Три измерения САПР – один инструмент разработчика! Моделирование, параметризация и конвертация данных в новом геометрическом ядре C3D V16

Три базовых составляющих современной САПР:

• Геометрический моделировщик C3D Modeler
• Решатель параметрических ограничений C3D Solver
• Конвертор данных C3D Converter

— от версии к версии совершенствуются в тесном контакте друг с другом, обеспечивая целостное развитие ядра C3D и отличную взаимную связь его отдельных компонентов. C3D остается единственным на рынке программным компонентом, предоставляющим разработчикам все три модуля в одном продукте.

Строим модели

В новой версии ядра теперь можно размножать тела по заданной сетке (рис. 1) и по набору матриц трансформаций: поворота (изменяющих ориентацию тел в трёхмерном пространстве), перемещения (изменяющих положение тел в пространстве) и масштабирования (увеличивающих размер тел) (рис. 2 и 3). В кинематической операции образующая тела размножается для разных положений относительно направляющей. Это позволяет усечь начало направляющей кривой, перенести образующую в начало усеченной направляющей и построить тело заметания, совпадающее с исходным телом на оставшемся конечном участке (рис. 4). Также подверглась изменению операция построения резьбы, которая теперь может быть адаптирована по начальному положению и длине отверстия, по которому она нарезается (рис. 5).

Рисунок 1. Размножение тел по сетке

Рисунок 2-3. Размножение тел по набору матриц трансформаций

Рисунок 4. Размножение образующей в кинематической операции

Рисунок 5. Адаптация резьбы по положению и длине отверстия

Рисунок 6. Постоянный радиус сгиба при построении обечайки с уклоном граней

Рисунок 7. Сегментация дуг отрезками для построения конусных многогранников

Рисунок 8. Круговая обработка замыкания угла при построении листового тела

Рисунок 9. Задание разных длин слева и справа у продления сгиба

Рисунок 10. Среднее время выполнения операции в C3D для разного количества одновременно используемых ядер CPU (график выполнен в среде Intel® VTune™ Performance Analyzer)

Что касается остальных доработок, то они коснулись целого ряда функций ядра C3D:

• Улучшилось выполнение операции скругления рёбер: заметно сократилось число возникающих ошибок и сняты имевшие место ограничения при построении (рис. 11-12);
• Появилась возможность задавать толщину для поверхностей с особыми (полюсными) точками (рис. 13);
• Несколько изменился принцип построения ребра жесткости: в случае неудачи, делается попытка построения верхней поверхности ребра жесткости в виде поверхности вращения (рис. 14);
• Повысилась гладкость сопряжения по касательной поверхностей, построенных по сети кривых (рис. 15-16).

Ощутимые изменения также произошли в работе двумерных Булевых операций (рис. 17). Заказчиком этой работы стала компания ЛЕДАС, активно использующая данную функцию в собственной технологии сравнения 3D моделей LGC.

Рисунок 11-12. Скругление рёбер в C3D V16

Рисунок 13. Придание толщины поверхности с полюсными точками

Рисунок 14. Построение ребра жёсткости c использованием поверхности вращения

Рисунок 15-16. Улучшенная форма поверхности по сети кривых при задании сопряжений

Рисунок 17. Работа булевых операций над 2D объектами

Снимаем ограничения

Кроме этого, традиционно мы уделяем большое внимание развитию методов и оптимизации математических принципов геометрического моделирования, реализованных в C3D. Работа в этом направлении даёт стабильный прирост производительности ядра, сопоставимый с использованием параллельных вычислений. Комплексное же развитие обеих областей позволяет говорить о колоссальных ускорениях в новых версиях C3D, выходящих в свет! В качестве примера такого развития методов задания 3D-моделей приведём новинки решателя C3D. В актуальной версии V16 появился новый тип геометрического объекта — кластер. По сути это — твёрдое тело, а точнее геометрически-жёсткое объединение объектов, с собственной подсистемой ограничений. Кластеры могут образовывать иерархию, в которых все подсистемы вычисляются в порядке: снизу-вверх от вложенных к содержащим. Подобная организация естественна при конструировании сборок в САПР, предусматривающих разбиение на подсборки. Так, уже не требуется создавать множество экземпляров решателей на каждую подсборку, а достаточно работать с одним решателем, обслуживающим сборку целиком, что приводит к экономии ресурсов и ускоряет вычисления после внесенных изменений в 3D-модель.

Для удобства разработки приложений также было организовано журналирование в 2D-решателе при задании параметрических ограничений. Журнал представляет собою историю вызовов API геометрического решателя, сохраненную в специальном текстовом файле формата *.jrn, в который автоматически пишется вся информация о работе C3D Solver с возможностью её ручного редактирования. Это позволяет удалённо отлаживать найденные заказчиками C3D ошибки без окружения, в которое встроено ядро. На основе базы журналов реализована система регулярного регрессионного тестирования, которая регулярно осуществляет проверку каждой рабочей ревизии решателя.

Другая потребность при создании САПР, которой мы уделили внимание в новой версии ядра — это симметричные модели, а именно построение 3D сборок, в которых часть одних деталей полностью или частично является зеркальным отображением других. Такое расположение деталей можно обеспечить новым типом геометрического ограничения — зеркальной симметрией (рис. 18). Зеркальную симметрию можно применить к любым геометрическим объектам, например к окружностям от пары тел или их внешним граням (рис. 19 и 20). В случае, если в исходную геометрическую модель будут внесены какие-либо изменения, то симметричные сборки также перестроятся в соответствии с новыми параметрами исходной модели. В рамках работ над зеркальной симметрией, а также для подготовки к плановому расширению функционала была проведена работа по модернизации внутренней архитектуры решателя С3D.

Рисунок 18. Зеркальная симметрия деталей в сборке (симметрия ЛСК)

Рисунок 19. Зеркальная симметрия по окружностям от пары тел

Рисунок 20. Зеркальная симметрия по внешним граням от пары тел

Расширены возможности при построении параметризованных сплайнов:

• Доработана функция, которая позволяет манипулировать параметрическим чертежом или эскизом методом «тяни-бросай» (Drug-and-drop), наблюдая в режиме реального времени изменение формы объектов с сохранением всех заданных ограничений. Такая функция добавляет интерактивности конечно-пользовательскому продукту на основе C3D и называется драггингом;
• Значительно улучшено поведение чертежа при драггинге сплайнов или его контрольных точек, а также драггинг геометрических объектов, прямо или косвенно связанных со сплайнами ограничениями;
• Добавлена возможность выбора способа построения NURBS-кривых по заданным точкам — появился специальный маркер, определяющий будет ли сплайн использовать эти точки, как опорные данные при построении (полюсные точки), или будет непосредственно проходить через них (интерполяционные точки). На интерполяционный сплайн можно накладывать все типы ограничений, которые доступны и для обычной NURBS-кривой (рис. 21);
• Появилось новое ограничение, позволяющее задавать форму сплайна путём фиксации координат его отдельных точек или векторов 1-ой, 2-ой, 3-ей производных в точке с заданным параметром;
• Улучшены алгоритмы поддержки ограничений для сплайнов. Это привело к более «естественному» поведению чертежа/эскиза, в частности при наложении касаний со сплайнами. Рассмотрены «сложные» случаи (например, при множественных касаниях);
• Реализована функция, которая определяет тип конического сечения, заданного в виде кривой NURBS.

Рисунок 21. Интерполяционный сплайн с заданными ограничениями для его контрольных точек

Поддерживаем взаимодействие

В новой версии конвертора стала доступна настройка точности экспорта STL-моделей по трём параметрам триангуляции: максимальный прогиб, максимальный угол поворота нормали кривой (или поверхности) и максимальная длина стороны треугольника. Все эти параметры могут быть заданы пользователем. Эти доработки необходимы всем нашим заказчикам, работающим с 3D-печатью.

За счёт многопоточности в C3D ускорена конвертация данных при импорте моделей в форматах Parasolid (x_t, x_b) и STEP (рис. 22). Реализован импорт полигональных моделей в форматах STL и VRML (рис. 23). Наконец появилась поддержка передачи атрибутов со сведениями об изделии (наименование, обозначение, авторство) при конвертации данных.

Рисунок 22. Модель танка, автор - Сергей Сюваев (конкурс «МАСТЕР 3D»). Модель содержит 729 различных деталей. На компьютере с четырёхядерном процессором (Intel Core i5) получено сокращение времени импорта: из Parasolid в 1.7 раз, из STEP – в 2.2 раза.

Рисунок 23. Импортированная модель в формате STL содержит 2 378 154 вершины и 792 718 треугольников

Тестируем и развиваем

Рисунок 24 и 25. Тестовое приложение C3D для ОС Linux

C3D V16 — это современный инструмент для профессиональной разработки софта и комплексной интеграции геометрических моделей в инженерное программное обеспечение. Используя наши технологии сегодня, вы обеспечиваете устойчивое развитие и стабильную работу вашего программного обеспечения завтра!