1. Тернистый путь CAD
2. Исправление ошибок
3. Системы старшего класса
4. Большие сборки
5. Моделирование
6. Практические результаты
Литература

Системы автоматизированного проектирования занимают исключительное положение среди компьютерных приложений - это индустриальные технологии, непосредственно направленные в сферу самых важных областей материального производства. Сейчас можно с уверенностью сказать, что уровень развития и стратегический потенциал нации определяются не количеством лежащих под ногами запасов золота или нефти, а в гораздо большей степени тем, сколько она имеет рабочих мест компьютерного проектирования и сколько инженеров творчески владеют соответствующими методами. Уровень развития CAD непосредственно сказывается на благосостоянии каждого члена социума, в отличие, например, от степени развитости мультимедийных технологий, что тоже важно, но все же менее существенно. Нужно принять как непреложный факт, что сегодня уже невозможно без компьютерной автоматизации производить современную технику, ставшую чрезвычайно сложной и требующей исключительной точности при изготовлении.

Историю развития систем автоматизации можно достаточно условно разбить на три десятилетия. В 70-х годах были получены отдельные результаты, показавшие, что область проектирования в принципе поддается компьютеризации. В 80-х появились массовые системы и базовые программные продукты для них. 90-е годы можно охарактеризовать, как период зрелости, когда были осознаны многие реальные задачи практики, исправлены некоторые из допущенных ошибок, и CAD-системы наконец реально стали демонстрировать свою эффективность в высокотехнологичных производствах.

1. Тернистый путь CAD

Эволюция CAD оказалась процессом гораздо более медленным, чем ожидалось. Многие функции, о которых шла речь уже на начальном этапе, либо так и остались на бумаге, либо получили реальное воплощение лишь недавно. В самом начале 80-х, когда только-только появились настольные CAD-системы, энтузиасты верили, что единственные барьеры теперь - это их собственное воображение. Сравнивая с современным состоянием, можно сказать, что эти надежды были слишком оптимистичны. Ясно, что CAD как был, так и остался значительно более ограниченным, чем наше воображение.

Следует признать, что трудности развития CAD-систем во многом объективны. Прежде всего - это тяжелое приложение, успех которого зависит от наличия самой мощной и разнообразной компьютерной техники, программного обеспечения, правильной организации деятельности крупных коллективов, различных специалистов и их обученности. Многие методы моделирования и анализа, ставшие сейчас общим местом, в свое время потребовали выполнения большого объема научных исследований, которые активно проводились во всем мире. Необходимы были серьезные изменения в системе образования, и на сегодня практически все колледжи технического профиля в США имеют в своих учебных программах практикумы по основам автоматизированного проектирования, в частности на AutoCAD.

Долгое время CAD был "ужасным ребенком" в семье компьютерных приложений, предъявляя немыслимые требования к оборудованию. Для первых настольных систем требовались 20 Мбайт дисковой памяти, математический процессор, графическая карта и как можно больше (свыше 256 Кбайт!) оперативной памяти. Почти через 10 лет эти запросы кажутся смешными, особенно по сравнению с ресурсами для новых приложений - цифровым видео и дизайнерскими программами. По иронии судьбы, начальная конфигурация, способная работать под Windows, также может функционировать и с CAD.

Среди изменений последнего десятилетия следует отметить более отчетливое расслоение классов CAD-систем, которые, как оказалось, нужно применять только по назначению, например они не выгодны для рисования и дизайна - у них есть своя ниша и весьма узкая, их пользователи - это весьма ограниченный круг профессионалов. Отличительная черта CAD - точность не нужна для широкой публики. Стало понятно, что поскольку в промышленности имеются большие предприятия, средние и вообще индивидуалы, то и автоматизация для них должна быть разная.

Реальным рычагом расслоения стала стоимость CAD-систем. Можно вспомнить, что в первый период затраты на программы этого типа доходили до 150 тыс. долл. за рабочее место. С появлением настольных компьютеров (Apple, IBM PC) и новых программ для них цена опустилась до 5000 за рабочее место. Поставщики не могли смириться с уменьшением прибыли - расширяя функциональные возможности, они подняли цены на CAD существенно выше 1 млн. долл., в то время как стоимость компьютеров, способных поддерживать такие системы, упала с 4 до 2 тыс. долл. Однако на рынок повело наступление большое количество легких систем: IsiCAD стоимостью 2 тыс. долл., ставший первой CAD-системой для Windows, CadKey (495 долл.), VisualCADD (395 долл.), AutoCAD LT (459 долл.) и ряд других. Реальное давление оказали и программы рисования, в которых появились многие средства, характерные для систем автоматизации проектирования. Так, в CorelDraw появились понятие слоя, ассоциативные размеры и атрибуты. Дело было сделано - сегодня для пользователей CAD начального уровня очень многие поставщики производят легкие системы, имеющие урезанный набор функций.

В результате получилось три класса CAD-систем: начального уровня с ценой до 1000 долл., выполняемых на самых обычных ПК; среднего уровня (цена до 8 тыс. долл.), требующих ПК старшего класса со специальным графическим оборудованием или младших моделей рабочих станций; старшего уровня, которые обычно работают на рабочих станциях и графических серверах RISC/Unix/NT и Windows 95.

2. Исправление ошибок

Так уж сложилось, что почти все производители CAD создавали свои системы от начала до конца, включая управление памятью, драйверы устройств, интерфейс с пользователем, интерпретаторы для инструментальных языков. Результат сказывается до сих пор - ни один продукт не имеет до сих пор интерфейса полностью в стиле Windows, хотя все и стремятся приблизиться к этому. Строчный командный интерфейс сохранился и все еще остается необходимым - во многих случаях быстрее использовать именно его.

Между тем CAD-системы являются естественным полем приложения для более современного объектно-ориентированного пользовательского интерфейса, в котором сами объекты знают, какие операции к ним применимы, как операция должна выполняться для объекта данного типа и как ее результаты должны сказываться на окружении. Особенно эффектно это выглядит при моделировании с помощью типовых элементов - фичерсов. В последнее время этот вид интерфейса был реализован во многих системах, например в Euclid Quantum или Pro/Engineer.

Вообще говоря, оболочка Windows оказала наиболее важное влияние на CAD. Сама по себе медленная оболочка Windows - не слишком дружественная среда для CAD, но аппаратные средства для нее очень похожи на то, что требуется для CAD. Наличие миллионов компьютеров для Windows стимулировало разработку быстрых процессоров, больших мониторов, более емкой дисковой и оперативной памяти. В какой-то мере Windows облегчает прикладным программистам процесс создания пакетов CAD, освобождая их от забот о драйверах устройств и в определенной степени об интерфейсе с пользователем.

Одновременно увеличивается интеграция функций из CAD в базовые операционные системы, что естественным образом способствует стандартизации этих функций. Наиболее известный пример - планы включения OpenGL в Windows. Уже сейчас OpenGL - самый легкий и универсальный метод рендеринга объектов CAD, обладающий двумя неоспоримыми преимуществами: независимость от оборудования и устранение обработки дисплейных списков.

Весьма негативную роль играют недостатки в организации программного обеспечения CAD - ограниченная открытость для расширений, трудность настройки на национальные стандарты, плохая модульность. Давно известно, что любой пакет CAD прямо из коробки не слишком полезен для большей части пользователей. Поэтому существует рынок третьих производителей, которые выполняют вертикальную адаптацию для различных применений CAD-систем: архитектуры, инженерии, картографии, управления ресурсами, дизайна и т. д. Это всегда учитывалось основными производителями - в состав системы общего назначения включался инструментарий для создания и подключения приложений, а также для адаптации и расширения интерфейса с пользователем. Однако на практике все получалось не так хорошо, как хотелось бы. И этому были две причины. Во-первых, приложение приходилось создавать поверх всей базовой системы, хотя многие ее функции могли быть совершенно не нужны. Цена даже небольшой разработки в основном определялась высокой стоимостью базового пакета, что заставляло заказчиков по крайней мере хорошо подумать. Во-вторых, инструментальные средства изготовлялись производителем базовой системы самостоятельно, были нестандартными и не очень качественными.

За последнее десятилетие появились независимые продукты для разработки приложений CAD. Например, третьи разработчики получили доступ ко всем родным командам Cadvance для Windows через документированную DLL. Посредством новых функций, добавленных к среде разработки MicroStation, MDL-приложения могут обращаться к функциям Windows API. Пакет COD (CadKey Object Developer) через аппарат C++ может взаимодействовать с Windows. Отпала необходимость программировать поверх полномасштабного CAD-пакета, а можно выбрать те функции, которые нужны конкретному приложению, например доступ к файлам (DXF или DWG), вывод на дисплей, рисование, интерфейс с БД. Это очень сильная альтернатива для третьих разработчиков - издавать приложение поверх Autocad за 3750 долл. или использовать полностью совместимый с ним пакет за 500 долл.

Интерес вызывает рассчитанная на многолетнюю перспективу разработка Computervision - PELORUS. Это объектно-ориентированная, управляемая событиями инструментальная архитектура, созданная специально для интерактивной автоматизированной разработки приложений в средах Unix и Windows. Ядро PELORUS составляет большое число программных объектов - инструментов, реализованных в виде DLL или разделяемых библиотек Unix, которые динамически связываются при загрузке приложения.

