Parametrické modelovanie: popis, metódy, prehľad programu

Parametrické modelovanie (parametrický model, PM) využíva návrhové nástroje založené na konštrukčných prvkoch. Umožňuje vývojárovi definovať celé triedy tvarov, nielen konkrétne detaily. Pred príchodom tejto technológie bola úprava formulárov náročnou úlohou. Napríklad na zmenu trojrozmerného tela musel dizajnér zmeniť dĺžku, šírku a výšku. Pomocou technológie PM bude musieť návrhár zmeniť iba jeden parameter, ďalšie dva sa nakonfigurujú automaticky.

História počítačom podporovaného dizajnu

Kľúčovým míľnikom v histórii počítačom podporovaného dizajnu (CAD) bolo objavenie sa verzie Pro/ENGINEER v roku 1987, teraz PTC Creo, ktorá predstavila priemysel CAD parametrickému modelovaniu. Odvtedy sa táto paradigma používa takmer vo všetkých hlavných dizajnérskych programoch vrátane SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Creo Parametric, CATIA, NX a Onshape.

Pm-dizajn vykonávajú inžinieri, ktorí stavajú trojrozmernú geometriu po častiach. Dvojrozmerné náčrty sa transformujú na trojrozmerné objekty, zatiaľ čo konštrukčné obmedzenia a tolerancie sa správne implementujú v súlade s plánom návrhu. Pretože každý krok vyplýva z predchádzajúcich, je potrebný podrobný predbežný náčrt.

Napriek sile a popularite modelovania RM má svojich priaznivcov aj ďalšia paradigma priameho modelovania CAD. Niektoré moderné systémy CAD používa skôr priame než parametrické modelovanie založené na histórii a existujú aj systémy, ktoré poskytujú kombináciu dvoch nástrojov.

Paradigma dizajnu a terminológia

Parametrický návrh začína náčrtom a na získanie konečného výsledku sa používajú rôzne matematické funkcie. Paradigma dizajnu, ktorú prvýkrát vyvinul Pro / ENGINEER, sa nazýva "založená na histórii", pretože lineárna podrobná povaha modelu ho odlišuje od priameho parametrického modelovania, ktoré sa nazýva "bez histórie".

Softvér si pamätá funkcie v poriadku a model ich vykonáva krok za krokom. Používatelia sa často mylne domnievajú, že parametrický je iba softvér založený na histórii. V skutočnosti zahŕňa všetky modely s údajmi vrátane rozmerov, vzoriek, hrúbka steny, , priemery, hĺbky otvorov a iné. Pomocou parametrického prístupu môžu inžinieri rýchlo a ľahko vytvárať rôzne konfigurácie štruktúr.

V súčasnosti boli vyvinuté parametrické aj kvalifikačné modelovanie. Qualimetria je vedná disciplína zaoberajúca sa metódami kvantifikácie kvality modelov. Toto je teória vyvinutá v bývalom ZSSR. Azgaldov, ktorý sa dnes používa pri vývoji ruských štandardov, vrátane metalurgie a strojového spracovania.

Väčšina z softvér CAD vám umožňuje realizovať vysoko kvalitné projekty. Pred výberom musí vývojár analyzovať ukazovatele:

1. Veľkosť štruktúry.
2. Počet vývojárov spojených s projektom.
3. Mobilita modelu.
4. Typ súboru nastavený klientom.

Proces parametrického modelovania

Modely sú zostavené zo súboru matematických vzorcov a aby mali legitimitu, musia byť založené na skutočných informáciách o produkte. Dokonalosť overovacích metód a úplnosť informácií o výrobku určujú životaschopnosť riešenia.

Existujú dva populárne modely PM:

1. Konštruktívna Pevná geometria – CSG) - definuje model z hľadiska kombinácie základných a generovaných fyzikálnych foriem. Na zostavenie modelu používa logické operácie. Je to kombinácia trojrozmerných elementárnych tvarov, napríklad valca, kužeľa, hranola, obdĺžnika alebo gule, ktoré sú riadené jednoduchými logickými operáciami.
2. Hraničné znázornenie (BR) - spojitý model je tvorený definovaním povrchov, ktoré tvoria priestorové hranice. Potom sa objekt vytvorí spojovacími bodmi v priestore. Mnoho programov používa metódu konečných prvkov (FEM), pretože uľahčuje ovládanie vnútornej siete objemu.

Termín parametrické 3D modelovanie znamená, že program MCAD používa fyzické údaje. Pri tejto metóde rozmery určujú geometriu, a nie naopak, ako v prípade 2D a tradičných trojrozmerných polovodičových modelov. Preto akákoľvek úprava hodnôt vedie k zmene veľkosti. Okrem toho sú vzťahy alebo obmedzenia použité na vytvorenie prvkov produktu fixované a riadené programom.

