7 - 2004

Использование геометрического редактора системы ГеММа-3D для построения твердотельных моделей

Григорий Иванец

В данной статье рассказывается, как при помощи собственных команд редактора системы геометрического моделирования и разработки управляющих программ ГеММа-3D можно построить твердотельные элементы деталей сложной формы. Рассмотрен конкретный опыт совместной работы систем ГеММа-3D и Mechanical Desktop 6.

Для обеспечения устойчивости движения почвообрабатывающих машин в качестве узлов крепления рабочих органов применяют конструкции с различными видами пружинных деталей. На рис. 1 показан вариант лапы для рыхления почвы, в которой кронштейн крепления выполнен в виде гнутого профиля из полосы квадратного сечения. Такой кронштейн условно можно разбить на три части: пружина с удлиненным расплющенным концом для крепления к раме, плоский кронштейн с концом для крепления исполнительных деталей рабочего органа и средняя переходная часть (белый элемент на рис. 2). Для выполнения динамического и статического инженерного анализа в пакете LS-DYNA требуется создание твердотельной модели для построения конечно-элементной сетки в пакете ANSIS. В лаборатории технического синтеза ОИПИ НАН Беларуси в качестве базового инструментального средства моделирования используется пакет Mechanical Desktop 6. Во-первых, в нем легко создавать параметрические сборки, во-вторых, в сельскохозяйственном машиностроении редко встречаются детали, которые нельзя было бы собрать из элементарных объемов типа «выдавливание», «натягивание» (строится по заданным поперечным сечениям), «сдвиг» (получается путем протягивания образующего контура вдоль направляющей кривой), «вращение». В то же время этот пакет ограничен в возможностях построения деталей со сложной пространственной геометрией. Поэтому на тракторостроительных предприятиях Беларуси получили распространение гораздо более мощные моделирующие системы: Unigraphics, SolidWorks и Pro/ENGINEER. Между тем существует много различных проектных коллективов, для которых приобретение лицензионных версий указанных пакетов является несбыточной мечтой из-за их довольно высокой рыночной стоимости. Пакет Mechanical Desktop 6 является в подобном случае наиболее доступным, и именно на его базе наша лаборатория строит свои работы.

Однако в пакете Mechanical Desktop 6 построить в рассматриваемом кронштейне среднюю часть с помощью стандартного элемента натягивания между двумя контурами квадратов нам не удалось. Полученный элемент не отвечал условию постоянности поперечного сечения (рис. 3), что, в принципе, мог бы обеспечить элемент «сдвиг», если бы была извест­на траектория направляющего контура. А для создания контуров средства построения каркасной и поверхностной геометрии в пакете Mechanical Desktop 6 (для этой цели предназначен давно известный пакет AutoSurf) являются не совсем удобными при работе именно с элементами типа «деталь», а не «твердое тело», как это было в пакете AutoCAD. Кроме того, в элементе «сдвиг» нельзя управлять положением конечного контура в конце пути. Поэтому, как показали эксперименты, добиться перехода образующего контура в плоское положение, перпендикулярное плоскости симметрии нижнего кронштейна крепления, при использовании элементов типа «сдвиг» очень сложно (рис. 4). А на сравнительно небольшой длине направляющего контура сделать это вообще невозможно, так как в этом случае, чтобы удовлетворить условиям касания граничных поверхностей, требуется небольшая деформация образующего контура.

Таким образом, среднюю часть кронштейна следует проектировать как элемент, ограниченный произвольными поверхностями. А для этого лучше всего иметь набор уже по­строенных поверхностей, полученный из какого-нибудь другого средства, обладающего расширенным набором инструментов для проектирования поверхностей (пример набора поверхностей показан на рис. 5).

В качестве такой системы для проведения вспомогательного моделирования было решено использовать бета-версию 9 системы ГеММа-3D, поскольку в это время по договоренности с разработчиками в лаборатории проводилось ее тестирование.

