Жизненный цикл продукта. Роль геометрического моделирования (лекция 1)

1.

ИНЖЕНЕРНАЯ И КОМПЬЮТЕРНАЯ
ГРАФИКА
Лекция 1. Жизненный цикл
продукта. Роль геометрического
моделирования. Способы
моделирования
Лектор: доцент каф. инженерной графики
Самарского университета,
Калабухов Дмитрий Сергеевич
443086 г. Самара, Московское шоссе 34,
комн. 225-3
[email protected]
Самара, 2023

2.

ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
Цели и задачи курса продиктованы основными требованиями современного
производства к уровню геометро-модельной подготовки (ГМП) специалиста в
области инжиниринга:
• создание геометрических моделей объекта производства, его деталей,
технологических схем оборудования на основе 2D и 3D моделирования, в том
числе параметрического для типовых изделий;
• автоматизированный выпуск комплектов конструкторской и технологической
документации по 3D моделям различных изделий на основе технологии баз
данных в среде единого информационного пространства.
Обобщенные профессиональные компетенции (ПК) выпускника:
• способность использовать современные информационные технологии при
проектировании машиностроительных изделий;
• способность разрабатывать проектную и рабочую техническую документацию,
оформлять законченные проектно-конструкторских работы;
• способность разрабатывать (на основе действующих стандартов) техническую
документацию (в электронном виде) для регламентного эксплуатационного
обслуживания средств и систем машиностроительных производств;
• способность использовать современные информационные технологии при
изготовлении машиностроительной продукции.
2

3.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ПРОДУКТА
Жизненный цикл продукта – это последовательность этапов от его создания и
появления на рынке до ухода с него или снятия с производства.
3

4.

СИНТЕЗ И АНАЛИЗ В ПРОЕКТИРОВАНИИ
Результатом подпроцесса синтеза является концептуальный проект предполагаемого продукта в
форме эскиза или топологического чертежа, отражающего связи различных компонентов продукта. В
этой части цикла делаются основные финансовые вложения, необходимые для реализации идеи
продукта, а также определяется его функциональность. Большая часть информации, порождаемой и
обрабатываемой в рамках подпроцесса синтеза, является качественной, а следовательно, неудобной
для компьютерной обработки.
Результатом подпроцесса анализа является проектная документация. Прежде всего, концептуальный
проект анализируется и оптимизируется путем создания аналитической модели . Она образуется
если из проекта удалить маловажные детали, факторы и процессы, редуцировать размерности,
учесть имеющуюся симметрию и т.д.
4

5.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА
Процесс производства начинается с планирования, которое выполняется на основании
полученных на этапе проектирования чертежей, а заканчивается готовым продуктом.
Технологическая подготовка производства — это этап, устанавливающий список
технологических процессов по изготовлению продукта и задающий их параметры.
Одновременно выбирается оборудование, на котором будут производиться
технологические операции, такие как получение детали нужной формы из заготовки. В
результате подготовки производства составляются план выпуска, списки материалов и
управляющие программы (УП) для оборудования с ЧПУ.
На этом же этапе обрабатываются прочие специфические требования, в частности
рассматриваются конструкции средств технологического оснащения (зажимов,
креплений и пр.). Подготовка занимает в процессе производства примерно такое же
место, как подпроцесс синтеза в процессе проектирования, требуя значительного
человеческого опыта и принятия качественных решений. Такая характеристика
подразумевает сложность компьютеризации данного этапа.
После завершения технологической подготовки начинается выпуск готового продукта
и его проверка на соответствие требованиям. Детали, успешно проходящие контроль
качества, собираются вместе, проходят тестирование функциональности, упаковываются,
маркируются и отгружаются заказчикам.
5

6.

МЕСТО CAD/CAM/CAE/PDM В ЖЦ ИЗДЕЛИЯ
6

7.

ПОНЯТИЕ САПР (CAD)
Система автоматизированного проектирования [(САПР), англ. Computer-aided design
(CAD)] — автоматизированная система, реализующая информационную технологию
выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую
систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из
персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его
деятельности.
Использование САПР в проектировании электронных систем известно как автоматизация
электронного проектирования (англ. EDA). В механическом проектировании САПР известен
как механическая автоматизация проектирования (англ. MDA) или автоматизированное
составление чертежей (англ. CAD-computer aided drawing), который включает процесс
создания технического чертежа с использованием компьютерного программного
обеспечения.
Программное обеспечение САПР для механического проектирования использует
векторную графику в целях изображения объектов традиционного черчения или может
также создавать растровую графику, отображающую общий вид проектируемых объектов.
САПР может использоваться для проектирования кривых и фигур в двумерном (2D)
пространстве; или кривых, поверхностей и твердых тел в трехмерном (3D) пространстве.
7

8.

