Объемное моделирование конструкций в ADEM CAD/CAM

Часть I. Построение объемных тел

ADEM представляет собой интегрированную систему для конструкторско-технологической подготовки производства, одной из главных задач которой является объемное моделирование изделий — от простых деталей до сложных сборок. Этой проблеме и посвящена данная статья.

Часть I. Построение объемных тел

Уникальной особенностью системы ADEM является универсальность, то есть возможность применить ее в качестве как легкой системы, так и системы высокого уровня.

Обладая широким спектром свойств — от «чертилки» до сложного пространственного дизайна, — система может поддерживать процесс проектирования на протяжении всего жизненного цикла изделия. Интегрированность с технологическими модулями обеспечивает сквозной процесс конструкторско-технологической подготовки производства.

Сегодня все большее число конструкторов применяют в своей работе объемное моделирование. В некоторых областях техники без него просто не обойтись. Возьмем, к примеру, товары народного потребления. Дизайн всех этих чайников, фенов, телефонов и т.д. точно определить чертежом просто невозможно.

В отличие от чертежа объемная модель (как, впрочем, и плоская) является однозначным геометрическим представлением изделия. Возможная сегодня точность определения пространственных координат любой точки математической модели CAD/CAM/CAE-систем составляет 10^-6, а порой и 10^-9 мм.

Особая нагрузка приходится на модели обводообразующих деталей. Так, для создания объемной сборки фена требуется значительно меньше ресурсов, чем для проектирования внешних обводов его корпуса. Практика показывает, что в большинстве случаев без объемной сборки можно обойтись. А вот без объемной модели детали, по которой потом будут изготавливаться оснастка, штампы, пресс-формы, обойтись нельзя.

Объемное моделирование системы ADEM является естественным продолжением плоского конструирования. Тот факт, что пространственное проектирование базируется на хорошо развитой плоской системе, обеспечивает продукту несомненные преимущества. Моделирование и черчение — это единое пространство проектирования, где любые фрагменты эскиза, чертежа и пространственные объекты могут быть использованы для трехмерных построений.

Все плоские элементы (линии, окружности, дуги, кривые, контуры, тексты и т.п.) могут быть расположены не только в плоскости, но и в пространстве. Позиционирование объектов может производиться как при их построении, так и в любой другой момент.

Для удобства позиционирования используется так называемая рабочая плоскость, которую можно устанавливать различными способами в динамическом режиме. Среди способов установки рабочей плоскости — основные плоскости, по трем точкам, касательно грани, через центр грани и т.п.

ADEM поддерживает множество способов построения объемных тел. В основе каждого трехмерного объекта лежат плоские или объемные элементы (далее — профили). Рассмотрим несколько наиболее простых способов создания объемных тел.

Смещение (экструдия) — подъем группы профилей по заданному направлению. При этом композиционные (пересекающиеся) профили и профили с островами создают монолитные тела. Эта особенность экструдии в системе ADEM позволяет существенно сократить время моделирования.

Другой особенностью является возможность задания положительных и отрицательных литейных уклонов. При этом углы для внешних и внутренних контуров могут быть различными. Система автоматически определяет, из чего получается тело и где будет отверстие.

Согласно принятому правилу, если профили являются замкнутыми контурами, то образуется твердое тело, если нет — поверхностная модель.

В комплексном смещении, как и в других процедурах, могут принимать участие фрагменты объемных тел. Это могут быть группы ребер и поверхностей. Направление экструзии соответствует направлению оси Z текущей рабочей плоскости, которая может и не совпадать с плоскостью профиля.

Вращение — вращение группы профилей относительно заданной оси. Точно так же, как и экструдия, вращение работает с группой профилей, учитывая пересечения и острова. Пользователь может задать необходимый угол и получить замкнутые или незамкнутые тела вращения произвольного сечения.

Движение — движение группы профилей вдоль направляющей. Данная процедура также является комплексной. Направляющая может состоять из отдельных элементов.

Лифт — движение профилей по двум гладким направляющим с одновременным масштабированием. Операция предназначена для создания объектов типа «патрубков переменного сечения». Может применяться как разновидность процедуры слияния для конформных сечений. Очень часто применяется при проектировании посуды и емкостей для жидкостей.

Проволока и труба — схожие процедуры, предназначенные для создания цилиндрических и конических тел с прямолинейной и криволинейной осью. Труба имеет внутреннюю полость. Входные параметры: диаметр начала, диаметр конца, толщина стенки и направляющая (осевая линия). Направляющая линия может быть составной и негладкой.

Отверстие — разделка отверстий произвольной формы в одном или нескольких телах. Отверстия могут быть сквозными и глухими. В качестве параметров могут быть заданы глубина и угол конусности. Для сквозных отверстий положение профиля относительно тела не имеет значения. Для глухих отверстий глубина измеряется от плоскости профиля.

Добавление материала — создание приливов на теле. Имеются три метода — добавление движением профиля от тела, добавление движением профиля до тела и выдавливание части поверхности тела на заданную высоту, — которые позволяют эффективно создавать многопрофильные объекты, описывающие большой класс деталей.