Základná jednotka projektu

Prvok je základnou jednotkou parametrického polovodičového modelu. Rovnako ako zostava obsahuje rôzne časti, súbor sa skladá zo samostatných častí. Každá funkcia má definujúce intelektuálne vlastnosti. Pri navrhovaní objektu sú špecifikované geometrické obmedzenia a použité rozmery. Vývojár uloží tieto vlastnosti do Databázy a použije ich na vytváranie nových produktov.

Príklady týchto stavebných blokov, ktoré sa nazývajú prvky, sú otvory, rebrá, drážky, skosenia a ďalšie geometrické detaily. Nové funkcie závisia od existujúcich tak, že zmeny dizajnu sa opravia automaticky. Funkčné modelovanie teda odráža zámer dizajnéra. Ak sa časť alebo súvisiaca časť zmení, softvér túto funkciu znovu vygeneruje podľa hraničných vlastností, ktoré sú jej priradené. Napríklad hrana definovaná ako dotyčnica k oblúku sa bude pohybovať, aby sa zachovalo obmedzenie dotyčnice, ak sa zmení veľkosť oblúka.

Generovanie počítačových modelov

V užšom zmysle je pojem CAD počítačové generovanie a modifikácia geometrického modelu. V širšom zmysle zahŕňa všetky automatizované akcie v procese navrhovania: geometrické modelovanie, výpočet, zber a poskytovanie informácií od vývoja konceptu po výrobu.

Spočiatku sa aplikácie používali na vývoj výrobných dokumentov. S rastúcim výpočtovým výkonom systému so zložitými odbornými aplikáciami a integrovanými riešeniami sa FEM čoraz častejšie používa na návrh a tvorbu produktov. K dispozícii je návrh technických riešení, vďaka ktorým sa objekty od samého začiatku považujú za trojrozmerné telesá. V prípade potreby sa technické výkresy vytvárajú automaticky z virtuálnych modelov dielov.

Špeciálnou výhodou 3D-CAD je schopnosť navrhnúť obraz produktu z ľubovoľného smeru. 3D tlačiareň umožňuje prepnúť z virtuálneho na skutočný objekt. Spolu s detekovateľnými vlastnosťami materiálu sa vytvárajú vylepšené modely pre špecifikované fyzikálne vlastnosti, napríklad pevnosť, pružnosť. CAD sa používa takmer vo všetkých odvetviach strojárstva: Architektúra, stavebné inžinierstvo, strojárstvo, elektrotechnika a také úzke oblasti, ako je zubná technika.

Popredné priemyselné softvérové produkty

Dnes je na trhu k dispozícii veľa programov parametrického modelovania. Podľa úrovne použitia sa delia na:

1. Použitie v malom rozsahu.
2. Široká aplikácia.
3. Priemyselné modelovanie.

Posledná z týchto troch kategórií, konkrétne priemyselný softvér, získala najväčšiu popularitu.

Popredné priemyselné softvérové produkty:

1. SolidWorks-predstavený v roku 1995 ako lacný konkurent na trhu. Softvér parametrického modelovania SolidWorks získal v roku 1997 spoločnosť Dassault Systemes. Používa sa v strojárstve a v plastikárskom priemysle.
2. CATIA-vytvoril Dassault Systemes vo Francúzsku v neskorých 1970. Tento sofistikovaný softvér je široko používaný v leteckom, automobilovom a lodiarskom priemysle.
3. Aplikáciu parametrického modelovania Siemens NX, predtým známu ako Unigraphics, získala spoločnosť McDonnell Douglas v roku 1977. Je to kompletné riešenie pre návrh a výrobu výrobkov so širokým rozsahom spotreby.
4. Grasshopper je doplnok Rhinoceros zameraný na parametrický dizajn, ktorý funguje ako editor generatívnych algoritmov. Výhody tohto programu spočívajú v tom, že na rozdiel od mnohých nevyžaduje skriptovacie skúsenosti, umožňuje vám vytvárať schémy z generovania komponentov a prijímať významnú časovú optimalizáciu.
5. Parametrické modelovanie Compass 3D používa počítač na navrhovanie objektov alebo systémov fungujúcich v reálnom svete.
6. Autodesk, je staršia verzia AutoCADu a umožňuje implementovať 3D projekty. Oblasť použitia-priemyselná mechanika.
7. KeyCreator je neparametrický, "priamy" 2D/3D CAD založený na histórii pre modelovanie pevného tela. Pôvodne známy ako CADKEY, bol prvýkrát vydaný v roku 1984 a beží ďalej operačné systémy DOS, UNIX a Microsoft Windows. Prvý CAD program s 3D funkciami pre osobné počítače. Okrem masívneho modelovania vykonáva KeyCreator drôtové modelovanie povrchov a kreslenie.