CAD/CAM/CAE системы
Автоматизированное проектирование (computer-aided design — CAD) представляет собой
технологию, состоящую в использовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения,
анализа и оптимизации проектов. В общем смысле, любая программа, работающая с компьютерной
графикой, относится к САПР. При этом самая основная функция CAD — определение геометрии
конструкции, поскольку геометрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта.
Для этой цели обычно используются системы геометрического моделирования и разработки
рабочих чертежей.
Автоматизированное конструирование (computer-aided engineering — CAE) — это технология,
состоящая в использовании компьютерных систем для анализа геометрии CAD, моделирования и
изучения поведения продукта для усовершенствования и оптимизации его конструкции. Средства CAE
могут осуществлять множество различных вариантов анализа: кинематического, прочностного,
термодинамического, гидро/газодинамичсекого, электромагнитного и т.д. Основу CAE составляет
метод конечных элементов.
Автоматизированное производство (computer-aided manufacturing — САМ) — это технология,
состоящая в использовании компьютерных систем для планирования, управления и контроля
операций производства через прямой или косвенный интерфейс с производственными ресурсами
предприятия. Одним из наиболее зрелых подходов к автоматизации производства является числовое
программное управление (ЧПУ, numerical control — NC).
Таким образом, технологии CAD, САМ и CAE заключаются в автоматизации и повышении
эффективности конкретных стадий жизненного цикла продукта. Развиваясь независимо, эти системы
еще не до конца реализовали потенциал интеграции проектирования и производства. Для решения
этой проблемы была предложена новая технология, получившая название компьютеризованного
интегрированного производства (computer-integrated manufacturing — CIM).
8

9.

РЕЗЮМЕ
Трехмерная геометрия изделия
формируется с помощью CAD
Моделирование физических
процессов в изделии осуществляется
с помощью CAE
Подготовка управляющих программ
ЧПУ и виртуальная имитация
процесса изготовления – CAM
9

10.

ЗАДАЧИ КУРСА ИНЖЕНЕРНОЙ И КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ
1. Освоение тем по проецированию на плоскости и правила построения
аксонометрических проекций, традиционно рассматриваемых в курсе
начертательной геометрии, а также формирующего умения и навыки по созданию
пространственных и плоских компьютерных объектов, по способам решения
позиционных и метрических задач, по решению задач с использованием
преобразований по циклу 2D-3D-2D;
2. Освоение вопросов геометрического и проекционного
соответствующих предметной области инженерной графики.
черчения,
3. Освоение стандартов ЕСКД, необходимых для выпуска технической
документации, в том числе в автоматизированном режиме осуществляется
студентами путем решения традиционных задач курса инженерной графики.
10

11.

ОБЪЁМНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТВЁРДОГО ТЕЛА. СПОСОБЫ
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Модель - такое представление данных, которое наиболее адекватно отражает
свойства реального объекта, существенные для процесса проектирования.
Геометрические модели описывают объекты, обладающие геометрическими
свойствами.
Геометрическое моделирование - моделирование объектов различной
природы с помощью геометрических типов данных.
Типы (способы) объёмного моделирования
Хронологически различают следующие подходы к геометрическому
моделированию:
• каркасное моделирование;
• поверхностное моделирование;
• твердотельное моделирование;
• немногообразное (гибридное) моделирование.
11

12.

КАРКАСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Каркасное моделирование – это представление моделируемого трехмерного
объекта в виде набора характеризующих ее линий и конечных точек. Изменение
формы осуществляется путем изменения положения и размеров отрезков и
точек. Другими словами, визуальная модель представляет собой каркасный
чертеж формы, а соответствующее математическое описание
представляет собой набор уравнений кривых, координат точек и сведений о
связности кривых и точек.
неоднозначные модели
12

13.

ПОВЕРХНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Поверхностное моделирование – это представление моделируемого
трехмерного объекта как совокупность поверхностей. По сути это создание
внешней оболочки изделия. Геометрические модели на основе поверхностного
представления обеспечивают качественную визуализацию, более простой
переход к построению расчетных сеток для численного моделирования,
обеспечивают
построение
пространственных
сопряжений,
сечений,
определение линии пересечения оболочек, генерацию чертежных проекций.
Математическое описание визуальной модели включает в себя не только
сведения о характеристических линиях и их конечных точках, как в каркасном
моделировании, но и данные о поверхностях.
Поверхностные модели различаются по способу аппроксимации поверхности:
полигональная;
NURBS (т.е. B-сплайн).
Поверхностное моделирование играет важную роль при проектировании
изделий из листового металла (sheet metal parts), таких как капоты и крылья
автомобилей, где форма поверхности важна как для дизайна, так и для
аэродинамики изделия.
13

14.

ПОВЕРХНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Полигональное аппроксимирование
NURBS аппроксимирование
Поверхностное моделирование в CAD КОМПАС:
14
14

15.

ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Твердотельное (объемное) моделирование - логическое развитие каркасного и
поверхностного. Основной объект моделирования - трехмерное объемное тело,
которое может описываться разными способами: декомпозиционным,
конструктивным или граничным. Главным преимуществом твердотельного
моделирования перед каркасным и поверхностным является свойство
физической корректности - все твердотельные модели имеют аналоги в
реальном мире (чего не скажешь о каркасных и поверхностных моделях).
Математическое описание объекта, созданного в системе твердотельного
моделирования, содержит сведения, по которым система может
определить, где находится какая-либо точка: внутри объема, снаружи него
или на его границе. По этим сведениям можно получить любую информацию
об объеме тела, а значит, могут быть написаны приложения, работающие с
объектом на уровне объема, а не на уровне поверхности.
15

16.

ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Ячеечная
декомпозиционная
модель
Воксельная декомпозиционная
модель
Конструктивные
модели
Граничная твердотельная модель
16
16

17.

БЛАГОДАРЮ
ЗА ВНИМАНИЕ
10