isicad: Прямой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim: применение для CAM, CAE и 3D-сканирования

Авторы — инженеры технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» со специализацией: Д. Волкинд — гидрогазодинамика и теплообмен, К. Кравченко — CAM системы, Булатов Михаил — отдел КИМ.

Прямой моделировщик SpaceClaim на протяжении последних лет предлагался компанией ANSYS как удобное стороннее решение для подготовки геометрических моделей с учётом нужд численного моделирования. В 2014 году ANSYS приобрела SpaceClaim, и интеграция данного CAD-продукта в платформе Workbench стала ещё более проработанной. Кроме того, он стал доступен без дополнительной платы в рамках лицензии Mechanical Enterprise. Тем не менее многие пользователи ANSYS, даже очень опытные, никогда не слышали о таком инструменте. В данной статье мы хотим обратить внимание читателей на некоторые его возможности, связанные как с численным моделированием, так и со смежными областями – CAM и 3D-сканированием. Для иллюстрации возможностей будут использованы примеры из инженерной практики различных отделов ГК «ПЛМ Урал».

В первую очередь необходимо отметить, что SpaceClaim позволяет не только эффективно подготавливать модели, созданные в сторонних CAD-пакетах, для численного моделирования или 3D-печати, но и создавать модели «с чистого листа». Для этого имеется весь необходимый функционал – модель может создаваться как с использованием твердотельных операций, так и по эскизам. Одной из своих основных целей разработчики ставили максимальное удобство использования продукта, в результате чего для вызова большого количества разнообразных функций используется минимальное количество кнопок графического интерфейса. Например, команда “Pull” в зависимости от контекста своего применения позволяет выдавливать и поворачивать поверхности, менять радиусы закруглений, автоматически создавать поверхности из эскизов и производить множество других операций.

При работе с большими сборками весьма удобна функция рассечения модели (Рис. 1). Она позволяет мгновенно рассечь модель координатной или любой произвольной плоскостью, которую можно при необходимости перемещать. При этом рассекаемые твердотельные области динамически заштриховываются разными цветами, а поверхности, находящиеся за плоскостью сечения, для удобства восприятия приобретают серый оттенок. Такой режим отображения позволяет наглядно визуализировать контакты между деталями сборки, и при необходимости устранять зазоры и пересечения, например, приравнивая радиусы контактных поверхностей.

Прямой и обратный инжиниринг с ANSYS SpaceClaim

Рисунок 1. Продольное сечение упрощённой тепловой модели электрической машины

Для пользователей CAE-систем незаменимы инструменты подготовки и исправления геометрии, которые позволяют автоматически выявить проблемные области и произвести исправления в ручном или автоматическом режиме. Для наглядности найденные по определённым критериям элементы подсвечиваются в графическом окне (Рис. 2)

Рисунок 2. Выявление сплайнов с избыточным количеством контрольных точек для сложной
криволинейной геометрии (модель предоставлена АО «Авиадвигатель» для подготовки к расчёту
в рамках технической поддержки)

Название SpaceClaim Direct Modeler подразумевает прямое моделирование. Рассмотрению его сильных и слабых сторон посвящено множество обзоров, поэтому в рамках данной статьи приведём лишь некоторые особенности реализации данного подхода в SpaceClaim.

Отсутствие дерева операций (на данный момент) в общем случае затрудняет параметризацию модели, хотя при необходимости любое действие можно автоматически записать в скрипт и параметризовать аргументы вызываемых в нём функций. С другой стороны, в отсутствие дерева обновление сложных моделей происходит радикально быстрее, и при необходимости оперативного редактирования отдельных геометрических элементов не требуется искать операции, в результате которых они были созданы.

Ещё одним преимуществом прямого подхода является возможность свободного редактирования геометрии, импортированной в формате любой из ведущих CAD-систем. Необходимость в этом часто возникает при передаче геометрии в CAM или CAE системы. Приведём пару характерных примеров.

Пример 1. Передача геометрии лопатки компрессора для расчёта газодинамики проточной части в ANSYS CFX.

В данном случае проблема заключается в том, что в исходной геометрии присутствуют сплайны высокого порядка с большим количеством контрольных точек. Они могут приводить к недопустимому искажению поверхностей в процессе трансляции, либо затруднению построения сетки. Подобные проблемы часто встречаются в турбомашиностроении, где преобладают криволинейные поверхности сложной формы. Причём геометрия, соответствующая всем требованиям конструктора, может быть совершенно неприемлемой для расчётчика. При помощи инструментов SpaceClaim можно легко исправить неточно заданные рёбра и уменьшить количество контрольных точек сплайна (Рис. 3):

Рисунок 3. Автоматическое сокращение количества контрольных точек на поверхности корытца лопатки

Для проверки соответствия исправленной геометрии её исходному варианту существует отдельный инструмент, позволяющий визуализировать распределение отклонения по всем поверхностям (Рис. 4). Осуществляя такие проверки периодически в процессе работы, можно контролировать отклонения подготавливаемой геометрии и при необходимости изменять степень упрощения.

Рисунок 4. Визуализация отклонений модифицированной геометрии относительно исходной

Пример 2. Подготовка геометрии поверхности лопатки для передачи в CAM-систему

Для программирования обрабатывающих центров рассчитываются управляющие программы. Каждый кадр управляющей программы – это точка в пространстве с заданным направлением вектора оси режущего инструмента. Для расчета управляющих программ используются CAM-системы, в частности, Autodesk PowerMill. CAM-система на основе 3D-модели выполняет расчет траектории движения режущего инструмента.

Рисунок 5. Общий вид импеллера

При обработке импеллеров (Рис. 5) на обрабатывающих центрах одним из ключевых моментов является корректный расчет точек траектории для обеспечения плавности движения режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Требования по точности и шероховатости к импеллерам настолько жесткие, что любые резкие движения инструмента могут привести к браку всего изделия.

Рисунок 6. Расчет траектории инструмента в CAM-системе для обработки лопатки

Точки управляющей программы рассчитываются на основе 3D-модели (Рис. 6). Очевидно, что точность и корректность 3D-модели влияют на точность и корректность расчета управляющей программы. Среди погрешностей 3D-модели для изделий типа импеллеров и лопаток наиболее распространенными являются разрывы между поверхностями, а также нарушение кривизны отдельной поверхности. Когда CAM-система «видит» разрыв между поверхностями, она старается компенсировать погрешность путем расчета дополнительных точек в месте разрыва. Если разрыв слишком большой, CAM-система будет вынуждена вовсе отвести инструмент от поверхности и перейти на безопасном расстоянии к следующей поверхности. Кривизна поверхности в свою очередь оказывает влияние на расчет направления вектора оси инструмента. Следовательно, резкое изменение кривизны поверхности найдет свое отражение при расчете направления вектора оси инструмента.

На примере отдельной лопатки (Рис. 7) рассмотрим влияние корректности 3D-модели на расчет управляющей программы.

Рисунок 7. Геометрическая модель отдельной лопатки импеллера

Результат расчета управляющей программы по модели, первоначально поступившей от конструктора, приведен на рис. 8 (слева). На рисунке четко заметны изломы траектории, вызванные обозначенными ранее погрешностями 3D модели. Такие изломы сопровождаются увеличением плотности точек. Увеличение количества точек на единицу длины траектории нежелательно, поскольку есть вероятность, что станок просто не сможет плавно обработать переход от одной точки к другой в связи с тем, что рабочие органы станка массивны. Другими словами, в сегментах с изломами станок начнет дергаться, что может привести к браку изделия.

Соответствующая линия контакта между инструментом и обрабатываемой поверхностью будет иметь вид, приведённый на рис. 8 (справа). Видно, 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.

Рисунок 8. Результат расчета траектории по базовой 3D модели (слева) и соответствующие линии контакта (справа)

Для исправления данной проблемы средствами SpaceClaim были перестроены неточно заданные рёбра и отредактированы сплайны, образующие поверхности спинки, корытца и входной кромки. По полученной твердотельной геометрии была автоматически построена подробная триангулированная модель, которая впоследствии была передана в CAM-систему в формате STL. Отклонение преобразованной модели от исходной не превышало заданного допуска.

Далее по исправленной модели были произведены расчёты управляющей программы. Результаты расчета приведены на рис. 9. Сравнивая левые рис. 8 и 9 можно заметить, что изломы исчезли, траектория стала более гладкой, а значит станок сможет плавно отработать все переходы. Линия контакта также изменилась и стала более плавной на входной кромке лопатки.

Рисунок 9. Результат расчета траектории по исправленной 3D модели (слева) и соответствующие линии контакта (справа)

Помимо твердотельного моделирования SpaceClaim имеет в своем арсенале мощные инструменты работы с триангулированной геометрией. Это особенно актуально для обработки результатов 3D-сканирования и подготовки фасеточных моделей для 3D-печати. На рис. 10 приведён пример построения CAD-модели отсканированной детали средствами SpaceClaim:

Рисунок 10. Получение CAD-модели отсканированного изделия

Для деталей подобной формы особенно важно правильно извлечь плоские и цилиндрические поверхности, что представляет определённые трудности, поскольку при 3D-сканировании сложно получить резкие границы поверхностей на внутренних углах. При помощи SpaceClaim можно легко построить плоскость по выделенному набору фасеток или автоматически извлечь эскиз, произведя рассечение модели выбранной плоскостью. Для работы с поверхностями сложной формы существуют специализированные инструменты, в частности – функция автоматического построения сплайна (Рис. 11). Также весьма удобна функция, позволяющая ориентировать плоскости отсканированной модели с координатными плоскостями, поскольку начало координат отсканированной модели соответствует точке установки измерительного устройства. В результате применения автоматических и ручных операций можно в короткие сроки получить CAD-модель сканируемого изделия и в дальнейшем использовать её в производстве.

Рисунок 11. Построение сплайна для описания поверхности отсканированной лопатки

В статье мы описали только основные возможности и области применения ANSYS SpaceClaim. Если у вас остались вопросы, вы можете написать их на почту info@plm-ural.ru, и специалисты ГК «ПЛМ Урал» с удовольствием вам ответят. А также предлагаем вам ознакомиться с вебинаром о преимуществах ANSYS SpaceClaim Modeler для 3D моделирования: https://youtu.be/ko5HRqpcEb0.

Найти дополнительные материалы о продуктах компании ANSYS можно на ресурсах: www.cae-expert.ru — новостной сайт с полезной информацией о решениях ANSYS, примерами расчетов и расписанием бесплатных вебинаров; www.cae-club.ru — портал и форум для пользователей ANSYS. Информацию о CAM-системах и 3D-сканировании вы можете получить на официальном сайте компании www.plm-ural.ru.