Как называется операция 3д моделирования при работе в программах сапр
Система автоматизированного проектирования (САПР) – сложный комплекс средств, предназначенный для автоматизации проектирования.
Согласно принятым в 1980-х годах стандартам, САПР – это не просто некая программа, установленная на компьютере, это информационный комплекс, состоящий из аппаратного обеспечения (компьютера), программного обеспечения, описания способов и методов работы с системой, правил хранения данных и многого другого.
Однако, с приходом на отечественный рынок иностранных систем, широкое распространение получили аббревиатуры CAD (Computer Aided Design), которую можно перевести, как проектирование с применением компьютера, и CAD-system, которую можно перевести, как система для проектирования с помощью компьютера.
В настоящее время в среде специалистов по САПР многие термины утратили свой первоначальный смысл, а термин САПР теперь обозначает программу для автоматизированного проектирования. Другими словами, то, что раньше называлось ПО САПР или CAD-системой, теперь принято называть системой автоматизированного проектирования (САПР). Также можно встретить названия CAD-система, КАД-система, система САПР и многие другие, но все они обозначают одно – некую программу для автоматизированного проектирования.
На современном рынке существует большое количество САПР, которые решают разные задачи. В данном обзоре мы рассмотрим основные системы автоматизированного проектирования в области машиностроения.
Базовые и легкие САПР
Легкие системы САПР предназначены для 2D-проектирования и черчения, а также для создания отдельных трехмерных моделей без возможности работы со сборочными единицами.
Безусловный лидер среди базовых САПР – AutoCAD.
AutoCAD
AutoCAD — это базовая САПР, разрабатываемая и поставляемая компанией Autodesk. AutoCAD – самая распространенная CAD-система в мире, позволяющая проектировать как в двумерной, так и трехмерной среде. С помощью AutoCAD можно строить 3D-модели, создавать и оформлять чертежи и многое другое. AutoCAD является платформенной САПР, т.е. эта система не имеет четкой ориентации на определенную проектную область, в ней можно выполнять хоть строительные, хоть машиностроительные проекты, работать с изысканиями, электрикой и многим другим.
Система автоматизированного проектирования AutoCAD обладает следующими отличительными особенностями:
- Стандарт “де факто” в мире САПР
- Широкие возможности настройки и адаптации
- Средства создания приложений на встроенных языках (AutoLISP и пр.) и с применением API
- Обилие программ сторонних разработчиков.
Кроме того, Autodesk разрабатывает вертикальные версии AutoCAD - AutoCAD Mechanical, AutoCAD Electrical и другие, которые предназначены для специалистов соответствующей направленности.
Bricscad
В настоящее время на рынке появился целый ряд систем, которые позиционируются, как альтернатива AutoCAD. Среди них можно отдельно отметить Bricscad от компании Bricsys, которая очень активно развивается, поддерживает напрямую формат DWG и имеет целый ряд отличий, включая инструменты прямого вариационного моделирования, поддержку BIM-технологий.
САПР среднего уровня
Средние системы САПР — это программы для 3D-моделирования изделий, проведения расчетов, автоматизации проектирования электрических, гидравлических и прочих вспомогательных систем. Данные в таких системах могут храниться как в обычной файловой системе, так и в единой среде электронного документооборота и управления данными (PDM- и PLM-системах). Часто в системах среднего класса присутствуют программы для подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ (CAM-системы) и другие программы для технологического проектирования.
САПР среднего уровня – самые популярные системы на рынке. Они удачно сочетают в себе соотношение “цена/функциональность”, способны решить подавляющее число проектных задач и удовлетворить потребности большей части клиентов.
Autodesk Inventor
Профессиональный комплекс для трехмерного проектирования промышленных изделий и выпуска документации. Разработчик – компания Autodesk.
Среди особенностей Inventor стоит отметить:
- Продвинутые инструменты трехмерного моделирования, включая работу со свободными формами и технологию прямого редактирования
- Поддержку прямого импорта геометрии из других САПР с сохранением ассоциативной связи (технология AnyCAD)
- Тесную интеграцию с программами Autodesk - AutoCAD, 3ds Max, Alias, Revit, Navisworks и другими, что позволяет использовать Inventor для решения задач в разных областях, включая дизайн, архитектурно-строительное проектирование и пр.
- Поддержку отечественных стандартов при проведении расчетов, моделировании и оформлении документации
- Обширные библиотеки стандартных и часто используемых элементов
- Обилие мастеров проектирования типовых узлов и конструкций (болтовые соединения, зубчатые и ременные передачи, проектирование валов и колес и многое другое)
- Широкие возможности параметризации деталей и сборок, в том числе управление составом изделия
- Встроенную среду создания правил проектирования iLogic.
Для эффективного управления процессом разработки изделий, управления инженерными данными и организации коллективной работы над проектами, Autodesk Inventor может быть интегрирован с PLM-системой Autodesk Vault и схожими системами других разработчиков.
SolidWorks
Трехмерный программный комплекс для автоматизации конструкторских работ промышленного предприятия. Разработчик – компания Dassault Systemes.
Черты системы, выгодно отличающие ее от других CAD-систем:
- Продуманный интерфейс пользователя, ставший образцом для подражания
- Обилие надстроек для решения узкоспециализированных задач
- Ориентация как на конструкторскую, так и на технологическую подготовку производства
- Библиотеки стандартных элементов
- Распознавание и параметризация импортированной геометрии
- Интеграция с системой SolidWorks PDM
SolidEdge
Система трехмерного моделирования машиностроительных изделий, которую разрабатывает Siemens PLM Software.
