direct Modeling) от компании Bricsys NV. Суть ее заключается в наложении геометрических и размерных ограничений на 3D­объекты с последующим решением этих ограничений вариационными методами. Технология прямого моделирования новая не только для КОМПАС­3D и его пользователей, но и сравнительно молодая технология для всей отрасли САПР в целом.

Традиционно практически все САПР основываются на использовании технологий с историей построения — history­based design и  parametric feature­based modeling. Это и Pro/ENGINEER, CATIA, SolidWorks, Inventor, T­Flex CAD, а также многие другие, и, конечно же, КОМПАС­3D.

Несмотря на успешную реализацию такой технологии в различных САПР, около пяти лет назад начали появляться первые попытки использования новых технологий для моделирования. Одним из ярких примеров можно считать приложение SpaceClaim — систему так называемого прямого моделирования, созданную Майклом Пейном. При моделировании в этом приложении история построения абсолютно отсутствует. Следует отметить, что Майкл Пейн, работавший в PTC и участвовавший в разработке SolidWorks, имеет огромный опыт создания приложений, основанных на технологии с историей построения.

Однако любая технология имеет свои недостатки и определенные трудности в ее освоении и применении. Появление новых технологий, нацеленных на решение тех же задач, позволяет более явно выявить эти трудности и недостатки, а также подчеркнуть их. Противопоставляя две технологии моделирования, можно оценивать преимущества и недостатки каждой из них.

Что касается затруднений при моделировании с применением технологии с историей построения, можно отметить, что история построения является основным источником возникновения трудностей. Они появляются и явно ощущаются главным образом при необходимости отредактировать какую­либо сложную модель. Редактирование одной из операций, созданных в начале процесса моделирования, требует последовательного выполнения всех последующих операций и внесения изменений в перестроение целой цепочки в модели. Удаление же одной из формообразующих операций может привести к нежелательному удалению других элементов, находящихся в иерархической зависимости от удаляемой операции. При удалении одного из элементов дерева модели в КОМПАС­3D появляется диалог (рис. 1), который информирует о том, какие зависимые операции построения будут неизбежно автоматически удалены.

Системы на основе прямого моделирования, наоборот, позволяют работать непосредственно с тем элементом, который подлежит редактированию, то есть напрямую с геометрией, которую видит человек.

Рис.1. Диалог удаления операции в КОМПАС

Если искать существующие аналогии рассмотренных технологий в системах двумерного проектирования, то можно вспомнить противопоставление ранних версий КОМПАС­График и T­Flex CAD. Последний изначально работал на иерархической модели,  то есть в нем можно было создавать цепочку построений и получалось «ветвистое дерево». Удаление одного из элементов могло привести к удалению других элементов — целой «ветки дерева». А в КОМПАС­График все элементы — геометрические примитивы — были независимы. Можно было безболезненно удалять выделенную часть изображения, перемещать ее и добавлять новую геометрию.

В системах, основанных на использовании истории построения, конечно же, существуют инструменты и приемы, позволяющие бороться с нежелательными последствиями редактирования или удаления какой­то одной операции. Можно менять дерево модели, изменяя порядок построения путем перемещения определенных операций по дереву, если это позволяют иерархические связи (рис. 2).

Рис. 2. Пример перемещения операции Скругление:2 по дереву модели КОМПАС

Существуют также так называемые функции отката истории построения наверх, позволяющие вернуться к истокам моделирования и добавить новые элементы на начальных этапах процесса построения модели (рис. 3).

Рис. 3. Дерево модели КОМПАС в режиме отката

Операцию Разместить эскиз в КОМПАС­3D, которая позволяет изменить плоскость эскиза,  также можно отнести к инструментам для минимизации негативных последствий редактирования (рис. 4). Эта операция помогает переопределить иерархические связи между элементами построения в истории модели.

Рис. 4. Контекстное меню для изменения плоскости эскиза

Однако все эти действия представляют собой довольно непростой процесс, требующий понимания истории построения модели, определенных навыков работы в САПР, а также внимания, сосредоточенности и аккуратности. Ведь не только важно свести к минимуму нежелательное удаление объектов геометрии, но и необходимо прежде всего найти требуемый геометрический элемент в дереве построения, понять историю моделирования. Это представляет особую сложность в случае, если модель была создана задолго до необходимости ее изменить и отредактировать либо создана кем­то другим.