Porovnanie pokročilých technológií

SolidWorks dominuje vo vývoji podnikových produktov, zatiaľ čo KeyCreator je voľbou CAD pre Špecializované dizajnérske a výrobné procesy. Jedná sa o dva dobre vybrúsené nástroje s jasnými výhodami. Ak chcete zistiť, či je KeyCreator vhodnou metódou parametrického modelovania, porovnajte, ktorý softvér najlepší spĺňa úlohy používateľa.

Modelovanie KeyCreator bez histórie umožňuje návrhárom nielen rýchlo vytvárať projekty od nuly, ale aj otvárať a upravovať akékoľvek súbory CAD bez ohľadu na zdroj. KeyCreator má oproti SolidWorks výhody v podobe schopnosti zvládnuť nepredvídateľné zmeny dizajnu a kompletná sada prekladateľov poskytuje používateľom nástroj na prácu v ktorejkoľvek krajine na svete.

Funkcie KeyCreator umožňujú voľný vývoj projektov, pretože náčrty a trojrozmerné modely nie sú viazané históriou operácií alebo obmedzení. Tento prístup umožňuje, aby sa počiatočné neštruktúrované koncepty postupne zmenili na zložité zostavy. Flexibilné možnosti exportu KeyCreator znamenajú, že trojrozmerná geometria sa ľahko presunie do ďalšej fázy návrhu výroby.

Prístup PM používaný spoločnosťou SolidWorks je ideálne vhodný na správu aktualizácií modelov na základe výkonnostných charakteristík produktu, prísne obmedzenia vám umožňujú vypočítať vylepšenia pre návrhy, ktoré sú v tejto fáze statické. Poskytuje tiež širokú kompatibilitu s nástrojmi na správu údajov, ktoré používajú metadáta návrhu počas celého výrobného procesu.

Multiplatformový softvér pre trojrozmerné objekty

FreeCAD je otvorený dizajnér multiplatformových parametrických trojrozmerných objektov v kaskáde. Softvér sa používa hlavne v strojárstve na vývoj skutočných produktov. 3D produkty sa dodávajú s MCAD, CAx, PLM a CAD spolu s kompletným balíkom možností prispôsobenia a rozšírení.

Používatelia si vyberajú FreeCAD kvôli ľahkému použitiu založenému na QT. Tento softvér podporuje a integruje rôzne formáty súborov, môžete ľahko vytvoriť trojrozmernú postavu z 2D, extrahovať detaily návrhu alebo upraviť rozmery s dostatočným počtom komponentov. FreeCAD tiež prichádza s modelom vykresľovania 3D scén kompatibilným s Open Inventor, panelmi nástrojov, prepínačmi, komplexným Python API a rozloženiami.

Funkcie Programu:

1. Rozsiahla online dokumentácia.
2. Dostupnosť pre macOS, Linux a Windows.
3. Dodáva sa s užívateľským rozhraním, ktoré možno ľahko prispôsobiť.
4. Poskytuje integrovanú podporu Pythonu.
5. Poskytuje svojim používateľom všetky pokročilé a rozšíriteľné nástroje, ktoré potrebujú: smerovacie pracovné stanice, geografické údaje, experimentálne CFD, nástroje na analýzu konečných prvkov (Fea), modul modelovania robotov a BIM.
6. Podporuje anotácie, ako sú rozmery a text.
7. Má mnoho moderných funkcií, zadarmo pre každého.

Návrhový Nástroj Fusion 360

Fusion 360 pre Windows je 3D CAD nástroj vyvinutý spoločnosťou Autodesk. Trojrozmerné modelovanie v systéme Fusion 360 je zamerané na dizajnérov a je výkonným nástrojom na vývoj detailov, poskytuje možnosti testovania funkčnosti objektov a modelovania pohybu. Autodesk Fusion 360 je založený na cloudovej technológii. Vytvorené údaje sú vždy uložené v cloude, čo uľahčuje prácu v tíme.

Autodesk Fusion 360 pokrýva nasledujúce kľúčové faktory vývoja produktu: funkčné modelovanie, vykresľovanie a predvýroba. Všetky tieto funkcie sú kombinované v jednej aplikácii. Tvary pracujú s funkciou t-spline. Vytvorením inteligentných vzťahov medzi komponentmi môžete simulovať funkčnosť zostáv.

Spojenie jednotlivých komponentov medzi sebou je určené spojmi. Úpravou vlastností, ako je tuhosť alebo rotácia, môžu byť komponenty umiestnené s požadovaným vzájomným posunom. Aby bol produkt atraktívny, Fusion 360 má množstvo materiálov, ktoré pokrývajú požadovaný povrch.

Používateľské rozhranie Autodesk Fusion 360 je prehľadne usporiadané. Panel s ponukami poskytuje prístup k hotovému dizajnu a možnosť rýchleho ukladania aktuálnych projektov. Okrem toho je možné akcie vrátiť späť alebo prerobiť jediným kliknutím. V časti "Vytvoriť" sú konštruované jednoduché alebo zložité objekty. História dizajnu je prístupná prostredníctvom časovej osi, takže zmeny môžu byť vyrobený a uložený.

Východiskový bod simulácie

Objekt náčrtu vyžaduje dvojrozmerný model, ktorý sa potom transformuje jedným z hlavných spôsobov: extrúzia, rotácia a rozvinutie.

Východiskovým bodom pre model PM je náčrt, ktorý má spočiatku presný tvar vytvorenej časti alebo prvku a predstavuje inteligentné znázornenie časti. Pred návrhom je dôležité analyzovať a naplánovať každú časť, aby ste určili najefektívnejšiu postupnosť tvorby.

Neuspokojivé stratégie parametrického modelovania softvéru vedú k objaveniu sa detailov, ktorých vytvorenie bude kvôli zložitým úpravám trvať dlhšie. Takéto prvky by mali byť navrhnuté tak, aby poskytovali maximálnu flexibilitu a variáciu produktu, a preto vnímať hotový polovodičový model ako súbor meniacich sa prvkov.

Postupnosť vytvárania náčrtu

Pred začatím vytvárania náčrtu by sa mal model preštudovať, aby sa určil najlepší profil základného prípadu. Najlepší je ten, ktorý plne popisuje celkový tvar a minimalizuje počet zostávajúcich funkcií, potrebné na dokončite projekt. Každá nová časť obsahuje tri nekonečné referenčné roviny, ktoré v priestore predstavujú prednú, hornú a pravú rovinu prechádzajúcu počiatkom-nulový bod v priestore.

Všeobecným postupom PM je výber najlepšieho profilu pre prvú charakteristiku modelu. Potom vyberte najvhodnejšiu rovinu, na ktorej chcete vytvoriť prvý náčrt, aby konečná verzia mala pri grafickom pohľade správnu orientáciu.

Geometria by sa mala vytvoriť zachytením obmedzení počas vytvárania náčrtu a potom by sa mala merať, aby sa určila konečná geometria. Plne definovaný variant je čierny, neúplný je modrý a prepísaný je červený.

2D náčrt sa potom extrúziou alebo rotáciou transformuje na 3D pevnú látku. Môže sa premeniť na pevné časti pomocou skenovacieho procesu, ktorý má funkcie ťahania výkresu kolmo na rovinu a otáčania prvkov okolo osi. Táto metóda ju posúva po trajektórii pozostávajúcej z priamej alebo zakrivenej geometrie. Na kreslenie sa používa niekoľko náčrtov s prechodmi z jednej postavy na druhú. Každá relácia je spojená so získaním novej veľkosti. Z hotového modelu pevného telesa je vytvorený výkresový súbor so štandardnými rozmermi izometrických pohľadov.

Výhody CAD

Parametrické CAD modelovanie využíva rôzne nástroje v rôznych oblastiach, napríklad geometrické modelovanie, ktoré zahŕňa diferenciálnu geometriu, teóriu množín, maticovú algebru, teoretickú a aplikovanú informatiku. Tieto nástroje je možné kombinovať a líšiť sa v závislosti od systému CAD a odvetvia použitia. Sú orientované na vektor poskytujúci opak orientácie mriežky.

CAD sa používa na vytváranie digitálnych dizajnových modelov s rôznymi charakteristikami, ktoré poskytujú informácie pre výrobu požadovaného produktu prostredníctvom technického výkresu, CNC prenosu a ďalších.

Výhoda vnútorného znázornenia modelu:

1. Racionalizácia stavebného procesu.
2. Schopnosť ľahko a rýchlo meniť modely v moderných fázach procesu navrhovania.
3. Zabraňuje strate informácií a chybám.
4. Možnosť použitia v iných aplikáciách
5. Optimalizuje dizajn, kým nie je produkt pripravený na výrobu.
6. Trojrozmerné polovodičové modely ponúkajú širokú škálu spôsobov zobrazenia modelu.
7. Vizualizácia produktu, pretože môžete začať s jednoduchými objektmi s minimálnymi detailmi.
8. Integrácia s následnými aplikáciami a skrátenie doby vývojového cyklu.
9. Existujúce údaje o dizajne je možné znova použiť na vytvorenie nových návrhov.
10. Rýchla zmena dizajnu, zvýšená účinnosť.
11. Digitálna výroba.

Jednou z výhod programov parametrického modelovania je, že vám umožňujú prenášať digitálnu produkciu priamo do projektu, pretože je integrovaná pomocou číselne riadených strojov alebo 3D tlačiarní.