Среди преимуществ системы можно выделить:
- Комбинацию технологий параметрического моделирования на основе конструктивных элементов и дерева построения с технологией прямого моделирования в рамках одной модели
- Расчетные среды, включая технологию генеративного дизайна
- Поддержку ЕСКД при оформлении документации
- Расширенные возможности проектирование литых деталей и оснастки для их изготовления
- Встроенный модуль автоматизированного создания схем и диаграмм
- Тесную интеграцию с Microsoft SharePoint и PLM-системой Teamcenter для совместной работы и управления данными
Компас-3D
Компас-3D – это система параметрического моделирования деталей и сборок, используемая в областях машиностроения, приборостроения и строительства. Разработчик – компания Аскон (Россия).
Преимущества системы Компас-3D:
- Простой и понятный интерфейс
- Использование трехмерного ядра собственной разработки (C3D)
- Полная поддержка ГОСТ и ЕСКД при проектировании и оформлении документации
- Большой набор надстроек для проектирования отдельных разделов проекта
- Гибкий подход к оснащению рабочих мест проектировщиков, что позволяет сэкономить при покупке
- Возможность интеграции с системой автоматизированного проектирования технологических процессов ВЕРТИКАЛЬ и другими системами единого комплекса.
T-FLEX
Отечественная САПР среднего уровня, построенная на основе лицензионного трехмерного ядра Parasolid. Разработчик системы – компания ТопСистемы (Россия).
Отличительные черты системы:
- Мощнейшие инструменты параметризации деталей и сборок
- Продвинутые средства моделирования
- Простой механизм создания приложений без использования программирования
- Интеграция с другими программами комплекса T-FLEX PLM
- Инструменты расчета и оптимизации конструкций.
“Тяжелые” САПР
Тяжелые САПР предназначены для работы со сложными изделиями (большие сборки в авиастроении, кораблестроении и пр.) Функционально они делают все тоже самое, что и средние системы, но в них заложена совершенно другая архитектура и алгоритмы работы.
PTC Creo
Система 2D и 3D параметрического проектирования сложных изделий от компании PTC. САПР PTC Creo широко используется в самых разных областях проектирования.
Выгодные отличия системы от конкурирующих решений:
- Эффективная работа с большими и очень большими сборками
- Моделирование на основе истории и инструменты прямого моделирования
- Работа со сложными поверхностями
- Возможность масштабирования функциональности системы в зависимости от потребностей пользователя
- Разные представления единой, централизованной модели, разрабатываемой в системе
- Тесная интеграция с PLM-системой PTC Windchill.
NX – флагманская система САПР производства компании Siemens PLM Software, которая используется для разработки сложных изделий, включающих элементы со сложной формой и плотной компоновкой большого количества составных частей.
Ключевые особенности NX:
- Поддержка разных операционных систем, включая UNIX, Linux, Mac OS X и Windows
- Одновременная работа большого числа пользователей в рамках одного проекта
- Полнофункциональное решение для моделирования
- Продвинутые инструменты промышленного дизайна (свободные формы, параметрические поверхности, динамический рендеринг)
- Инструменты моделирования поведения мехатронных систем
- Глубокая интеграция с PLM-системой Teamcenter.
CATIA
Система автоматизированного проектирования от компании Dassault Systemes, ориентированная на проектирование сложных комплексных изделий, в первую очередь, в области авиастроения и кораблестроения.
- Стандарт “де факто” в авиастроении
- Ориентация на работу с моделями сложных форм
- Глубокая интеграция с расчетными и технологическими системами
- Возможности для коллективной работы тысяч пользователей над одним проектом
- Поддержка междисциплинарной разработки систем.
Облачные САПР
В последнее время активно начали развиваться “облачные“ САПР, которые работают в виртуальной вычислительной среде, а не на локальном компьютере. Доступ к этим САПР осуществляется либо через специальное приложение, либо через обычный браузер. Неоспоримое преимущество таких систем – возможность их использования на слабых компьютерах, так как вся работа происходит в “облаке”.
Облачные САПР активно развиваются, и если несколько лет назад их можно было отнести к легким САПР, то теперь они прочно обосновались в категории средних САПР.
Fusion 360
САПР Fusion 360 ориентирована на решение широкого круга задач, начиная от простого моделирования и заканчивая проведением сложных расчетов. Разработчик системы – компания Autodesk.
Особенности Fusion 360:
- Продвинутый интерфейс пользователя
- Сочетание разных методов моделирования
- Продвинутые инструменты работы со сборками
- Возможность работы в онлайн и оффлайн режимах (при наличии и отсутствии постоянного подключения к сети Интернет)
- Доступная стоимость приобретения и содержания
- Расчеты, оптимизация, визуализация моделей
- Встроенная CAM-система
- Возможности прямого вывода моделей на 3D-печать.
Onshape
Полностью “облачная” САПР Onshape разрабатывается компанией Onshape.
На что стоит обратить внимание при выборе Onshape:
- Доступ к программе через браузер или мобильные приложения
- Работа только в режиме онлайн
- Узкая направленность на машиностроительное проектирование
- Полный набор функций для моделирования изделий машиностроения
- Контроль версий создаваемых проектов
- Поддержка языка FeatureScript для создания собственных приложений на основе Onshape.
Заключение
В настоящее время на рынке присутствуют самые разные современные CAD системы, которые отличаются между собой как по функциональности, так и по стоимости. Выбрать подходящую систему автоматизированного проектирования среди многих CAD – непростая задача. При принятии решения необходимо ориентироваться на потребности предприятия, задачи, которые стоят перед пользователями, стоимость приобретения и содержания системы и многие другие факторы.
Средства трехмерного моделирования.
Трехмерные системы обеспечивают такую дисциплину работы с тремя координатами, при которой любое изменение одного вида автоматически приводит к соответствующим изменениям на всех остальных видах.
