Прямой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim: применение для CAM, CAE и 3D-сканирования

Дмитрий Волкинд
Инженер технической поддержки по гидрогазодинамике и теплообмену, ГК «ПЛМ Урал»
Константин Кравченко
Инженер технической поддержки по CAM-системам, ГК «ПЛМ Урал»
Михаил Булатов
Инженер технической поддержки отдела КИМ, ГК «ПЛМ Урал»

Прямой моделировщик SpaceClaim на протяжении последних лет предлагался компанией ANSYS как удобное стороннее решение для подготовки геометрических моделей с учетом нужд численного моделирования. В 2014 году ANSYS приобрела SpaceClaim, и интеграция данного CAD­продукта в платформе Workbench стала еще более проработанной. Кроме того, он стал доступен без дополнительной платы в рамках лицензии Mechanical Enterprise. Тем не менее многие пользователи ANSYS, даже очень опытные, никогда не слышали о таком инструменте. В данной статье мы хотим обратить внимание читателей на некоторые его возможности, связанные как с численным моделированием, так и со смежными областями — CAM и 3D­сканированием. Для иллюстрации возможностей будут использованы примеры из инженерной практики различных отделов ГК «ПЛМ Урал».

В первую очередь необходимо отметить, что SpaceClaim позволяет не только эффективно подготавливать модели, созданные в сторонних CAD­пакетах, для численного моделирования или 3D­печати, но и создавать модели «с чистого листа». Для этого имеется весь необходимый функционал: модель может создаваться как с использованием твердотельных операций, так и по эскизам. Одной из своих основных целей разработчики ставили максимальное удобство использования продукта, в результате чего для вызова большого количества разнообразных функций используется минимум кнопок графического интерфейса. Например, команда Pull в зависимости от контекста ее применения позволяет выдавливать и поворачивать поверхности, менять радиусы закруглений, автоматически создавать поверхности из эскизов и производить множество других операций.

При работе с большими сборками весьма удобна функция рассечения модели (рис. 1). Она позволяет мгновенно рассечь модель координатной или любой произвольной плоскостью, которую при необходимости можно перемещать. При этом рассекаемые твердотельные области динамически заштриховываются разными цветами, а поверхности, находящиеся за плоскостью сечения, для удобства восприятия приобретают серый оттенок. Такой режим отображения позволяет наглядно визуализировать контакты между деталями сборки и при необходимости устранять зазоры и пересечения, например, приравнивая радиусы контактных поверхностей.

Рис. 1. Продольное сечение упрощенной тепловой модели электрической машины

Для пользователей CAE­систем незаменимы инструменты подготовки и исправления геометрии, которые позволяют автоматически выявить проблемные области и произвести исправления в ручном или автоматическом режиме. Для наглядности найденные по определенным критериям элементы подсвечиваются в графическом окне (рис. 2).

Рис. 2. Выявление сплайнов с избыточным количеством контрольных точек для сложной криволинейной геометрии (модель предоставлена АО «Авиадвигатель» для подготовки к расчету в рамках технической поддержки)

Твердотельное моделирование

Название SpaceClaim Direct Modeler подразумевает прямое моделирование. Рассмотрению его сильных и слабых сторон посвящено множество обзоров, поэтому в рамках данной статьи отметим лишь некоторые особенности реализации данного подхода в SpaceClaim.

Отсутствие дерева операций (на данный момент) в общем случае затрудняет параметризацию модели, хотя при необходимости любое действие можно автоматически записать в скрипт и параметризовать аргументы вызываемых в нем функций. С другой стороны, в отсутствие дерева обновление сложных моделей происходит значительно быстрее, и при необходимости оперативного редактирования отдельных геометрических элементов не требуется искать операции, в результате которых они были созданы.

Еще одним преимуществом прямого подхода является возможность свободного редактирования геометрии, импортированной в формате любой из ведущих CAD­систем. Необходимость в этом часто возникает при передаче геометрии в CAM­ или CAE­системы. Приведем пару характерных примеров.

Передача геометрии лопатки компрессора для расчета газодинамики проточной части в ANSYS CFX

В данном случае проблема заключается в том, что в исходной геометрии присутствуют сплайны высокого порядка с большим количеством контрольных точек. Они могут приводить к недопустимому искажению поверхностей в процессе трансляции либо затруднению построения сетки. Подобные проблемы часто встречаются в турбомашиностроении, где преобладают криволинейные поверхности сложной формы. Причем геометрия, отвечающая всем требованиям конструктора, может быть совершенно неприемлемой для расчетчика. При помощи инструментов SpaceClaim можно легко исправить неточно заданные ребра и сократить количество контрольных точек сплайна (рис. 3).

Рис. 3. Автоматическое сокращение количества контрольных точек на поверхности корытца лопатки

Для проверки соответствия исправленной геометрии ее исходному варианту существует особый инструмент, позволяющий визуализировать распределение отклонения по всем поверхностям (рис. 4). Осуществляя такие проверки периодически в процессе работы, можно контролировать отклонения подготавливаемой геометрии и при необходимости изменять степень упрощения.

Рис. 4. Визуализация отклонений модифицированной геометрии относительно исходной

Подготовка геометрии поверхности лопатки для передачи в CAM­систему

Для программирования обрабатывающих центров рассчитываются управляющие программы. Каждый кадр управляющей программы — это точка в пространстве с заданным направлением вектора оси режущего инструмента. Для расчета управляющих программ используются CAM­системы, в частности Autodesk PowerMill. CAM­система на основе 3D­модели выполняет расчет траектории движения режущего инструмента.

При обработке импеллеров (рис. 5) на обрабатывающих центрах одним из ключевых моментов является корректный расчет точек траектории для обеспечения плавности движения режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Требования по точности и шероховатости к импеллерам настолько жесткие, что любые резкие движения инструмента могут привести к браку всего изделия.

Рис. 5. Общий вид импеллера

Рис. 6. Расчет траектории инструмента в CAM-системе для обработки лопатки

Точки управляющей программы рассчитываются на основе 3D­модели (рис. 6). Очевидно, что точность и корректность 3D­модели влияют на точность и корректность расчета управляющей программы. Среди погрешностей 3D­модели для изделий типа импеллеров и лопаток наиболее распространенными являются разрывы между поверхностями, а также нарушение кривизны отдельной поверхности. Когда CAM­система «видит» разрыв между поверхностями, она старается компенсировать погрешность путем расчета дополнительных точек в месте разрыва. Если разрыв слишком большой, CAM­система будет вынуждена вовсе отвести инструмент от поверхности и перейти на безопасном расстоянии к следующей поверхности. Кривизна поверхности, в свою очередь, оказывает влияние на расчет направления вектора оси инструмента. Следовательно, резкое изменение кривизны поверхности найдет свое отражение при расчете направления вектора оси инструмента.

На примере отдельной лопатки (рис. 7) рассмотрим влияние корректности 3D­модели на расчет управляющей программы.

Рис. 7. Геометрическая модель отдельной лопатки импеллера

Результат расчета управляющей программы по модели, первоначально поступившей от конструктора, приведен на рис. 8а. На рисунке четко видны изломы траектории, вызванные обозначенными ранее погрешностями 3D­модели. Такие изломы сопровождаются увеличением плотности точек. Увеличение количества точек на единицу длины траектории нежелательно, поскольку есть вероятность, что станок просто не сможет плавно обработать переход от одной точки к другой в связи с тем, что рабочие органы станка массивны. Другими словами, в сегментах с изломами станок начнет дергаться, что может привести к браку изделия.

Соответствующая линия контакта между инструментом и обрабатываемой поверхностью будет иметь вид, приведенный на рис. 8б. Видно, что точка контакта имеет резкие перепады (заметно на входной кромке лопатки), что, в свою очередь, может привести к преждевременному износу инструмента и повышению шероховатости обрабатываемой поверхности.

Для решения данной проблемы средствами SpaceClaim были перестроены неточно заданные ребра и отредактированы сплайны, образующие поверхности спинки, корытца и входной кромки. По полученной твердотельной геометрии была автоматически построена подробная триангулированная модель, которая впоследствии была передана в CAM­систему в формате STL. Отклонение преобразованной модели от исходной не превышало заданного допуска.

Рис. 8. Результат расчета траектории по базовой 3D-модели (а) и соответствующие линии контакта (б)

Далее по исправленной модели были произведены расчеты управляющей программы. Результаты расчета приведены на рис. 9. Сравнивая рис. 8а и 9а, можно заметить, что изломы исчезли, траектория стала более гладкой, а значит станок сможет плавно отработать все переходы. Линия контакта также изменилась и стала на входной кромке лопатки более плавной.

Рис. 9. Результат расчета траектории по исправленной 3D-модели (а) и соответствующие линии контакта (б)

Работа с триангулированной геометрией

Помимо твердотельного моделирования SpaceClaim имеет в своем арсенале мощные инструменты работы с триангулированной геометрией. Это особенно актуально для обработки результатов 3D­сканирования и подготовки фасеточных моделей для 3D­печати. На рис. 10 приведен пример построения CAD­модели отсканированной детали средствами SpaceClaim.

Рис. 10. Получение CAD-модели отсканированного изделия

Рис. 11. Построение сплайна для описания поверхности отсканированной лопатки

Для деталей подобной формы особенно важно правильно извлечь плоские и цилиндрические поверхности, что представляет определенные трудности, поскольку при 3D­сканировании сложно получить резкие границы поверхностей на внутренних углах. При помощи SpaceClaim можно легко построить плоскость по выделенному набору фасеток или автоматически извлечь эскиз, произведя рассечение модели выбранной плоскостью. Для работы с поверхностями сложной формы существуют специализированные инструменты, в частности — функция автоматического построения сплайна (рис. 11). Также весьма удобна функция, позволяющая ориентировать плоскости отсканированной модели с координатными плоскостями, поскольку начало координат отсканированной модели соответствует точке установки измерительного устройства. В результате применения автоматических и ручных операций можно в короткие сроки получить CAD­модель сканируемого изделия и в дальнейшем использовать ее в производстве.

***

В статье мы рассмотрели только основные возможности и области применения ANSYS SpaceClaim. Если у вас остались вопросы, вы можете задать их, связавшись с нами по почте info@plm­ural.ru.
Кроме того, предлагаем вам ознакомиться с вебинаром о преимуществах ANSYS SpaceClaim Modeler для 3D­моделирования: https://youtu.be/ko5HRqpcEb0.

Найти дополнительные материалы о продуктах компании ANSYS можно на следующих ресурсах: www.cae­expert.ru — новостной сайт с полезной информацией о решениях ANSYS, примерами расчетов и расписанием бесплатных вебинаров; www.cae­club.ru — портал и форум для пользователей ANSYS. Информацию о CAM­системах и 3D­сканировании вы можете получить на официальном сайте компании www.plm­ural.ru.