Интерфейс между двумя пакетами был обеспечен через формат IGES. Если же элемент «деталь» в пакете Mechanical Desktop 6 состоит из нескольких твердых тел, то есть в дереве построений имеются комбинированные элементы с использованием элементов, называемых форм-тело (русский перевод термина TOOLBODY), то перед экспортом нужно объединить все элементы с головной частью посредством команды «комбинирование». Хотя при этом физически части не могут быть объединены в одно целое ввиду их пространственного положения, но устанавливающиеся логические связи обеспечивают пересчет всех элементов в главную систему координат детали. Дело в том, что в модели при построении могут быть наложены так называемые пространственные зависимости для определения взаимного положения отдельных граней форм-тел, которые в ином случае будут утеряны. Второе условие — экспортировать деталь не как одно «твердое тело», а как совокупность обрезанных по­верх­ностей, из которых состоят оболочки всех элементов, вошедших в модель детали. В противном случае потеряются все форм-тела, физически не объ­единенные с головной частью. Импорт модели выполняется в настройках, аналогичных импорту формата IGES из пакета Pro/ENGINEER. После импорта в системе ГеММа-3D получаем исходную модель для проектирования искомых поверхностей.

Как видно из рис. 6, модель частей, которые нужно соединить, в системе ГеММа-3D представляется в виде совокупности поверхностей. Система позволяет построить не только UV-кривые, но и отдельно граничные кривые поверхностей. После построения граничных кривых на поверхностях, которые нужно соединить, применяется команда «Создать поверхность соединения» для крайних поверхностей будущего элемента соединения. При этом можно управлять степенью кривизны поверхности соединения в месте сопряжения с исходной поверхностью. Вторая поверхность была построена как эквидистантная поверхности соединения для обеспечения равномерности толщины будущего твердотельного элемента (рис. 7).

Аналогично строятся верхняя и нижняя поверхности элемента. Но, как показано на рис. 8, отдельно построенные поверхности не обеспечат создания переходного элемента как совокупности поверхностей без щелей. Для устранения этих зазоров в системе ГеММа-3D предоставлена опция «Удлинить поверхность». С ее помощью получаем набор четырех ограничивающих поверхностей (боковые, верхняя и нижняя). Результат показан на рис. 9.

Для окончательного принятия решения о пригодности полученных поверхностей рекомендуется обрезать поверхности линиями пересечения друг с другом и создать единую оболочку детали (рис. 10).

В комплекте элементов, передаваемых в Mechanical Desktop 6, в системе ГеММа-3D достраиваем линейчатые поверхности для образования торцов переходного тела, а также заменяем образовавшиеся после удлинения по­верх­ности Безье на близкие к ним линейчатые поверхности. Это объясняется тем, что в Mechanical Desktop 6 лучше применять поверхности, описываемые полиномами меньшей степени. Наиболее простыми из приемлемых с точки зрения прикладной задачи являются линейчатые. Также рекомендуется построить контур будущего основания твердого тела, которое в Mechanical Desktop 6 будет обрезано построенными в системе ГеММа-3D поверхностями. Для построения контуров на плоскости с учетом геометрии всей или части модели в системе ГеММа-3D имеется опция «Перенести элемент из 3D-редактора на плоскость». В этом случае производится проецирование набора параметрических UV-линий выбранной поверхности на заданную плоскость. Имея на плоскости проекции всех поверхностей модели, расположенных в зоне построения будущего твердого тела, можно построить наиболее простой и подходящий по форме четырехугольник, который и будет использован в качестве основания тела.

Для экспорта только части модели система ГеММа-3D располагает достаточными средствами фильтрации по типу элемента, цвету, а также по уровню, экранному и подэкранному режимам. На рис. 11 изображена модель детали в системе Mechanical Desktop 6 с импортированными элементами построения.

Окончательно спроектированная в пакете Mechanical Desktop 6 твердотельная модель кронштейна показана на рис. 12.

Григорий Иванец

Главный конструктор проекта, Объединенный институт проблем информатики (ОИПИ) НАН Беларуси (г.Минск)

«САПР и графика» 7'2004