Друзья!

Перед вами первая часть нашей небольшой серии публикаций "Планирование и оптимизация порядка построения 3D модели", в которой будут рассмотрены базовые принципы работы в CAD системах и способы оптимизации процесса 3D моделирования. Данная информация будет особенно полезна новым пользователям T-FLEX CAD. В дополнение рекомендуем загрузить учебную версию T-FLEX CAD и изучить учебное пособие.

Материал подготовил Черанёв Иван, ведущий инженер-конструктор Отдела технологической подготовки производства ВСЗ. Вы можете ознакомиться с предыдущей статьей автора – «Автоматизация проектирования в судостроительном производстве с помощью САПР T-FLEX CAD на опыте Выборгского судостроительного завода». 

Введение в CAD системы

CAD системы как часть технологии трёхмерного компьютерного моделирования в настоящее время стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они охватили практически все отрасли промышленного производства, а также архитектуру, строительство и дизайн (но тут уже своя специфика и свои специализированные системы, их трогать не будем). В арсенале CAD систем имеется множество различных инструментов с разнообразными опциями, что даёт пользователю широкие возможности в проектировании самых разнообразных моделей: от гаек до межгалактических кораблей. И большая часть специалистов (конструкторов, технологов и т. д.) уже освоили ту или иную CAD систему и используют её в своей работе. Кто-то овладел ей в совершенстве и дальше ему читать будет неинтересно, но наверняка ещё многие находятся на разных этапах изучения трёхмерного моделирования — от освоения базовых приёмов работы до программирования и написания своих приложений.

Зачастую у пользователя нет возможности пройти хорошее обучение по работе с системой, изучать её приходится самостоятельно по различным книжкам и видеоурокам или методом собственных проб и ошибок. Порой пользователь ограничивается освоением некоторого относительно небольшого набора инструментов, которого он для себя считает достаточным. Но на практике этого набора может оказаться недостаточно для эффективной работы. Кроме того, в процессе обучения, по мнению автора и на основании личного опыта, мало уделяется внимания планированию моделирования – выбору оптимального порядка построения модели. Порой это приводит к лишним построениям и переделкам модели. В отдельных случаях при необходимой корректировки плохо продуманной модели оказывается легче начать строить её заново, чем редактировать. Мало знать, как начертить профиль и как построить плоскость или выталкивание, нужно ещё определить порядок их построения, чтобы в итоге получить оптимальную модель. При изучении системы пользователю необходимо также научиться планировать процесс моделирования, то есть выбирать наиболее оптимальные операции и порядок их использования.

Попробуем вместе (автор такой же моделист-самоучка) разобраться в теории и практике планирования процесса создания модели    на примере   системы    твердотельного   параметрического    моделирования  T-FLEX CAD 17. При этом все приведённые здесь рассуждения в той или иной степени также применимы к любой САПР с учётом их особенностей.  

Как завещали нам классики, практика без теории не сулит ничего хорошего, поэтому прежде чем заниматься многократным построением и перестройкой одной и той же модели, отсчитывая затраченные минуты и нажатия клавиш в поисках самого быстрого способа, начнём именно с теоретической подготовки и выясним, в чём же заключается моделирование, и какую модель можно считать оптимальной.

Под теорией при этом не имеется в виду знание языков программирования и специфических инженерных познаний (они тоже очень нужны), в данном случае речь идёт о знании используемой CAD системы, её принципов, логики и правил, которые придётся понять и использовать нам. Общие сведения о системе, интерфейсе и способах работы здесь подробно рассматривать не будем — об этом можно узнать (что настоятельно рекомендуется сделать) из имеющейся в программе справочной системы, штатного учебного пособия, разных книг-самоучителей и различных видео в Интернете (сейчас это можно найти практически для любой CAD системы). На Рис. 1 приведён общий вид интерфейса T-FLEX CAD. Для тех, кто только начинает осваивать моделирование, стоить изучить основные элементы: 3D и 2D окна, дерево построения (окно «3D модель»; обратите внимание на порядок и логику отображения в нём различных элементов модели), панели инструментов. Для начала полезно будет просмотреть их все, понажимать кнопки и разобраться, что с их помощью можно получить. Кнопка F1 в помощь, при запущенной команде получить краткую справку можно просто наведя курсор на кнопку, если такая опция включена в настройках (Рис. 1).

