10 - 2003

3D-дизайн и гибридное параметрическое моделирование

Артем Аведьян

Проектирование и дизайн: «один плюс один» или «два в одном»?

SolidWorks — единое решение для конструктора и дизайнера

От формы к конструкции

От конструкции к форме

Гибридное параметрическое моделирование

Обмен данными

3D-рендеринг

Заключение

Этой статьей мы продолжаем серию публикаций компании SolidWorks-Russia, посвященных техническим аспектам применения САПР SolidWorks для автоматизации различных этапов жизненного цикла изделий, в частности на стадии концептуального проектирования. Тема этой статьи выбрана нами не случайно, так как создание любого геометрического объекта — это в первую очередь работа над формой, которая должна быть функциональной, выразительной и гармоничной. В данной публикации мы рассмотрим компьютерный дизайн как работу над внешним видом изделия, а также целый ряд задач, вытекающих из этого и связанных в первую очередь с использованием новейших компьютерных технологий.

Проектирование и дизайн: «один плюс один» или «два в одном»?

Вторая половина XX века ознаменовалась настоящей революцией в дизайне, которая оставила яркий след в автомобилестроении, авиации и, конечно же, в производстве товаров народного потребления. Неотъемлемой атрибутикой и основными рабочими инструментами дизайнера в то время были карандаш, бумага, пластилин и другие материалы, позволявшие быстро и наглядно представлять дизайнерские замыслы. Эти средства успешно использовались и в процессе последующей конструкторской проработки изделий (калька, кульман и неизменные карандаш с ластиком) и применялись при построении инженерных чертежей, которые, в свою очередь, ложились в основу подготовки производственного процесса. Единообразие рабочих инструментов конструктора и дизайнера позволяло применять дизайн-эскизы для первичных чертежных построений и, таким образом, отталкиваться от концептуальных идей при проектировании конструкции будущего изделия.

Ситуация изменилась в 80-е годы, когда начали появляться первые средства автоматизированного построения чертежей и графические пакеты для дизайнеров. Бурное развитие персональных компьютеров в 90-х годах обусловило дальнейший рост систем компьютерного проектирования, причем основным направлением стала разработка программ, нацеленных исключительно на трехмерное геометрическое моделирование, и эта тенденция сохраняется до сих пор. Таким образом, менее чем за два десятилетия кардинальным образом поменялся инструментарий как конструктора, так и дизайнера.

Однако, несмотря на очевидный прогресс в развитии современных компьютерных технологий, многообразие предлагаемых программных решений и имеющиеся в каждом из пакетов функциональные ограничения (обусловленные спецификой их предметной области) требуют от конечного пользователя серьезного внимания при выборе той или иной системы. И конструктор, и дизайнер пересели за компьютер, но в большинстве случаев применяют разные программы для реализации своих идей. Особенно ярко этот антагонизм проявляется в таких вопросах, как использование накопленного опыта и предыдущих наработок (в том числе и на бумажных носителях), трансляция данных из специализированных пакетов 3D-дизайна в CAD-системы и пр.

Какое же решение окажется более эффективным? Что позволит сэкономить время и сократить трудозатраты в вопросах взаимодействия конструктора и дизайнера: улучшение форматов обмена данными или единая среда 3D-моделирования? Оба варианта имеют свои плюсы, однако давайте посмотрим, что предлагает конструкторам и дизайнерам SolidWorks…

В начало В начало

SolidWorks — единое решение для конструктора и дизайнера

Только с появлением современных средств трехмерного параметрического моделирования типа SolidWorks возникли необходимые предпосылки для построения единой интегрированной системы, в которой могли бы полноценно работать и конструктор, и дизайнер. Этот всемирно известный бренд предоставляет полноценные возможности гибридного параметрического моделирования, которые в сочетании с удобным пользовательским интерфейсом делают работу в системе простым и приятным занятием. В SolidWorks одинаково удачно реализованы инструменты как для конструктора, так и для дизайнера. Объемные построения можно выполнять самыми разными способами, сочетая твердотельное и поверхностное моделирование, указывая точные размеры или изменяя форму объектов на глаз (рис. 1).

Используя SolidWorks, конструктор и дизайнер не тратят время на поиск каких-то сложных системных команд, а могут сосредоточиться непосредственно на решаемой задаче и благодаря этому работают более эффективно. И самое главное — конструктор может использовать модель, созданную дизайнером, для проектирования изделия, причем с сохранением ассоциативной связи, обеспечивающей обновление каждой из моделей при внесении изменений в конструкцию. Рассмотрим более подробно различные варианты совместной работы дизайнера и конструктора в SolidWorks.

В начало В начало

От формы к конструкции

Каждый дизайнер придерживается своих собственных правил и традиций: представители нового поколения предпочитают сразу воплощать свои замыслы в виде двумерных или трехмерных электронных моделей, дизайнеры со стажем предварительно набрасывают эскиз на бумаге. Однако и тем и другим нужно донести необходимую информацию до конструктора, чтобы можно было перейти от концептуального дизайна к детальному проекту, и в этом процессе дизайнерам, безусловно, поможет SolidWorks.

Рассмотрим классический случай: дизайн-эскиз (рис. 2) нарисован на бумаге и отсканирован (получено растровое изображение).

SolidWorks позволяет использовать растровые изображения в качестве фона графического окна либо в двумерных эскизах, произвольно сориентированных в пространстве. Поддерживаются форматы *.bmp, *.gif, *.jpg, *.tif, *.wmf. Картинку можно свободно перемещать в плоскости эскиза, указывая смещение по осям X и Y, поворачивать относительно начала координат, масштабировать равномерно или с искажением пропорций, отражать относительно горизонтали или вертикали (рис. 3).

Отсканированные изображения нужно последовательно поместить в эскизы, расположенные соответственно во фронтальной, горизонтальной и вертикальной плоскостях, после чего должным образом спозиционировать относительно базовой системы координат и отмасштабировать друг относительно друга (рис. 4а). Теперь можно приступить к построению 3D-модели, для чего предварительно потребуется создать несколько вспомогательных эскизов, причем в процессе построения отдельных линий следует рисовать их в соответствии с растровым изображением. После этого достаточно применить одну из кинематических операций (например, тело по сечениям или сечение вдоль образующей с несколькими направляющими кривыми), и заготовка для внешней формы будущего изделия готова (рис. 4б).

Доработав полученную заготовку с помощью дополнительных 3D-операций (деформирование, скругление, сглаживание и т.п.) и расчленив ее на отдельные детали, можно приступать к конструктивной проработке отдельных деталей и узлов и собирать из них сборку. В итоге будет получено конечное изделие, ассоциативно связанное с дизайнерской 3D-заготовкой, которая, в свою очередь, создавалась по нарисованным вручную эскизам (рис. 4в, г). Для полноты картины можно присвоить каждой из деталей свой материал (текстуру), выбрав его из встроенной в SolidWorks библиотеки материалов, либо воспользоваться профессиональным средством 3D-рендеринга — PhotoWorks (читайте о нем подробнее в последнем разделе этой статьи) и получить фотореалистичное изображение изделия (рис. 5). Таким образом, изделие полностью спроектировано при тесном взаимодействии дизайнера и конструктора.

В начало В начало

От конструкции к форме

При проектировании большинства потребительских товаров наряду с уникальными деталями применяются покупные изделия или стандартизованные узлы, характеристики которых (в том числе и габаритные размеры) четко регламентированы и должны быть обязательно учтены при разработке корпусных деталей. Кроме того, в большинстве случаев внешние формы изделия должны соответствовать электромеханической начинке. В связи с этим, прежде чем приступать к созданию лицевых поверхностей изделия, дизайнеру необходимо учесть форму и размеры внутренних деталей и механизмов и гармонично описать вокруг них внешнюю форму. Здесь уже придется отойти от бумажной или безбумажной, но двумерной технологии и начать работу в контексте трехмерной сборки SolidWorks, основу которой будут составлять детали и стандартизованные узлы (рис. 6а, б).

Получив от конструктора модель «внутренностей» изделия и требования по обеспечению необходимых зазоров, дизайнер может приступить к прорисовке наружных обводов в контексте сборки. Для этого ему потребуется создать новую деталь и нарисовать в ней трехмерную заготовку. Заготовка может состоять из твердых тел, поверхностей трехмерных кривых и т.п. Самое главное, что все формообразующие объекты ассоциативно связаны в единую модель и ими можно управлять, изменяя параметры (размеры) отдельных геометрических примитивов.

После соответствующей проработки и поиска нужной формы заготовка передается конструктору, который проводит ее технологическое членение для обеспечения собираемости будущего изделия (рис. 6в). Таким образом, деталь-заготовка ложится в основу трехмерной сборки, состоящей из совокупности корпусных деталей и обеспечивающей их правильную стыковку друг с другом. Полученные модели передаются конструктору пресс-форм, который проектирует необходимую оснастку. Формообразующие модели оснастки, в свою очередь, виртуально обрабатываются в CAM-модуле, и полученная на выходе управляющая программа отправляется на станок с ЧПУ для изготовления в металле. Таким образом, обеспечивается сквозная автоматизация всей цепочки «дизайнер—конструктор—технолог—производство», что существенно сокращает сроки выхода нового изделия на рынок.

В начало В начало

Гибридное параметрическое моделирование

Как уже отмечалось, работая в SolidWorks, дизайнер может пользоваться инструментами твердотельного и поверхностного, или, другими словами, гибридного параметрического моделирования. Выбор тех или иных способов построения целиком и полностью зависит от пользователя; высокая функциональность системы позволяет одну и ту же геометрию получить разными методами, что повышает комфортность работы и делает SolidWorks гибким средством 3D-моделирования (рис. 7).

Поскольку с основами твердотельного моделирования в SolidWorks знакомы многие, рассмотрим более подробно работу с поверхностями и их взаимодействие с твердотельной геометрией. Базовыми средствами SolidWorks можно создавать следующие типы поверхностей:

плоская поверхность — получается заполнением плоского контура (2D-эскиз или набор замкнутых кромок, лежащих в одной плоскости);

поверхность вытяжки — получается плоскопараллельным вытягиванием замкнутого или разомкнутого 2D/3D-эскиза в направлении, перпендикулярном плоскости эскиза, или под произвольным углом;

поверхность вращения — получается вращением произвольного профиля (2D-эскиз) относительно оси;

поверхность по траектории — получается движением 2D/3D-эскиза вдоль криволинейной образующей (2D/3D-эскиз, 3D-кривая) и произвольного числа направляющих кривых (2D/3D-эскиз, 3D-кривая), деформирующих исходный контур;

поверхность по сечениям — аналог кинематической поверхности, отличающийся тем, что строится не по одному, а по нескольким поперечным сечениям с направляющими кривыми;

эквидистантная поверхность — получается смещением на определенное расстояние от существующих граней или поверхностей;

срединная поверхность — создается на середине толщины тонкостенной детали;

импортированная поверхность — получается импортированием из внешнего файла в формате IGES и т.п.

Все перечисленные типы поверхностей, кроме импортированных, являются параметрическими и могут быть отредактированы путем изменения размеров. Помимо этого с поверхностями можно выполнять такие операции, как удлинение, обрезка, сшивка, сопряжение (скругление), зашивка отверстий, перемещение, копирование, удаление и т.п. Поверхности SolidWorks отлично работают в сочетании с твердотельными элементами, поэтому их можно использовать для того, чтобы:

• вытянуть твердотельный элемент или вырез с граничным условием «До поверхности» или «На расстоянии от поверхности»;

• создать твердотельный элемент путем придания поверхности толщины;

• заполнить замкнутый объем и получить твердое тело;

• выбрать кромки и вершины поверхности, чтобы использовать их в качестве направляющей твердотельного элемента по кривой и по траектории;

• заменить грань поверхностью и т.п.

