Автоматизация технологической подготовки производства в машиностроении (стр. 3 из 5)

Конструктор может наглядно видеть результат своей работы уже в процессе проектирования;

Виды чертежа формируются на основании модели автоматически и поэтому исключаются ситуации, когда информация в одном виде не соответствует другому;

При проектировании сборочных единиц имеется возможность проверять собираемость и выявлять ошибки на уровне моделей.

Создаваемая конструктором геометрическая модель хранится в памяти компьютера как некоторое математическое описание и отображается на экране в виде пространственного объекта. Объект может отображаться в различном представлении: каркасном, с удалением невидимых линий, полупрозрачном и полутоновом (рис. 4).

а)б)в)

Рис. 4. Виды представления объекта: а) каркасное; б) с удалением невидимых линий; в) полутоновое

Различают поверхностное (каркасно-поверхностное), твердотельное и гибридное моделирование.

При поверхностном моделировании сначала строится каркас - пространственная конструкция, состоящая из отрезков прямых, дуг окружностей и сплайнов. Каркас играет вспомогательную роль и служит основой для последующего построения поверхностей, которые "натягиваются" на элементы каркаса.

В зависимости от способа построения, различают следующие виды поверхностей: линейчатые; вращения; кинематические; гантельного сопряжения; проходящие через продольные и поперечные сечения; поверхности для “затягивания окон" между тремя и более смежными поверхностями; NURBS-поверхности, определяемые заданием контрольных точек продольных и поперечных сечений; планарные поверхности.

Хотя поверхности и определяют границы тела, но самого понятия "тело” в режиме поверхностного моделирования не существует, даже если поверхности ограничивают замкнутый объем. Это наиболее важное отличие поверхностного моделирования от твердотельного.

Другая особенность состоит в том, что элементы каркасно-поверхностной модели никак не связаны друг с другом. Изменение одного из элементов не влечет за собой автоматического изменения других. Это дает большую свободу при моделировании, но одновременно значительно усложняет работу с моделью.

Твердотельное моделирование имеет в своей основе идеологию, которая существенно отличается от идеологии каркасно-поверхностного моделирования. Твердотельная модель представляет собой целостный объект, занимающий замкнутую часть пространства. Всегда можно точно сказать, находится ли точка внутри твердого тела, на его поверхности или вне тела. При изменении в модели любого элемента будут изменяться все другие элементы, которые связаны с ним. В результате изменится форма твердого тела, но сохранится его целостность.

Элементами, из которых строится твердое тело, могут быть: элементы вытягивания (полученные вытягиванием плоского контура перпендикулярно его плоскости); элементы вращения (полученные вращением плоского контура вокруг заданной оси); фаски; скругления; оболочки; ребра жесткости и др.. Твердотельный объект строится путем последовательного “добавления" или "вычитания" элементов. Так, если к уже имеющейся твердотельной модели “добавить" элемент вытягивания, то этот элемент образует на модели выступ, а при “вычитании" элемента на модели образуется углубление. Если при построениях доступны одновременно несколько твердотельных объектов, то над любыми двумя твердотельными объектами, пересекающимися в пространстве, можно выполнять булевы операции объединения, вычитания и пересечения.

Твердотельное моделирование предполагает возможность установки параметрических зависимостей между элементами твердого тела или нескольких тел. При этом изменение одного из параметров (например, длины элемента) приводит к соответствующей перестройке всех параметрически связанных элементов. Такое моделирование, называемое параметрическим, дает конструктору дополнительные удобства. Так, можно установить параметрические зависимости между элементами твердотельной сборки и, тем самым, автоматизировать контроль собираемости изделия.

При гибридном моделировании обеспечивается возможность одновременной работы с твердотельными объектами и с поверхностями. При этом можно “отрезать” поверхностью часть твердого тела, превращать замкнутый поверхностями объем в твердое тело и т. п. Гибридное моделирование позволяет сочетать все удобства твердотельного моделирования с возможностью построения объектов сколь угодно сложной геометрической формы.

В различных CAD/CAM-системах могут быть реализованы как некоторые из перечисленных типов моделирования, так и все из них.

Созданные модели могут передаваться из одной CAD/CAM-системы в другую через специальные интерфейсы - согласованные форматы данных для обмена информацией.

