За последние двадцать лет средства автоматизированного проектирования прошли путь от сравнительно простых чертежных систем до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих единую поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая подготовкой производства, испытаниями и сопровождением. Современные системы CAD/CAM/CAE не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции, что в конечном счете определяет ее конкурентоспособность. В данной статье речь пойдет о программных средствах компании Structural Dynamics Research Corporation (SDRC) - одного из поставщиков решений в области систем CAD/CAM/CAE, используемых в машиностроении, аэрокосмической отрасли, автомобильной и электронной промышленности. Основные продукты SDRC - интегрированный программный комплекс I-DEAS Master Series, пакет для управления данными - Metaphase Series 2, а также система САПР среднего класса - I-DEAS Artisan Series, предназначенная для работы на платформе NT.
Компания SDRC входит в пятерку наиболее известных поставщиков решений в области CAD/CAM/CAE. Сегодня продукция SDRC используется в подразделениях Ford Motors, Lockhead, Nissan, Mazda, Siemens, Xerox. В России и странах СНГ система I-DEAS работает, в частности, на ГКНПЦ им. Хруничева, АООТ "ГАЗ", ПО МАЗ и БЕЛАЗ, АО "Туламашзавод" и АО "Ижорасталь". Недавно компания выпустила новую версию системы I-DEAS - Master Series 5, а также систему среднего класса - I-DEAS Artisan Series.
I-DEAS Master Series
I-DEAS Master Series представляет собой интегрированный программный комплекс, включающий широкий набор функциональных модулей, предназначенных для проектирования и разработки механических деталей и конструкций.
Среди характерных особенностей I-DEAS Master Series можно отметить следующие:
Геометрическое моделирование
Центральное место в I-DEAS Master Series занимает модуль геометрического моделирования Master Modeler, который предоставляет средства трехмерного проектирования, обеспечивающие создание различных типов изделий машиностроения, включая детали, изготавливаемые путем инжекционного прессформования, механической обработки и литья. Описание геометрии основано на применении неоднородных рациональных В-сплайнов (NURBS), обеспечивающих точное описание кривых и поверхностей высокого порядка. Для представления геометрических данных в математической модели используются переменные двойной точности. Гибкость конструирования достигается за счет совместного использования различных методов построения объекта - каркасного, моделирования поверхностей и твердых тел, а также параметрических способов, основанных на применении характерных конструктивных элементов (features).
Средства эскизного черчения Sketch-in-Place, реализованные в I-DEAS Master Modeler, позволяют создавать геометрию на плоской поверхности, задавая размерные и геометрические конструктивные ограничения: касательность, параллельность, перпендикулярность, соосность и так далее относительно кромок или вершин твердотельной детали. При этом обеспечивается автоматический контроль и выявление недостатка или избыточности введенных ограничивающих условий. Геометрические взаимосвязи изображаются на эскизе и могут быть изменены в процессе проектирования. Контроль ограничивающих условий осуществляется при простановке размеров и ограничений. Если каркасная геометрия не ограничена, она изображается зеленым цветом, частично ограниченная-красным и полностью ограниченная-синим цветом.
В дополнение к Master Modeler используется модуль Master Surfacing, предназначенный для моделирования кривых и скульптурных поверхностей. Формируемые поверхности могут использоваться для описания границы в твердотельной модели. Для задания кривых и поверхностей применяются методы аппроксимации упорядоченных и неупорядоченных наборов точек, а также такие операции, как натягивание (lofting), развертывание (sweeping), соединение, проецирование и т. д. При этом обеспечивается как локальный, так и общий контроль формы проектируемых кривых и поверхностей. При моделировании поверхностей может использоваться вариационный подход на базе ограничений. Поверхности связываются с образующими их кривыми и кромками деталей. Когда конструкция детали изменяется, поверхности, связанные с деталью, автоматически перестраиваются. Вариационные возможности I-DEAS позволяют также создавать уравнения отношений между параметрами, контролирующими форму поверхностей.
Возможность использования характерных конструктивных элементов облегчает процесс описания геометрии моделируемых изделий. Модуль Master Modeler имеет встроенные средства задания оболочек, проточек, сквозных и глухих отверстий, профилей и т. п. Новая вариационная технология проектирования, разработанная SDRC и реализованная в программном комплексе I-DEAS Master Series, обеспечивает возможность параметрического описания размеров характерных элементов и их положения относительно других частей конструкции с использованием уравнений, которые определяют размерные ограничения и взаимосвязи, отражая правила проектирования в терминах зависимостей "если-то-иначе". Конструктивные элементы могут также снабжаться негеометрическими атрибутами. Возможности определения характерных элементов способствуют созданию каталогов стандартных конструкций и производственных деталей, специфических для каждого конкретного предприятия или отрасли.
Модуль Master Modeler предоставляет средства для ввода информации о размерах и допусках (GD&T-Geometric Dimensioning and Tolerancing). Служебные рамки и надписи наносятся непосредственно на 3D-модель, а синтаксические проверки и контроль выполнения ограничений позволяют автоматически выявлять ошибки в использовании GD&T стандартов.
В программных комплексах I-DEAS пользователям доступны разнообразные графические средства для просмотра и анализа конструкций и чертежей. Многие графические функции реализованы на аппаратном уровне, что повышает скорость вывода изображений и облегчает восприятие. На всех поддерживаемых платформах предоставляется полный набор средств трехмерной визуализации, включающий возможности получения реалистических изображений и выполнения операций динамического просмотра (перемещения, увеличения, вращения).
Интегрированное управление данными
I-DEAS Master Modeler служит базой многоцелевого моделирования в комплексе Master Series. Все данные, необходимые для процесса разработки механических деталей и сборок, хранятся в единой электронной информационной модели, с которой работают модули проектирования, черчения, анализа и подготовки производства. Эта модель называется главной и включает геометрию, топологию, вариационные размеры, состояние поверхностей, допуски и свойства материалов, чертежи, результаты моделирования и испытаний, информацию о механической обработке, иерархию сборки и взаимосвязи между деталями. Использование единой информационной модели обеспечивает основу для параллельного проектирования, открывая возможность одновременной работы над изделием различных специалистов: конструкторов, чертежников и технологов. Наряду с основными данными о модели в системе хранится также служебная информация: дата создания и внесения изменений, фамилии разработчиков и авторов внесенных корректив, атрибуты изделий, номера версий, история конструирования, описание и другое. Авторизованные изменения, вносимые в модель детали, отражаются во всех связанных с ней приложениях.
Интегрированная система управления данными Data Management расширяет возможности I-DEAS при работе группы пользователей. Ведущий инженер проекта имеет возможность конфигурировать проект, ограничивая, если требуется, доступ и определяя условия контроля. I-DEAS Data Management предоставляет активную систему уведомлений для информирования членов группы об изменениях состояния и создании новых версий объектов. Уведомления передаются по стандартной электронной почте. Внешние данные, которые имеют отношение к работе группы, могут быть введены в проект как специфические объекты I-DEAS со своими атрибутами, описаниями, историей и взаимосвязями с другими данными. Система Data Management предоставляет гибкий интерфейс программирования как часть I-DEAS Open Data, с помощью которого разработанные пользователем прикладные программы, а также системы контроля и управления данными других разработчиков могут получать доступ к информации, содержащейся в проектах I-DEAS.
Интерфейс пользователя
Одним из преимуществ программных комплексов SDRC является пользовательский интерфейс, эффективность интерактивного взаимодействия в котором достигается за счет реализации интуитивного стиля, обеспечиваемого Динамическим Навигатором (Dynamic Navigator). При перемещении графического курсора происходит высвечивание в реальном времени характерных геометрических элементов и особенностей (концевых точек, точек касания и пересечений, вершин углов, кромок деталей, поверхностей, конечных элементов, траекторий движения инструмента и т. д.), что облегчает и ускоряет выбор в сложных конструкциях. По мере движения курсора на объемной модели отмечаются также конструктивные взаимосвязи: касательность, параллельность и т. п., а форма курсора изменяется, отражая текущее условие. Система предвосхищает возможные действия пользователя, что позволяет с помощью поточной системы команд выполнять необходимые операции непосредственно на геометрической модели, не обращаясь к основному меню и наборам пиктограмм.
В системе можно работать как в режиме "выбор операндов - команда", так и в режиме "команда - выбор операндов". Для удобства указания наряду с главным меню имеются палитры пиктограмм, которые динамически изменяются, настраиваясь на текущее состояние системы. Пользователь может переконфигурировать наборы пиктограмм в соответствии со своими вкусами и потребностями, имея возможность также внести дополнительные элементы в главное меню для вызова собственных функций. Принципы построения интерфейса общие для всех модулей, что обеспечивает единый стиль работы в рамках программного комплекса.
В I-DEAS реализована справочная система, которая способствует быстрому освоению программных комплексов и обеспечивает средства оперативного доступа к документации непосредственно в процессе конструирования и проектирования. Модуль Smart View предоставляет полную библиотеку справочных данных для пользователей Master Series. Доступ к документации осуществляется с любого рабочего места в сети, непосредственно с CD-ROM или диска. Большинство баз данных Smart View имеют индексы, поэтому поиск можно вести непосредственно по темам. Гипертекстовые связи по всей документации позволяют двигаться по перекрестным ссылкам и быстро ориентироваться в широком диапазоне тем. Кроме того, система обеспечивает контекстно-чувствительный доступ к справочной информации из приложений I-DEAS, что позволяет получать ответы на конкретные вопросы непосредственно в процессе разработки. Пользователи могут распечатать собственные копии иллюстрированных документов, содержащих отдельные статьи или всю базу справочных данных.
Проектирование механических узлов и сборок
Входящий в состав I-DEAS Master Series модуль Master Assemly предоставляет набор интерактивных средств для создания механических сборок и управления ими. В пакете I-DEAS реализованы концепции проектирования "снизу вверх" и "сверху вниз". Детали позиционируются в узлах с использованием ограничений и взаимосвязей, что позволяет при изменении конструкции одной детали автоматически корректировать положение других элементов в узле. Модуль Master Assembly предоставляет возможность работы с неограниченным количеством деталей и уровней иерархии в узлах. Структура изделия связана с геометрией сборки и остается доступной для всей группы разработчиков. Проектирование узла может начинаться при отсутствии или неполном наборе данных по геометрии отдельных подузлов. Для таких подузлов в сборке определяются ограничивающие пространственные оболочки, которые по мере разработки дополняются детальными конструкциями.
Кроме того, модуль Master Assembly поддерживает параллельную работу группы конструкторов - заинтересованные разработчики имеют доступ к конструкции узла посредством стандартной библиотеки и возможностей управления данными. Информация у каждого из пользователей корректируется с учетом изменений, вносимых другими разработчиками.
Оценка конструкции также входит в перечень возможностей модуля Master Assembly. Предусмотрена проверка взаимного пересечения сборок, узлов и отдельных деталей, а также возможность моделирования кинематики конструкции. Использование вариационных технологий обеспечивает простоту внесения изменений в значения параметров элементов сборки и исследования их влияния на конструкцию в целом. Средства анализа функционирования механических узлов позволяют на ранних стадиях проектирования провести оценку качества создаваемых изделий.
Подготовка чертежной документации
Модуль I-DEAS Drafting предоставляет средства составления чертежной документации изделий по твердотельным моделям, созданным в модулях Master Modeler и Master Assembly. По геометрии модели создаются ортографические виды, сечения, детальные и дополнительные виды вместе с размерами и контрольными рамками характерных конструктивных элементов. Модуль Master Drafting тесно взаимосвязан с другими модулями комплекса, при этом достигается полная синхронизация чертежей и главной модели. Это позволяет начать работу над чертежом еще до того, как будет полностью закончено описание геометрии изделия. Последующие изменения, вносимые в проектируемую конструкцию, автоматически отражаются на чертеже. В то же время корректировка главной модели может быть достигнута путем изменения размеров на детализированном чертеже. Спецификации GD&T могут быть определены в главной модели и затем перенесены в Master Drafting. Существует также возможность их описания и редактирования на самом чертеже. В любом случае осуществляется автоматическая синтаксическая проверка на соответствие стандартам GD&T.
В модуль Master Drafting включены средства управления чертежами, которые позволяют осуществлять выбор документации по имени файлов, заголовкам блоков и именам проектов. Master Drafting имеет средства обмена данными с другими системами CAD/CAM. Специальные трансляторы, входящие в состав программного комплекса, обеспечивают преобразование чертежных и конструкторских данных из форматов I-DEAS в форматы IGES, DXF, VDA-FS, SET, STEP и обратно. Модуль I-DEAS Master Drafting может использоваться отдельно, как самостоятельная система черчения/проектирования, при этом все его функциональные возможности полностью сохраняются.
Конечно-элементное моделирование и анализ
Программное обеспечение SDRC предоставляет средства анализа, которые отвечают требованиям, предъявляемым к конечно-элементному моделированию. Модули, входящие в состав Master Series, позволяют строить конечно-элементные модели, проводить расчеты, обрабатывать и интерпретировать результаты, используя их для прямой оптимизации конструкции. Применение анализа дает возможность оценить работоспособность изделия, выбрать наилучшие концепции его построения, сократить циклы изготовления и испытания прототипов.
Программные модули Finite Element Modeling и Extended Finite Element Modeling предназначены для создания и проверки конечно-элементных моделей, а также для обработки результатов расчетов. Они функционируют в тесной взаимосвязи с другими модулями комплекса Master Series. Для редактирования геометрии в процессе конечно-элементного моделирования доступны все функции Master Modeler. Геометрические данные ассоциированы с данными анализа посредством главной модели. В случае изменения исходной детали при согласии пользователя соответствующие изменения в конечно-элементную модель вносятся автоматически.
Версия I-DEAS Master Series 5 позволяет создавать конечно-элементные модели в контексте сборки, причем как отдельных деталей, так и сборок.
Методы дискретизации, реализованные в I-DEAS, обеспечивают построение структурированных и неструктурированных сеток в автоматическом и полуавтоматическом режимах. Библиотека элементов включает более 50 типов одномерных, плоских и объемных элементов, имеются также средства для создания новых типов. При построении сеток применяются различные методы адаптации и допускается использование комбинированных элементов.
I-DEAS предоставляет возможности для задания структурных, термических, виброакустических нагрузок и граничных условий, которые могут быть описаны на геометрии, независимой конечно-элементной сетке или на конечно-элементной модели. Нагрузки и граничные условия связываются с геометрической моделью и сеткой, что позволяет обновлять их автоматически при изменении геометрии или сетки. Линейные нагрузки и граничные условия задаются с помощью модуля Finite Element Modeling. Для определения нелинейных условий предназначен модуль Extended Finite Element Modeling. Изменяющиеся во времени нагрузки задаются таблично или описываются в виде функций с помощью простых форм. Для контроля правильности ввода условий предусмотрено построение графиков определяемых величин.
Все свойства материалов и физические характеристики могут быть созданы интерактивно и ассоциированы с моделями. Модуль Material Data System предоставляет средства для управления встроенной базой данных материалов. Он обеспечивает сортировку и поиск материалов с заданными свойствами и предоставляет доступ во внешние каталоги данных.
Для облегчения моделирования конструкций определенных типов в I-DEAS включены специализированные модули: Beam Modeling - расчет балочных элементов, модуль I-DEAS Laminate Composites - анализ конструкций, изготовленных из композиционных материалов.
В комплекс Master Series включен модуль Simulation Advisor, который представляет собой базу знаний, содержащую правила построения расчетных сеток, задания нагрузок и интерпретации результатов. Данный модуль направляет пользователя в процессе проведения конечно-элементного моделирования и помогает выбрать тип элементов, задать нагрузки и граничные условия, а также правильно оценить результаты.
Программное обеспечение Model Solution Linear обеспечивает проведение базового линейного статического и динамического анализа с учетом тепловых процессов. Использование адаптивных сеток позволяет получать точные расчеты при минимальном интерактивном вмешательстве оператора. Дополнительно с помощью модуля Model Response на основе метода модальной суперпозиции может быть получена оценка динамического отклика модели на силовые и кинематические возбуждения, предусмотрено вычисление перемещений, скоростей, ускорений и напряжений.
Для решения задач, связанных как с нелинейностью геометрии, так и с нелинейными свойствами материалов, предназначен модуль Model Solution Nonlinear, который обеспечивает анализ больших деформаций и поворотов, пластических деформаций, ползучести и других эффектов. Расчет нелинейных и переходных процессов теплопередачи может быть выполнен с помощью модуля I-DEAS TMG, выполняющего расширенный термический анализ с учетом теплопроводности, излучения, конвекции, фазовых изменений и т. п.
Модуль Vibro-Acoustics позволяет решать задачи, включающие трехмерные конструкции, частично или полностью связанные с одной или более средами при воздействии на них механических и акустических возбуждений. Обширный набор решателей позволяет провести эффективное решение как для внутренней полости, так и для внешней акустической среды. Модуль Durability в версии I-DEAS Master Series 5 позволяет провести расчет усталостной долговечности конструкции с учетом ее динамического поведения.
В состав Master Series входят также программные средства для моделирования процессов заполнения пресс-форм, охлаждения электронных систем и других задач. Дополнительно к этому I-DEAS предоставляет интерфейсы к расчетным системам ABAQUS, ANSYS и NASTRAN. Компания SDRC сотрудничает с 30 поставщиками специализированного программного обеспечения конечно-элементного анализа и поддерживает разработку интерфейсов для связи с I-DEAS. Кроме того, пользователи имеют возможность подключения к I-DEAS своих собственных задач, для этого используется либо универсальный I-DEAS файл формата ASCII, либо интерфейсы прикладного программирования I-DEAS Open DATA и I-DEAS Open Link.
Входящий в Master Series модуль Optimization предоставляет возможности для оптимизации проектируемых конструкций. Допустимые изменения геометрических размеров задаются непосредственно на главной модели. Целевая функция, ограничения на перемещения, значения напряжений или собственные частоты вводятся с помощью простых форм. В I-DEAS интегрирован полный цикл оптимизации, включающий обновление геометрии, конечно-элементной модели и решения. Средства модуля Optimization позволяют выполнять оптимизацию сложных конструкций, находящихся под воздействием многочисленных нагрузок, что выходит за пределы возможностей методов, выполняемых вручную. При этом система I-DEAS поддерживает анализ чувствительности, позволяющий оценить восприимчивость параметров работоспособности изделия к изменениям различных конструктивных переменных.
Для анализа и интерпретации результатов I-DEAS предоставляет средства пост-обработки. Наряду с разнообразными графическими методами визуализации результатов имеются возможности для расчета и отображения производных величин. Полученные данные могут быть отсортированы по диапазону нагрузок. Предусмотрены средства для подготовки разнообразных отчетов и аннотаций.
Подготовка производства
В программном комплексе Master Series интегрированы в единую систему задачи планирования производства, оснастки и программирования станков с ЧПУ. Модуль Generative Machining предоставляет интеллектуальные средства создания управляющих программ для станков с ЧПУ на основе операций с твердотельной моделью, разработанной в модуле Master Modeler. При этом учитывается станочное окружение: деталь, топология заготовки, захват, зажим, станок. С помощью главной модели, обеспечивающей однозначное представление геометрии, рассчитывается траектория движения инструмента, которая позволяет избежать зарезов детали и столкновений с захватами и зажимами. В то же время при заданных допусках проводится оптимизация траектории для уменьшения износа инструмента. Изменения в конструкции детали, заготовки, захватов и зажимов непосредственно связаны с обработкой. В качестве отклика на эти изменения система инициирует пересмотр траектории. Модуль Generative Mashining поддерживает обработку деталей на двух, на двух с половиной и трех координатных станках. Специальный модуль I-DEAS G-Post используется для генерации постпроцессоров, превращающих стандартную программу, полученную в результате работы Generative Mashining, в последовательность команд, управляющих конкретным оборудованием. Использование встроенной базы знаний помогает выбрать разумную стратегию и тактику обработки деталей.
Испытательные приложения I-DEAS Master Series дают возможность на ранних стадиях проектирования проводить тестирование конструкций и устанавливать более эффективную связь с различными видами проектной и расчетной деятельности. В системе предоставляются специальные решения для акустического и порядкового анализов, измерений временных историй, спектров и акустической интенсивности, модального анализа, анализа вращающихся машин, обработки рабочих данных и проверки конечно-элементного и акустического анализов.