Последовательность построения может быть разной. Последовательность построений может быть следующей: сначала строится 3D вид, а затем автоматически генерируются 2D виды. Некоторые системы способны преобразовывать сборочные чертежи механизма ортогональной проекции в 3d вид этого изделия в разобранном состоянии.
Трехмерное моделирование особенно успешно применяется для создания сложных чертежей, при проектировании размещения заводского оборудования, трубопроводов, различных строительных сооружений, в тех приложениях, где необходимо обеспечить адекватные зазоры между компонентами.
Возможность генерировать траектории движения инструмента и имитация функционирования роботов делает 3D моделирование неотъемлемой частью интеграции САПР/АСТПП. В некоторых системах 3D имеются средства автоматического анализа физических характеристик, таких как вес, моменты инерции и средства решения геометрических проблем сложных сопряжений и интерпретации. Поскольку в 3D системах существует автоматическая связь между данными различных геометрических видов изображения, 3D моделирование полезно в тех приложениях, где требуется многократное редактирование 3D образа на всех этапах процесса проектирования.
Методы трехмерного моделирования делятся на 3 вида:
" Каркасное (проволочное) моделирование;
" Поверхностное (полигональное) моделирование;
" Твердотельное (сплошное, объемное) моделирование.
КАРКАСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.
Каркасная модель полностью описывается в терминах точек и линий. Это моделирование самого низкого уровня и имеет ряд серьезных ограничений, большинство из которых возникает из-за недостатка информации о гранях, которые заключены между линиями, и невозможности выделить внутреннюю и внешнюю область изображения твердого объемного тела.
Однако каркасная модель требует меньше памяти и вполне пригодна для решения задач, относящихся к простым. Каркасное представление часто используется не при моделировании, а при отображении моделей как один из методов визуализации.
Наиболее широко каркасное моделирование используется для имитации траектории движения инструмента, выполняющего несложные операции по 2.5 или 3 осям. Понятие 2.5 оси связано с тем, что более простые системы могут обрабатывать информацию о формах только с постоянным поперечным сечением. Такую форму можно построить следующим образом - сначала создается вид , а затем каждой точке приписываются два значения координаты , характеризующие глубину изображения.
Недостатки каркасной модели:
" Неоднозначность - для того, чтобы представить модель в каркасном виде, нужно представить все ребра (это эффект может привести к непредсказуемым результатам. Нельзя отличить видимые грани от невидимых. Операцию по удалению невидимых линий можно выполнить только в ручную с применением команд редактирования каждой отдельной линии, но результат этой работы равносилен разрушению всей созданной каркасной конструкции, т.к. линии невидимы в одном виде и видимы в другом);
" Невозможность распознавания криволинейных граней - мнимые ребра (боковые поверхности цилиндрической формы реально не имеют ребер, хотя на изображении есть изображение некоторых мнимых ребер, которые ограничивают такие поверхности. Расположение этих мнимых ребер меняется в зависимости от направления вида, поэтому эти силуэты не распознаются как элементы каркасной модели и не отображаются на них);
" Невозможность обнаружить взаимное влияние компонент (каркасная модель не несет информации о поверхностях, ограничивающих форму, что обуславливает невозможность обнаружения нежелательных взаимодействий между гранями объекта и существенно ограничивает использование каркасной модели в пакетах, имитирующих траекторию движения инструмента или имитацию функционирования робота, так как при таком моделировании не могут быть выявлены на стадии проектирования многие коллизии, появляющиеся при механической сборке);
" Трудности, связанные с вычислением физических характеристик;
" Отсутствие средств выполнения тоновых изображений (основным принципом техники выполнения тоновых изображений, т.е. обеспечение плавных переходов различных цветов и нанесение светотени, является то, что затенению подвергаются грани, а не ребра).
ПОВЕРХНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.
Поверхностное моделирование определяется в терминах точек, линий и поверхностей. При построении поверхностной модели предполагается, что технические объекты ограничены поверхностями, которые отделяют их от окружающей среды. Такая оболочка изображается графическими поверхностями. Поверхность технического объекта снова становится ограниченной контурами, но эти контуры уже являются результатом 2-х касающихся или пересекающихся поверхностей. Точки объектов - вершины, могут быть заданы пересечением трех поверхностей.
Поверхностное моделирование имеет следующие преимущества по сравнению с каркасным:
" способность распознавания и изображения сложных криволинейных граней;
" изображение грани для получения тоновых изображений;
" особые построения на поверхности (отверстия);
" возможность получения качественного изображения;
" обеспечение более эффективных средств для имитации функционирования роботов.
В основу поверхностной модели положены два основных математических положения:
" Любую поверхность можно аппроксимировать многогранником, каждая грань которого является простейшим плоским многоугольником;
" Наряду с плоскими многоугольниками в модели допускаются поверхности второго порядка и аналитически неописываемые поверхности, форму которых можно определить с помощью различных методов аппроксимации и интерполяции.
В отличие от каркасного моделирования каждый объект имеет внутреннюю и внешнюю часть.
ТИПЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ:
" Базовые геометрические поверхности (к этой категории относятся плоские поверхности, которые можно получить, начертив сначала отрезок прямой, а затем применить команду, которая разворачивает в пространстве образ этого отрезка на заданное расстояние; таким же образом можно разворачивать и поверхности);
" Поверхности вращения, которые создаются вращением плоской грани вокруг определенной оси;
" Поверхности сопряжений и пересечений;
" Аналитически описываемые поверхности (каждая такая поверхность определяется одним математическим уравнением с неизвестными ). Эти неизвестные обозначают искомые координаты поверхности.
