¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

15 окт€бр€ 2016

ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim: применение дл€ CAM, CAE и 3D-сканировани€

ћихаил Ѕулатов, ƒмитрий ¬олкинд,  онстантин  равченко

ћихаил Ѕулатов ƒмитрий ¬олкинд  онстантин  равченко

јвторы Ч инженеры технической поддержки √  ЂѕЋћ ”ралї со специализацией: ƒ. ¬олкинд Ч гидрогазодинамика и теплообмен,  .  равченко Ч CAM системы, Ѕулатов ћихаил Ч отдел  »ћ.

ѕр€мой моделировщик SpaceClaim на прот€жении последних лет предлагалс€ компанией ANSYS как удобное стороннее решение дл€ подготовки геометрических моделей с учЄтом нужд численного моделировани€. ¬ 2014 году ANSYS приобрела SpaceClaim, и интеграци€ данного CAD-продукта в платформе Workbench стала ещЄ более проработанной.  роме того, он стал доступен без дополнительной платы в рамках лицензии Mechanical Enterprise. “ем не менее многие пользователи ANSYS, даже очень опытные, никогда не слышали о таком инструменте. ¬ данной статье мы хотим обратить внимание читателей на некоторые его возможности, св€занные как с численным моделированием, так и со смежными област€ми Ц CAM и 3D-сканированием. ƒл€ иллюстрации возможностей будут использованы примеры из инженерной практики различных отделов √  ЂѕЋћ ”ралї.

¬ первую очередь необходимо отметить, что SpaceClaim позвол€ет не только эффективно подготавливать модели, созданные в сторонних CAD-пакетах, дл€ численного моделировани€ или 3D-печати, но и создавать модели Ђс чистого листаї. ƒл€ этого имеетс€ весь необходимый функционал Ц модель может создаватьс€ как с использованием твердотельных операций, так и по эскизам. ќдной из своих основных целей разработчики ставили максимальное удобство использовани€ продукта, в результате чего дл€ вызова большого количества разнообразных функций используетс€ минимальное количество кнопок графического интерфейса. Ќапример, команда УPullФ в зависимости от контекста своего применени€ позвол€ет выдавливать и поворачивать поверхности, мен€ть радиусы закруглений, автоматически создавать поверхности из эскизов и производить множество других операций.

ѕри работе с большими сборками весьма удобна функци€ рассечени€ модели (–ис. 1). ќна позвол€ет мгновенно рассечь модель координатной или любой произвольной плоскостью, которую можно при необходимости перемещать. ѕри этом рассекаемые твердотельные области динамически заштриховываютс€ разными цветами, а поверхности, наход€щиес€ за плоскостью сечени€, дл€ удобства воспри€ти€ приобретают серый оттенок. “акой режим отображени€ позвол€ет нагл€дно визуализировать контакты между детал€ми сборки, и при необходимости устран€ть зазоры и пересечени€, например, приравнива€ радиусы контактных поверхностей.

ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 1. ѕродольное сечение упрощЄнной тепловой модели электрической машины

ƒл€ пользователей CAE-систем незаменимы инструменты подготовки и исправлени€ геометрии, которые позвол€ют автоматически вы€вить проблемные области и произвести исправлени€ в ручном или автоматическом режиме. ƒл€ нагл€дности найденные по определЄнным критери€м элементы подсвечиваютс€ в графическом окне (–ис. 2)
ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 2. ¬ы€вление сплайнов с избыточным количеством контрольных точек дл€ сложной
криволинейной геометрии (модель предоставлена јќ Ђјвиадвигательї дл€ подготовки к расчЄту
в рамках технической поддержки)

Ќазвание SpaceClaim Direct Modeler подразумевает пр€мое моделирование. –ассмотрению его сильных и слабых сторон посв€щено множество обзоров, поэтому в рамках данной статьи приведЄм лишь некоторые особенности реализации данного подхода в SpaceClaim.

ќтсутствие дерева операций (на данный момент) в общем случае затрудн€ет параметризацию модели, хот€ при необходимости любое действие можно автоматически записать в скрипт и параметризовать аргументы вызываемых в нЄм функций. — другой стороны, в отсутствие дерева обновление сложных моделей происходит радикально быстрее, и при необходимости оперативного редактировани€ отдельных геометрических элементов не требуетс€ искать операции, в результате которых они были созданы.

≈щЄ одним преимуществом пр€мого подхода €вл€етс€ возможность свободного редактировани€ геометрии, импортированной в формате любой из ведущих CAD-систем. Ќеобходимость в этом часто возникает при передаче геометрии в CAM или CAE системы. ѕриведЄм пару характерных примеров.

ѕример 1. ѕередача геометрии лопатки компрессора дл€ расчЄта газодинамики проточной части в ANSYS CFX.

¬ данном случае проблема заключаетс€ в том, что в исходной геометрии присутствуют сплайны высокого пор€дка с большим количеством контрольных точек. ќни могут приводить к недопустимому искажению поверхностей в процессе трансл€ции, либо затруднению построени€ сетки. ѕодобные проблемы часто встречаютс€ в турбомашиностроении, где преобладают криволинейные поверхности сложной формы. ѕричЄм геометри€, соответствующа€ всем требовани€м конструктора, может быть совершенно неприемлемой дл€ расчЄтчика. ѕри помощи инструментов SpaceClaim можно легко исправить неточно заданные рЄбра и уменьшить количество контрольных точек сплайна (–ис. 3):

ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 3. јвтоматическое сокращение количества контрольных точек на поверхности корытца лопатки

ƒл€ проверки соответстви€ исправленной геометрии еЄ исходному варианту существует отдельный инструмент, позвол€ющий визуализировать распределение отклонени€ по всем поверхност€м (–ис. 4). ќсуществл€€ такие проверки периодически в процессе работы, можно контролировать отклонени€ подготавливаемой геометрии и при необходимости измен€ть степень упрощени€.
ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 4. ¬изуализаци€ отклонений модифицированной геометрии относительно исходной

ѕример 2. ѕодготовка геометрии поверхности лопатки дл€ передачи в CAM-систему

ƒл€ программировани€ обрабатывающих центров рассчитываютс€ управл€ющие программы.  аждый кадр управл€ющей программы Ц это точка в пространстве с заданным направлением вектора оси режущего инструмента. ƒл€ расчета управл€ющих программ используютс€ CAM-системы, в частности, Autodesk PowerMill. CAM-система на основе 3D-модели выполн€ет расчет траектории движени€ режущего инструмента.

ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 5. ќбщий вид импеллера

ѕри обработке импеллеров (–ис. 5) на обрабатывающих центрах одним из ключевых моментов €вл€етс€ корректный расчет точек траектории дл€ обеспечени€ плавности движени€ режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности. “ребовани€ по точности и шероховатости к импеллерам настолько жесткие, что любые резкие движени€ инструмента могут привести к браку всего издели€.
ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 6. –асчет траектории инструмента в CAM-системе дл€ обработки лопатки

“очки управл€ющей программы рассчитываютс€ на основе 3D-модели (–ис. 6). ќчевидно, что точность и корректность 3D-модели вли€ют на точность и корректность расчета управл€ющей программы. —реди погрешностей 3D-модели дл€ изделий типа импеллеров и лопаток наиболее распространенными €вл€ютс€ разрывы между поверхност€ми, а также нарушение кривизны отдельной поверхности.  огда CAM-система Ђвидитї разрыв между поверхност€ми, она стараетс€ компенсировать погрешность путем расчета дополнительных точек в месте разрыва. ≈сли разрыв слишком большой, CAM-система будет вынуждена вовсе отвести инструмент от поверхности и перейти на безопасном рассто€нии к следующей поверхности.  ривизна поверхности в свою очередь оказывает вли€ние на расчет направлени€ вектора оси инструмента. —ледовательно, резкое изменение кривизны поверхности найдет свое отражение при расчете направлени€ вектора оси инструмента.

Ќа примере отдельной лопатки (–ис. 7) рассмотрим вли€ние корректности 3D-модели на расчет управл€ющей программы.

ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 7. √еометрическа€ модель отдельной лопатки импеллера

–езультат расчета управл€ющей программы по модели, первоначально поступившей от конструктора, приведен на рис. 8 (слева). Ќа рисунке четко заметны изломы траектории, вызванные обозначенными ранее погрешност€ми 3D модели. “акие изломы сопровождаютс€ увеличением плотности точек. ”величение количества точек на единицу длины траектории нежелательно, поскольку есть веро€тность, что станок просто не сможет плавно обработать переход от одной точки к другой в св€зи с тем, что рабочие органы станка массивны. ƒругими словами, в сегментах с изломами станок начнет дергатьс€, что может привести к браку издели€.

—оответствующа€ лини€ контакта между инструментом и обрабатываемой поверхностью будет иметь вид, приведЄнный на рис. 8 (справа). ¬идно, что точка контакта имеет резкие перепады (заметно на входной кромке лопатки), что в свою очередь, может привести к преждевременному износу инструмента и ухудшению шероховатости обрабатываемой поверхности.

ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 8. –езультат расчета траектории по базовой 3D модели (слева) и соответствующие линии контакта (справа)

ƒл€ исправлени€ данной проблемы средствами SpaceClaim были перестроены неточно заданные рЄбра и отредактированы сплайны, образующие поверхности спинки, корытца и входной кромки. ѕо полученной твердотельной геометрии была автоматически построена подробна€ триангулированна€ модель, котора€ впоследствии была передана в CAM-систему в формате STL. ќтклонение преобразованной модели от исходной не превышало заданного допуска.

ƒалее по исправленной модели были произведены расчЄты управл€ющей программы. –езультаты расчета приведены на рис. 9. —равнива€ левые рис. 8 и 9 можно заметить, что изломы исчезли, траектори€ стала более гладкой, а значит станок сможет плавно отработать все переходы. Ћини€ контакта также изменилась и стала более плавной на входной кромке лопатки.

ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 9. –езультат расчета траектории по исправленной 3D модели (слева) и соответствующие линии контакта (справа)

ѕомимо твердотельного моделировани€ SpaceClaim имеет в своем арсенале мощные инструменты работы с триангулированной геометрией. Ёто особенно актуально дл€ обработки результатов 3D-сканировани€ и подготовки фасеточных моделей дл€ 3D-печати. Ќа рис. 10 приведЄн пример построени€ CAD-модели отсканированной детали средствами SpaceClaim:
ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 10. ѕолучение CAD-модели отсканированного издели€

ƒл€ деталей подобной формы особенно важно правильно извлечь плоские и цилиндрические поверхности, что представл€ет определЄнные трудности, поскольку при 3D-сканировании сложно получить резкие границы поверхностей на внутренних углах. ѕри помощи SpaceClaim можно легко построить плоскость по выделенному набору фасеток или автоматически извлечь эскиз, произвед€ рассечение модели выбранной плоскостью. ƒл€ работы с поверхност€ми сложной формы существуют специализированные инструменты, в частности Ц функци€ автоматического построени€ сплайна (–ис. 11). “акже весьма удобна функци€, позвол€юща€ ориентировать плоскости отсканированной модели с координатными плоскост€ми, поскольку начало координат отсканированной модели соответствует точке установки измерительного устройства. ¬ результате применени€ автоматических и ручных операций можно в короткие сроки получить CAD-модель сканируемого издели€ и в дальнейшем использовать еЄ в производстве.
ѕр€мой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

–исунок 11. ѕостроение сплайна дл€ описани€ поверхности отсканированной лопатки

¬ статье мы описали только основные возможности и области применени€ ANSYS SpaceClaim. ≈сли у вас остались вопросы, вы можете написать их на почту info@plm-ural.ru, и специалисты √  ЂѕЋћ ”ралї с удовольствием вам ответ€т. ј также предлагаем вам ознакомитьс€ с вебинаром о преимуществах ANSYS SpaceClaim Modeler дл€ 3D моделировани€: https://youtu.be/ko5HRqpcEb0.

Ќайти дополнительные материалы о продуктах компании ANSYS можно на ресурсах: www.cae-expert.ru Ч новостной сайт с полезной информацией о решени€х ANSYS, примерами расчетов и расписанием бесплатных вебинаров; www.cae-club.ru Ч портал и форум дл€ пользователей ANSYS. »нформацию о CAM-системах и 3D-сканировании вы можете получить на официальном сайте компании www.plm-ural.ru.



¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: Ќе CAD, а HAD?
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2017 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.