Именно на быстрое и простое изменение моделей без наложения дополнительных ограничений и были ориентированы первые и ныне существующие системы прямого моделирования. Так сказать, моделирование в режиме «нарисовал, не понравилось — стер». Очевидным недостатком подобных систем является полное отсутствие параметризации, что значительно сужает возможности моделирования. В качестве примеров можно привести упомянутые ранее SpaceClaim и SketchUp.

Первыми системами, объединяющими возможности параметрического моделирования со средствами прямого редактирования моделей, стали системы от Siemens PLM Software с так называемой синхронной технологией, которая была реализована в Solid Edge, а затем и в NX, а сегодня продолжает активно развиваться.

Кроме того, у компании LEDAS появилась своя технология параметризации трехмерных объектов, основанная на взаимодействии вариационного геометрического решателя LGS 3D от LEDAS с функциями любого геометрического ядра САПР. Эта технология позволяет работать с «чужой» геометрией путем наложения различных ограничений трехмерного пространства. С октября 2011 года все права интеллектуальной собственности на исходные коды  LGS 3D  принадлежат компании Bricsys NV.

Возвращаясь к описанной выше аналогии с 2D­проектированием, технологию прямого вариационного моделирования можно сравнить с добавлением параметризации в КОМПАС­График. Эта технология точно так же позволяет налагать геометрические и размерные ограничения на элементы и геометрические объекты, только уже трехмерного пространства. Таким образом, технология VDM — своеобразный параметризатор пространственных геометрических объектов.

Появление и развитие новой технологии моделирования в отрасли САПР, наличие работоспособной технологии VDM у LEDAS, а также, что немаловажно, выделение компанией АСКОН собственного геометрического ядра C3D в отдельный компонент позволили представить пользователям КОМПАС­3D новую технологию моделирования. Именно появление C3D сделало технически возможным сотрудничество АСКОН и  LEDAS в направлении добавления технологии прямого вариационного моделирования в КОМПАС­3D. Сначала она была доступна для ознакомления и работы как прикладная библиотека для пользователей КОМПАС­3D V13 SP2, а с выпуском новой версии V14 системы КОМПАС­3D технология вариационного прямого моделирования была включена в базовый функционал системы.

Особенности применения инструментов прямого моделирования в КОМПАС­3D

В КОМПАС­3D технология вариационного моделирования своих функций моделирования как таковых не имеет, она предназначена для редактирования и модифицирования уже готовой геометрии любого происхождения. Таким образом, ее применение в конструкторской работе для пользователей КОМПАС­3D позволяет повысить эффективность взаимодействия при решении одной общей задачи с конструкторами, работающими  в других САПР. Ведь очень часто при работе над совместным проектом в процессе разработки рассматриваются различные варианты крепления и совместного размещения различных узлов. Например, разработчик составного узла предлагает свои варианты габаритных и присоединительных размеров. А конструктор основного изделия для обеспечения оптимальной увязки составных частей в составе всей конструкции может предложить что­либо изменить: подвинуть, сдвинуть, уменьшить, увеличить, растянуть или даже переместить (рис. 5).

Рис. 5. Редактирование ступицы инструментами вариационного моделирования

Применение системы КОМПАС­3D с технологией вариационного прямого моделирования позволит сделать это быстро, без необходимости перестроения габаритной модели заново и построения дополнительных эскизов для пояснения сути вносимых изменений своему коллеге. Модифицированную модель под собственные потребности можно отправить обратно для дальнейшего согласования.

Даже если конструкторы работают в одной и той же системе на одном предприятии, у них всё равно разные подходы к моделированию, различный  уровень владения функционалом САПР. Например, если одному конструктору придется воспользоваться моделями другого, чтобы модифицировать их под свои задачи, ему будет очень непросто разобраться в незнакомой истории построения. С помощью технологии можно эффективно пользоваться функцией «деталь — заготовка» и успешно дорабатывать модель согласно своим размерным критериям уже инструментами прямого вариационного моделирования.

Также эта технология позволяет использовать собственные наработки, выполненные в другой САПР. Она дает возможность не просто сохранить результат моделирования в другом CAD­пакете, но и продолжать успешно дорабатывать и модифицировать его, внося новые исполнения и создавая прототипы на основе импортированной детали средствами прямого моделирования в КОМПАС­3D. 

Описанные случаи встречаются в работе если не у 100% конструкторов, то у 95 — точно.