Существует ряд так называемых стандартных интерфейсов. Они имеют формат символьных (ASCII) файлов, где описание геометрических и других характеристик модели выполняется в соответствии с принятым стандартом. На практике каждый формат имеет свои приоритетные области применения. Так, стандартный формат DXF используется в основном для передачи чертежно-графической информации; формат IGES - для передачи геометрии поверхностных моделей; формат STL - для передачи модели, аппроксимированной плоскими элементами, из CAD-системы в САМ-систему, САЕ-систему или в установку для быстрого прототипирования изделий.

В последнее время все более важное значение приобретает стандартный формат STEP, в котором, наряду с описанием геометрии модели, предусматривается описание других характеристик изделия. Существуют различные протоколы стандарта STEP, определяющие полноту состава передаваемой информации об изделии.

В ряде случаев CAD/CAM-системы могут “понимать” внутренние форматы друг друга, используемые для представления моделей. В этом случае говорят о наличии прямых интерфейсов между системами.

Одним из практических примеров использования интерфейсов является передача конструкторским бюро информации о спроектированном изделии (в электронном виде) на завод-изготовитель, в случае, когда конструкторское бюро и завод применяют в своей работе разные CAD/CAM-системы.

Сегодня в мире предлагается большое число различных CAD-, САМ-и CAD/CAM-систем, отличающихся по функциональной мощности, области применения, степени сложности освоения системы пользователем, стоимости. Из наиболее распространенных в мире CAD-, САМ- и CAD/CAM-систем, в России хорошо известны Catia, Unigraphics, Pro/Engineer, Cimatron, PowerShape/PowerMill, SolidWorks, AutoCAD. Значительных успехов достигли также отечественные разработки -системы Компас, T-Flex, Спрут и др.

Термин САЕ (ComputerAidedEngineering) можно перевести как "компьютеризация инженерных исследований" или "компьютеризация инженерного анализа". Инженерные исследования являются неотъемлемой частью процесса конструкторского проектирования, если пониматьпроектирование в широком смысле этого слова. Однако, в отличие от CAD-систем, решающих геометрические задачи, САЕ-системы моделируют физические процессы поведения проектируемого объекта -например, поведение изделия при различных механических нагрузках, ударах, различных температурных режимах и др. В результате исследований оптимизируются соответствующие прочностные или тепловые характеристики, повышается ресурс и долговечность объекта.

Исследоваться могут не только проектируемые изделия или детали, но и проектируемые технологические процессы - например, процесс горячей штамповки, гибки, прокатки или литья. Оптимизация параметров технологического процесса приводит к улучшению качества и повышению долговечности изготавливаемого изделия, уменьшению его материалоемкости. Кроме того, при исследовании технологического процесса вырабатываются рекомендации, способствующие улучшению характеристик соответствующей оснастки.

На рис. 5 приведена общая схема совместного использования CAD- и САЕ-систем применительно к задаче проектирования средств технологического оснащения. Разрабатываемые в CAD-системе конструкторские решения подвергаются исследованиям с помощью САЕ-системы. По результатам исследований выполняются соответствующие изменения конструкции или параметров проектируемой оснастки. При

необходимости выполняются повторные исследования и т. д., до получения оптимального (или просто приемлемого) результата.

Математической основой инженерных исследований являются методы нелинейного конечноэлементного анализа (FEA - FiniteElementAnalysis). FEA - это чрезвычайно мощное средство, которое дает инженеру возможность моделировать структурное поведение объекта, выполнять изменения и наблюдать результаты этих изменений.

Метод конечных элементов работает на основе расщепления геометрии объекта на большое число (тысячи или десятки тысяч) элементов (например, параллелепипедов). Эти элементы образуют ячейки сети с узлами в точках соединений. Поведение каждого малого элемента стандартной формы быстро рассчитывается на основе математических уравнений. Суммирование поведения отдельных элементов дает ожидаемое поведение объекта в целом. По существу, FEA является численным методом решения инженерных задач, таких как анализ напряжений, теплопередача, электромагнитные явления и течение жидкостей.

В зависимости от того, отвечает ли исследуемая модель требованию линейности, используется линейный или нелинейный конечноэлементный анализ. В отличие от линейного FEA, где решение достигается в одном шаге, нелинейный FEAпредставляет собой итерационную процедуру,которая может потребовать сотен и даже тысяч шагов. Существует три основных типа нелинейностей:

1.Материальные - пластичность, ползучесть, вязкость, упругость материала;