Параметричне моделювання: опис, методи, огляд програм

Параметричне моделювання (parametric model, PM) використовує інструменти проектування на основі конструктивних елементів. Воно дозволяє розробнику визначати цілі класи фігур, а не тільки конкретні деталі. До появи цієї технології редагування форми було складним завданням. Наприклад, щоб змінити тривимірне тіло, дизайнер повинен був змінити довжину, ширину і висоту. Застосовуючи технологію PM, проектувальнику необхідно змінити тільки один параметр, два інших здійснюється автоматично.

Історія автоматизованого проектування

Ключовою віхою в історії автоматизованого проектування (CAD) стала поява в 1987 році версії Pro/ENGINEER, тепер PTC Creo, яка познайомила індустрію САПР з параметричним моделюванням. З тих пір ця парадигма використовується практично у всіх основних програмах проектування, включаючи SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, NX і Onshape.


PM-проектування виконується інженерами, будують тривимірну геометрію по частинах. Двомірні ескізи перетворюються у тривимірні об'єкти, при цьому проектні обмеження і допуски належним чином реалізуються у відповідності з дизайнерським планом. Оскільки кожен крок випливає з попередніх – потрібно докладний попередній ескіз. Незважаючи на міць і популярність РМ-моделювання, інша парадигма прямого моделювання САПР також має своїх прихильників. Деякі сучасні системи САПР використовують пряме, а не параметричне моделювання на основі історії, також існують і такі системи, які надають поєднання двох інструментів.

Парадигма дизайну і термінологія

Параметричний дизайн починається з ескізу, а для отримання остаточного результату застосовують різні математичні функції. Парадигму дизайну, вперше розроблену Pro /ENGINEER, називають «ґрунтується на історії», оскільки лінійна покрокова природа моделі відрізняє її від прямого параметричного моделювання, яке називають «вільним від історії».


Програмне забезпечення запам'ятовує функції по порядку, а модель виконує їх крок за кроком. Користувачі часто помилково вважають, що тільки ЗА, заснований на історії, є параметричним. Насправді до нього відносяться всі моделі з даними, що включають розміри, зразки, товщину стінок, діаметри, глибини отворів та інші. За допомогою параметричного підходу інженери можуть швидко і легко створювати різні конфігурації конструкцій. В даний час отримали розвиток і параметричне, і квалиметрическое моделювання. Кваліметрія – наукова дисципліна, що займається методик кількісного визначення якості моделей. Це теорія, розроблена в колишньому СРСР Р. Азгалдовым, використовується сьогодні при розробці російських стандартів, у тому числі в металургії і машинообработке. Велика частина програмного забезпечення САПР дозволяє реалізувати якісні проекти. Перш ніж зробити вибір, розробнику потрібно проаналізувати показники: Розмір структури. Кількість розробників, пов'язаних з проектом. Мобільність моделі. Тип файлу, встановлений клієнтом.

Процес параметричного моделювання

Моделі будуються з набору математичних формул і щоб вони мали легітимність, вони повинні ґрунтуватися на реальній інформації про виріб. Досконалість методів перевірки та повнота інформації про виробі визначають життєздатність рішення.
Існує дві популярні PM-моделі: Конструктивна тверда геометрія (CSG) – визначає модель з точки зору об'єднання основних і генеруються фізичних форм. Вона використовує логічні операції для побудови моделі. Це комбінація тривимірних елементарних форм, наприклад, циліндра, конуса, призми, прямокутника або сфери, якими керують з допомогою простих логічних операцій. Граничне представництво (BR) – суцільна модель формується шляхом визначення поверхонь, які формують просторові межі. Потім створюється об'єкт шляхом з'єднання точок у просторі. Багато програм використовують метод кінцевих елементів (FEM), оскільки він дозволяє легко контролювати внутрішню сітку обсягу. Термін параметричне 3D моделювання означає, що програма MCAD використовує фізичні дані. У цьому методі розміри визначають геометрію, а не навпаки, як у випадку 2D і традиційних тривимірних твердотільних моделей. Тому будь-яке редагування значень призводить до зміни розміру. Крім того, відносини або обмеження, що використовуються для створення елементів виробу, фіксуються і контролюються програмою.

Базова одиниця проекту

Елемент є базовою одиницею параметричної твердотільної моделі. Так само, як збірка включає в себе різні деталі, файл складається з окремих частин. Кожна функція має визначають інтелектуальні властивості. При конструюванні об'єкта зазначаються геометричні обмеження та вживані розміри. Розробник зберігає ці властивості в базі даних і використовують для створення нових виробів.
Прикладами цих будівельних блоків, званих елементами, є отвори, ребра, жолобки, фаски та інші геометричні деталі. Нові функції залежать від існуючих таким чином, що зміни дизайну фіксуються автоматично. Тим самим функціональне моделювання відображає задум конструктора. Якщо деталь або пов'язана частину змінюється, ЗА повторно генерує цей ознака відповідно до призначеними йому прикордонними властивостями. Наприклад, ребро, визначене як дотичне до дуги, буде рухатися, щоб зберегти обмеження торкання, якщо розмір дуги змінюється.

Комп'ютерна генерація моделі

У більш вузькому сенсі термін CAD – це комп'ютерна генерація і модифікація геометричної моделі. У більш широкому сенсі – включає всі автоматизовані дії в процесі проектування: геометричне моделювання, обчислення, збір і надання інформації від розробки концепції до виготовлення. Спочатку додатки використовувалися для розробки виробничих документів. Із збільшенням обчислювальної потужності системи зі складними експертними додатками і інтегрованими рішеннями, FEM став частіше застосовуватися для проектування і створення продукту. Доступна конструкція технічних рішень, завдяки якій об'єкти з самого початку розглядаються, як тривимірні тіла. При необхідності, технічні креслення створюються автоматично з віртуальних моделей деталей.

Особлива перевага 3D-CAD – це можливість проектувати зображення виробу з будь-якого напрямку. 3D принтер дозволяє перейти від віртуального до реального об'єкту. Разом з виявлення властивостями матеріалу створюються вдосконалені моделі для заданих фізичних властивостей, наприклад, міцності, пружності. CAD використовується практично у всіх галузях техніки: архітектурі, цивільному будівництві, машинобудуванні, електротехніки і таких вузьких напрямках, як стоматологічні технології.

Провідні галузеві програмні продукти

Сьогодні на ринку є безліч програм параметричного моделювання. За рівнем використання вони поділяються: Низкомасштабное використання. Широкого застосування. Галузеве моделювання. Остання з цих трьох категорій, а саме - галузеве ЗА придбала найбільшу популярність. Провідні галузеві програмні продукти: SolidWorks – представлений в 1995 році, як недорогий конкурент на ринку. ЗА параметричного моделювання SolidWorks було придбано у 1997 році компанією Dassault Systemes. Воно використовується в механічному проектуванні і пластмасової промисловості. CATIA – створена Dassault Systemes у Франції в кінці 1970-х років. Це складне програмне забезпечення широко використовується в авіаційної, автомобільної та суднобудівної промисловості. Додаток параметричного моделювання Siemens NX, раніше відома, як Unigraphics, була придбана McDonnell Douglas в 1977 році. Це комплексне рішення для проектування і виробництва продукції з широким діапазоном споживання. Grasshopper – плагін Rhinoceros, орієнтований на параметричний дизайн, який працює, як редактор генеративних алгоритмів. Переваги цієї програми в тому, що, на відміну від багатьох, для неї не потрібен досвід написання сценаріїв, це дозволяє створювати схеми з генерації компонентів, отримуючи значну часову оптимізацію. Параметричне моделювання Компас 3d використовує комп'ютер для проектування об'єктів або систем, що функціонують у реальному світі. Autodesk, є старшою версією AutoCad і дозволяє реалізовувати 3D-проекти. Область застосування – промислова механіка. KeyCreator - це непараметрична, не заснована на історії, «пряма» 2D/3D CAD для моделювання твердого тіла. Спочатку була відома, як CADKEY, вперше випущена в 1984 році і працює в операційних системах DOS, UNIX і Windows. Перша програма САПР з можливостями 3D для персональних комп'ютерів. Крім твердотільного моделювання, KeyCreator виконує каркасне моделювання поверхонь і креслення.

Порівняння передових технологій

SolidWorks домінує в розробці корпоративних продуктів, в той час як KeyCreator є вибором САПР для спеціалізованих процесів проектування і виробництва. Це два добре відточених інструментів з явними перевагами. Щоб визначити, чи є KeyCreator підходящим методом параметричного моделювання, порівнюють, яка краще всього відповідає користувацьким задачам.
Моделювання KeyCreator без історії дозволяє дизайнерам не тільки швидко створювати проекти з нуля, але відкривати і редагувати будь-які файли САПР незалежно від джерела. KeyCreator має переваги порівняно з SolidWorks у вигляді здатності обробляти непередбачувані зміни дизайну, а повний набір перекладачів дає користувачам інструмент для виконання роботи в будь-якій країні світу. Функції KeyCreator дозволяють проектів вільно розвиватися, оскільки ескізи і тривимірні моделі не пов'язані історією операцій або обмеженнями. Цей підхід дозволяє початковим неструктурованим концепціям поступово перетворюватися у складні зборки. Гнучкі можливості експорту KeyCreator означають, що тривимірна геометрія легко переходить на наступну стадію проектування виробництва. Підхід PM, використовуваний SolidWorks, ідеально підходить для управління оновленнями моделей на основі характеристик продуктивності продукту, жорсткі обмеження дозволяють розраховувати уточнення для конструкцій, які на даному етапі є статичними. Він також забезпечує широку сумісність з інструментами управління даними, використовують метадані проектування протягом усього виробничого процесу.

Багатоплатформовий ЗА тривимірних об'єктів

FreeCAD - відкритий дизайнер кросплатформених параметричних тривимірних об'єктів у каскаді. В основному використовується в машинобудуванні для розробки реальних продуктів. 3D продукти поставляються з MCAD, CAx, PLM і CAD разом з повним пакетом опцій налаштування і розширень. Користувачі вибирають FreeCAD, завдяки простоті використання на основі QT. Це підтримує і інтегрує різні формати файлів, можна легко створити тривимірну фігуру з 2D, отримати деталі дизайну або відрегулювати розміри з достатньою кількістю компонентів. FreeCAD також поставляється з моделлю рендеринга 3D-сцен, сумісної з Open Inventor, панелями інструментів, перемикачами, всеосяжним API-інтерфейсом Python та макетами. Особливості програми: Велика онлайн-документація. Доступність для MacOS, Linux і Windows. Поставляється з інтерфейсом, який можна легко настроїти. Забезпечує інтегровану підтримку Python. Надає своїм користувачам всі здійснені і розширювані інструменти, які їм необхідні: робочі місця для маршрутів, географічні дані, експериментальні CFD, інструменти аналізу кінцевих елементів (FEA), модуль моделювання роботів, а також BIM. Підтримує анотації, такі як розміри і текст. Володіє безліччю сучасних функцій, безкоштовний для всіх.

Конструкторський інструмент Fusion 360

Fusion 360 для Windows – це 3D CAD-інструмент, розроблений Autodesk. Тривимірне моделювання в системі Fusion 360 орієнтована на дизайнерів і є потужним інструментом для розробки деталей, надає опції для тестування функціональності об'єктів і моделювання руху. Autodesk Fusion 360 заснований на хмарної технології. Створені дані завжди зберігаються в хмарі, що полегшує роботу в команді. Autodesk Fusion 360 охоплює наступні ключові фактори при розробці продукту: функціональне моделювання, візуалізація і підготовка до виробництва. Всі ці функції об'єднані в одному додатку. Форми працюють з функцією T-сплайна. Створюючи інтелектуальні відносини між компонентами, можна змоделювати функціональність збірок. Зв'язок окремих компонентів один з одним визначається суглобами. Шляхом регулювання властивостей, таких як жорсткість або обертання, компоненти можуть бути розташовані з потрібним переміщенням по відношенню один до одного. Щоб зробити виріб привабливим, Fusion 360 є ряд матеріалів, якими покривають потрібну поверхню. Користувальницький інтерфейс Autodesk Fusion 360 чітко організований. Панель меню забезпечує доступ до готового дизайну і можливість швидкого збереження поточних проектів. Крім того, дії можуть бути скасовані або перероблені одним клацанням миші. В розділі «Створити» конструюють прості або складні об'єкти. Доступ до історії проектування отримують через тимчасову шкалу, щоб можна було внести зміни і зберегти їх.

Відправна точка моделювання

Для ескізного об'єкта потрібно двомірна модель, яка потім перетвориться одним з основних способів: видавлювання, обертання і розгортка. Відправною точкою для PM моделі є ескіз, який спочатку має точну форму створюваної деталі або елемента і є інтелектуальним поданням деталі. Важливо проаналізувати та спланувати кожну частину перед проектуванням, щоб визначити найбільш ефективну послідовність створення. Незадовільні стратегії параметричного програмного моделювання призводять до появи деталей, створення яких буде займати більше часу із-за складного редагування. Проектуватися мають такі елементи, які забезпечують максимальну гнучкість і варіацію вироби, для цього, сприймаючи готову твердотільну модель, як сукупність змінних елементів.

Послідовність створення ескізу

Перед тим, як приступити до створення ескізу, модель повинна бути вивчена, щоб визначити найкращий профіль базового варіанту. Найкращий – це той, який повністю описують загальну форму, і мінімізує кількість функцій, необхідних для завершення проекту. Кожна нова частина містить три нескінченні опорні площини, які представляють у просторі передню, верхню і праву площини, що проходять через початок координат – нульова точка в просторі. Загальна процедура PM полягає у виборі найкращого профілю для першої характеристики моделі. Потім вибирають найбільш відповідну площину, на якій потрібно створити перший ескіз, щоб кінцевий варіант мав правильну орієнтацію при перегляді в графічному вигляді. Геометрія повинна створюватися шляхом захоплення обмежень під час створення ескізу, а потім вимірюватися для визначення остаточної геометрії. Повністю визначений варіант є чорним, незавершений є синім, а перевизначено - червоний. 2D ескіз потім перетворюється в 3D тверде тіло, шляхом видавлювання або обертання. Його можна перетворити на цілісні деталі з допомогою процесу розгортки, яка має функції витягування перпендикулярно площині креслення, і обертання елементів навколо осі. Цей метод переміщує його по траєкторії, що складається з прямої або вигнутої геометрії. Для креслення використовується кілька ескізів, з переходами від однієї фігури до іншої. Кожен сеанс пов'язаний з отриманням нового розміру. З готової моделі твердого тіла створюють креслярський файл зі стандартними розмірами ізометричних видів.

Переваги САПР

Параметричне моделювання САПР використовує різноманітні інструменти в різних областях, наприклад, геометричного моделювання, яке включає в себе диференціальну геометрію, теорію множин, алгебри матриць, теоретичну і прикладну інформатику. Ці інструменти можуть комбінуватися і відрізнятися в залежності від системи САПР і галузі застосування. Вони орієнтовані на вектор, що забезпечує противагу орієнтації сітки. САПР використовується для створення цифрових моделей проектування з різними характеристиками, які надають інформацію для виробництва необхідного виробу, за допомогою технічного креслення, передачі ЧПУ та інших. Перевага внутрішнього представлення моделі: Раціоналізація процесу побудови. Здатність легко і швидко змінювати моделі на сучасних етапах процесу проектування. Запобігає втрати інформації і помилки. Можливість використання в інших додатках Оптимізує конструкцію, поки продукт не буде готовий до виробництва. Тривимірні твердотільні моделі пропонують широкий спектр способів перегляду моделі. Візуалізація продукту, оскільки можна почати з простих об'єктів з мінімальними деталями. Інтеграція з наступними додатками і скорочення часу циклу розробки. Існуючі дані дизайну можуть бути повторно використані для створення нових проектів. Швидка зміна дизайну, підвищення ефективності. Цифрове виробництво. Одним з переваг програм параметричного моделювання є те, що вони дозволяють перенести цифрове виробництво безпосередньо в проект, оскільки інтегрується з допомогою верстатів з числовим програмним управлінням або 3D-принтерів.