" Скульптурные поверхности (поверхности свободных форм или произвольные поверхности). Методы геометрического моделирования скульптурных поверхностей сложной технической формы применяют в областях, в которых проектируются динамические поверхности или поверхности, к которым предъявляются повышенные эстетические требования. Динамические поверхности подразделяются на 2 класса: омываемые средой (внешние обводы самолетов, подводных лодок), трассирующие среду (воздушные и гидравлические каналы, турбины). При проектировании скульптурных поверхностей применяют каркасно-кинематический метод, основанный на перемещение некоторых образующих по направляющим или путем построения сплайнов, продольных образующих кривых между точками, определенными в трехмерном пространстве. Методы отображения скульптурных поверхностей в значительной степени связаны с возможностями графических устройств. При этом отображение самой поверхности не играет существенной роли, так как основное назначение этих методов визуальная проверка корректности, гладкости и эстетичности полученной поверхности. В настоящее время модели скульптурных поверхностей широко используются при проектировании и производстве корпусом автомобилей, самолетов, предметов домашнего обихода.
" Составные поверхности. Составную поверхность можно полностью определить, покрыв его сеткой четырехугольных кусков, то есть участками, ограниченными параллельными продольными и поперечными линиями на поверхности. Каждый кусок имеет геометрическую форму топологического прямоугольника, который отличается от обычного тем, что его стороны не обязательно являются прямыми и попарно перпендикулярными. Границы кусков представляют собой непрерывные кривые и обеспечивают гладкость поверхности, натянутой на сетку. Внутренняя область каждого куска определяется методом интерполяции. Изображение составной поверхности может быть получено на экране дисплея либо с помощью построения по точкам сплайновых кривых, либо путем создания многогранного каркаса, на который система будет автоматически аппроксимировать натяжение гладкой криволинейной поверхности.
Сегодня я расскажу вам о том, что такое 3D-моделирование, каким оно бывает, где его применяют и с чем его едят. Эта статья в первую очередь ориентирована на тех, кто только краем уха слышал, что такое 3D-моделирование, или только пробует свои силы в этом. Поэтому буду объяснять максимум «на пальцах».
Сам я технический специалист и уже более 10 лет работаю с 3D-моделями, поработал более чем в 10ке различных программ разных классов и назначений, а также в различных отраслях. В связи с этим накопился определенный helicopter view на эту отрасль, с чем и хотел с вами поделиться.
3D-моделирование прочно вошло в нашу жизнь, частично или полностью перестроив некоторые виды бизнеса. В каждой отрасли, в которую 3D-моделирование принесло свои изменения, имеются как свои определенные стандарты, так и негласные правила. Но даже внутри одной отрасли, количество программных пакетов бывает такое множество, что новичку бывает очень трудно разобраться и сориентироваться с чего начинать. Поэтому, для начала давайте разберем какие же бывают виды 3D-моделирования и где они применяются.
Можно выделить 3 крупные отрасли, которые сегодня невозможно представить без применения трехмерных моделей. Это:
- Индустрия развлечений
- Медицина (хирургия)
- Промышленность
Полигонами называются вот эти треугольники и четырехугольники.
Чем больше полигонов на площадь модели, тем точнее модель. Однако, это не значит, что если модель содержит мало полигонов (low poly), то это плохая модель, и у человека руки не оттуда. Тоже самое, нельзя сказать про то, что если в модели Over999999 полигонов (High poly), то это круто. Все зависит от предназначения. Если, к примеру, речь идет о массовых мультиплеерах, то представьте каково будет вашему компьютеру, когда нужно будет обработать 200 персонажей вокруг, если все они high poly?
Полигональное моделирование происходит путем манипуляций с полигонами в пространстве. Вытягивание, вращение, перемещение и.т.д.
Пионером в этой отрасли является компания Autodesk (известная многим по своему продукту AutoCAD, но о нем позже).
Продукты Autodesk 3Ds Max, и Autodesk Maya, де-факто стали стандартом отрасли. И свое знакомство с 3D моделями, будучи 15-летним подростком, я начал именно с 3Ds Max.
Что же мы получаем на выходе сделав такую модель? Мы получаем визуальный ОБРАЗ. Геймеры иногда говорят: «я проваливался под текстуры» в игре. На самом деле вы проваливаетесь сквозь полигоны, на которые наложены эти текстуры. И падение в бесконечность происходит как раз потому, что за образом ничего нет. В основном, полученные образы используются для РЕНДЕРА (финальная визуализация изображения), в игре / в фильме / для картинки на рабочем столе.
Собственно, я в свое время и пытался что-то «слепить», чтобы сделать крутой рендер (тогда это было значительно сложнее).
Кстати о лепке. Есть такое направление как 3D-sсulpting. По сути, тоже самое полигональное моделирование, но направленное на создание в основном сложных биологических организмов. В ней используются другие инструменты манипуляций с полигонами. Сам процесс больше напоминает чеканку, чем 3D моделинг.
Если полигональная модель выполнена в виде замкнутого объема, как например, те же скульптуры, то благодаря современной технологии 3D-печати (которая прожует почти любую форму) они могут быть воплощены в жизнь.
По сути, это единственный путь для полигональных 3D моделей оказаться в реальном мире. Из вышеописанного можно сделать вывод, что полигональное моделирование нужно исключительно для творческих людей (художников, дизайнеров, скульпторов). Но это не однозначно. Так, например, еще одной крупной сферой применения 3D моделей является медицина, а именно- хирургия. Можно вырастить протез кости взамен раздробленной. Например, нижняя челюсть для черепашки.
У меня нет медицинского образования и я никогда ничего не моделил для медицины, но учитывая характер форм модели, уверен, что там применяется именно полигональное моделирование. Медицина сейчас шагнула очень далеко, и как показывает следующее видео, починить себе можно практически все (были бы деньги).
Конечно, используя полигональное моделирование, можно построить все эти восстанавливающие и усиливающие элементы, но невозможно контролировать необходимые зазоры, сечения, учесть физические свойства материала и технологию изготовления (особенно плечевого сустава). Для таких изделий применяются методы промышленного проектирования.
