Системы автоматизации проектирования

Хотя способ создания параметрической модели прост, задача расчета геометрии для новых значений параметров - сложная, главным образом из-за того, что могут быть определены произвольные зависимости переменных. Для расчета применяются два типа решателей - вариационные и аналитические, однако ни в одной системе нет гарантии, что нужная геометрия будет найдена, хотя отказы происходят в достаточно сложных случаях.

Следует отметить, что параметризация, основанная на истории, имеет много недостатков и не является единственным возможным способом. Более объективную и не зависящую от последовательности действий пользователя параметризацию создают геометрические (параллельность, ортогональность, касание) условия между элементами конструкции, а также размеры. Исследования в этом направлении также велись, но до коммерческих продуктов дело пока не дошло.

Параметрика полезна не только для моделирования, она также автоматизирует итерационную отладку конструкций. Работая в среде параметрического конструирования, пользователь указывает изменяемые параметры, задает связывающие условия, определяет целевую функцию и запускает процесс оптимизации. Можно оптимизировать такие параметры, как масса, объем, площадь поверхности, моменты инерции, центр тяжести. Особенно эффектна следующая задача: на входе задается примерная геометрия, а в качестве целевой функции - условия размещения в заданном габарите.

Новый продукт EDS Unigraphics - Wave [5] (Whot-I - Alternative Value Engineering) - позволяет управлять анализом в интегрированной среде параллельного проектирования производства. В обычных сложных параметризованных сборках содержатся сотни и тысячи деталей, которые перегружают возможности системы. В предложенном подходе можно выделить 20-30 наиболее важных переменных проекта и проводить оптимизацию только по ним.

Появление в практике такого важного способа моделирования, как фичерсы (feature), можно связать с компанией PTC. Фичерсы - отверстия, фаски, скругления, ребра жесткости и пр., в отличие от элементарных объектов твердотельного моделирования, являются привычными для пользователей, и работа с такими макрообъектами, очевидно, более выгодна. Фичерсы - это применение объектной ориентированности в CAD. Для того чтобы добавить отверстие к уже существующей геометрии, достаточно выбрать элемент меню "отверстие" и указать его расположение. После этого оно остается привязанным к грани при любом ее перемещении - фичерсы помнят о своем окружении. Интеллектуальность фичерсов иллюстрирует эскиз из рисунка 1, на котором показано, как меняется направление выпуклости скругления, при изменении геометрии в его окрестности.

Рисунок 1.  
а) - параметризованная модель; б) - та же модель, регенерированная с новыми размерами.

Фичерсы тесно связаны с параметризацией. Кроме того, что они сами по себе параметризованные объекты, они могут быть созданы, как параметрики. Хотя в Pro/Engineer они реализуются как программные объекты, в UG/Solid Modelling фичерсы могут определяться пользователем интерактивно, в результате запоминания набора компонентов, определения параметров, установки взаимозависимостей, задания значений по умолчанию, иными словами, как параметрическая модель.

5.2. Гибридное моделирование

Крайняя точка зрения, исповедуемая PTC, заключается в том, что параметрическое твердотельное моделирование - это наиболее адекватный метод, однако в нынешних условиях конструкторам нередко требуются альтернативные возможности. Гибридное моделирование (CADDS 5, UG/Solid Modelling, Euclid, CATIA) позволяет сочетать каркасную, поверхностную, твердотельную геометрию и использовать комбинации жестко размерного (с явным заданием геометрии) и параметрического моделирования. Конечно, лучше бы использовать единственную стратегию моделирования для всех продуктов, но, во-первых, часто приходится применять ранее наработанные данные либо данные, импортируемые из других систем, а они могут иметь разные представления. Во-вторых, в какие-то моменты эффективнее работать с проволочными моделями или геометрией 3D, описанной поверхностью. И наконец, часто бывает проще иметь различные представления для разных компонентов. Например, листовое покрытие выгоднее моделировать поверхностью, а для трубопроводов использовать осесимметричное представление.

Параметрические модели, в отличие от жестко размерных, до сих пор не стандартизированы, и многие пользователи попадают врасплох, когда вдруг узнают, что нынешние трансляторы данных IGES и STEP не работают с описаниями ограничивающих условий и истории - эта информация теряется при переносе из одной системы в другую. Поскольку параметрические модели основаны на истории построений, последующее редактирование созданных объектов становится затруднительным. Кроме того, известные методы не гарантируют возможность расчета геометрии для любой модели. Все эти обстоятельства делают гибридное моделирование во многих ситуациях необходимым.

Очень важный вопрос - модификация готовых моделей. Например, в HP PE/SolidDesigner 4.0 предложено новое средство - динамическое моделирование (ДМ). ДМ не основано на истории или ограничениях на геометрию, тем самым конструктор избавляется от недостатка параметрических методов, которые требуют знания истории создания модели. С помощью ДМ можно убирать грани, изменять их относительное расположение, строить офсетные грани или изменять толщину существующих тонкостенных деталей. Все эти операции автоматически сохраняют корректность твердотельной модели. Например, операция Remove Face удаляет любую грань, но не производит дырки в модели, поскольку смежные грани автоматически заживляются.

6. Практические результаты

Степень отдачи от новейших технологий CAD, можно оценить из примера разработки компанией Shorts Brothers фюзеляжа для нового самолета бизнес-класса Learjet 45, которая стала заметной вехой на пути развития технологии автоматизации проектно-конструкторских работ в аэрокосмической промышленности. Результаты впечатляющие: этот фюзеляж оказался не только наиболее сложным среди существующих, но и был разработан в гораздо меньшие сроки (на 40%), чем его предшественники. При этом показано десятикратное улучшение качества деталей и самой сборки. Дополнительная статистическая информация демонстрирует, как Shorts смогла этого добиться: общее число деталей было сокращено на 60% при снижении объема основных переделок на 90% по сравнению с предыдущей практикой.

6.1. Проектная база: технология  моделирования

Как и у многих других компаний, ранний опыт Shorts в технологии автоматизации проектно-конструкторских работ заключался в проволочном моделировании деталей, к которому она подошла в 70-80 годах, имея уже 70-летний опыт проектирования летательных аппаратов. В создаваемых Shorts фюзеляжах ранних самолетов регионального значения было обычно до 9500 структурных деталей. По архивным данным, подобные проекты отнимали на основные переделки до 150% человеко-дней и в абсолютном выражении могли потребовать 445 тыс. человеко-дней для завершения работ в течение четырех лет.

Взявшись за проект Learjet 45, компания Shorts приложила значительные усилия для освоения альтернативных методов, приобретя опыт работы в новой технологии, включающей параметрическое и жестко размерное твердотельное моделирование. Ожидалось, что твердотельное моделирование могло потенциально обеспечить 30-процентную экономию времени, сведя затраты 445 тыс. ч/д до 312 тыс. ч/д. Сейчас имеется уже много производителей, которые на себе испытали преимущества твердотельного моделирования. Однако в этих компаниях известно и то, что преимущества, полученные при проектировании отдельных деталей, не распространяются автоматически на качество компонентной сборки и возникающие из-за внутрисборочных коллизий переделки. Вследствие этого, относительный процент времени на переделки деталей продолжал оставаться неизменным, и затраты на эту работу оставались на том же уровне, как и при использовании проволочного моделирования.

6.2. Переход к гибридному  моделированию

В первую очередь в Shorts была применена тактика сведения подсборок, содержащих многочисленные компоненты, в меньшее число более сложных деталей, что стало возможным благодаря гибридному моделированию. Наиболее сложные детали, получаемые в технологии 5-координатной обработки, представляют собой гибридные модели, определенные ограничивающими поверхностями с жестко заданными размерами относительно других более или менее сложных частей, которые могут быть заданы параметрически. Параметрический подход, хотя и более эффективен для компонентов невысокой и средней сложности, но для высокой сложности он либо менее эффективен, либо вообще не применим. При наличии CAM-технологии, обеспечивающей выход на станки с ЧПУ, примененный подход позволил увеличить сложность конструкции за счет сведения многокомпонентной сборки в единый, очень сложный, обрабатываемый на ЧПУ компонент. В этом случае производитель экономит на документировании, изготовлении, эксплуатационном обслуживании и исключает проблемы, связанные с многокомпонентным монтажом.

Примером сокращения числа деталей служит герметическая перегородка фюзеляжа Learjet 45. В предшествующем фюзеляже эта перегородка представляла собой сборку из 68 деталей средней сложности. В Learjet 45 она была заменена сложной, полученной 5-осевой обработкой, деталью и рядом простых, менее критичных деталей, как, например, кронштейны, опоры и т. д.

В целом, внедрив гибридное моделирование, Shorts смогла уменьшить число компонентов с 9500 до 3700, или на 60%. В результате полное время на проектирование и подготовку производства было сокращено до 125 тыс. ч/д. Если бы, однако, использовался традиционный метод последовательно-компонентного проектирования, переделка основных деталей оставалась бы на уровне 150%.

6.3. Электронная сборка

В конечном счете Shorts перешла к стратегии параллельной электронной сборки. Эта стратегия сочетала технологию гибридного моделирования в системе CADDS 5 CV с электронным макетированием сборки в системе CAMU и с программным продуктом EDM для управления инженерными данными.

Среда CAMU дала многопрофильным проектно-конструкторским бригадам (силовые конструкции, прокладка трубопроводов, анализ/расчет прочности, механообработка, подготовка производства, технический контроль, сборка/монтаж, обслуживание/сопровождение) компании Shorts возможности согласованной параллельной работы, при которой общесистемные проблемы идентифицировались и решались по мере их возникновения. В результате основные переделки были сокращены до 20% от исходного числа человеко-дней (сравните с обычной величиной 150%).

Обычно "параллельные" (смежные) конструкторы конфликтуют из-за вынужденной конкуренции за использование ограниченного пространства. Электронная сборка сводит потери к минимуму, позволяя членам бригад видеть работу друг друга. В одном случае инженеры Shorts смогли оптимизировать размещение труб и жгутов посредством CAMU, автоматически проверив, что трубы не будут пересекаться, а все провода будут подсоединены. Из 8000 деталей, спроектированных в системе CV, 80% были сделаны правильно с первого раза. Остальная часть потребовала однократных изменений, около половины из них были результатом вводимых конструктором дополнений.

Общее время разработки и подготовки производства было сокращено до 60 тыс. ч/д. Цикл разработки типового фюзеляжа сократился с 4 лет до 1,5 - 2 лет.

 

 

Литература

[1]. A.D. Smith, Solid Modeling Products. CAD Systems, November 2006.

[2]. Anderson, "Концентрация CV на полном электронном определении изделия". Engineering Automation, April 2006.

[3]. C.D. Potter. Designing Large Assemblies. CGW Magazine, Nov. 2006.

[4]. C.D. Potter, Analysis for Design Engineers. CGW Magazine, March 2006.

[5]. EDS Unigraphics v.12: a new wave of CAD software. D.H. Brown Associates, Feb. 2006.