Рис.1 - Интерфейс T-FLEX CAD 17

Оставим изучение интерфейса и основ работы с системой на самостоятельное изучение. Используйте для этого учебное пособие T-FLEX CAD 17. 

Основные принципы моделирования

Попробуем сформулировать и кратко пояснить основные принципы, на которых можно основать методику планирования моделирования. Понимание этих принципов позволит д добиться более эффективной работы с CAD системой.

1. Модель – это многообразие элементов. 3D модель – это не просто объёмная картинка в трёхмерном пространстве. Хотя нередки случаи, когда модель строят по готовым чертежам именно с целью простой визуализации. Это уместно в процессе начального обучения моделированию, но при проектировании новых изделий приводит лишь к выполнению двойной работы и потери времени. 3D модель является довольно сложной системой из множества разных элементов, параметров, атрибутов и прочего. В дереве построения (окно «3D модель», рис. 1) как раз и отображаются все элементы модели. Основная их часть связана с геометрией модели, при этом возможно провести разделение на две основные группы — 3D построения и операции, формирующие тела.

3D построения — это «теоретическая» геометрия, ненаполненная материалом - 3D узлы, линии (оси, прямые и кривые пути, профили), плоскости, системы координат. Зачастую они малозаметны и, не являясь частью тел модели - элементов моделируемой конструкции, составляют каркас, на который опирается вся модель. Практически невозможно построить модель без использования 3D построений, они могут задавать геометрическую форму, размеры, относительное пространственное положение других элементов. В моделях со сложной геометрией поверхностей (основанных на пространственных кривых, а не на просто большом наборе простых форм) подавляющая часть времени будет тратиться именно на эти построения. На рис. 2, а показано отображение 3D построений в дереве модели. 

а)                                           б)                                                                                в)                            

Рис. 2 - Элементы модели в дереве построения: а) 3D построения; б) операции и тела; в) раскрытие дерева построения тела

Вторая большая группа элементов, которую можно назвать «формообразующими», создает внешний вид модели. Здесь операции образуют тела и поверхности, формирующие проектируемую деталь. Они могут добавлять или удалять «материал» в модели, изменять форму тел (деформируют тело), размещать в модели другие модели (фрагменты) и т. д. На рис. 2, б показано отображение операций и тел в дереве построений. При этом тела показаны отдельно от списка операций, а каждое тело отображает историю своего создания.

Есть ещё третья группа элементов, они не геометрические, их можно назвать информационными — сведения о материалах, структуре сборки и спецификации, базах данных, переменных, элементах оформления и прочее. Они также имеют большое значение, особенно переменные, с помощью которых можно полностью управлять моделью — её геометрией, составом, отображением. Для эффективной работы при изучении системы следует уделить особое внимание этой составляющей модели.

Всё описанное выше многообразие элементов объединяется в одну целую систему — 3D модель благодаря второму принципу.

2. Все элементы модели взаимосвязаны. Элементы модели не создаются сами по себе. В процессе моделирования между ними возникают связи. На Рис.2, в показано раскрытое дерево построения одного из тел — история его создания в виде цепочки операций, геометрических элементов и 3D построений. Эта последовательность операций и элементов построения и отображает цепочку взаимосвязей «родитель» - «потомок». «Родитель» - это элемент, на основе которого построена текущая операция. Элемент «потомок» эту операцию использует.

Рис.3 - Связи «родитель» – «потомок» между элементами в модели

И «родителей», и «потомков» может быть много. Для каждого элемента в цепочке их можно посмотреть через команду «Информация» в контекстном меню, выделив операцию/построение (Рис.3). Это окно позволяет понять, как и в каком порядке модель строилась, например, если над ней работал кто-то другой. Так же можно узнать, что вызовет попытка изменения/удаления одного из элементов.

Взаимосвязи между элементами модели возникают разными способами, чаще всего при непосредственном участии пользователя: при выборе грани для рисования профиля (на грани создастся рабочая плоскость, а уже на ней профиль, к тому же грань автоматически проецируется на плоскость), при проецировании граней и 3D узлов при рисовании профиля, при указании границ и направления выталкивания, оси массива, плоскости симметрии и т. д. Кроме того, все операции, которыми было создано тело, естественно связаны между собой принадлежностью к этому телу, с учётом последовательности их создания. Например, если в теле сначала создать отверстие, а затем геометрически несвязанный с ним выступ (не имеющий привязок к поверхностям самого отверстия и примыкающих к нему), то операция, создавшая отверстие, всё равно будет среди «родителей» выступа. Зачастую такие связи проявляются (иногда неожиданно) в процессе редактирования модели, и особенно при удалении элементов. В этом случае система предлагает выбрать, что сделать с «потомками» (зависимыми элементами) — удалить или переопределить, разрывая связи. Система может переопределить некоторые связи (выступ в примере выше может быть легко сохранён при удалении отверстия) или просто разорвать их. Правда не все, если в теле удалить отверстие, в котором была создана фаска, то сохранить эту фаску естественно будет невозможно. На Рис.4 показан пример вариантов удаления булевой операции из модели. Каждый из вариантов предполагает разный набор удаляемых и переопределяемых элементов.

Рис. 4 - Способы удаления элементов модели

Связать операции и построения между собой можно и другими способами, например, с помощью переменных. Они позволяют управлять не только геометрией модели (размерами и относительным положением в пространстве), но и составом модели, то есть исключать из неё отдельные тела, фрагменты. К примеру, в зависимости от величины зазора между двумя деталями можно включать или подавлять в сборке шайбу между ними. Наличие этих взаимосвязей позволяет задать в модели не только необходимые размеры, но и другие правила и ограничения, по которым модель должна изменяться или сохранять свою конфигурацию в процессе её создания и редактирования. Знание и грамотное использование таких взаимосвязей позволяет добиться, например, высокой гибкости модели - способности сохранять заданную геометрию без сбоев при изменении исходных заданных параметров в широких пределах (параметрические библиотеки типовых моделей) либо наоборот практически полностью перестраиваться с изменением одного-двух параметров.

Как показывает накопленный автором опыт, серьёзное изменение модели в процессе проектирования детали – частое явление. При этих корректировках велика вероятность нарушения геометрии, поэтому правильное формирование связей между элементами в процессе построения модели может существенно облегчить её дальнейшее использование. А помогает заложить в модели необходимые связи третий принцип.

3. Модель создаётся по частям отдельными операциями. Чтобы правильно сформировать связи в модели, необходимо сначала определиться, какие именно операции и построения в ней необходимы. Редко какую модель можно создать сразу одной операцией, разве что совсем примитивную. Для создания подавляющего числа моделей потребуется создавать несколько последовательных «формообразующих» операций, каждая из которых будет формировать отдельную часть тела модели. А, чтобы понять, какой операцией воспользоваться для построения той или иной части, модель надо «расчленить». Следует вначале разобраться, из каких частей (деталей, фрагментов, тел, поверхностей) она будет состоять, то есть определить конструкцию модели. Для этого надо получить представление о том, как именно будет выглядеть проектируемая деталь и определиться с тем, что должно быть получено в итоге. Поэтому учиться лучше по готовым чертежам, материальным предметам, лежащим на столе, или предварительно делать карандашные эскизы. Конструкцию (планируемую или зарисованную) следует последовательно разобрать сначала на детали и тела, а затем их – на поверхности и элементы (рис. 5, это довольно простой пример, можете взять предмет посложнее из тех, что есть под рукой).

Рис. 5 - Тела и поверхности в модели

Степень разборки модели во многом зависит от её формы и сложности геометрии, а также от навыков пользователя. Естественно, что при упрощении детали и при накоплении практического опыта необходимость в глубоком анализе геометрии снижается, а выбор операций и их последовательности пойдёт уже «на автомате». Но на этапе освоения CAD системы это может быть полезно в плане расширения набора используемых инструментов.