3. Системы старшего класса

Наиболее интересные и значимые события произошли в классе систем старшего уровня: I/EMS (Intergraph), Catia (IBM), Pro/Engineer (Parametric Technology), EDS Unigraphics, CADDS 5 (Computervision), PE/SolidDesigner (Hewlett-Packard) и Euclid (Matra Division) [1]. Появилось значительно больше оснований называть их уже не CAD-системами, а системами CAD/CAM/CAE и PDM. Имеется в виду, что старый тезис интеграции всего цикла создания изделия от проектирования к анализу и подготовки производства постепенно получает реальное воплощение в программном обеспечении CAD-систем.

Задачу интеграции поставила на первое место компания Parametric Technology (PTC), изначально сделав в своем продукте Pro/Engineer (1988 год) ставку на полную ассоциативность всех видов данных об изделии на основе единой структуры базы. Аналогичные подходы применяют и другие производители. Рассмотрим, к примеру, философию интеграции, выраженную Computervision (CV), в известном подходе EPD [2] "Полное электронное определение изделия".

Раньше разработка изделия обычно включала последовательность работ по проектированию, сборке, испытанию, анализу с итеративным повторением этого цикла до получения нужного результата, что было и дорого, и отнимало слишком много времени. Приемлемой нормой работы во многих отраслях промышленности стало получение "просто хорошей" конструкции. Не оставалось ни времени, ни ресурсов для выполнения "хотя бы еще одной итерации". До того момента, пока не начинался промышленный выпуск, проблемы разработки довольно редко координировались с вопросами подготовки производства.

Типичный для сегодняшнего высокотехнологического производства проект чаще всего охватывает "расширенное предприятие", в котором сотрудничают разработчики, поставщики, производители и заказчики. EPD предполагает замещение "компонентно-центрического" последовательного проектирования на "изделие-центрический" процесс, выполняемый проектно-производственными бригадами, работающими совместно в параллельно-согласованной среде. Поскольку многие из участников проекта и поставщики могут находиться в разных странах, становится понятно, что для обеспечения такой деятельности кроме ПК и локальной сети требуются мощные сетевые серверы, высокопроизводительные графические рабочие станции и глобальная сеть Internet.

Таблица 1.
Количество рабочих мест машиностроительных CAD на начало 1996 года (данные IDC).

Поставщик
Количество лицензий на рабочих станциях
Количество лицензий на PC/MAC
Autodesk
80 000
410 380
Computervision
95 000
85 000
Cadkey
182 000
SDRC
146 925
IBM
89 750
Hewlett-Packard
61 750
3 250
PTC
48 705
4 820
EDS/Unigraphics
39 148
Другие
70 222
613 022
Всего
631 500
1 298 472

Интеграция всех этапов создания изделия - пожалуй, самый революционный прорыв в CAD-технологиях, который позволяет существенно сократить время на разработку, одновременно повысив качество. На чем же она основывается?

Разговоры о полезности интеграции велись очень давно, однако стали воплощаться в практику только тогда, когда в фундамент лег объектно-центричный подход на основе пространственной, как правило твердотельной, модели изделия. Такая модель наиболее точно и наглядно представляет проектируемое изделие, и в нее может быть включена вся существенная информация. Средства реалистичного рендеринга и виртуальной реальности позволяют представить заказчику концептуальный проект его изделия еще на самой ранней стадии проектирования. При необходимости по 3D-модели могут быть построены чертежи. Например, в CADDS 5 и EDS Unigraphics основная работа при получении изображений разрезов сборок выполняется автоматически, включая генерацию линий разрезов и штриховки.

Современные версии программ технологического анализа - GFEM, NASTRAN, ANSYS, Euclid Analyst - непосредственно воспринимают на входе геометрию твердого тела, автоматически генерируя конечноэлементную сетку, производят на ней расчет и наносят результаты на 3D-модель. Анализ может заключаться в расчете простейших физических характеристик: веса детали, центроидов или в выполнении более сложных видов исследований, включая прочностный, термический, вибрационный, кинематический и динамический анализ. Кроме того, производится имитация таких производственных процедур, как заливка и охлаждение. Для визульной оценки динамики заполнения шаблонов и состояния пропускающих каналов строится мультипликация, которая помогает обнаружить некорректные участки на сварных швах и линиях сплавления в полости детали. Моделирование механообработки позволяет оценить качество детали с точки зрения усадки и деформации (коробления, перекоса, искривления).

Несмотря на безусловный прогресс, системы технологического анализа все еще не лишены недостатков. В частности, основной применяемый в них метод конечных элементов требует наличия у пользователя специальной подготовки и квалификации расчетчика для гарантии достоверности результатов. Недавно со стороны ANSYS были предприняты новые попытки улучшения ситуации в новом приложении AutoFEA 3DValidation. Нельзя не вспомнить об успехе советской науки: в университете Минска был разработан новый математический подход, обходящийся без сетки конечных элементов [4]. Исследовательские работы были начаты в 1981 году и направлены на изучение соударений. Результаты были переданы компании Rand Technologies, которая выпустила продукт Procision для пакета Pro/Engineer.

