ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра высшей математики и физико-математического моделирования

СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Методические указания

к выполнению лабораторных работ по курсу «Информатика» для студентов направлений 150400 «Металлургия» и 131000 «Нефтегазовое дело» очной формы обучения

Воронеж 2011

Составители: канд. физ.-мат. наук Г.Е. Шунин

канд. техн. наук С.А. Кострюков,

канд. техн. наук В.В. Пешков,

асс. М.В. Мощёнский

УДК 004.9:658.512

Системы компьютерного проектирования технических объектов: методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Информатика» для студентов направлений 150400 «Металлургия» и 131000 «Нефтегазовое дело» очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Г.Е. Шунин, С.А. Кострюков, В.В. Пешков, М.В. Мощёнский. Воронеж, 2011. 36 с.

В методических указаниях рассмотрены основы геометрического моделирования, приведен обзор программ для компьютерного проектирования различных объектов и описаны основные методы создания чертежей, деталей и сборок в системе Pro/ENGINEER.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям 150400.62 «Металлургия», 131000.62 «Нефтегазовое дело», профилям «Технология литейных процессов», «Эксплуатация и обслуживание объектов транспорта и хранения нефти, газа и продуктов переработки» по дисциплине «Информатика».

Методические указания подготовлены на магнитном носителе в текстовом редакторе Microsoft Word 2003 и содержатся в файле met_PROE.doc.

Ил. 24. Библиогр.: 11 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. В.В. Ломакин

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. И.Л. Батаронов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

 ФГБОУ ВПО «Воронежский государст- венный технический университет», 2011

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время по своим возможностям и по популярности на первых местах находятся CAD-CAM системы «высокого уровня», такие, как NX Unigraphics [1], Pro/ENGINEER [2] и CATIA [3]. Среди CAD систем «среднего уровня» выделяются SolidWorks [4], Autodesk Mechanical Desktop [5], T-FLEX CAD [6]. Из CAD-систем «низкого уровня» можно отметить AutoCAD [5], VariCAD [7] и КОМПАС [8]. За исключением двух последних, это системы открытого типа с пакетной обработкой команд, встроенным макроязыком и библиотекой функций, с подключением внешних модулей, расширяющих их функциональные возможности. Трёхмерное моделирование происходит на уровне твёрдотельных моделей с использованием мощных конструкторско-технологических библиотек, средств анимации и конечно-элементного мультифизического анализа. Этот анализ осуществляется через прямой интерфейс с универсальными САЕ системами, такими, как ANSYS [9], NISA [10] и др. Для двухмерного конечно-элементного анализа можно использовать отечественный пакет ELCUT [11].

В данных методических указаниях рассмотрены основы геометрического моделирования, приведен обзор программ для компьютерного проектирования различных объектов и описаны основные методы создания чертежей, деталей и сборок в системе Pro/ENGINEER.

ОБЗОР СИСТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Долгое время чертеж был единственной возможностью передать информацию о трехмерных объектах окружающего мира общедоступным образом – с помощью проекций этих объектов на определенные плоскости. Конструктор-проекти­ров­щик, нарисовав в воображении трехмерный объект, чертил на бумаге проекции и сечения этого объекта. Это был путь от трехмерного воображения к двумерному изложению, что требовало соответствующей подготовки и навыков, как в изложении, так и в восприятии информации.

За последние десятилетия процесс технического проектирования претерпел революционные изменения. С появлением первых, еще двумерных, CAD-систем конструктор-проекти­ровщик вышел из-за кульмана и стал создавать чертежи на компьютере. Он избавился от множества рутинных операций, но необходимость отражать объемный мир в плоском виде осталась – отказаться от нее позволили только системы твердотельного моделирования. Теперь в процессе проектирования конструктор создает трехмерную модель: объект предстает таким, каким он будет в реальности. Процесс проектирования вернулся к работе с виртуальными трехмерными объектами, точнее говоря, с их математическими образами.

Человек все больше передает рутину компьютеру, освобождаясь для творчества. Работу над сложными проектами уже и представить себе нельзя без CAD-CAM систем, которые связы­вают воедино все процессы проектирования и изготовления изделия.