Технология вариационного прямого моделирования в КОМПАC­3D будет особенно удобна для освоения тем пользователям, которые привыкли работать в 2D и эскизах именно в параметрическом режиме. Среди ее команд — команды наложения геометрических и размерных ограничений, а также команды выведения информации о наложенных на модель ограничениях. Однако если в 2D для полного контроля над эскизом необходимо полностью увязать между собой все геометрические примитивы с помощью различных ограничений, то технология вариационного моделирования содержит так называемые интеллектуальные автоограничения. Она не требует от пользователя на 100% определить модель, а пытается добавить некоторые ограничения самостоятельно, сохраняя намерения проектировщика. То есть эти ограничения позволяют сохранить имеющуюся конструктивную концепцию детали — design intent. Например, если в модели детали имеются две цилиндрические поверхности, расположенные на одной оси, то при изменении расстояния от какой­нибудь поверхности, условно принятой за базовую, до одного из этих отверстий второе переместится автоматически, и после редактирования они останутся соосными (рис. 6). Конфигурация изделия в этом случае не поменяется.

Рис. 6. Результат изменения расстояния до одного из отверстий, расположенных на одной оси

Технология вариационного прямого моделирования в КОМПАC­3D может также применяться и для комбинированного моделирования. Ведь зачастую недостаточно просто изменить размеры каких­нибудь элементов модели, а, наоборот, необходимо изменить ее конфигурацию, добавив или убрав какие­либо геометрические элементы. В этом случае после изменения размеров средствами прямого моделирования можно применить стандартные формообразующие операции системы КОМПАС­3D.

Технология вариационного моделирования, как отмечалось ранее, может работать с любой геометрией. Это могут быть родные модели КОМПАС­3D, модели КОМПАС­3D с удаленной историей построения, импортированные модели из распространенных поддерживаемых форматов: IGES; STEP; SAT (ACIS); X_T (Parasolid). Также это могут быть модели в форматах таких САПР, как CATIA V4, CATIA V5, Pro/ENGINEER, Unigraphics NX, Autodesk Inventor, загруженные в КОМПАС­3D с помощью набора трансляторов KompasVidia.

Как требование к моделям для работы с ними функциями вариационного прямого моделирования можно выделить то, что импортированная геометрия должна быть опознана, то есть  она должна быть прочитана и топологически целостна.

Следует отметить также ограничения по сложности модели. Насыщенную модель с большим числом граней технология вряд ли сможет редактировать, главным образом, из­за интеллектуального подхода добавления ограничений на основании конструктивной концепции модели. В настоящее время технология может работать только с элементарными поверхностями, которые называются аналитическими: плоскостью, цилиндром, конусом, сферой, тором. Технология VDM пока неприменима к сложным сплайновым поверхностям и рассматривает их как жесткие объекты (рис. 7).

Рис. 7. Пример импортированной геометрии с нарушенной топологией

Модели, к которым были применены инструменты редактирования технологии прямого вариационного моделирования, с точки зрения последующего использования результата ничем не отличаются от «родных» моделей системы КОМПАС­3D. Они точно так же могут быть переданы в чертежи, использованы в составе сборочной модели, экспортированы в другой поддерживаемый формат, переданы в приложение для прочностного расчета APM FEM или в какую­либо CAM­систему.

Некое смещение в сторону применения и популяризации технологий прямого моделирования состоялось. Доступная ранее пользователям SolidEdge и NX в виде синхронной технологии, технология прямого моделирования стала теперь доступна и пользователям КОМПАС­3D в форме технологии вариационного моделирования. Команды прямого моделирования доступны пользователям SolidWorks через команду Подвинуть грань, хотя в этом случае перестроение модели идет по «обычному сценарию» с записью изменений в дерево построения.

При популяризации применения технологии синхронного моделирования в Solid Edge и NX основной акцент делается на скорости внесения изменений в модель и скорости перестроения модели. Используя технологию вариационного моделирования, пользователи КОМПАС­3D также получают выигрыш в скорости редактирования моделей. Обе технологии базируются на функциях прямого моделирования, однако поддержка намерений в них реализована по­разному. В синхронной технологии при перемещении грани необходимо дополнительно задать геометрические ограничения, указав, например, параллельные и перпендикулярные грани, а инструменты вариационного моделирования стараются установить их самостоятельно. 

Новый КОМПАС­3D  V14 становится более «демократичным» и открытым к работе с моделями других САПР. КОМПАС­3D с технологией вариационного прямого моделирования делает своих пользователей более адаптивными к внешней среде, позволяя повысить эффективность их взаимодействия с пользователями других CAD­пакетов и получить максимально полезный результат от применения в своей деятельности моделей с импортированной геометрией.

САПР и графика 4`2013