Что такое параметрическое проектирование моделирование
Параметрическое проектирование
Процесс параметрического моделирования (проектирования) (часто используют термин параметризация) — моделирование (проектирование) с использованием параметров элементов модели и соотношений между этими параметрами. Параметризация позволяет за короткое время «проиграть» (с помощью изменения параметров или геометрических отношений) различные конструктивные схемы и избежать принципиальных ошибок.
Параметрическое моделирование существенно отличается от обычного двухмерного черчения или трехмерного моделирования. Конструктор, в случае параметрического проектирования, создает математическую модель объектов с параметрами, при изменении которых происходят изменения конфигурации детали, взаимные перемещения деталей в сборке и т.п.
Идея параметрического моделирования появилась еще на ранних этапах развития САПР, но долгое время не могла быть осуществлена по причине недостаточной компьютерной производительносити. История параметрического моделирования началась в 1989 году, когда вышли первые системы с возможностью параметризации. Первопроходцами были Pro/ENGINEER (трехмерное твердотельное параметрическое моделирование) от Parametric Technology Corporation и T-FLEX CAD (двухмерное параметрическое моделирование) от Топ Системы [1] [2]
Содержание
Двухмерное параметрическое черчение и моделирование
Примеры двухмерных САПР с возможностью параметризации:
Трехмерное твердотельное параметрическое моделирование
Трехмерное параметрическое моделирование является гораздо более эффективным (но и более сложным) инструментом, нежели двухмерное параметрическое моделирование. В современных системах среднего и тяжелого класса наличие параметрической модели заложено в идеологию самих САПР. Существование параметрического описания объекта является базой для всего процесса проектирования.
Примеры САПР, использующих трехмерное твердотельное параметрическое моделирование:
Типы параметризации
Табличная параметризация
Табличная параметризация заключается в создании таблицы параметров типовых деталей. Создание нового экземпляра детали производится путем выбора из таблицы типоразмеров. Возможности табличной параметризации весьма ограничены, поскольку задание произвольных новых значений параметров и геометрических отношений обычно невозможно.
Однако, табличная параметризация находит широкое применение во всех параметрических САПР, поскольку позволяет существенно упростить и ускорить создание библиотек стандартных и типовых деталей, а также их применение в процессе конструкторского проектирования.
Иерархическая параметризация
Иерархическая параметризация (параметризация на основе истории построений) заключается в том, что в ходе построения модели вся последовательность построения отображается в отдельном окне в виде «дерева построения». В нем перечислены все существующие в модели вспомогательные элементы, эскизы и выполненные операции в порядке их создания.
Параметризация на основе истории построений присутствует во всех САПР использующих трехмерное твердотельное параметрическое моделирование. Обычно такой тип параметрического моделирования сочетается с вариационной и/или геометрической параметризацией.
Вариационная (размерная) параметризация
Вариационная или размерная параметризация основана на построении эскизов (с наложением на объекты эскиза различных параметрических связей) и наложении пользователем ограничений в виде системы уравнений, определяющих зависимости между параметрами.
Процесс создания параметрической модели с использованием вариационной параметризации выглядит следующим образом:
Вариационная параметризация позволяет легко изменять форму эскиза или величину параметров операций, что позволяет удобно модифицировать трехмерную модель.
Геометрическая параметризация
Геометрическая параметризацией называется парметрическое моделирование, при котором геометрия каждого параметрического объекта пересчитывается в зависимости от положения родительских объектов, его параметров и переменных.
Параметрическая модель, в случае геометрической параметризации, состоит из элементов построения и элементов изображения. Элементы построения (конструкторские линии) задают параметрические связи. К элементам изображения относятся линии изображения (которыми обводятся конструкторские линии), а также элементы оформления (размеры, надписи, штриховки и т.п.).
Одни элементы построения могут зависеть от других элементов построения. Элементы построения могут содержать и параметры (например, радиус окружности или угол наклона прямой). При изменении одного из элементов модели все зависящие от него элементы перестраиваются в соответствии со своими параметрами и способами их задания.
Процесс создания параметрической модели методом геометрической параметризации выглядит следующим образом:
Последующие этапы в целом аналогичны процессу моделирования с использованием метода вариационной параметризации.
Геометрическая параметризация дает возможность более гибкого редактирования модели. В случае необходимости внесения незапланированного изменения в геометрию модели не обязательно удалять исходные линии построения (это может привести к потере ассоциативных взаимосвязей между элементами модели), можно провести новую линию построения и перенести на нее линию изображения.
Параметрическое моделирование в САПР SolveSpace: Введение
Многие из нас в школе или университете посещали уроки черчения, но не многим из нас это нравилось. Часами возиться с линейкой, циркулем и плохо заточенным карандашом, пытаясь ровно и без помарок выводить размерные линии, бесконечные штриховки и странные формы, мало кому могло показаться интересным. Тем более, что к тому времени уже существовали компьютерные программы, способные автоматизировать это скучное, бессмысленное и беспощадное занятие. А настоящий прорыв в области проектирования деталей и подготовки конструкторской документации произошел в 1989 вместе с дебютом параметрического моделирования в Системе Автоматизированного Проектирования (САПР) Pro/Engineer.
Это — вводная статья к циклу статей «Параметрическое моделирование». Из этого цикла вы узнаете о внутреннем устройстве настоящего решателя геометрических ограничений, проблемах и их решениях на примере open-source САПР «SolveSpace». Кому не чужд мир трехмерного моделирования, добро пожаловать под кат! 
Модель ударно-спускового механизма РПГ-7, созданная в САПР SolveSpace
В основе параметрического моделирования лежит простая идея: выразить сложные геометрические формы изделий с помощью простых примитивов (entities), форма которых задается с помощью параметров (parameters) и отношений между ними. Параметрами могут быть координаты точек, величины углов, длин, радиусов окружностей или эллипсов. Отношения между параметрами называют ограничениями (constraints). Для инженера-конструктора такие ограничения выглядят как размеры или как геометрические отношения инцидентности (совпадения), параллельности, перпендикулярности или касательности простейших геометрических форм: точек, линий, окружностей, эллипсов и т. д. Совокупность примитивов, служащих основой для построения геометрического представления детали, называют эскизом (sketch). При таком подходе процесс построения эскиза сводится к формированию грубого наброска контура объектов и наложению таких ограничений, которые однозначно определяют значения параметров всех примитивов. Преимуществом такого подхода является то, что инженеру не требуется точно определять координаты всех объектов, достаточно указать лишь геометрические взаимоотношения между объектами, а всю работу по вычислению результирующих координат объектов выполнит решатель геометрических ограничений (geometric constraint solver) — основа параметрического подхода к моделированию. Именно наличие такого решателя отличает параметрические САПР от остальных.
SolveSpace
Подробности реализации системы параметрического моделирования будем рассматривать на основе open-source проекта SolveSpace, созданного Джонатаном Вэстью (Jonathan Westhues) и поддерживаемого в настоящее время сообществом open-source — разработчиков, в числе которых состоит и автор данной статьи, то есть я.
Среди всех проектов с открытым исходным кодом, SolveSpace обладает самой адекватной реализацией решателя геометрических ограничений. Решатель SolveSpace имеет си-подобный интерфейс и доступен для лицензирования и использования в коммерческих проектах. Основным преимуществом решателя, созданного Джонатаном, является символьный подход к записи исходных уравнений, что позволяет очень быстро и просто создавать новые ограничения, а также предоставляет возможность вычислять выражения в полях ввода значений. Еще одним преимуществом решателя SolveSpace является возможность единообразно решать как двумерные, так и трехмерные ограничения.
В качестве контр-примера можно привести встроенный решатель FreeCAD, который построен на других принципах, что вызывает ряд проблем. Одной из проблем является сложность добавления новых ограничений ввиду того, что приходится вручную записывать все частные производные уравнений. Но основным минусом решателя FreeCAD является его ограниченность областью проектирования двумерных эскизов, что негативным образом сказалось на функциональности FreeCAD — в нем до сих пор нет нормальной возможности делать трехмерные сборки деталей.
Эскиз (Sketch)
Несмотря на то, что SolveSpace является параметрической системой трехмерного моделирования, объемные тела создаются на основе набора двумерных контуров. Контуры в SolveSpace могут состоять из отрезков прямых, окружностей и их дуг, а также кубических сплайнов. Иерархически вложенные контуры становятся «дырками», а контуры, вложенные в “дырки” — снова становятся частью тел.
Пример эскиза
В SolveSpace возможно создание тел выдавливания (extrusion) и тел вращения (lathe), а все остальные тела можно получить объединением этих двух типов с использованием так называемых Булевых (Boolean) операций, которые являются основой Constructive Solid Geometry(CSG).
Пример тела выдавливания (extrusion)
Пример тела вращения (revolution, lathe)
Ограничения (Constraints)
Ограничения в параметрических САПР отличаются от размерных линий обыкновенных систем автоматизированного проектирования. Их основное отличие состоит в том, что изменение размерного значения меняет и сам эскиз, то есть ограничения предоставляют интерфейс двустороннего взаимодействия. Ограничения могут «измерять» размеры эскиза, то есть выполнять роль размеров “для справок” (reference). С другой стороны, ограничения могут изменять сам эскиз при изменении значения параметра ограничения. Это очень удобно, так как во множестве случаев инженеру-конструктору требуется создать документацию не единичного изделия, а целого семейства изделий, обладающих сходной формой, но различными значениями ряда размеров. К примеру, это могут быть обыкновенные гайки:
Эскизы гаек различного размера
Автоматическая перестройка чертежа при изменении некоторых параметров детали
В этом и состоит мощь параметрического моделирования: изменяя всего один или несколько параметров мы добиваемся полной перестройки всей модели, включая трехмерное представление и наборы видов на каждом из чертежей. Не нужно вносить тысячи правок, если необходимо изменить всего один размер — достаточно задать его новое значение и решатель геометрических ограничений рассчитает новые координаты объектов, а в случае ввода некорректных значений выдаст сообщение об ошибке.
Параметрическое моделирование в 3Ds Max: что нужно знать?
Профессиональный 3D-дизайнер в своей работе должен владеть несколькими технологиями моделирования объектов и уметь мастерски сочетать их. В дизайне интерьеров обычно применяют полигональное, сплайновое, NURBS-моделирование или 3D-скульптинг. А вот параметрическое моделирование чаще можно встретить в инженерном деле. Тем не менее, это не повод обойти его стороной. В статье мы объясним, что такое трехмерное параметрическое моделирование на персональных компьютерах, где применяется и как именно реализуется в Autodesk 3Ds Max.
Что такое параметрическое моделирование
Параметрическое моделирование в 3D-графике – это метод проектирования объектов с использованием их параметрических данных. Принцип – изменение геометрии объекта с помощью регулировки его параметров (формы, размера, плотности, радиуса и т.д). Заданные параметры сохраняются в базе данных, и вы сможете воспользоваться ими в любой момент.
В итоге вы создаете математическую модель, из которой, благодаря настройке параметров, можно получить в будущем уникальные комбинации. Отметим, что большинство объектов в 3Ds Max параметрические, то есть представляют собой совокупность установок и настроек. Вносить корректировки настроек можно на командной панели в свитке Parameters.
Параметрическое 3D-моделирование – гибкий и в то же время точный инструмент, который несложно освоить, если знать азы 3Ds Max. А познакомиться с интерфейсом, функциями и основными настройками этой программы можно на наших курсах под контролем опытных преподавателей.
Параметризация – это один из первых способов моделирования, который чаще всего применяют в промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. С его помощью удобно конструировать детали и механизмы промышленных изделий. В дизайне интерьера параметризация необходима для проектирования декора, потолков, мебели нестандартных форм.
Параметр можно изменить в любой момент – тогда модель обновится в режиме реального времени. Поскольку все детали сборки связаны между собой, то при изменении конфигурации они будут взаимно перемещаться. Еще до создания конечного объекта вы поэкспериментируете с комбинациями настроек, увидите ошибки, допущенные при проектировании, вовремя исправите их.
Программы для параметрического моделирования – это не только 3Ds Max. Часто параметризацию выполняют в разных САПР – CATIA, Solidworks или Компас-3D.
Типы параметризации
В 3D-моделировании существует несколько режимов параметризаций:
Геометрическая параметризация – многофункциональный инструмент с тонкими настройками. С его помощью вы сможете вносить изменения в 3D-модель на любой стадии редактирования.
Преимущества параметрического моделирования
Разберем, почему в ходе знакомства с 3Ds Max стоит освоить параметрическое моделирование:
Несмотря на все плюсы, параметрическое моделирование в программе «3Д Макс» мы рекомендуем использовать для разработки технически несложных изделий с малым числом параметров. Если параметров наберется больше 40-50, обновление модели займет слишком много времени. Еще один минус – из-за продолжительности и трудоемкости процесс станет экономически невыгодным.
Процесс параметрического моделирования
Теперь разберем алгоритмы конструирования параметрических моделей на примере нескольких модификаторов. Наиболее распространено параметрическое моделирование в 3Ds Max с применением модификаторов Vol. Select и Morpher.
Параметрическое моделирование: описание, методы, обзор программ
Параметрическое моделирование (parametric model, PM) использует инструменты проектирования на основе конструктивных элементов. Оно позволяет разработчику определять целые классы фигур, а не только конкретные детали. До появления этой технологии редактирование формы было сложной задачей. Например, чтобы изменить трехмерное тело, дизайнер должен был изменить длину, ширину и высоту. Применяя технологию PM, проектировщику потребуется изменить только один параметр, два других настраиваются автоматически.
История автоматизированного проектирования
Вам будет интересно: Формат WLMP. Чем открыть его?
Ключевой вехой в истории автоматизированного проектирования (CAD) стало появление в 1987 году версии Pro/ENGINEER, теперь PTC Creo, которая познакомила индустрию САПР с параметрическим моделированием. С тех пор эта парадигма используется практически во всех основных программах проектирования, включая SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, NX и Onshape.
PM-проектирование выполняется инженерами, строящими трехмерную геометрию по частям. Двухмерные эскизы превращаются в трехмерные объекты, при этом проектные ограничения и допуски должным образом реализуются в соответствии с дизайнерским планом. Поскольку каждый шаг следует из предыдущих – требуется подробный предварительный эскиз.
Несмотря на мощь и популярность РМ-моделирования, другая парадигма прямого моделирования САПР также имеет своих сторонников. Некоторые современные системы САПР используют прямое, а не параметрическое моделирование на основе истории, также существуют и такие системы, которые предоставляют сочетание двух инструментов.
Парадигма дизайна и терминология
Вам будет интересно: Как убрать значки с панели задач и что это такое
Параметрический дизайн начинается с эскиза, а для получения окончательного результата применяют различные математические функции. Парадигму дизайна, впервые разработанную Pro / ENGINEER, называют «основанной на истории», поскольку линейная пошаговая природа модели отличает ее от прямого параметрического моделирования, которое называют «свободным от истории».
Программное обеспечение запоминает функции по порядку, а модель выполняет их шаг за шагом. Пользователи часто ошибочно полагают, что только ПО, основанное на истории, является параметрическим. На самом деле к нему относятся все модели с данными, включающими размеры, образцы, толщину стенок, диаметры, глубины отверстий и другие. С помощью параметрического подхода инженеры могут быстро и легко создавать различные конфигурации конструкций.
В настоящее время получили развитие и параметрическое, и квалиметрическое моделирование. Квалиметрия – научная дисциплина, занимающаяся методиками количественного определения качества моделей. Это теория, разработанная в бывшем СССР Г. Азгалдовым, используется сегодня при разработке российских стандартов, в том числе в металлургии и машинообработке.
Большая часть программного обеспечения САПР позволяет реализовать качественные проекты. Прежде чем сделать выбор, разработчику нужно проанализировать показатели:
Процесс параметрического моделирования
Вам будет интересно: Для чего нужна служба автоматического обновления программ
Модели строятся из набора математических формул и чтобы они имели легитимность, они должны основываться на реальной информации об изделии. Совершенство методов проверки и полнота информации об изделии определяют жизнеспособность решения.
Существует две популярные PM-модели:
Термин параметрическое 3D моделирование означает, что программа MCAD использует физические данные. В этом методе размеры определяют геометрию, а не наоборот, как в случае 2D и традиционных трехмерных твердотельных моделях. Поэтому любое редактирование значений приводит к изменению размера. Кроме того, отношения или ограничения, используемые для создания элементов изделия, фиксируются и контролируются программой.
Базовая единица проекта
Элемент является базовой единицей параметрической твердотельной модели. Так же, как сборка включает в себя различные детали, файл состоит из отдельных частей. Каждая функция имеет определяющие интеллектуальные свойства. При конструировании объекта указываются геометрические ограничения и применяемые размеры. Разработчик сохраняет эти свойства в базе данных и использует для создания новых изделий.
Примерами этих строительных блоков, называемых элементами, являются отверстия, ребра, желобки, фаски и другие геометрические детали. Новые функции зависят от существующих таким образом, что изменения дизайна фиксируются автоматически. Тем самым функциональное моделирование отражает замысел конструктора. Если деталь или связанная часть изменяется, ПО повторно генерирует этот признак в соответствии с назначенными ему пограничными свойствами. Например, ребро, определенное как касательное к дуге, будет двигаться, чтобы сохранить ограничение касания, если размер дуги изменяется.
Компьютерная генерация модели
В более узком смысле, термин CAD – это компьютерная генерация и модификация геометрической модели. В более широком смысле – включает все автоматизированные действия в процессе проектирования: геометрическое моделирование, вычисление, сбор и предоставление информации от разработки концепции до изготовления.
Изначально приложения использовались для разработки производственных документов. С увеличением вычислительной мощности системы со сложными экспертными приложениями и интегрированными решениями, FEM стал более часто применяться для проектирования и создания продукта. Доступна конструкция технических решений, благодаря которой объекты с самого начала рассматриваются, как трехмерные тела. При необходимости, технические чертежи создаются автоматически из виртуальных моделей деталей.
Вам будет интересно: Работа со слоями в «Фотошопе»: урок для начинающих
Особое преимущество 3D-CAD – это возможность проектировать изображение изделия с любого направления. 3D принтер позволяет перейти от виртуального к реальному объекту. Вместе с обнаруживаемыми свойствами материала создаются усовершенствованные модели для заданных физических свойств, например, прочности, упругости. CAD используется практически во всех отраслях техники: архитектуре, гражданском строительстве, машиностроении, электротехники и таких узких направлениях, как стоматологические технологии.
Ведущие отраслевые программные продукты
Сегодня на рынке доступно множество программ параметрического моделирования. По уровню использования они подразделяются:
Ведущие отраслевые программные продукты:
Сравнение передовых технологий
SolidWorks доминирует в разработке корпоративных продуктов, в то время как KeyCreator является выбором САПР для специализированных процессов проектирования и производства. Это два хорошо отточенных инструментов с явными преимуществами. Чтобы определить, является ли KeyCreator подходящим методом параметрического моделирования, сравнивают, какое ПО лучше всего отвечает пользовательским задачам.
Моделирование KeyCreator без истории позволяет дизайнерам не только быстро создавать проекты с нуля, но открывать и редактировать любые файлы САПР независимо от источника. KeyCreator имеет преимущества по сравнению с SolidWorks в виде способности обрабатывать непредсказуемые изменения дизайна, а полный набор переводчиков дает пользователям инструмент для выполнения работы в любой стране мира.
Функции KeyCreator позволяют проектам свободно развиваться, поскольку эскизы и трехмерные модели не связаны историей операций или ограничениями. Этот подход позволяет начальным неструктурированным концепциям постепенно превращаться в сложные сборки. Гибкие возможности экспорта KeyCreator означают, что трехмерная геометрия легко переходит на следующую стадию проектирования производства.
Подход PM, используемый SolidWorks, идеально подходит для управления обновлениями моделей на основе характеристик производительности продукта, жесткие ограничения позволяют рассчитывать уточнения для конструкций, которые на данном этапе являются статичными. Он также обеспечивает широкую совместимость с инструментами управления данными, использующими метаданные проектирования на протяжении всего производственного процесса.
Кроссплатформенное ПО трехмерных объектов
Пользователи выбирают FreeCAD, благодаря простоте использования на основе QT. Это ПО поддерживает и интегрирует различные форматы файлов, можно легко создать трехмерную фигуру из 2D, извлечь детали дизайна или отрегулировать размеры с достаточным количеством компонентов. FreeCAD также поставляется с моделью рендеринга 3D-сцен, совместимой с Open Inventor, панелями инструментов, переключателями, всеобъемлющим API-интерфейсом Python и макетами.
Конструкторский инструмент Fusion 360
Fusion 360 для Windows – это 3D CAD-инструмент, разработанный Autodesk. Трехмерное моделирование в системе Fusion 360 ориентировано на дизайнеров и является мощным инструментом для разработки деталей, предоставляет опции для тестирования функциональности объектов и моделирования движения. Autodesk Fusion 360 основан на облачной технологии. Созданные данные всегда хранятся в облаке, что облегчает работу в команде.
Autodesk Fusion 360 охватывает следующие ключевые фактора при разработке продукта: функциональное моделирование, рендеринг и подготовка к производству. Все эти функции объединены в одном приложении. Формы работают с функцией T-сплайна. Создавая интеллектуальные отношения между компонентами, можно смоделировать функциональность сборок.
Вам будет интересно: HTML-выравнивание по ширине страницы: советы и рекомендации
Связь отдельных компонентов друг с другом определяется суставами. Путем регулировки свойств, таких как жесткость или вращение, компоненты могут быть расположены с нужным перемещением по отношению друг к другу. Чтобы сделать изделие привлекательным, в Fusion 360 есть ряд материалов, которым покрывают нужную поверхность.
Пользовательский интерфейс Autodesk Fusion 360 четко организован. Панель меню обеспечивает доступ к готовому дизайну и возможность быстрого сохранения текущих проектов. Кроме того, действия могут быть отменены или переделаны одним щелчком мыши. В разделе «Создать» конструируют простые или сложные объекты. Доступ к истории проектирования получают через временную шкалу, чтобы можно было внести изменения и сохранить их.
Отправная точка моделирования
Для эскизного объекта требуется двухмерная модель, которая затем преобразуется одним из основных способов: выдавливание, вращение и развертка.
Отправной точкой для PM модели является эскиз, который первоначально имеет точную форму создаваемой детали или элемента и является интеллектуальным представлением детали. Важно проанализировать и спланировать каждую часть перед проектированием, чтобы определить наиболее эффективную последовательность создания.
Неудовлетворительные стратегии параметрического программного моделирования приводят к появлению деталей, создание которых будет занимать больше времени из-за сложного редактирования. Проектироваться должны такие элементы, которые обеспечивают максимальную гибкость и вариацию изделия, для этого, воспринимая готовую твердотельную модель, как совокупность изменяющихся элементов.
Последовательность создания эскиза
Перед тем, как приступить к созданию эскиза, модель должна быть изучена, чтобы определить наилучший профиль базового варианта. Лучший – это тот, который полностью описывают общую форму, и минимизирует количество оставшихся функций, необходимых для завершения проекта. Каждая новая часть содержит три бесконечные опорные плоскости, которые представляют в пространстве переднюю, верхнюю и правую плоскости, проходящих через начало координат – нулевая точка в пространстве.
Общая процедура PM заключается в выборе наилучшего профиля для первой характеристики модели. Затем выбирают наиболее подходящую плоскость, на которой нужно создать первый эскиз, чтобы конечный вариант имел правильную ориентацию при просмотре в графическом виде.
2D эскиз затем превращается в 3D твердое тело, путем выдавливания или вращения. Его можно превратить в цельные детали с помощью процесса развертки, которая имеет функции вытягивания чертежа перпендикулярно плоскости, и вращения элементов вокруг оси. Этот метод перемещает его по траектории, состоящей из прямой или изогнутой геометрии. Для черчения используется несколько эскизов, с переходами от одной фигуры к другой. Каждый сеанс связан с получением нового размера. Из готовой модели твердого тела создают чертежный файл со стандартными размерами изометрических видов.
Преимущества САПР
Параметрическое моделирование САПР использует разнообразные инструменты в различных областях, например, геометрического моделирования, которое включает в себя дифференциальную геометрию, теорию множеств, алгебру матриц, теоретическую и прикладную информатику. Эти инструменты могут комбинироваться и различаться в зависимости от системы САПР и отрасли применения. Они ориентированы на вектор, обеспечивающий противоположность ориентации сетки.
САПР используется для создания цифровых моделей проектирования с различными характеристиками, которые предоставляют информацию для производства требуемого изделия, посредством технического чертежа, передачи ЧПУ и других.
Преимущество внутреннего представления модели:
Одним из преимуществ программ параметрического моделирования является то, что они позволяют перенести цифровое производство непосредственно в проект, поскольку интегрируется с помощью станков с числовым программным управлением или 3D-принтеров.