По правильному они называются: САПР (Система Автоматизированного ПРоектирования) или по-английский CAD (Computer-Aided Design). Это принципиально другой тип моделирования. Именно на нем я специализируюсь уже 8 лет. И именно про него я буду вам в дальнейшем рассказывать. Чем этот метод отличается от полигонального? Тем, что тут нет никаких полигонов. Все формы являются цельными и строятся по принципу профиль + направление.
Базовым типом является твердотельное моделирование. Из названия можно понять, что, если мы разрежем тело, внутри оно не будет пустым. Твердотельное моделирование есть в любой CAD-системе. Оно отлично подходит для проектирования рам, шестеренок, двигателей, зданий, самолётов, автомобилей, да и всего, что получается путем промышленного производства. Но в нем (в отличии от полигонального моделирования) нельзя сделать модель пакета с продуктами из супермаркета, копию соседской собаки или скомканные вещи на стуле.
Цель этого метода — получить не только визуальный образ, но также измеримую и рабочую информацию о будущем изделии.
CAD – это точный инструмент и при работе с CAD, нужно предварительно в голове представлять топологию модели. Это алгоритм действий, который образует форму модели. Вот, как раз по топологии, можно отличить опытного специалиста от криворукого. Не всегда задуманную топологию и сложность формы можно реализовать в твердотелке, и тогда нам на помощь приходит неотъемлемая часть промышленного проектирования — поверхностное моделирование.
Топология в поверхностях в 10 раз важнее, чем при твердотельном моделирование. Неверная топология – крах модели. (напоминаю, что это статья обзорная и для новичков, я не расписываю тут нюансы). Освоение топологии поверхностей на высоком уровне, закрывает 70% вопросов в промышленном моделировании. Но для этого нужно много и постоянно практиковаться. В конечном итоге, поверхности все равно замыкаются в твердотельную модель.
Со временем приходит понимание наиболее удобного метода при моделировании того или иного изделия. Тут полно лайф-хаков, причем у каждого специалиста есть свои.
ВАЖНО: использование CAD без профильного образования не продуктивно! Я сам много раз наблюдал, как творческие люди, или мастера на все руки пытались проектировать. Да, конечно они что-то моделировали, но все это было «сферическим конем в вакууме».
При моделировании в CAD, помимо топологии, необходимо иметь конструкторские навыки. Знать свойства материалов, и технологию производства. Без этого, все равно, что подушкой гвозди забивать, или гладить пылесосом.
В CAD мы получаем электронно-геометрическую модель изделия.
(Напоминаю, что при полигональном моделировании мы получаем визуальный образ)
Поверхностное моделирование применяется при проектировании широкого спектра промышленных изделий со сложной формой: от бытовой техники и автомобилей до летательных аппаратов и морских судов. Одним из подходов данного типа моделирования является использование набора опорных профилей и обводных кривых, на основе которых строятся поверхности перехода.
Однако, зачастую, использование стандартных операций для создания подобного рода геометрии бывает не удобным и не эффективным по затраченному времени. При решении задач построения поверхностей с заданными характеристиками конструкторам необходимо использовать единый инструмент, позволяющий выбирать различные варианты задания исходных данных (например, поверхности конического сечения). Поэтому нами был создан механизм построения подобного рода поверхностей с общим набором свойств там, где это допустимо.
1. Переходные поверхности
В T-FLEX CAD 17 операция, включающая в себя семейство поверхностей конического сечения, имеет обобщённое название «Переходная поверхность». Назначение операции: создать поверхность перехода между двумя другими поверхностями (в своем большинстве), но имеющую определённые граничные условия, а также конкретную, хотя, возможно, и переменную по «длине», форму поперечного сечения (подробнее об этом далее).
В настоящее время операция имеет в своем арсенале десять способов построения, разделенных на три группы по типу сечения:
коническое, 4 типа;
окружность (дуга), 4 типа;
В данной статье рассмотрим поверхности конического сечения. И хотя каждый способ имеет схожий механизм построения, для получения результирующей поверхности необходимо задавать свой набор начальных данных. Например, для построения поверхности с типом сечения «окружность» обязательно задание осевой кривой (но не обязательно прямой линии).
В основе построения поверхностей конического сечения лежат четыре типа алгебраических кривых второго порядка, полученных в результате сечения конуса плоскостью (не рассматривая вырожденные случаи): эллипс, окружность (как частный случай эллипса), парабола и гипербола. Однако, особенностью данных поверхностей является отсутствие необходимости явного указания формы сечения. Определение типа кривой происходит автоматически на основе входных управляющих параметров. Но всё же, где можно найти эти самые кривые в результирующей поверхности, а главное, как узнать, какой тип лежит в основе её (поверхности) построения?
Ответ на вопрос «где?»: «Опорная кривая» — первое, и, пожалуй, ключевое поле, которое видит пользователь при запуске операции. Есть во всех десяти типах построения. Два основных свойства:
— Если в любом произвольном месте (точке) данной кривой построить плоскость, перпендикулярную этой кривой, а затем пересечь ее с результирующей поверхностью – получим то самое коническое сечение (Рис. 1 – пунктирные линии).
— Определяет максимальную «длину» результирующей поверхности (Рис. 1).
Рисунок 1. Поверхность конического сечения по изогнутой опорной кривой
Где и как расположены кривые второго порядка, которые являются основным «скелетом» (базовыми профилями) результирующей поверхности, выяснили. Осталось узнать, как можно управлять формой поверхности (то есть типом и формой самих кривых). Для этого доступны четыре варианта — рассмотрим первые два из них:
— «Дискриминант» — вещественное число в диапазоне (0; 1). Геометрический смысл показан на рисунке 2 (Рис. 2 – сечение, перпендикулярно опорной кривой). При значениях (0; 0.5) — эллипс; 0.5 – парабола; (0.5; 1) – гипербола. В случае симметрии, при значении 0.4142 (корень из двух минус один) — окружность.
Рисунок 2. Определение инженерного дискриминанта и поверхность, начинающаяся в точке
(А – точка пересечения касательных на концах граней; АС – медиана треугольника)
— «Промежуточный путь» — пользователь должен указать промежуточную кривую, через которую в итоге и пройдет результирующая поверхность. Главной особенностью этой кривой является тот факт, что в каждом перпендикулярном сечении вдоль опорной кривой точка пересечения её и плоскости должна лежать строго внутри треугольника, изображённого на рисунке 3 (Рис. 3, треугольник ABC).
Рисунок 3. Условие построения и поверхность через промежуточный путь в форме сплайна (Point – точка пересечения перпендикулярной плоскости и промежуточного пути)
Во всех полях данной операции, где нужно вводить числовые значения (константу), можно подключить график и сделать соответствующие значения переменными по длине опорной кривой. На выбор доступны три типа графика: «Полилиния» — односвязный набор прямых отрезков; «Кубический сплайн» — кривая с возможностью задания касательных условий для каждого узла; «По 3D кривой» — нужно указать две кривые из документа, описывающие закон изменения параметра.
Таким образом, задав переменное значение дискриминанта с помощью графика (например, выбрав тип «кубический сплайн»), получим различные не только по форме, но и по типу сечения вдоль опорной кривой – от эллипса до гиперболы (Рис. 4).
Рисунок 4. Поверхность, заданная графиком дискриминанта в диапазоне (0.4; 0.8)
Данный тип поверхности является ключевым для многих инженерных отраслей, в частности аэрокосмической. При проектировании авиационной техники поверхность конического сечения – одна из самых часто встречающихся операций в дереве построения. Именно поэтому на данном этапе разработки системы мы вынесли в интерфейсную часть чуть больше «ручек» по настройке результирующей поверхности.
2. Линейчатые поверхности
Линейчатая поверхность – поверхность, образованная движением прямой линии. Прямая при этом называется прямолинейной образующей, а движется в пространстве она вдоль направляющих кривых. Чтобы не запутаться, не будем «жонглировать» названиями таких поверхностей (геликоид, гиперболоид и т.д.), получаемых различными вариациями образующих и направляющих кривых. Просто рассмотрим два варианта построения:
— одна из направляющих кривых – точка;
— заданы обе направляющие кривые (Рис. 5).
Рисунок 5. Примеры линейчатых поверхностей (зелёные линии — направляющие)
На первый «взгляд» всё довольно просто и понятно, особенно по сравнению с поверхностями конического сечения. Прямая – это алгебраическая кривая первого порядка, на порядок ниже кривых конического сечения. Зачем нужны данные поверхности и где они применяются? Множество примеров использования встречается в архитектуре. Шуховская башня в Москве – сетчатая конструкция в форме линейчатого гиперболоида. Балки являются прямолинейными образующими для каждой секции. Еще один интересный пример, хотя в это будет трудно поверить, но форму «чипсов из тубуса» тоже можно повторить движением прямой (гиперболический параболоид).
Вернемся к одноименной операции «Линейчатая поверхность» в T-FLEX CAD 17. Первый тип построения (когда в качестве первой направляющей указана точка) довольно прост и имеет минимум особенностей и ограничений. Рассмотрим случай, когда заданы обе направляющие кривые.
Способ построения поверхности методом, описанным в теории, звучит вполне разумно: нужно создать прямой профиль и «протолкнуть» его вдоль жестких рамок в виде направляющих кривых. Но если учесть, что эти самые направляющие могу быть совершенно разной формы, длины или даже иметь изломы (составной путь), то возникает целый ряд вопросов, главный из которых: «согласно какому закону должно выполняться движение прямой образующей?». В результате, был выбран совершенно иной механизм получения результирующей поверхности.
Вместо того, чтобы проталкивать линейный профиль вдоль направляющих кривых, можно использовать эти самые кривые в качестве двух сечений. Именно поэтому в диалоге операции первые два поля имеют названия «Первое сечение» и «Второе сечение» соответственно. Условно, соединив по прямой линии каждую точку первой кривой со второй, мы и получим линейчатую поверхность. Остается лишь определиться с «законом», согласно которому будет выполняться выравнивание (распределение) UV кривых в результирующей поверхности. На момент публикации доступны два варианта.
— По длине дуги:
Используется полная длина выбранных сечений. Суть выравнивания и пример поверхности показаны на рисунке 6 (Рис. 6).
Рисунок 6. Распределение изопараметрических линий (тип выравнивания – по длине дуги)
— По опорной кривой:
Границы поверхности определяются длиной и формой опорной кривой. Её смысл аналогичен с операцией «Переходная поверхность». Именно в перпендикулярных сечениях к опорной кривой и будут располагаться прямые изопараметрические линии поверхности (Рис. 7).
Рисунок 7. Линейчатая поверхность по опорной кривой
В заключение стоит сказать, что оба режима поддерживают возможность создания поверхности между двумя замкнутыми контурами, которые, в свою очередь, могут иметь различное число рёбер и вершин (Рис. 8). При этом сохраняется исходная геометрия сечений (создается несколько поверхностей в рамках одного тела).
Рисунок 8. Поверхности «по длине дуги» и «по опорной кривой»
3. Продолжение по закону
Операции с подобным названием создаются для определенных целей: в продолжение к исходной грани, перпендикулярно выбранному ребру создать новую поверхность (в качестве образующего профиля чаще используется прямая или дуга окружности). Однако, в случае с операцией «Продолжение по закону» мы получили одну из самых нестандартных возможностей, вышедшей за рамки создания поверхностей – при необходимости можно получить твердотельную геометрию с широким набором свойств, необходимых для управления её формой и габаритами.
Доступно два варианта продолжения:
— Дугой окружности
Цель — создать новую поверхность в продолжение к выбранной грани (в качестве профиля – дуга окружности). Но в каком направлении? Самое очевидное решение, что «продолжать» нужно перпендикулярно выбранному ребру. Однако, возможны ситуации, когда это не является ожидаемым решением. На выбор доступен вариант «изопараметрически». В таком случае продолжение будет по касательной к изопараметрическим кривым грани в каждой точке выбранного ребра (Рис. 9).
Рисунок 9. «Продолжение» обрезанного ребра цилиндрической грани
Помимо выбора направления доступен выбор и граничных условий: «G1» (непрерывность по первой производной) и «G2» (непрерывность по второй производной — кривизне). В первом варианте радиус кривизны указывается в явном виде. В случае выбора условия «G2» радиус высчитывается автоматически. Особенностью данного условия является то, что вычислять нужно не радиус кривизны ребра в его точке, а радиус кривизны поверхности в заданном направлении (в этой же точке ребра). Если же кривизна в заданном направлении изменит свой знак, то результирующая поверхность в этом месте будет изгибаться в другую сторону (Рис. 10).
Рисунок 10. Два варианта «продолжения» для условия «G1» и один для условия «G2»
Также стоит сказать, что для полей задания радиуса и длины доступно подключение графиков.
— Линейным профилем
Для начала рассмотрим данный вариант в контексте построения новой поверхности. Выбрав исходную грань, в отличие от типа профиля в форме дуги окружности, можно указать сразу несколько ребер, которые мы хотим «продолжить». При этом выбранные ребра не обязательно должны образовывать один гладко сопряжённый путь (могут и вовсе не иметь общих вершин). То есть два соседних ребра могут соприкасаться под любым углом. В этом случае на выбор доступно три варианта обработки таких «изломов»: разделить, продлить или скруглить (Рис. 11).
Рисунок 11. Три типа обработки изломов для поверхностей
Другое назначение данной операции – моделирование фрезерной обработки (цилиндрического сечения). Хотя, конечно, имея широкий функционал «под рукой» (в одной операции), использовать её можно в различных целях. Описание всех возможностей займёт довольно много времени и места, поэтому далее рассмотрим только пример с фрезерованием.
Всё, что нам нужно, это сама твердотельная модель и набор проволочных объектов (принадлежащих одной из её граней), имитирующих путь, по которому должна пройти ось фрезы. Задав соответствующие исходные данные, вначале мы получаем новую поверхность (Рис. 12), по сути такую же, как и в случае, когда мы просто «продолжали» грань.
Рисунок 12. Шар с различными типами профилей
Далее устанавливаем нужные параметры:
- Направление: нужно установить значение «симметрично» или «разная» и указать соответствующую глубину обработки. В данном случае нельзя выбирать только одно направление, так как при последующих булевых операциях в случаях с неплоскими гранями исходного тела образуются так называемые «невалидные контакты».
- Толщина: так как мы условились, что выбранные направляющие являются осевой линией для фрезы, выбираем значение «симметрично» (Рис. 13, слева).
- Сглаживание: обработка концов (именно начала и конца) нового тела. Устанавливая значение «грани», получаем полное сглаживание торцевых граней (Рис. 13, по центру).
- Изломы: смысл данной опции при работе с твердотельной геометрией отличается от случаев, когда в результате получаем поверхность. Теперь она работает в связке с опцией «Сглаживание» и означает то, как именно следует обрабатывать внешние углы в местах изломов. Выставляя значение «скругление» — радиус скругления высчитывается автоматически, исходя из выбранной опции в «Сглаживании» и значения «Толщины» (Рис. 13, справа).
- Булева: заключительная часть создания операции. Устанавливаем значение «вычитание».
Рисунок 13. Придание толщины, сглаживание торцов и изломов
В результате на исходном теле получаем пазы, имитирующие фрезерную обработку (рисунок 14).
Рисунок 14. Результат операции «Продолжение по закону»
Пересчёт данного примера на современном ПК занимает менее секунды. И всё же геометрические операции, задействованные в данном примере, являются довольно «дорогими» по используемым ресурсам (в силу универсальности операции). Тем не менее, подобная операция является уникальной в своём роде.
Заключение
Как говорилось в начале статьи, подход поверхностного моделирования применяется во многих отраслях промышленности. Применяя базовые инструменты САПР T-FLEX CAD, а также описанные выше операции, можно проектировать модели любой сложности, удовлетворяющие всем требованиям к форме изделия, его эргономичности и эстетичности.
Подготовить эффектный рекламный ролик, сконструировать проект интерьера, создать анимацию для приложения или просто яркую презентацию — всё это позволяет делать 3D-графика. Чтобы создать качественную объемную визуализацию, понадобятся специальные программы. Ниже мы перечислили наиболее популярные программы для 3D-моделирования. Они подойдут как новичкам — например, для быстрой визуализации своего дизайна интерьера, так и продвинутым специалистам, которые хотят отрисовать видео с максимальной реалистичностью. Выбирать программу для изучения советуем по своему уровню:
С чего начать
Autodesk TinkerCAD
Назначение: обучение моделированию, создание простых моделей.
Стоимость: бесплатно.
Пожалуй, самая простая программа для 3D моделирования, самая настоящая песочница. TinkerCAD взаимодействует с Minecraft и Scratch, имеет специальные программы для обучения разным дисциплинам, так что если думаете, чем полезным можно увлечь своего ребёнка 一 выбор перед вами. Вишенкой на торте служит возможность экспортировать созданную модель для 3D-печати, так что на базовом уровне она будет полезна и взрослым.