Слияние — создание объектов, соединяющих тела. В зависимости от задаваемых аспектов напряженности слияние может принимать различные формы — от ломаного до плавного. Переход от одной грани к другой учитывает направление касательных соседних граней, что позволяет создавать гладкие поверхности. Один из методов — радиальное слияние цилиндрических объектов — обеспечивает сопряжение в виде гнутых труб и часто применяется для задач моделирования трубопроводов и траcc.

Построение по проекциям — создание тела по двум и трем проекциям. По главным проекциям может быть создан большой класс объемных объектов. Для этого проекции должны быть созданы по правилам начертательной геометрии и соответственно расположены на плоскости. В действительности же достаточно изображения основных контурных линий.

Чтобы построить объемное тело, необходимо указать проекции в следующей последовательности: главный вид, вид сверху и вид сбоку. Любой из данных видов может быть пропущен — на усмотрение конструктора.

Следует отметить, что данная процедура имеет высокую степень автоматизации и основана на устойчивых алгоритмах.

Функциональность поверхностного моделирования обеспечивают в первую очередь операции построения: по сечения, по сетке, по треугольнику и др. Для «вылечивания пустот» применяются процедуры зашивки отверстий и затягивания острых углов, а для расширения поверхностей предусмотрена функция продления.

На самом деле в системе ADEM нет разделения объектов на твердые тела и поверхности. Любые объемные объекты можно подвергать процедурам обрезки, разделения, скругления и другим, в том числе и логическим.

Для «разваливания» тел на отдельные грани применяется функция разборки. Для сборки можно применять сшивку поверхностей. Например, для создания твердого тела из поверхностей, полученных в формате IGES с потерей топологии, достаточно их сшить с заданной точностью.

Скругление — важнейшая функция для построения моделей, основное назначение которой заключается в радиальном сглаживании острых углов. Данная функциональность необходима в первую очередь для моделирования деталей. На объемных сборках применяется не так часто потому, что не несет в этом случае особой смысловой нагрузки. Построение скруглений является одной из самых сложных и необходимых в объемном моделировании задач. По тому, как она решена, определяют уровень системы моделирования.

Острые углы могут как идти вдоль ребра, по которому состыкованы поверхности, так и находиться в вершинах, где сходятся несколько ребер. Поэтому в системе ADEM реализовано универсальное сглаживание. Нередко требуется скругление переменным радиусом, для осуществления которого достаточно указать характерные точки на ребре (ребрах) и задать значения радиуса.

Для скругления переменным радиусом важным является закон, по которому происходит изменение значения между контрольными точками. Не вдаваясь в подробности, скажем лишь, что ADEM автоматически формирует законы изменения оптимальным образом.

Логические операции — построение объемных тел на базе других объемных объектов — одна из главных функций современного твердотельного моделирования, где основными процедурами являются объединение, дополнение и пересечение.

Объединение создает одно тело из нескольких. Дополнение, более известное в конструкторской среде как вычитание, создает одно или несколько тел. Управление дополнением построено на простом условии, согласно которому из первого указанного тела вычитаются все остальные указанные тела. Пересечение тел создает также один или несколько объектов, при этом находятся общие части первого указанного тела с остальными.

Логика выбора первого указанного тела в качестве объекта вычитания или пересечения удобна для пользователя и в значительной мере повышает производительность при создании моделей. В остальном функциональность логических операций мало чем отличается от функциональности других современных CAD-систем. Следует отметить, что в ADEM логические операции применимы к плоским фигурам, а также эффективно используются при черчении.

Основным геометрическим ядром объемного моделирования является пакет ACIS (Spatial Technology) — на сегодня один из лучших пакетов для CAD-систем. На базе ACIS написано довольно много программных продуктов, а формат SAT стал стандартом обмена данными. Благодаря этому ядру ADEM имеет прямой интерфейс с основной группой CAD-систем, например таких, как AutoCAD, CATIA, SolidWorks, IronCAD, CadKey и др.

Для обмена данными с группой продуктов Parametric Technology (ProE, ProDeskTop и др.) проработан обмен данными по форматам IGES и STEP. Эта работа была проведена фирмами совместно.

Второй аппарат геометрического моделирования — GRACH, — разработанный Omega Technologies, используется для расширения некоторых возможностей системы. Так, например, некоторые случаи скруглений основаны на двух ядрах ACIS и GRACH.

Мы рассмотрели лишь часть функциональности системы ADEM для построения объемных тел. Всего в ADEM функций, предназначенных для этого, более пятидесяти. Одни процедуры имеют высокую степень автоматизации, другие, наоборот, работают на низком уровне топологии, что позволяет применять различные подходы к моделированию.

Следует отметить, что переход от традиционного плоского черчения к созданию объемных моделей в ADEM не вызывает особых затруднений: поскольку способы управления едины для любой идеологии проектирования, конструктор не нуждается в дополнительной подготовке и переучивании, более того, он может назначать наиболее удобную для себя стратегию проектирования изделия.

«САПР и графика» 5'2001