Таким образом, базовыми средствами SolidWorks можно построить геометрическую модель практически любой формы. Если же стандартной функциональности недостаточно, можно использовать ряд специализированных модулей, таких как GeometryWorks, ShapeWorks, SurfaceWorks и т.п., предоставляющих пользователю мощные инструменты для создания и редактирования сложных поверхностей. Специальные модули находят применение в самых различных областях: автомобильной и аэрокосмической промышленности, кораблестроении, проектировании технологической оснастки и др.

В начало В начало

Обмен данными

Если дизайнер все же предпочитает работать в специализированном программном обеспечении, то возможен вариант «один плюс один», когда геометрическая модель передается в SolidWorks через интерфейс импорта/экспорта.

Большинство специализированных программ 3D-рендеринга не позволяют экспортировать данные в форматах CAD-систем, поскольку используют каркасное («сеточное») представление геометрии. Однако для SolidWorks это не проблема, поскольку он может экспортировать и импортировать объемные модели в «сеточных» форматах STL и WRML различных версий с сохранением встроенных текстур. При импортировании сеток STL или WRML в SolidWorks геометрия может быть загружена в трех различных режимах:

• как графический объект (для просмотра, без возможности редактирования);

• как поверхность;

• как твердое тело.

Особый интерес представляют два последних варианта, поскольку они дают возможность выполнять новые построения на импортированной геометрии. Геометрическая модель может быть загружена не только в качестве нового документа SolidWorks, но и в активную деталь при помощи команды «Вставить импортированный объект». Импортированный объект может быть использован для выполнения операции обрезки или удлинения исходной геометрии детали, после чего его можно заменить на другой и геометрия детали автоматически обновится в соответствии с новыми геометрическими условиями.

В начало В начало

3D-рендеринг

Не секрет, что от того, насколько красиво и качественно представлен новый продукт в рекламных материалах, зависит мнение потенциального покупателя. Как говорится, первое впечатление всегда правильное. Поэтому ни один дизайнер не останется равнодушным к программе, использующей технологию RealView для отрисовки графического окна с аппаратной поддержкой программируемых профессиональных графических карт. К примеру, видеокарты NVIDIA Quadro FX моделей 1000/2000/Go700 и др. оснащены полностью программируемыми графическими конвейерами, которые позволят моделировать в SolidWorks 2004 свойства реальных материалов, например пластиков или металлов. Эта функциональность заложена как в базовую конфигурацию SolidWorks, так и в специальный модуль — PhotoWorks, который обеспечивает высочайшую реалистичность 3D-изображения и выполнение в реальном времени сложных интерактивных спецэффектов.

PhotoWorks является именно той программой, которая дает возможность оценить внешний вид изделия еще на этапе проектирования, а также выпустить комплект рекламных буклетов и интерактивных руководств, показывающих потребительские качества будущего продукта. А это, в свою очередь, позволяет сократить время выхода новой продукции на рынок, что особенно актуально в современных условиях. Проектировщики и дизайнеры могут использовать PhotoWorks для получения изображений фотографического качества, показывающих изделие в том виде и в той обстановке, в которых оно будет реально эксплуатироваться (рис. 8).

Наряду со стандартной функциональностью, известной многим по другим рендеринг-пакетам, PhotoWorks содержит целый ряд концептуально важных отличительных особенностей, делающих его профессиональным инструментом:

отраженный свет — программные алгоритмы PhotoWorks позволяют аккуратно рассчитывать распространение отраженных лучей света с учетом геометрических особенностей 3D-объектов и свойств материала, из которого они изготовлены. К примеру, в случае когда свет падает на гладкую полированную поверхность капота автомобиля, он будет отражаться не только линейно, согласно правилам геометрической оптики, но и по сферическому закону, то есть в разные стороны от точки падения исходного луча. Таким образом, количество, интенсивность и направленность отраженных лучей будут соответствовать реальным отражающим свойствам материалов с учетом микронеровностей и шероховатости. Благодаря этому те области изображения, которые при использовании устаревших алгоритмов как бы оставались в тени, в PhotoWorks будут освещены в точности так же, как в реальной жизни;

контурный рендеринг — эта возможность предназначена для тех случаев, когда необходимо получить фотореалистичное изображение крупной сборки в разрезе или со скрытием компонентов, мешающих отобразить интересующие детали и узлы. Например, если требуется изобразить работу цилиндров двигателя, необходимо скрыть элементы корпуса двигателя, заслоняющие собой рабочую зону. В этом случае PhotoWorks скроет все необходимые компоненты сборки, оставив лишь их контуры;

окружающее пространство — с помощью PhotoWorks можно использовать самые разные декорации для повышения реалистичности окружающей обстановки. Например, можно поместить тостер на кухню (рис. 8), установить оборудование в производственном помещении и т.п.;

быстрый и качественный рендеринг в режиме реального времени — новейшие технологии, реализованные в PhotoWorks, ставят SolidWorks в один ряд с лидирующими программами 3D-рендеринга и анимации, такими как Maya, Alias Wavefront, Discreet и Softimage;

передовые технологии программирования — в настоящий момент SolidWorks является единственной САПР в мире, при разработке которой использован высокоуровневый язык программирования графических объектов Cg (язык С для графики). Он позволяет создавать кинематографический контент, облегчая разработку фотореалистичных эффектов реального времени, благодаря чему новое графическое ядро SolidWorks обеспечивает существенный рост производительности при отрисовке шейдированных (текстурированных) 3D-объектов по сравнению с большинством имеющихся аналогов.

Таким образом, используя PhotoWorks, дизайнер в кратчайшие сроки может создавать трехмерные графические образы, варьировать текстуры, освещение, декорации и т.п., благодаря чему качество дизайнерской проработки будет отвечать самым высоким требованиям.

В начало В начало

Заключение

Использование новейших компьютерных технологий в 3D-дизайне позволяет существенно сократить сроки выхода на рынок новой продукции, что гарантирует победу в конкурентной борьбе. SolidWorks предоставляет пользователям гибкие и удобные средства графической реализации проектов. Благодаря таким качествам, как ассоциативность и параметризация, существенно упрощается взаимодействие дизайнера и конструктора, которые теперь могут работать в рамках единого информационного пространства, полностью контролировать процесс создания изделия и достигать намеченных целей в кратчайшие сроки.

В начало В начало

«САПР и графика» 10'2003

Популярные статьи

BIMbox — комплексное внедрение BIM на платформе Autodesk Revit

Автор рассказывает о новом продукте, предоставляемом компанией CSD на рынке САПР в области внедрения технологий информационного моделирования, — BIMbox

Репортаж с конференции «Год в Инфраструктуре 2017»

В октябре состоялась ежегодная конференция, организованная компанией Bentley Systems, — «Год в Инфраструктуре 2017». В этот раз организаторы впервые провели конференцию в Азии, а именно в Сингапуре. Местом проведения был выбран конференц­центр Sands Expo и выставочный центр первоклассного отеля Marina Bay Sands

В новейшей версии системы NX от Siemens представлены средства междисциплинарной разработки изделий, реализованные на единой платформе

В новой версии системы NX реализовано новое поколение решений для конструкторско-технологической подготовки производства и численного моделирования, достигнуто полное объединение процессов проектирования электрических и механических узлов, а также систем управления на основе тесной интеграции с системами Mentor Graphics, Capital Harness и Xpedition