DesignSpark Mechanical
Назначение: моделирование инженерных конструкций.
Стоимость: бесплатно.
Mechanical ориентирован в первую очередь на начинающих специалистов и просто любителей в части 3D моделирования. Возможности по сравнению с AutoCAD куда скромнее, зато бесплатно, и эффективно 一 без труда можно создать почти любую объёмную деталь для дальнейшего использования в более сложных композициях или отправки на 3D-печать. О сложных текстурах и динамическом представлении здесь речи не идёт, но техническим специалистам они особо и не нужны.
SketchUp
Назначение: быстрая визуализация архитектурных идей.
Стоимость: бесплатно для личного пользования и профессионально от 119 долларов в месяц.
SketchUp очень распространен среди простых пользователей в качестве программы 3D моделирования дизайна, быстрой визуализации моделей квартир, комнат и внутренних коммуникаций. Однако возможности программы куда шире, благо несколько лет продукт разрабатывался командой Google. На профессиональном уровне SketchUp позволяет решать сложные архитектурные задачи, будь то конструирование целых зданий и даже районов, не затрачивая на это много времени и сил.
FreeCAD
Назначение: моделирование деталей и конструкций.
Стоимость: бесплатно.
FreeCAD 一 классический представитель свободного ПО, с помощью которого любой пользователь может сделать первые шаги в мире 3D-моделирования, не углубляясь в тонкости визуализации. Будет очень полезна и тем, кто не понаслышке знаком с Python 一 продукт позволяет создавать и интегрировать собственные модули, написанные на этом языке. Так что если вы мечетесь в будущей специализацией между программированием и дизайном, FreeCAD станет идеальный помощником.
Продвинутый уровень
Autodesk AutoCAD
Назначение: моделирование инженерных конструкций.
Стоимость: от 10250 рублей в месяц.
Программа, изначально заточенная под создание двухмерных инженерных чертежей, сегодня имеет очень мощные возможности для 3D-моделирования. Во всяком случае, это касается всего за пределами конечной визуализации и наложения текстур. Будь то техническая деталь с множеством маленьких элементов или модель огромного здания 一 AutoCAD справится одинаково хорошо. Поэтому работникам технических специальностей освоить эту программу надо едва ли не в обязательном порядке. Также он будет полезен для работы с 3D-печатью или резкой.
Cinema 4D
Назначение: графическая визуализация сцен.
Стоимость: от 5350 рублей в месяц.
Несмотря на простой интерфейс Cinema4D имеет достаточно широкие возможности по скульптурированию, рендерингу, созданию текстур и эффектов в анимации. Плюс здесь есть целый ряд инструментов, призванных упростить и ускорить процесс создания сцен. При этом не стоит думать, что с программой справится любой пользователь 一 опыт хотя бы базового 3D моделирования крайне необходим, да и сцены сами себя не построят.
ZBrush
Назначение: скульптурирование моделей.
Стоимость: от 40 долларов в месяц.
Все, кто в реальном мире любит возиться с глиной и гипсом, от работы с ZBrush получат колоссальное удовольствие. Здесь точно также основная область творчества лежит в области скульптурирования. После получения желаемых очертаний лица или тела, программа поможет вам добавить нужные текстуры, блики и тени для достижения финального результата. Работать с ZBrush настолько комфортно, что можно его воспринимать не только, как профессиональный инструмент, но и полноценное развлечение. Посетив любое из многочисленных сообществ программы вы сами в этом убедитесь.
Blender
Назначение: скульптурирование моделей и анимация.
Стоимость: бесплатно.
Blender является уникальным симбиозом качества и доступности. Здесь есть инструменты для создания качественных 3D-моделей, наложения на них текстур, в том числе волос и тканей, дальнейшей анимации и постобработки видео. И всё это запаковано в менее 200 мегабайт пространства. При этом, как и любой крупный проект с открытым кодом, Blender имеет мощное комьюнити и постоянно обрастает всё новыми возможностями.
Для профессионалов
Autodesk 3ds Max
Назначение: создание качественных графических 3D-моделей.
Требуемый уровень подготовки: профессионал.
Стоимость: от 9790 рублей в месяц.
Пожалуй, одна из наиболее мощных программ для 3D моделирования, используемая повсеместно: в играх, киноиндустрии, архитектуре, интерьерном и ландшафтном дизайне, презентациях любых продуктов. Здесь на высочайшем уровне реализованы возможности обработки текстур, рендеринга, трассировки лучей, взаимодействия объектов, что позволяет реализовать задумки любой сложности. Строго рекомендуется для всех специалистов, кто отвечает за визуальное представление объектов, как в статике, так и динамике.
Autodesk Maya
Назначение: графическая визуализация сцен.
Требуемый уровень подготовки: профессионал.
Стоимость: от 9800 рублей в месяц.
Maya идеально подойдёт для всех, кому предстоит создавать отрисовать сюжеты с максимальной реалистичностью, то есть представителям кино, мультипликации и игр. Возможности для создания эффектов здесь ограничены только вашей фантазией. К примеру, используя только встроенные модули, вы сможете реализовать взаимодействие ветра, дождя, тканей, взрывов, волос и много другого. Одновременно и в одной сцене. Разумеется, для этого придётся потратить много времени на обучение Maya и грамотное планирование сцен, но это того стоит.
Заключение
Безусловно, это не полный список программ для 3D-моделирования, однако он содержит самые востребованные инструменты для дизайнеров и конструкторов. Поэтому неважно, хотите ли вы найти что-то для визуализации интерьера будущей квартиры или построить с нуля успешную карьеру 一 здесь вы найдёте эффективное решение.
Читайте также: