Трехмерное (твердотельное) моделирование

В настоящее время для повышения эффективности труда конструктора и качества разрабатываемой продукции вместо плоского проекционного черчения широко применяют трехмерное (твердотельное) моделирование, которое работает с объектами, состоящими из замкнутого контура или монолита (solid). Оно обеспечивает полное однозначное описание 3D геометрической формы.

При твердотельном способе основными инструментами являются тела, ограниченные поверхностями, а главными операциями — булевы: объединение, дополнение, пересечение. В этом случае конструктор должен представить изделие семейством простых (шар, тор, цилиндр, пирамида и т. п.) и более сложных тел. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки.

Твердое тело — область трехмерного пространства, состоящая из однородного материала и ограниченная замкнутой поверхностью. Она может быть сформирована из одной или нескольких стыкующихся граней (рис. 2.50).

Твердые тела

Рис. 2.50. Твердые тела: призма (семь граней) и шар (одна грань)

В отличие от двумерного чертежа, трехмерная модель является однозначным представлением геометрии и количественного состава объекта. Трехмерная твердотельная модель состоит из отдельных объемных элементов, которые образуют в ней грани, ребра и вершины (рис. 2.51). Процесс построения твердотельной модели состоит из последовательного добавления и (или) удаления материала детали.

В трехмерном моделировании работа идет со множеством точек, расположенных на поверхности моделируемого объекта и внутри него. Базовым продуктом среды 3D-моделирования является, как правило, математическая модель твердого тела: обладающая топологией, геометрией, набором физико-механических свойств, необходимых для анализа поведения деталей и сборочных единиц и обеспечения их работоспособности на этапе проектирования.

Трехмерная твердотельная модель

Рис. 2.51. Трехмерная твердотельная модель

Фрагменты канонических поверхностей (сфер, цилиндров, конусов) задаются указанием декартовых координат этих поверхностей и пределов параметрического лоскута. Другие поверхности создаются на основе плоских и трехмерных профилей — путем их протягивания или вращения (причем сам профиль может изменяться во время протягивания либо внутренней аппроксимации замкнутого граничного профиля). Наконец, поверхности третьего вида строятся на основе уже построенных поверхностей — это либо равноудаленные поверхности (offset), поверхности с переменным удалением от существующей, а также поверхности, соединяющие (с требуемой степенью гладкости) другие поверхности. С трехмерной модели может быть получена не только информация о координатах любой точки на поверхности, но и другие характеристики: дифференциальные (нормали, кривизны и т. д.) или интегральные (объем, площадь поверхности, моменты инерции и т. д.). На ее основе всегда можно получить плоские модели: виды, сечения и разрезы.

Трехмерное моделирование существенно сложнее двумерного (количество видов трехмерных геометрических форм существенно больше, чем двумерных, а сложность их алгоритмической обработки существенно выше). Общим местом при реализации всех видов трехмерного проектирования в современных САПР является использование параметрического подхода на основе истории построения и наличие лишь ограниченных возможностей вариационного проектирования.

Создание 3D-модели методами твердотельного моделирования предполагает определенную последовательность выполнения операций. Твердотельное 3D-моделирование на основе иерархического Дерева построения позволяет значительно облегчить и ускорить создание CAD-модели. Трехмерное моделирование получило широкое распространение в наукоемких отраслях (автомобильной, авиационной, космической, судостроительной и др.), так как повышает эффективность проектирования. Сложившиеся традиции в области трехмерного проектирования основаны на использовании стандартных конструктивных элементов.

Твердотельные модели позволяют:

  • • разграничить внешние и внутренние области объекта;
  • • получить тоновые эффекты;
  • • реализовать качественные изображения форм, компонентов и сечений;
  • • обеспечить автоматическое удаление скрытых линий;
  • • автоматически построить трехмерные разрезы, необходимые для анализа сложных деталей и сборочных изделий;
  • • получить точные весовые характеристики объекта;
  • • манипулировать источниками света;
  • • применить анализ методом конечных элементов;
  • • имитировать работу механизмов;
  • • генерировать траектории движения инструментов при обработке заготовок на металлорежущих станках.

Сегодня интерес предприятий к корпоративной стратегии, основанной только на компьютерной модели изделия, постоянно растет. Термин «Model-Based Enterprise» означает методологию создания изделий, базирующуюся на том, что инженеры могут узнавать точные размеры непосредственно по 3D-модели, а также аннотировать ее без необходимости распечатывать 20-чертежи. Такой подход полностью исключает ошибки, которые возникают, когда чертежи изделия перестают соответствовать 3D-моделям. Слово «Enterprise» в данном контексте акцентирует то, что аннотированная 3D-модель используется во всех процессах при создании изделия — для симуляции и анализа, валидации, подготовки производства, изготовления, документирования — по сути, в масштабе всего предприятия. Первоначально она была опробована и реализована в аэрокосмической отрасли.

Недостаток твердотельного моделирование в том, что входящие в модель примитивы очень просты — сложные кузовные поверхности или дизайн самолета создать с его использованием трудно.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >