Обзор: Siemens PLM NX 11

С чего начать разговор о такой системе, как NX от компании Siemens? Ее история начинается в 1970-е годы с компании Unigraphics и объединения с I-DEAS. Все последние годы идет оптимизация решения, направленная на повышение удобства пользования системой.

В NX 11 появился новый вариант уже существующего модуля визуализации Ray Traced Studio. Теперь модуль построен на
современном визуализаторе Iray компании LightWork Design Iray, создающем высококачественные изображения в соответствии с законами оптики

Новое в базовом функционале

Хотя в рассматриваемой версии подобных изменений нет, ряд обновлений архитектуры системы заметит практически каждый пользователь. Поэтому сначала мы поговорим именно о них.

Самое существенное изменение, о котором пользователи NX скорее всего уже слышали — это замена ранее применявшегося модуля создания фотореалистичных изображений (также называемого визуализатором) на новый модуль iRay от компании LightWorks.

Инструменты визуализации и раньше отличались высоким качеством, но теперь они вышли на принципиально новый уровень. В новой версии появились самые современные средства создания фотореалистичных изображений на основе законов оптики.

Модуль iRay (или вариант iRay+) использует центральный процессор компьютера для просчета хода лучей. Чтобы получать изображения выдающегося качества, рекомендуется установить чипсет NVIDIA.

В комплекте с модулем iRay+ идет набор готовых к использованию материалов в открытом формате MDL, разработанном компанией LightWorks. Внешний вид материалов при этом задается по слоям.

Например, окраска кузова автомобиля состоит из металлической подложки, слоя обычной краски, слоя краски с отливом и верхнего слоя прозрачного лака. Такой подход позволяется создавать реалистичные материалы, а не их неточные и некачественные модели.

В стандартную поставку входит и набор фоновых изображений с расширенным динамическим диапазоном (HDR), ускоряющих и облегчающих процесс настройки освещения. В системе есть как богатая библиотека готовых HDR-изображений, так и инструменты для работы с освещением, в частности —HDRLightStudio.

Интересно, что в версии NX 11 компания Siemens предлагает и облачный сетевой визуализатор. Это бесплатное решение компании Siemens, которое, однако, требует наличия сервера NVIDIA iRay от компании NVIDIA.

Вы сможете выполнять распределенную визуализацию на нескольких сетевых компьютерах сразу. Ходят разговоры о появлении облачного сервиса визуализации, но обсуждать этот вопрос пока рано.

Последнее замечание по интерфейсу: все вышеупомянутые инструменты визуализации встроены в имеющийся модуль Ray Trace Studio и, следовательно, доступны всем пользователям (за исключением сетевого распределенного визуализатора). На разрешение создаваемых изображений не накладывается никаких ограничений. Для презентаций можно хоть круглосуточно просчитывать изображения формата 4K.

Точки и фасеты

В NX и раньше имелись инструменты для работы с фасетами и преобразования сеток в поверхности (традиционный подход «обратного инжиниринга»).

Однако разработчики ядра Parasolid (также принадлежащего компании Siemens) создали решение, позволяющее использовать фасеты непосредственно.

Набор фасетов получается сканированием или иным аналогичным способом, либо загружается из других систем. В новой версии работа с фасетами принципиально изменилась, но, как мы увидим, это лишь начало.

Первое заметное новшество: компания Siemens приобрела у Bentley Systems лицензию на часть технологии PointTools. Это означает, что полученное сканированием большого объекта (например, здания или цеха) облако точек можно эффективно импортировать и отображать в NX.

Вместе с появлением в NX ряда инструментов проектирования производств и технологических линий (в прошлом году вышел модуль Line Designer) создается единая огромная система.

Получаемые сканированием данные имеют размер порядка гигабайт или даже терабайт. Система загружает файлы формата .pod из модуля PointTools, отображает их (вместе с текстурами, если они также были отсканированы), и строит геометрию объекта — даже с возможностью привязок.

Но и это еще не все нововведения компании Siemens в сфере работы со сканированными данными.

Siemens купил лицензию на технологию PointTools от компании Bentley Systems, которая обеспечивает импорт
больших объемов данных трехмерного сканирования и построение планировок заводских цехов

Концепция объединенного моделирования

C выходом синхронной технологии компания доказала, что прямое моделирование, которое не было совсем уж новой идеей, может сосуществовать с более традиционными и широко распространенными способами построения 3D-моделей.

Синхронная технология появилась и в NX, и в Solid Edge. С тех пор большинство других разработчиков позаимствовало ряд ее концепций и элементов, внедрив их в своих собственных продуктах.

В версии NX 11 компания Siemens представляет методику смешанного твердотельного и поверхностного моделирования на основе фасетов или полигональных описаний объектов. Эти возможности теперь стали частью геометрического ядра Parasolid

Новая концепция получила название «объединенного моделирования» (convergent modeling). Она позволяет импортировать полигональные описания в модели NX и работать с ними так же, как и с традиционными геометрическими элементами, поддерживаемыми ядром Parasolid.

Объединенное моделирование появилось не только в NX 11. Оно доступно и лицензиатам ядра Parasolid, желающим внедрить новую методику.

Описываемая возможность появилась в продукте компании Siemens впервые. Интересно отметить, чем она отличается от простого импорта геометрии и ее последующего объединения с деталью с созданием NURBS-модели. Самое важное: импортируемая фасетная геометрия встраивается в модель и в дерево построения без необходимости ее предварительного преобразования в геометрию типа B-Rep (с граничным представлением).

NX умеет выполнять булевские операции, команды пересечения, масштабирования, зеркального отражения... (список можно продолжать). А самое главное — в NX11 на выходе получается параметрическое тело.

В NX можно создавать традиционные модели, состоящие из конструктивных элементов, затем добавлять к ним поверхностные модели и выполнять совместные операции над ними. В результате всегда будет создаваться параметрическое и разделенное на элементы тело.

Пока процесс накладывает определенные ограничения на последующее использование таких «объединенных» конструктивных элементов.

Постараюсь объяснить этот момент более подробно. Например, вполне возможно импортировать файл, полученный медицинским сканером, и, добавив к нему дополнительные «технические» элементы, получить модель имплантата или хирургического шаблона.

Но есть и ограничения, поэтому весь процесс моделирования необходимо продумать заранее.

В текущей версии есть ряд ограничений в отношении того, какие именно элементы можно создавать. Я полагаю, что пользователи, желающие воспользоваться преимуществами нового подхода, будут создавать несколько тел в детали, объединяя их только в самый последний момент.

Следует отметить, что в текущей версии ассоциативность также ограничена. Хотя можно заменить исходную фасетную геометрию, процесс импорта новой геометрии в формате STL и ее размещения в дереве построения довольно сложен, хотя и выполним.

В первом варианте «Объединенного моделирования» создаваемые модели можно передавать в CAM- и CAE-модули системы NX. Однако компания Siemens признает, что необходимы дальнейшие улучшения и оптимизация этого процесса, чтобы снять ограничения на последующие операции.

NX стала первой реализацией новой методики «объединенного моделирования», встроенной в ядро Parasolid. Эта методика позволяет
непосредственно работать с сетками, объединяя их с традиционными геометрическими элементами — поверхностями и твердыми телами

Оптимизация топологии

В основном это связано с ростом интереса к аддитивному производству, хотя данную область применения оптимизации топологии нельзя назвать основной.

Огромное преимущество дает возможность выявления структуры модели, обеспечивающей наилучшие технические характеристики будущего изделия. Исторически сложилось так, что оптимизация топологии выполнялась отдельно от основной CAD-системы (например, в решении SolidThinking Inspire). Сегодня подход к данному вопросу меняется.

Интересно отметить, что компания Siemens начала встраивать подобные инструменты в NX, используя технологии нью-йоркской компании-стартапа Frustum.

В новом модуле NX Topology Optimisation реализован ожидаемый порядок действий. Пользователь задает пространство поиска проектных решений. При этом указывается, какие конструктивные элементы следует сохранить, какие участки геометрии подлежат оптимизации (на следующем рисунке они отмечены прозрачным розовым цветом), а какие нельзя трогать вообще (помечены желтым на том же рисунке). Затем вводятся граничные условия: нагрузки, ограничения, свойства материалов и пр.

Компания Siemens приобрела лицензию на средства оптимизации топологии у компании Frudtrum и встроила их непосредственно в NX

Предусмотрено указание симметричных элементов (на предыдущем рисунке такой элемент есть), а также скорости и шага процесса оптимизации. В результате мы получаем именно то, что должен делать современный модуль оптимизации топологии: деталь наилучшей формы, идеально решающую поставленную конструктором задачу.

Интересно, что уже появляется второе поколение подобных инструментов.

Решения компании Frustum создают очень чистые поверхности. Такие системы, как SolidThinking, решают задачу иными способами, но конечные результаты оказываются весьма схожими, о чем можно прочитать дальше на страницах журнала.

Вместе с новыми инструментами объединенного моделирования вы получаете замечательную рабочую среду для конструкторско-технологической подготовки производства деталей и узлов, изготавливаемых аддитивными методами и отличающихся исключительно малой массой.

Однако эти же инструменты обладают огромным потенциалом и в подготовке традиционного производства, хотя создание модели детали, получаемой литьем или механической обработкой, на основе сетки — немного более сложный процесс.

Построение разверток

В версии NX 10 особое внимание уделялось проектированию лонжеронов и нервюр крыла. Данная тенденция продолжена и в NX 11. В частности, появились средства проектирования соединений лонжеронов с нервюрами и построения фланцевых вырезов в нервюрах.

Кроме того, в этой версии введены инструменты построения разверток поверхностей двойной кривизны, причем они не зависят от технологии изготовления и применяемого материала (ткань, пластик, металл).

Уже несколько лет NX позволяла строить развертки одной или нескольких сложных поверхностей, получая тем самым модель заготовки. Но это был сложный процесс, выполняемый в САЕ-модуле, поэтому разработчики в Siemens решили создать аналогичный инструмент в среде конструирования.

Новые инструменты построения разверток работают по-другому — без привлечения CAE-подхода и метода конечных элементов. В них применен не зависящий от свойств материала алгоритм расчета минимальных деформаций. Он дает практически такие же результаты, но работает в несколько раз быстрее. На подготовку расчета уходят секунды, а не часы.

Достаточно выбрать одну или несколько разворачиваемых поверхностей, указать точку в пространстве, через которую будет проходить развертка, выбрать основное направление разворачивания —и все готово!

Предусмотрены и инструменты анализа, в частности — построения диаграм кривизны поверхности, показывающих потенциальные точки защемления и места надрывов.

Интересно и то, что новый подход позволил реализовать ряд дополнительных возможностей. В частности, на развертке можно построить эскиз (выреза, ребра жесткости или дополнительного слоя композитного материала), и новые элементы автоматически перенесутся на исходную «свернутую» модель.

Появились новые средства проецирования 3D-эскиза на поверхность (для создания выреза), причем геометрия выреза будет соответствовать форме поверхности (а не проекции на плоскость). Это очень удобно, например, при построении иллюминаторов и других отверстий в фюзеляже.

В NX 11 команды, созданные для проектирования нервюр, теперь доступны при моделировании листовых тел. К ним относятся «Вырез с фланцем» (строится на развертке) и «Облегченный вырез» (фланец с повышающей жесткость отбортовкой, отогнутой на заданный угол). Кроме того, можно построить плоскость, по базовым поверхностям, что применяется при построении наружной и внутренней геометрии пресс-форм.

Нужно упомянуть и об определенных изменениях в комплектации различных вариантов системы. Теперь все средства работы с листовыми телами для авиационно-космической промышленности перенесены в модуль расширенного проектирования листовых тел. Все они собраны в одном месте, и их не придется покупать по отдельности.

В NX 11 появились новые быстрые средства построения разверток сложных поверхностей, не использующие CAE-подход

Поверхности переменного смещения

Итак, поговорим о функции «Поверхности переменного смещения».

Предположим, что у нас имеется набор поверхностей — скажем, описывающих наружную сторону двери автомобиля. Теперь представьте внутреннюю часть двери, привариваемую к наружной.

Эта внутренняя часть сильно отличается по конструкции. На ней имеются усиливающие элементы, необходимые для снижения массы, а также множество других элементов, обеспечивающих доступ внутрь двери, установку различного оборудования и панелей облицовки.

Проектирование внутренней части двери — сложная задача. Как правило, при ее решении используются смещения относительно единственной наружной поверхности. Появившаяся в NX 11 новая операция «Переменное смещение» позволяет в виде единого элемента создавать базовую геометрию и задавать смещения в указанных областях.

Рассмотрим следующий рисунок.

Новая операция «Поверхность переменного смещение» создает сложные и легкие конструкции на основе единого набора поверхностей

Вы полностью управляете процессом, задавая величины смещений и выбирая способ построения перехода для каждого смещения, причем вся операция выполняется на основе одного эскиза и одного конструктивного элемента.

Конструкторско-технологическая информация и 3D-элементы на чертежах

Проставляемая на чертежах конструкторско-технологическая информация (PMI) или 3D-элементы оформления активно обсуждаются уже несколько лет.

В ряде отраслей эти элементы не получили широкого распространения, а в ряде других были успешно внедрены.

Одна из трудностей состоит в том, что во многих случаях элементы PMI проставляются непосредственно на модели, а затем переносятся в 3D-чертеж. Обратная последовательность действий применяется крайне редко. Это разумно, если проектирование выполняется с нуля. Но если имеются накопленные за годы и десятилетия материалы, то процесс переноса крайне важных размерных и геометрических допусков со старого чертежа на 3D-модель оказывается длительным и очень трудоемким.

Для решения данной проблемы в NX 11 можно создать модель изделия, ассоциированную с чертежами и основными размерными и геометрическими допусками. Затем сложные алгоритмы переносят информацию с чертежа обратно на 3D-модель.

Возможности новых средств проектирования авиационно-космических конструкций расширились, а их распределение по модулям системы упростилось

Заключение

В мире 3D-проектирования система стала легендарной. Она уже более десяти лет существует в своем нынешнем виде, а ее корни уходят в 1970-е годы, во времена I-DEAS и Unigraphics.

Столь богатое прошлое проявляется и в широте возможностей системы, и в ее пользовательской базе. В NX спроектирован ряд самых сложных в мире изделий. Она способна решать задачи, к которым другие средства проектирования даже не подступаются.

Кликните для увеличения

Хотя совместная работа с сетками, поверхностными и твердотельными моделями не является абсолютно новой концепцией, а в некоторых системах это было реализовано годы (если не десятилетия) назад, появление подобного функционала в такой популярной среде, как NX, ясно показывает, чего можно достичь даже на ранних этапах разработки.

Другие новшества — это средства оптимизации топологии, которые вызывают все больший интерес. Это связано с ростом применения технологий 3D-печати из металла, хотя оптимизация топологии применима и во многих других областях.