NX Unigraphics – одна из наиболее популярных систем высокого уровня. Возможности этого комплекса позволяют с высоким качеством и минимальными затратами решать инженерные задачи любой сложности.

Рабочее место в Unigraphics формируется из модулей, каждый из которых отвечает за определенные функции, что позволяет составить оптимальный набор для дизайнера, технолога, конструкторов изделия и технологической оснастки. На всем пути работы с моделью – от проектирования до производства – инженера сопровождает дружественный интерфейс, интуитивно понятный и легко настраиваемый под конкретные требования.

Концепция мастер-модели – та база, на которой строится распределение данных между модулем проектирования и остальными модулями Unigraphics. Единожды построив модель, инженер задействует ее в решении самых разных задач: по модели выпускается чертеж, она необходима при построении сетки конечных элементов для расчета на прочность, создании программы обработки детали на станке. Поэтому очень важно, чтобы модель создавалась оптимальным способом, с обоснованными и верными ссылками на использованные элементы. Только так время и усилия, затраченные на создание модели, многократно окупятся при ее редактировании.

К услугам инженера, создающего виртуальную модель проектируемой детали, все преимущества гибридного моделирования, то есть возможность работать и с типовыми элементами, и традиционно – посредством эскизов-профилей. Моделирование с помощью типовых элементов предполагает составление модели из элементарных базовых компонентов (типа параллелепипед, цилиндр, конус, сфера), а также операции с этими и дополнительными (карман, бобышка, проточка и пр.) компонентами. Вспомогательные геометрические объекты (точки, прямые, окружности) либо не требуются вовсе, либо используются только при необходимости. Там, где в определении модели нужно использовать отрезки и кривые, инженеру предоставляется выбор: или пользоваться функцией эскизирования (Sketch), или определить некий профиль в пространстве модели. Определяя эскиз, достаточно сделать грубый набросок, после чего задать необходимые геометрические условия и размеры. В любом из трех случаев определения модель ассоциативно завязана с определяющими ее элементами и будет изменяться при их редактировании.

Весь набор операций с твердым телом и поверхностью основан на полностью ассоциативном, параметрическом дереве построения. Навигатор модели наглядно представляет все ее составляющие. Порядок построения позволяет выбирать конструктивные элементы, менять их и связи между ними. Историю построения можно просмотреть пошагово, конструктивные элементы допускается копировать и затем вставлять в модель. Количество элементов, из которых строится деталь, не ограничено – а значит, есть возможность создавать особо сложные модели. Методами геометрического конструирования вносятся необходимые изменения как в параметризованную, так и в не параметризованную модель; с применением этих же методов поверхности и твердые тела преобразуются в типовые элементы и заносятся в конструкторскую базу данных.

Полнофункциональные электронные таблицы, предполагающие возможность задания не только сложных систем уравнений, но и геометрических выражений, позволяют проводить итерационный анализ по заданным критериям, создавать семейства деталей и управлять ими. Добавим, что возможность создания таких семейств – это реальный инструмент составления библиотеки используемых на предприятии стандартных изделий. Проще, например, уделить некоторое время составлению электронной таблицы, описывающей все используемые болты, чем приобретать готовую базу, добрая половина стандартов которой никогда не понадобится.

Unigraphics позволяет проектировать изделия с учетом допусков и посадок, а также проводить вариантный анализ. Задавая значения допусков, ассоциативно связанных с геометрической моделью, инженер создает информационную модель – она упростит и ускорит выпуск чертежа, снизит риск ошибки.

В системе Unigraphics реализована разработка сборок большого размера, причем обеспечивается создание сборочной модели как сверху вниз, так и снизу вверх. Другими словами, либо из готовых деталей формируется сборка, либо в одном файле создаются модели разных деталей, а затем система определяет их как составляющие сборку разноуровневые компоненты. Нет нужды заранее определять данный файл в качестве сборочного: при необходимости он будет определен таким образом по ходу работы над проектом. Можно создавать сборку любой глубины вложенности, с любым количеством компонент.

Контекстный поиск, управление изменениями, обнаружение пересечений, мощные средства визуализации – все это гарантирует сохранение целостности данных на протяжении всего процесса проектирования. Для моделирования сборок предусмо­трены средства согласованной коллективной работы в рамках единой концепции и единых требований к разрабатываемому из­делию. Конструктор может оперативно настроить рабочую среду сборки, контролировать при открытии сборки загрузку компонент. Использование фильтров по атрибутам, именам компонент и их пространственному положению позволяет определить и за­грузить в сборку лишь те детали, что необходимы ему в данный момент. Таким образом, составляющие сборку детали создаются и изменяются в контексте этой сборки, что позволяет уже на ран­них этапах проектирования обнаруживать и исправлять ошибки.

При изменении одной детали другие, связанные с ней, автоматически перемещаются или даже меняют геометрию.

Можно упрощать точные модели, заменяя их условными телами, что особенно удобно при анализе вариантов, когда важны лишь примерные очертания объекта, обозначающие место его расположения.

Графический навигатор поможет быстро найти нужную компоненту, изменить способ ее изображения в сборке.

Система моделирования сборок располагает собственными средствами контроля пересечений деталей и расчета массо-инерционных характеристик сборочных узлов, оптимизированными для работы в сборке с большим количеством деталей. Такие расчеты можно итеративно проводить по ходу проектирования. Трехмерная модель большой сборки позволяет разработчику оценить проектируемое изделие без затрат на создание тех сложных полноразмерных макетов, на которых в былые времена производилась оценка и отладка возможности доступа, монтажа и демонтажа различных агрегатов изделия. Все это позволяет не только повысить качество проекта, сократить время разработки, уменьшить затраты, но и обойтись без некоторых прежде неизбежных этапов.

Поскольку бесчертежное производство не станет реальностью ни сегодня, ни завтра, по созданным моделям нужно выпу­скать чертежи. Unigraphics позволяет делать это легко и просто.

Среда подготовки чертежной документации содержит набор средств, с помощью которых на базе трехмерной геометрической модели твердого тела, проволочной модели и эскизов можно создать любой чертеж. Предлагается множество разнообразных функций, облегчающих создание чертежа, причем ограничений по степени сложности и стандартам нет. Полная ассоциативная связь чертежа с геометрической моделью позволяет в любой момент получить чертеж, точно соответствующий геометрической модели. Основные функциональные возможности при выпуске конструкторской документации: графический интерфейс с широким использованием пиктограмм; интерактивная настройка графических атрибутов; наследование свойств существующих графических элементов чертежа; автоматическое построение ортогональных и дополнительных видов с удалением невидимых линий; автоматическая простановка размеров на геометрии, построенной по эскизам; ассоциированные с геометрией спецсимволы (сварка, чистота поверхности, допуски на геометрические отклонения); автоматическое создание спецификаций состава изделия; удобные функции задания и редактирования текста. Существует возможность управлять изображением, скрывая или показывая отдельные чертежные объекты согласно заданным условиям.

В некоторых случаях отдельные элементы сборочного чертежа (крепеж, ребра жесткости, валы), через которые проходит плоскость сечения, необходимо условно показать без наложения штриховки – для этого достаточно определить перечень "нерассекаемых" объектов.

Pro/ENGINEER (с 2010 г. Creo Elements/Pro) – это ведущий продукт компании Parametric Technology Corporation (PTC), являющийся технологией следующего поколения в области автоматизации разработки механических изделий, полностью основан на параметрическом определении объекта проектирования. С предоставляемыми Pro/ENGINEER возможностями моделировать поведение изделия, инженеры могут оптимально вести процесс разработки своего изделия, используя заданные требования и цели, значительно повышая эффективность в достижении целей разработки. Предоставляя возможность конкретным целям и желаемым функциям изделия управлять создаваемой моделью, моделер поведения помогает разработчикам улучшать характеристики изделий и находить оптимальные решения не прибегая к отнимающим много времени "ручным" итерациям или привлечению специалистов со стороны.

Технология Ассоциативной Топологической Шины (ATB) PTC, объединяет всю группу разработчиков, гарантируя, что дан­ные могут быть применены и повторно использованы любыми приложениями, созданными компанией PTC. Детали и сборки, со­зданные в каком-либо приложении (например, Pro/ENGINEER) могут быть ассоциативно использованы непосредственно или как ссылка в другом приложении (например, Pro/DESKTOP).

Mechanism Design предоставляет разработчикам средства кинематического моделирования и понимания "работы" сборки посредством того, что в Pro/ENGINEER можно легко определять связи в узлах для соединений типа болтового, шарового или скользящего. Эти связи и, как результат, возникающие ограничения в сборках, дают возможность легко осуществлять сборку систем замкнутого типа, таких как замкнутое соединение из четырех стержней. Эти связи могут использоваться совместно с компоновочными (packaging) ограничениями, и такими традиционными для Pro/ENGINEER ограничениями как совмещение (mate), выравнивание (align), и вставка (insert). Единожды создав сборку разрабатываемой конструкции, инженеры могут наблюдать, какой будет геометрия поведения механизмов в ответ на интерактивную буксировку (dragging) деталей и заданные кинематические параметры. Любая точка сборки механизма может быть отбуксирована, позволяя получить анимацию поведения механизма. Инженеры получают возможность создавать наилучшие конструкции механизмов, формулируя цели разработки и накладывая соответствующие ограничения на сборки и узлы механизма.

Средства Shrinkwrap позволяют пользователям создавать "облегченные" представления твердотельных моделей с сохранением их исходной формы и массовых характеристик. Эти новые функциональные возможности снижают требования к ресурсам вычислительных систем, и позволяют производителям создавать распределенную среду разработки изделий, например, с поставщиками комплектующих, без риска передачи "закрытой" информации о разработке.

Используя Expert Machinist, специалисты, работающие с ЧПУ-оборудованием, способны легко классифицировать геометрию модели в контексте известной специфики механообработки. Expert Machinist создает траекторию ЧПУ-инструмента, которая может быть настроена на конкретную среду пользователя, что позволяет быстро создавать эффективные и надежные программы механообработки деталей.

Pro/ENGINEER обладает набором средств для быстрого создания анимационных файлов. Это позволяет уже на ранней стадии разработки эффективно обмениваться идеями и концеп­циями как между разработчиками внутри компании, так и за ее пределами для достижения целей разработки, а также эффективно использовать данные ранее выполненных разработок.

Pro/ENGINEER включает в себя также модули Pro/MESH и Pro/FEM-POST, позволяющие проводить расчеты на прочность методом конечных элементов. Pro/MESH обеспечивает конструктору возможность создания сетки конечных элементов для моделей, полученных в Pro/ENGINEER. После разбиения модель может быть передана во внешние программы анализа для вычисления термонапряженного состояния, потока жидкости, перемещения, теплопередачи, механизма образования трещин, усталости и представления о коррозийной среде. Этот модуль автоматически создает сетку в соответствии с тре­бованиями конструктора, который может интерактивно уточнять ее там, где это необходимо. Pro/MESH позволяет создавать оболочечные элементы (треугольные и четырехугольные), объемные (тетраэдры), массовые элементы и различные одноразмерные bar-элементы (например, брусы, пружины, балки).

Весь процесс анализа, от создания сетки до постпроцессор­ной обработки, может быть проведен в среде Pro/ENGINEER. Сразу после создания конечно-элементной модели она может быть выведена в различные программы МКЭ для решения непосредственно из интерфейса. Форматы файлов, в которых могут быть выведены данные о разбиении, включают такие стандарты, как PATRAN, ANSYS, NASTRAN, SUPERTAB, COSMOS/M. Pro/MESH может создавать нейтральный файл FEM Neutral, переносящий информацию о конечно-элементной модели в любой определенный пользователем транслятор. Помимо этого, находясь в среде Pro/ENGINEER, пользователь может просмотреть результаты расчетов, используя Pro/FEM-POST.

Pro/FEM-POST обеспечивает полный набор возможностей постпроцессора для анализа результатов, полученных методом конечных элементов (МКЭ), и предоставляет пользователям возможность отображать результаты анализа в среде Pro/ENGINEER. Pro/FEM-POST упрощает процесс сквозного проектирования/анализа в интегрированной среде, объединяющей полную ассоциативность Pro/ENGINEER с возможностями современного постпроцессора, для анализа результатов, полученных методом конечных элементов. С его помощью пользователи могут оптимизировать геометрию детали, определяя соотношения, которые будут параметрически изменять деталь, основываясь на результатах анализа. Дружественный пользователю интерфейс обеспечивает проверку правильности решений при проектировании и оптимизации на ранних этапах разработки изделия. С помощью Pro/FEM-POST пользователь может задействовать возможности лучших в своем классе систем МКЭ, не выходя из среды Pro/ENGINEER.

Программа SolidWorks фирмы SolidWorks Corp. – это система трехмерного автоматизированного проектирования, использующая хорошо знакомый пользователю графический интерфейс MS Windows. Этот достаточно легко осваиваемый пакет позволяет инженерам-проектировщикам быстро отображать свои идеи в эскизе, экспериментировать с элементами и размерами, а также создавать модели и подробные чертежи.

Модель SolidWorks состоит из деталей, сборок и чертежей. Обычно сначала рисуется эскиз, создается основание, а затем в модель добавляются многочисленные элементы. Можно также начать с импортированной поверхности или геометрии твердого тела. Можно сколько угодно совершенствовать чертеж, добавляя, изменяя элементы и их порядок. Связь между деталями, сборками и чертежами гарантирует, что изменения, сделанные в одном виде, автоматически выполняются во всех других видах. Чертежи или сборки можно создавать на любом этапе в процессе проектирования. Приложение SolidWorks позволяет создавать собственную настройку функций, отвечающую конкретным требованиям.

Web-папки – это новый инструмент программы SolidWorks, который позволяет нескольким пользователям совместно работать над документами детали, сборки или чертежа SolidWorks, а также с файлами других форматов по сети Internet. Web-папка служит ярлыком для выхода на web-сервер.

Интерфейс программирования приложений (API) SolidWorks – это программный интерфейс OLE SolidWorks. Интерфейс API содержит сотни функций, которые можно вызывать из Visual Basic, VBA (Excel, Access и т.д.), C, C++ или файлов макросов SolidWorks. Эти функции предоставляют программисту прямой доступ к функциональным возможностям SolidWorks.

В пакет Autodesk Mechanical Desktop входят практически все необходимые инженеру - конструктору средства моделирования геометрических объектов. Он объединяет в себе возможности новейших версий известных программных продуктов копании Autodesk:

• Autocad Designer 2 для конструирования деталей и сборочных узлов.

• AutoSurf 3 для моделирования сложных трехмерных поверхностей с использованием NURBS - геометрии.

• AutoCAD в качестве общепризнанной графической среды САПР.

• IGES Translator для обмена файлами с другими системами САПР.

Autodesk Mechanical Desktop осуществляет параметрическое моделирование твердых тел на основе конструктивных элементов. Произвольные конструктивные элементы можно моделировать путем выдавливания, вращения и сдвига плоского эскизного контура, а также путем отсечения фрагментов от твердотельных объектов произвольными поверхностями. В конструкцию можно включать стандартные элементы: сопряжения (галтели), фаски и отверстия (в том числе с зенковкой, разверткой и резьбовые). Любые размеры могут быть переменными. Переменными можно управлять глобально при помощи таблиц параметров и математических формул. Возможно моделирование примитив-поверхностей (конус, шар, цилиндр), сложных поверхностей произвольной формы и их плавного сопряжения. Позволяет производить расчет площади поверхности, массы, объема и моментов инерции деталей и сборочных узлов, а также анализировать взаимодействие деталей в сборочных узлах.

Предусмотрены следующие типы зависимостей между элементами: горизонтальность, вертикальность, параллельность, перпендикулярность, коллинеарность, концентричность, проекция, касание, равенство радиусов и координат Х и Y.

Построение и редактирование набросков осуществляется стандартными средствами AutoCAD. Рабочие чертежи выполняются с помощью двунаправленной ассоциативной связи между моделью и ее чертежом с автоматическим удалением штриховых и невидимых линий и с ассоциативным нанесением размеров и выносок. Чертежи соответствуют стандартам ANSI, ISO, DIN, JIS и ЕСКД.

Производится сборка деталей в узлы, дается графическое и логическое представление иерархической структуры сборочного узла. Выполняются схемы сборки-разборки и автоматический выпуск спецификаций.