После «разборки» модели необходимо разобраться, какими инструментами можно построить получившиеся элементы. Необходимо хотя бы по справке изучить все «формообразующие» инструменты и понять, какие геометрические поверхности они способны создавать. Собственно, геометрия этих элементов и является подсказкой. К примеру, если это группа соосных поверхностей вращения (цилиндры, конуса, сферы и т.д.), то для их получения логично использовать операцию вращения. Для группы цилиндрических поверхностей (это не только цилиндры) с параллельными образующими применима в первую очередь операция выталкивания. А при наличии симметричной или повторяющейся по определённому правилу геометрии имеет смысл использовать зеркальные отображения, массивы и копии. Для получения поверхностей с более сложной геометрией можно «примерять» построение по сечениям (если есть подходящие профили, по которым, как по каркасу, «натягивается» поверхность) или по траектории (если можно подобрать подходящий контур, который двигаясь определённым способом, создаёт нужную геометрию). Возможно также разбиение модели на части, которые строятся по отдельности, а затем собираются обратно. На Рис.6 показаны примеры построения тел выталкиванием (а), вращением (б), по сечениям (в) и по траектории (г).

Рис. 6 - Примеры построения тел разными способами:   а) выталкиванием;  б) вращением;   в) по сечениям;                      г) по траектории

Для некоторых случаев (в практике автора – крайне редких, но для кого-то могут оказаться частыми) потребуются операции деформирования тела (примеры на Рис.7 – скручивание квадратного стержня и изгиб сетки). А ещё есть отдельный блок операций для работы с листовыми телами и другие команды. При этом практически всегда одно и то же тело можно построить разными способами, одной или несколькими операциями в различном их сочетании.

От выбора способа построения («формообразующей» операции) той или иной геометрии будет зависеть многое: возможность объединить в одну операцию построение нескольких поверхностей, необходимые привязки, 3D построения или дополнительные операции (учитывая их количество и сложность), удобство использования результата операции для последующих построений (в том числе массивов), возможность использования готового 3D фрагмента (библиотечного или из ранних разработок) в качестве заготовки.

При выборе способов построения элементов модели необходимо планировать порядок их построения. Учитывая возникновение связей между элементами (принцип 2), возникает принцип 4.

4. Порядок построения модели очень важен. Все элементы взаимосвязаны. В свою очередь, эти связи зависят от порядка построения модели (принцип 2), поэтому его необходимо продумывать, то есть планировать процесс моделирования. Исходить следует из того, какие взаимосвязи элементов нужны, а какие нежелательны. В основном планирование состоит в следующем:

• объединение поверхностей модели в группы (в части модели), которые могут (или даже обязательно должны) создаваться в рамках одной операции по определённым соображениям. Например, создание выступов одинаковой высоты или сложного ступенчатого отверстия);
• подбор операции для создания этой группы поверхностей (части тела). Практически в большинстве случаев операция выбирается одновременно с созданием групп поверхностей, так как зачастую они объединяются именно под конкретную операцию; 
• определение необходимых образующих и направляющих линий, профилей, сечений, плоскостей, точек, ограничивающей геометрии, привязок, обеспечивающих соблюдение заданных размеров и так далее – то есть опорной геометрии или каркаса. При этом для создания этих элементов, возможно, потребуются ещё дополнительные построения. К примеру, проецирование профилей на грани, создание дополнительных тел-оболочек (без толщины). В основное создаваемое тело входить они не будут, но обеспечат нужную геометрию;
• определение технологии – порядка построения модели, включая ориентацию в пространстве, создание геометрических построений и «формообразующих» операций, а также переменных, баз данных и прочего при необходимости. 

Рис.7. Примеры деформации тела

Обобщая сформулированные принципы, можно сказать, что 3D моделирование (как процесс) — это построение нужной трёхмерной геометрии с помощью геометрических построений и «формообразующих» операций, с установлением между ними определённых взаимосвязей в определённом порядке.

Загрузка бесплатной учебной версии T-FLEX CAD 17

Загрузка учебного пособия