Сегодня в качестве средства оценки изделия широкое распространение получило быстрое прототипирование (RP). На вход системы RP подаются STL-файлы, генерируемые по 3D-моделям. Применяется несколько разных технологий RP. В стереолитографическом процессе жидкие полимеры послойно отвердевают, принимая нужную форму под воздействием ультрафиолетового лазера. После построения прототип извлекается из формы, помещается в печь для окончательного отвердевания и сушки, далее делается полировка и шлифовка.

Наконец, твердотельная модель открывает уникальные возможности для подготовки производства: достигнуто пятикратное улучшение в точности обработки поверхностей и в четыре - шесть раз сокращено время программирования станков ЧПУ. Повышение качества изделия требует создания высокоточных траекторий инструментов, а для этого нужно генерировать гораздо большие объемы данных, поскольку режущему инструменту при этом необходимо сделать намного больше проходов по каждой траектории. Чтобы создать программу для ЧПУ при изготовлении типовой головки блока цилиндров, требуется работа 3-4 специалистов в течение, примерно, пяти месяцев, при этом генерируется около миллиона точек. Автоматическая генерация из твердотельной модели с помощью, например, CV Toolmaker выполняется за полчаса, учитывается два с половиной миллиона точек и достигается высота гребешков менее 0.0001 дюйма при промышленном стандарте в 0.0005 дюйма.

4. Большие сборки

Интерес к моделированию сборок рос эволюционно как со стороны пользователей, так и со стороны производителей. По мере того как пользователи CAD двигались к параллельному проектированию, когда команды технологов и проектировщиков стали работать совместно, сознание сместилось в сторону сборко-центричной и продукто-центричной концепции. Производители научились справляться с возрастающим объемами данных, разработав фундаментальные методы работы с большим числом компонентов.

4.1. Зачем нужны сборки

Несколько лет назад в большинстве CAD-систем было трудно построить сборку из нескольких десятков компонентов. Сейчас возможна работа со сборками из тысяч и десятков тысяч деталей. Пользователи теперь могут разместить отдельные детали на экране и получить электронное представление изделия - без фатальных сбоев системы или существенного замедления ее работы, в то время как раньше производительность измерялась длиной перерывов на кофе между двумя нажатиями на клавиши клавиатуры.

Области, которым требуются большие сборки, - это автомобильная, аэрокосмическая промышленность и машиностроение. Автомобили и самолеты состоят из более чем миллиона деталей, полиграфические прессы занимают площади в тысячи квадратных метров и содержат сотни тысяч компонентов. Даже подсборки, например двигатель, - это многие тысячи деталей.

Но почему все же требуются большие и постоянно увеличивающиеся в размере сборки? Прежде всего - чтобы избежать изготовления физического прототипа. Если путем компьютерного моделирования сборки проектировщик может зафиксировать нестыковку, он сэкономит на стоимости изготовления физического прототипа. Даже для такого простого изделия, как телефон, стоимость прототипа может составлять несколько тысяч долларов, создание модели мотора обойдется в полмиллиона, а полномасштабный прототип коммерческого авиалайнера будет стоить уже десятки миллионов.

Главная проблема, которая стояла перед разработчиками, - большой объем данных (десятки гигабайтов) для обычных рабочих станций. В ранних версиях CAD пользователи были вынуждены работать с отдельными деталями, по сути дела лежащих в основании системы. Везде были ссылки на детали, файлы данных назывались файлами деталей. Когда требовалось спроектировать сборку, нужно было физически поместить детали в один файл сборки, этот файл разрастался все больше и больше, в конце концов достигая таких размеров, что переставал загружаться в память компьютера. Даже если размеры не превосходили ограничений памяти, приходилось прилагать много усилий, чтобы сделать большой файл управляемым, например, помещая детали в разные слои. Но основной недостаток - физическое размещение моделей деталей в файле сборки серьезно лимитировало этот подход.

Существует и другая проблема. Во многих компаниях одни и те же детали используются в разных изделиях. Если трем пользователям был нужен один простой кирпич в трех разных сборках, они троекратно дублировали его. Требовалось наладить механизм ссылок на детали, а не их копирование, что решает обе проблемы. Дальше - больше, в этом состоянии средства моделирования сборок поддерживали индивидуальных пользователей. Однако наиболее сложные изделия проектируются не индивидуально, а, напротив, командами разработчиков, которые действуют параллельно.

Сегодня многие поставщики CAD-систем старшего класса выпустили средства, поддерживающие одновременный доступ пользователей к деталям и сборкам. Иногда они предлагаются в виде дополнительных модулей, как Assemly Modelling и Advanced Assemblies в EDS Unigraphics, Multipart Design и CAMU в CV, либо встраиваются в CAD, как, например, в CATIA.

Согласно [3] три компании - CV, IBM и EDS Unigraphics - являются сегодня ведущими производителями систем, моделирующих большие сборки. Это естественно, поскольку как следует из таблицы 2, их заказчиками являются крупные фирмы. Однако и другие разработчики, включая Hewlett-Packard, SDRC, Para-metric Technology Corp., Matra Division и Intergraph, предлагают аналогичные средства. Разница в размере сборок, которые могут быть реально созданы.

Таблица 2.
Перечень некоторых крупнейших клиентов CV.

Название фирмы
Сумма, млн. USD
Приобретенные системы и технологии
Rollse-Royce AG & Allison Engine Company - в рамках соглашения с EDS
54
Внедрение и поддержка технологий EPD
Peugeot-Citroen (Франция)
26
CADDS 5, PELORUS Powered applications, Optegra Soft. (EPD)
Fiat Auto + ELASIS (Италия)
6 + 0,8
Реализация технологии EPD
Boeing Commercial Airplane
3,0
Реализация технологии EPD
Ford Motor Company (США)
2,1
CAMU, EDM
Nokia Telecommunications
1,4
Optegra - Software and Services
Daewoo Heavy Industries (Южная Корея)
1
EDM, CVaec, Piping Solution, CVpvs, CVConference, CV-DORS
Volvo Truck Group (Швеция)
1
CADDS 5, CAMU, EDM (CAPE+EPD)

Существует два подхода к моделированию сборок: "сверху вниз" или "снизу вверх". В первом подходе вначале на экране создаются общие черты сборки в целом, а затем производится проектирование отдельных деталей. В подходе снизу вверх сначала создаются детали, которые потом собираются на экране. Средства моделирования сборок позволяют определять условия стыковки, типа "эта деталь соприкасается с этой вдоль этого ребра" или "это отверстие должно быть соосно этому отверстию". По большей части сборки с помощью стыковочных условий строятся достаточно просто. Затруднения вызывают ситуации, в которых сложные формы должны стыковаться вдоль криволинейной поверхности. Сейчас почти все производители поддерживают подход снизу вверх. Под кажущийся более естественным подход сверху вниз спроектирован новый продукт Solid Edge компании Intergraph.

4.2. Стратегии упрощения

Большинство средств моделирования сборок используют похожие стратегии для того, чтобы справиться с проблемой большого объема данных. Эти стратегии называются довольно свирепо - "сдирание кожи" или "облегчение" представления. Основная идея состоит в переходе к такому представлению, которое не содержит избыточных, с точки зрения конкретной деятельности, деталей.

Первая стратегия позволяет загружать только ту часть сборки, которая потребителю нужна для работы. Например, если инженер работает над носовым колесом самолета, то сборка самолета в целом используется им мало. Дело не только в том, что потребуется много времени для загрузки всех данных, - он не увидит все нужные детали своего колеса. Однако ему может понадобиться часть фюзеляжа, непосредственно окружающая носовое колесо, чтобы он мог проверить их взаимное расположение. Поэтому ему представлена возможность сказать системе: "Покажи мне эту деталь и эту область вокруг и забудь про остальное".

Существуют графические и неграфические средства для того, чтобы идентифицировать и получить доступ к нужной детали сборки. Графические средства - "ящик", пользуясь которым, инженер рисует прямоугольную область вокруг детали или просто обводит зону интереса - "все на расстоянии 2 метров от носа". В Solid Edge от Intergraph есть прекрасная функция PickQuick. Когда система не уверена, какой компонент пользователь пытается указать, она подсвечивает наилучший вариант, но предоставляет пользователю возможность просмотреть еще несколько вариантов.

Неграфические средства - это использование дерева частей сборки. Компания Intergraph называет это PathFinder (Solid Edge), а EDS Unigraphics - Assembly Navigation Tool. Пользователь просто указывает на имя части, которую надо загрузить, и эта часть показывается на экране. Другая опция - выбор частей по их параметрам, например "Загрузить все части, чей тип гидравлика" или "Загрузить все стальные части".

Вторая стратегия упрощения сборок дает возможность показать вид с меньшим числом деталей для некоторых компонентов. Используя такое средство, пользователь, проектирующий, например, внешний вид трансмиссии, просит ее показать, но вместо того, чтобы загружать сотни компонентов, входящих в состав трансмиссии, он может посмотреть ее обводы. Для этого он выводит историю создания частей и выбирает только те элементы, которые ему действительно нужны.

Третья стратегия использует сеточное представление геометрии деталей, а не их точное математическое представление, что требует значительно меньше времени и ресурсов. В большинстве систем моделирования сборок сеточное представление получается из математически точной 3D-модели и, технологический анализ выполняется с точными данными, хотя визуализируется сеточная модель.

Кроме проблем собственно моделирования сборок - создания, манипулирования, навигации - имеются проблемы управления данными. Одна из них состоит в обеспечении ситуации, при которой если кто-то изменил компонент, другие будут знать об этом. В версии 11 Unigraphics EDS имеется функция, позволяющая "освежить" сборку, чтобы увидеть прямо во время сеанса работы изменения, внесенные другими пользователями. Любой из них может резервировать детали или компоненты для их просмотра или модификации в составе сборки. Если какая-то деталь регистрируется для модификации, то участники, работающие со сборками, включающими данную деталь, информируются о ее статусе.

Цель создания сборок - представить все изделие в целом и иметь возможность выполнять все, что можно сделать с физической моделью. Наиболее очевидная задача - проверка совместимости деталей. Например, функция обнаружения взаимопересечений реализована в Advanced Designer CV или в Pro/Engineer. Есть и другой выигрыш. На модели сборки можно исследовать данные, которые за ней стоят. Например, проектировщик на модели сборки запрашивает все детали, вес которых превышает определенный предел, чтобы сфокусировать усилия по оптимизации именно на них. Снабженцы могут узнать, сколько деталей закупается у определенного поставщика или какие детали стоят больше некоторой суммы. В этом проявляется сила электронного определения изделия - использование модели для разнообразных функций, помимо тех, для которых они создавались.

5. Моделирование

Сегодня по-прежнему уделяется много внимания технологии 3D-моделирования. Ранее были разработаны основные методы для твердотельного и граничного (B-rep) пространственного представления геометрических объектов. Достижением современного периода можно считать методы построения поверхностей произвольной формы на основе B-сплайнов - NURBS, ставшие стандартом де-факто для проектирования сложных поверхностей.

Однако главной линией было даже не само моделирование, а способы модификации моделей, что очень существенно при итеративном характере работы. Кроме того, известно, что наибольший объем работ - это не само проектирование, а внесение изменений и исправление связанных с этими изменениями ошибок.

5.1. Параметризация

Компания PTC, вышедшая на рынок в 1989 году с Pro/Engineer, с самого начала сделала ставку на полную параметризацию всех моделей. С тех пор средства параметрического моделирования были реализованы во всех системах среднего и старшего уровня. Процесс параметрического моделирования можно описать следующим образом: в ходе построения система накапливает конструкционные параметры и соотношения между ними, а также формирует протокол (историю) создания геометрии, позволяя простым изменением параметров легко модифицировать и регенерировать модель. Важно, что параметрическая модель создается интерактивно, без какого-либо программирования (за исключением задания формул), и это вполне по силам пользователю. На данный метод опирается табличная параметризация, реализованная в CADDS, где параметры типовых деталей сведены в таблицу, а генерация нового экземпляра производится путем выбора из таблицы типоразмеров.

Хотя способ создания параметрической модели прост, задача расчета геометрии для новых значений параметров - сложная, главным образом из-за того, что могут быть определены произвольные зависимости переменных. Для расчета применяются два типа решателей - вариационные и аналитические, однако ни в одной системе нет гарантии, что нужная геометрия будет найдена, хотя отказы происходят в достаточно сложных случаях.

Следует отметить, что параметризация, основанная на истории, имеет много недостатков и не является единственным возможным способом. Более объективную и не зависящую от последовательности действий пользователя параметризацию создают геометрические (параллельность, ортогональность, касание) условия между элементами конструкции, а также размеры. Исследования в этом направлении также велись, но до коммерческих продуктов дело пока не дошло.

Параметрика полезна не только для моделирования, она также автоматизирует итерационную отладку конструкций. Работая в среде параметрического конструирования, пользователь указывает изменяемые параметры, задает связывающие условия, определяет целевую функцию и запускает процесс оптимизации. Можно оптимизировать такие параметры, как масса, объем, площадь поверхности, моменты инерции, центр тяжести. Особенно эффектна следующая задача: на входе задается примерная геометрия, а в качестве целевой функции - условия размещения в заданном габарите.

Новый продукт EDS Unigraphics - Wave [5] (Whot-I - Alternative Value Engineering) - позволяет управлять анализом в интегрированной среде параллельного проектирования производства. В обычных сложных параметризованных сборках содержатся сотни и тысячи деталей, которые перегружают возможности системы. В предложенном подходе можно выделить 20-30 наиболее важных переменных проекта и проводить оптимизацию только по ним.

Появление в практике такого важного способа моделирования, как фичерсы (feature), можно связать с компанией PTC. Фичерсы - отверстия, фаски, скругления, ребра жесткости и пр., в отличие от элементарных объектов твердотельного моделирования, являются привычными для пользователей, и работа с такими макрообъектами, очевидно, более выгодна. Фичерсы - это применение объектной ориентированности в CAD. Для того чтобы добавить отверстие к уже существующей геометрии, достаточно выбрать элемент меню "отверстие" и указать его расположение. После этого оно остается привязанным к грани при любом ее перемещении - фичерсы помнят о своем окружении. Интеллектуальность фичерсов иллюстрирует эскиз из рисунка 1, на котором показано, как меняется направление выпуклости скругления, при изменении геометрии в его окрестности.

Picture 1

Рисунок 1.
а) - параметризованная модель; б) - та же модель, регенерированная с новыми размерами.

Фичерсы тесно связаны с параметризацией. Кроме того, что они сами по себе параметризованные объекты, они могут быть созданы, как параметрики. Хотя в Pro/Engineer они реализуются как программные объекты, в UG/Solid Modelling фичерсы могут определяться пользователем интерактивно, в результате запоминания набора компонентов, определения параметров, установки взаимозависимостей, задания значений по умолчанию, иными словами, как параметрическая модель.

5.2. Гибридное моделирование

Крайняя точка зрения, исповедуемая PTC, заключается в том, что параметрическое твердотельное моделирование - это наиболее адекватный метод, однако в нынешних условиях конструкторам нередко требуются альтернативные возможности. Гибридное моделирование (CADDS 5, UG/Solid Modelling, Euclid, CATIA) позволяет сочетать каркасную, поверхностную, твердотельную геометрию и использовать комбинации жестко размерного (с явным заданием геометрии) и параметрического моделирования. Конечно, лучше бы использовать единственную стратегию моделирования для всех продуктов, но, во-первых, часто приходится применять ранее наработанные данные либо данные, импортируемые из других систем, а они могут иметь разные представления. Во-вторых, в какие-то моменты эффективнее работать с проволочными моделями или геометрией 3D, описанной поверхностью. И наконец, часто бывает проще иметь различные представления для разных компонентов. Например, листовое покрытие выгоднее моделировать поверхностью, а для трубопроводов использовать осесимметричное представление.

Параметрические модели, в отличие от жестко размерных, до сих пор не стандартизированы, и многие пользователи попадают врасплох, когда вдруг узнают, что нынешние трансляторы данных IGES и STEP не работают с описаниями ограничивающих условий и истории - эта информация теряется при переносе из одной системы в другую. Поскольку параметрические модели основаны на истории построений, последующее редактирование созданных объектов становится затруднительным. Кроме того, известные методы не гарантируют возможность расчета геометрии для любой модели. Все эти обстоятельства делают гибридное моделирование во многих ситуациях необходимым.

Очень важный вопрос - модификация готовых моделей. Например, в HP PE/SolidDesigner 4.0 предложено новое средство - динамическое моделирование (ДМ). ДМ не основано на истории или ограничениях на геометрию, тем самым конструктор избавляется от недостатка параметрических методов, которые требуют знания истории создания модели. С помощью ДМ можно убирать грани, изменять их относительное расположение, строить офсетные грани или изменять толщину существующих тонкостенных деталей. Все эти операции автоматически сохраняют корректность твердотельной модели. Например, операция Remove Face удаляет любую грань, но не производит дырки в модели, поскольку смежные грани автоматически заживляются.

6. Практические результаты

Степень отдачи от новейших технологий CAD, можно оценить из примера разработки компанией Shorts Brothers фюзеляжа для нового самолета бизнес-класса Learjet 45, которая стала заметной вехой на пути развития технологии автоматизации проектно-конструкторских работ в аэрокосмической промышленности. Результаты впечатляющие: этот фюзеляж оказался не только наиболее сложным среди существующих, но и был разработан в гораздо меньшие сроки (на 40%), чем его предшественники. При этом показано десятикратное улучшение качества деталей и самой сборки. Дополнительная статистическая информация демонстрирует, как Shorts смогла этого добиться: общее число деталей было сокращено на 60% при снижении объема основных переделок на 90% по сравнению с предыдущей практикой.

6.1. Проектная база: технология моделирования

Как и у многих других компаний, ранний опыт Shorts в технологии автоматизации проектно-конструкторских работ заключался в проволочном моделировании деталей, к которому она подошла в 70-80 годах, имея уже 70-летний опыт проектирования летательных аппаратов. В создаваемых Shorts фюзеляжах ранних самолетов регионального значения было обычно до 9500 структурных деталей. По архивным данным, подобные проекты отнимали на основные переделки до 150% человеко-дней и в абсолютном выражении могли потребовать 445 тыс. человеко-дней для завершения работ в течение четырех лет.

Взявшись за проект Learjet 45, компания Shorts приложила значительные усилия для освоения альтернативных методов, приобретя опыт работы в новой технологии, включающей параметрическое и жестко размерное твердотельное моделирование. Ожидалось, что твердотельное моделирование могло потенциально обеспечить 30-процентную экономию времени, сведя затраты 445 тыс. ч/д до 312 тыс. ч/д. Сейчас имеется уже много производителей, которые на себе испытали преимущества твердотельного моделирования. Однако в этих компаниях известно и то, что преимущества, полученные при проектировании отдельных деталей, не распространяются автоматически на качество компонентной сборки и возникающие из-за внутрисборочных коллизий переделки. Вследствие этого, относительный процент времени на переделки деталей продолжал оставаться неизменным, и затраты на эту работу оставались на том же уровне, как и при использовании проволочного моделирования.

6.2. Переход к гибридному моделированию

В первую очередь в Shorts была применена тактика сведения подсборок, содержащих многочисленные компоненты, в меньшее число более сложных деталей, что стало возможным благодаря гибридному моделированию. Наиболее сложные детали, получаемые в технологии 5-координатной обработки, представляют собой гибридные модели, определенные ограничивающими поверхностями с жестко заданными размерами относительно других более или менее сложных частей, которые могут быть заданы параметрически. Параметрический подход, хотя и более эффективен для компонентов невысокой и средней сложности, но для высокой сложности он либо менее эффективен, либо вообще не применим. При наличии CAM-технологии, обеспечивающей выход на станки с ЧПУ, примененный подход позволил увеличить сложность конструкции за счет сведения многокомпонентной сборки в единый, очень сложный, обрабатываемый на ЧПУ компонент. В этом случае производитель экономит на документировании, изготовлении, эксплуатационном обслуживании и исключает проблемы, связанные с многокомпонентным монтажом.

Примером сокращения числа деталей служит герметическая перегородка фюзеляжа Learjet 45. В предшествующем фюзеляже эта перегородка представляла собой сборку из 68 деталей средней сложности. В Learjet 45 она была заменена сложной, полученной 5-осевой обработкой, деталью и рядом простых, менее критичных деталей, как, например, кронштейны, опоры и т. д.

В целом, внедрив гибридное моделирование, Shorts смогла уменьшить число компонентов с 9500 до 3700, или на 60%. В результате полное время на проектирование и подготовку производства было сокращено до 125 тыс. ч/д. Если бы, однако, использовался традиционный метод последовательно-компонентного проектирования, переделка основных деталей оставалась бы на уровне 150%.

6.3. Электронная сборка

В конечном счете Shorts перешла к стратегии параллельной электронной сборки. Эта стратегия сочетала технологию гибридного моделирования в системе CADDS 5 CV с электронным макетированием сборки в системе CAMU и с программным продуктом EDM для управления инженерными данными.

Среда CAMU дала многопрофильным проектно-конструкторским бригадам (силовые конструкции, прокладка трубопроводов, анализ/расчет прочности, механообработка, подготовка производства, технический контроль, сборка/монтаж, обслуживание/сопровождение) компании Shorts возможности согласованной параллельной работы, при которой общесистемные проблемы идентифицировались и решались по мере их возникновения. В результате основные переделки были сокращены до 20% от исходного числа человеко-дней (сравните с обычной величиной 150%).

Обычно "параллельные" (смежные) конструкторы конфликтуют из-за вынужденной конкуренции за использование ограниченного пространства. Электронная сборка сводит потери к минимуму, позволяя членам бригад видеть работу друг друга. В одном случае инженеры Shorts смогли оптимизировать размещение труб и жгутов посредством CAMU, автоматически проверив, что трубы не будут пересекаться, а все провода будут подсоединены. Из 8000 деталей, спроектированных в системе CV, 80% были сделаны правильно с первого раза. Остальная часть потребовала однократных изменений, около половины из них были результатом вводимых конструктором дополнений.

Общее время разработки и подготовки производства было сокращено до 60 тыс. ч/д. Цикл разработки типового фюзеляжа сократился с 4 лет до 1,5 - 2 лет.


Литература

[1]. A.D. Smith, Solid Modeling Products. CAD Systems, November 1996.

[2]. Anderson, "Концентрация CV на полном электронном определении изделия". Engineering Automation, April 1996.

[3]. C.D. Potter. Designing Large Assemblies. CGW Magazine, Nov. 1996.

[4]. C.D. Potter, Analysis for Design Engineers. CGW Magazine, March 1996.

[5]. EDS Unigraphics v.12: a new wave of CAD software. D.H. Brown Associates, Feb. 1996.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями