Что такое прямое моделирование?

В настоящее время существует целый ряд инженерных решений, позволяющих выбрать для разработчика оптимальный вариант построения модели.

Выбор САПР важен, т.к. именно это определяет надежность и условия проектирования. Исторически сложилось так, что большинство современных САПР основаны на параметрическом редактировании геометрии, т.е. опираются на историю построения модели. Системы, основанные на прямом моделировании до недавнего времени проигрывали в популярности  параметрическим.

Однако в 2007 компания  PTC объявила о своей сделке с CoCreate, а в апреле вышла первая версия абсолютно новой системы прямого моделирования SpaceClaim. После чего в рамках почти всех систем CAD стали появляться модули прямого моделирования. Сегодня можно говорить о том, что в среде  производителей все более явно заметна тенденция использования CAD-технологии прямого моделирования.

В чем же особенности этих двух систем и какие преимущества дает прямое моделирование? Об этом и пойдет речь в данной статье.

Параметрическое моделирование — основной тип  САПР. Данный вид моделирования  позволил существенно сократить затраты на внесение изменений в проект, создание новых модификаций изделий и т.п. Под параметрической моделью понимается  геометрическую модель с параметрами, изменяя значения которых, можно получать разные варианты конструкции.

История построения модели – это  последовательность операций, которые были использованы для создания геометрической формы тела .Именно она превращается  в параметрическую модель, а с каждой операцией ассоциируется  набор параметров. Координаты и типы элементов плоского контура, высота его «выдавливания», диаметр и форма отверстия являются примерами таких параметров.

Изменив их значения параметров и заново повторив историю построения, можно получить другую геометрию. Параметрические конструктивные элементы образовывают дерево, которое автоматически строилось в соответствии с историей создания модели и отражает взаимосвязи между элементами.

В чем недостатки данного способа:

— сложность и непрозрачность для пользователя. Чтобы изменить геометрическую форму, требуется найти в дереве построения нужный конструктивный элемент и понять, значение какого параметра необходимо изменить.

—длительность истории построения  у сложных геометрических моделей.

—  сложности в изменении параметров модели . Принятие решений о том, какие параметры можно менять происходит  в процессе ее создания. Если потребуется поменять какой-то параметр, который отсутствует в дереве построения, то решение  будет непростым — либо перестроить модель с нуля, либо применять сложные оптимизационные алгоритмы, которые путем варьирования значений определяющих параметров пытаются подобрать желаемое значение требуемого параметра.

— процедурный подход к построению модели.  Все параметры модели подразделяются на входные и выходные. Изменять можно только значения входных параметров, а значения выходных рассчитываются в соответствии с предопределенными процедурами, формулами, историей построения и т.п.

—трудности в  работе с разнородными и унаследованными данными. Проектировщики часто работают в контакте со смежными специалистами, предоставляющие данные для моделей в ином формате. При трансляции модели из одного формата в другой история построения обычно теряется , теряются параметрические связи между ее элементами Такая геометрия называется «немой» — геометрия есть, но ничего сообщить  о своей конструктивной концепции не может. Некоторые дорогостоящие трансляторы способны конвертировать конструктивные элементы из одной системы в другую, но номенклатура конструктивных элементов в каждой системе своя, и точная трансляция невозможна в принципе.

Но, несмотря на недостатки, системами  параметрического моделирования успешно пользуются.

С 2007 года началась «новая» история прямого моделирования. Данный метод использовался и ранее, но это была слишком узкая ниша. Подход, предложенный компанией CoCreate, получил название прямое моделирование. И CAD-технологии прямого моделирования набирают популярность,  поскольку они дают им намного более простой и гибкий способ создания и модификации геометрии по сравнению с CAD-системами.

Рассмотрим особенности и преимущества  прямого моделирования на примере SpaceClaim.

SpaceClaim отличается от типичной CAD-программы прежде всего  в том, что прямое моделирование геометрии позволяет модифицировать ее независимо от истории построения .

Прямое моделирование  предлагает намного более простой и более динамичный метод создания геометрии.

