Предлагаем вашему вниманию перепечатку опубликованной в этом выпуске бюллетеня статьи Дмитрия Ушакова, директора компании Bricsys Technologies Russia, являющуюся продолжением серии публикаций о машиностроительном проектировании в BricsCAD. Ранее на нашем портале были опубликованы предыдущие статьи этой сервии: «САПР для машиностроения: дорого и сложно?» и «Мощное двумерное эскизное черчение — ключ к успешному трехмерному моделированию».
В CAD-системе двумерный контур определяется замкнутой полилинией, состоящей из отрезков и дуг. Похожим образом трехмерное тело моделируется посредством «водонепроницаемой» оболочки, состоящей из «плотно сшитых» кусков плоских, цилиндрических, сферических, конических, тороидальных и произвольных NURBS-поверхностей, называемых гранями. Пользователи BricsCAD могут напрямую манипулировать этими граничными элементами, перемещая и вращая их, выдавливая и вытягивая. Этот простой и одновременно мощный способ трехмерного моделирования имеет много общего с двумерным черчением. А интеллектуальным его делает та же самая концепция геометрических и размерных ограничений (зависимостей), работающая в трехмерном пространстве. Чтобы отличать нашу технологию от обычных систем прямого моделирования, мы называем ее Вариаицонным (т.е. основанным на ограничениях) Прямым Моделированием.
Типичные ограничения в 3D — это касания между смежными планарной и цилиндрической гранями, радиус круглого отверстия, расстояние между двумя плоскими гранями фланца. Как и в 2D ограничения играют активную роль при последующих изменениях модели. Важной частью технологии вариационного прямого моделирования является возможность избежать ручного задания большого количества ограничений, которые будут гарантировать сохранение конструктивной концепции модели, а также ее топологическую и геометрическую корректность.
Рассмотрим, например, модель с большим количество отверстий одинакового радиуса. Когда радиус цилиндрической грани изменяется с помощью операции выдавливания/вытягивания или посредством изменения значения параметра ограничения радиуса, BricsCAD автоматически находит другие цилиндрические грани, которые имеют тот же радиус, и изменяет их синхронно. Помимо распознавания цилиндров равного радиуса BricsCAD автоматически распознает другие отношения между гранями твердого тела и сохраняет их во время операций прямого моделирования.
Варианты проекта, созданные с помощью 3D-ограничений
Ограничения делают CAD-модель параметрической — она может быть легко изменена для получения разных вариантов проекта. Параметрическое моделирование — это фундаментальная концепция CAD, которая значительно сокращает стоимость внесения изменений в проект и создание новых модификаций изделия. Однако, поскольку первые параметрические модели были основаны на истории построения, между этими двумя совершенно разными понятиями возникла устойчивая связь. Действительно, история построения (запись всех операций, использованных для создания геометрического тела заданной формы с нуля) может легко быть трансформирована в параметрическую модель, если с каждой операций ассоциировать набор параметров. Примерами таких параметров служат типы и координаты геометрических объектов, составляющих двумерный профиль, а также высота его выталкивания в трехмерном пространстве, или диаметр и глубина отверстия. Изменяя значения этих параметров и перегенерируя историю построения модели, можно создать различные варианты одной и той же геометрии. Параметрические конструктивные элементы на основе истории построения впервые появились в Pro/Engineer, а позднее тот же самый метод был повторен практически во всех MCAD-системах.
Прозрачность
При всей простоте и универсальности, метод параметризации на основе истории построения имеет несколько серьезных недостатков. Самым значительным из них является его сложность и непрозрачность для пользователя. Для изменения геометрической формы, пользователь должен найти соответствующий конструктивный элемент в дереве и понять, какой из его параметров должен быть изменен. Фундаментальный принцип удобства пользовательского интерфейса WYSIWYG (вы видите ровно то, что получаете) не работает в данном случае, потому что пользователь редактирует текст или численное значение параметра конструктивного элемента, а в результате изменяет форму тела. Хорошо известно, что для больших моделей дерево истории построения бывает достаточно протяженным, и его регенерация занимает заметное время, помещая пользователя MCAD-системы в позицию ожидающего и заставляя его напрасно расходовать свое время и нервы.Параметризация
Другим печально известным недостатком параметризации на основе истории построения является необходимость принятия решения о том, какие параметры модели могут быть изменены, прямо во время создания модели. Если позже по каким-то причинам пользователю нужно будет изменить параметр, который отсутствует в дереве, решение будет нелегким: переделать модель с нуля, либо использовать сложные оптимизационные алгоритмы в попытке подобрать желаемое значение искомого параметра путем варьирования значений параметров, определяющих модель (тех, что присутствуют в дереве).Этот недостаток отражает общую проблему процедурного подхода к параметризации, разновидностью которого является метод регенерации истории построения. В рамках процедурного подхода пользователь вынужден заранее поделить все параметры модели на входные и выходные. Изменять значения можно только у параметров первой группы, а значения выходных параметров вычисляются в соответствии с предопределенными процедурами, формулами, историей построения.
«Немая» геометрия
Еще одной ключевой проблемой параметризации на основе истории построения является невозможность использования этой технологии при работе с мульти-CAD и унаследованными геометрическими данными. История построения обычно теряется при трансляции из одного формата CAD в другой. Транслируется только граничная модель тела, которая в таком случае называется «немой» геометрией. Существуют дорогостоящие трансляторы, которые могут перевести конструктивные элементы из одной системы в другую, но они не являются панацеей, поскольку каждая MCAD-система имеет свой набор конструктивных элементов, и точная трансляция невозможна в принципе. То же самое можно сказать про метод автоматического распознавания конструктивных элементов в «немой» геометрии: он может работать только в простейших случаях и не решает общей проблемы. Это очень важное обстоятельство для многих инжиниринговых компаний в мире.Недавний опрос Aberdeen Group, выполненный в 269 инжиниринговых компаниях, показал, что 82% респондентов используют три или более форматов CAD в процессе проектирования, а 42% используют пять и более. Прямое моделирование может заставить «немую» геометрию «говорить», но главной проблемой при работе с данными из разных CAD-систем (отмеченной 32% респондентов) является потеря интеллектуальности, встроенной в исходные модели.
Вариационное прямое моделирование прекрасно подходит для интеллектуального редактирования мульти-CAD и унаследованных данных, эта технология также устраняет многие недостатки систем на основе истории построения и прямого моделирования, в то же время комбинируя их лучшие достоинства. Вариационное прямое моделирование является современной революционной альтернативой традиционному параметрическому проектированию, доступной пользователям BricsCAD.
Сравнение различных подходов к трехмерному моделированию
| Моделирование на основе истории | Прямое моделирование | Вариационное прямое моделирование | |
|---|---|---|---|
| Легкость изучения и использования | сложно | легко | легко |
| Работа в режиме WYSIWYG | нет | есть | есть |
| Время отклика системы на изменение | долгое для больших моделей | быстрое | быстрое |
| Возможность задания конструктивной концепции | есть | нет | есть |
| Автоматическое распознавание конструктивной концепции | простейшие случаи | нет | полное |
| Прямое редактирование | отдельные грани | полное | полное, с сохранением конструктивной концепции |
| Параметрическое редактирование | ограниченное историей построения | только элементарное (шаг за шагом) | полное |
| Редактирование импортированной геометрии | простейшие случаи | полное | полное, с автоматическим распознаванием конструктивной концепции |