Возможность быстрого изменения геометрии модели.

Прямое редактирование — это перенос/вращение/копирование/удаление одной или нескольких граней тела (например, образующих один конструктивный элемент). Пользователи могут легко создавать серии простых форм и манипулировать ими для создания сложных деталей и узлов.

Редактирование геометрии

Все отмеченные выше недостатки параметризации на основе истории были успешно преодолены. Прямое моделирование позволяет создавать и модифицировать каждый элемент конструкции. Например, можно тянуть, толкать и поворачивать грани твердотельной модели, причем прилегающая геометрия будет автоматически подстраиваться в режиме реального времени. Можно также изменять размеры элемента, редактируя отображаемые системой размеры. Простота и интуитивность прямого моделирования означает, что новые пользователи могут приступить к работе гораздо быс трее.

Система прямого моделирования SpaceClaim полезна, если Вы вынуждены работать с разнородными и унаследованными данными.  Возможность динамического распознавания конструктивных элементов позволяет  осуществлять изменения в соответствии с их типом.  Такой подход обеспечивает “интеллектуальность” геометрии, и её можно отредактировать так же легко, как будто она создана в родном формате системы прямого моделирования.

Вместо требования, чтобы все файлы были в определенном формате (или необходимости приобрести и поддерживать несколько разных CAD-систем, чтобы работать со всеми распространенными типами файлов), теперь у проектировщика есть возможность принять файлы любых форматов в любом количестве. Можно импортировать любую CAD-геометрию, независимо от того, как она была создана – средствами прямого или основанного на истории построений моделирования. После этого 3D-модель можно модифицировать для задач подготовки производства.

Еще одно достоинство, вытекающее из возможности работы с разнородными данными – быстрота . Детали, можно быстро импортировать в систему прямого моделирования вместо того, чтобы строить геометрию приспособления “с нуля”. Это существенно экономит время проектировщика.

«Классические» MCAD-системы весьма недешевы. Инвестиции в систему прямого моделирования с интегрированными возможностями сравнения, CAE и CAM дают производителю возможность получить весь важный функционал в одной среде, избежать больших расходов, долгих сроков исполнения заказов и появления ошибок при передаче данных между разными программными системами. Интеграция обеспечивает значительную экономию за счет уменьшения расходов на покупку лицензий, обучение, администрирование и поддержку. Сэкономленное время и средства могут оказать положительное влияние на процесс разработки изделия.

Конечно, у системы есть и недостатки. Недостатком всех современных систем прямого моделирования все еще остается редактирование сложных NURBS-поверхностей. Одно дело — распознать в модели с отсутствующей историей построения плоские, цилиндрические, сферические, конические, торические грани. Другое дело — понять, что данная грань является результатом применения операций sweep (заметания плоского контура при движении вдоль заданной кривой), loft (построение тела по его плоским сечениям), blend (гладкого сопряжения двух поверхностей) и т.п.

И все же технология не стоит на месте. Но пока же — если проектируемые вами изделия имеют нетривиальную геометрическую форму — от использования систем прямого моделирования лучше воздержаться. Зато во многих других случаях система прямого моделирования станет единственным правильным выбором.

Настоящим успехом стало заключение соглашений ведущим поставщиком ПО для инженерного анализа ANSYS. Тем самым SpaceClaim четко обозначила две ниши, где прямое моделирование может приносить существенную пользу: подготовка геометрических моделей для CAM и CAE

Таким образом, SpaceClaim — простой в освоении, быстрый и высокоточный инструмент. Он позволяет  импортировать геометрию из всех основных CAD систем и работать с ней так же легко, будто изначально эти модели были созданы в SpaceClaim. Кроме того , можно использовать SpaceClaim как дополнение к существующим CAD-системам, для упрощения и ускорения процесса разработки изделий.

Perplexus (3d головоломка) был создани с применением решений SpaceClaim

По словам  Блэйка Кортера , сооснователь SpaceClaim, это  один из основных пакетов, который реализует технологию прямого моделирования и делает моделирование интуитивным и дружелюбным процессом.