Обзор CAD/CAM/CAE-систем для моделирования и проектирования энергомашиностроительного оборудования

УДК 621.181.001.24

В.С. Беднаржевский, Г.Б. Добротина

Обзор CAD/CAM/CAE-систем для моделирования и проектирования энергомашиностроительного оборудования

Внедрение в инженерную практику методов автоматизации проектирования позволяет перейти от традиционных методов проектирования котлоагрегатов к их моделированию с помощью CAD/CAM/CAE на персональных компьютерах.

Так термин CAD - Computer-Aided Drafting (Design) - можно трактовать и как просто «Компьютерное черчение», и как «Компьютерное проектирование». Термин CAE - Computer-Aided Engineering - компьютерная помощь в инженерных расчетах. CAM - Computer-Aided Manufacturing , т.е. такие программы связаны с технологией производства.

В последнее время довольно актуальной стала проблема выбора CAD/CAM/CAE-систем для предприятия. Об этом можно судить и по участившимся публикациям.

Энергомашкорпорация (www.energomash.ru) объявила тендер по выбору системы САПР для 19 предприятий на 600 рабочих мест. Первоначально принять участие в тендере выразили желание четыре компании: Unigraphics Solitions, IBM, PTC, Matra Datavision. Внимательно изучив тендерные задания, PTC и Matra Datavision сняли свои заявки.

Корпорация IBM выставила свой программный продукт CATIA, а Unigraphics Solitions - программу Unigraphics. В качестве оборудования использовались рабочие станции IBM 43Р140 и НР С-180. Технические тендерные экспертизы проводились в два этапа. На заводе «Белэнергомаш» (Белгород), производящем котлы, утилизаторы и прочее крупногабаритное оборудование и на заводе турбинных лопаток (Санкт-Петербург).

Первый этап включал в себя построение трехмерной твердотельной модели парового котла, проектирование технологической оснастки, механообработку на станке с ЧПУ, расчет узлов на прочность, анализ технологических процессов литья - всего 19 заданий. Второй этап состоял из пяти задач, в

том числе: построение трехмерной модели сложной лопатки с внутренней полостью охлаждения, проектирование пресс-формы этой лопатки и т.д. Время, отводимое на задание, было строго ограничено, и поэтому основным критерием стал процент выполнения работ. Итоги подводили ведущие технические специалисты корпорации.

Процентное соотношение на всех этапах выглядело так: в Белгороде Unigraphics -93%, IBM - 68%; в Санкт-Петербурге Unigraphics - 96,34%, IBM - 81,98%. В результате Unigraphics одержал убедительную победу. Интересно, что организаторами тендера неоднократно подчеркивался профессиональный состав команды Unigraphics, сформированной полностью из российских специалистов.

Проект, который собирается осуществить Энергомашкорпорация, значителен даже в мировом масштабе. Достаточно вспомнить, что известная американская компания Bell Helicopter подписала контракт на 2,8 млн. долл. о поставке 112 лицензий Unigraphics, а самый крупный контракт в истории рынка САПР на поставку 10 тысяч лицензий системы CAD/CAM/CAE Unigraphics заключен с автомобильным концерном General Motors. Ситуация интересна еще и тем, что заказчик приобретает данные рабочие места под грандиозный контракт поставки электростанций для Китая, оцененный в 1,5 млрд. долларов.

Фирмы DASSAULT SYSTEMES и IBM являются совместными разработчиками и распространителями системы автоматизированного проектирования CATIA. CATIA разработана Dassault Systemes. CATIA - универсальная система автоматизированного проектирования, испытания и изготовления, используемая на предприятиях машиностроения во всем мире. Применение: автоматизированное проектирование, подготовка производства, реинжиниринг. CATIA/CADAM Solutions - это полностью интегрированная универсальная CAD/CAM/CAE система высокого уровня, по-

зволяющая обеспечить параллельное проведение конструкторско-производственного цикла (http://www.ibm.ru).

UNIGRAPHICS - система CAD/CAM/CAE высокого уровня для полного цикла проектирование-производство в аэрокосмической, автомобильной, высокотехнологической, машиностроительной и медицинской промышлен-ностях. Обладает средствами т.н. «гибридного моделирования», которое позволяет выбирать правильные средства для разработки. Полностью ассоциативная база данных мастер-модели, механообработка деталей сложных форм. Разработчик Unigraphics Solutions Inc., USA (http://www.ugsolutions.ru/).

Сегодняшнюю обстановку на рынке программного обеспечения, предназначенного для автоматизированного проектирования, можно охарактеризовать следующим образом. Во-первых, все существующие САПР делятся на две большие группы: специализированные и универсальные. Во-вторых, как правило, любая САПР - это комплекс программ (соответственно с многовариантной конфигурацией на вашем рабочем месте). В-третьих, САПР бывают популярные и малоизвестные. По другому можно классифицировать системы САПР как «легкие», «средние» и «тяжелые» [1].

Что касается специализированных продуктов, то они могут использоваться как автономно, так и включаться в состав универсальных систем. Причем наиболее удачные из них часто как бы присоединяются разработчиками универсальных САПР, для чего создаются специальные программные модули интерфейса.

В ряду систем, предназначенных для решения задач моделирования физических объектов с применением анализа методом конечных элементов, выделяются:

NASTRAN - разработчик MSC.

ANSYS разработчик ANSYS. ANSYS -многоцелевой конечно-элементный пакет инженерного анализа в таких дисциплинах как прочность, теплофизика, динамика жидкостей и ряд других. На данный момент ANSYS является одним из лидеров среди прикладных пакетов для решения задач прочности, тепла и многодисциплинарного анализа с возможностью оптимизации в единой среде проектирования. Кроме того, к достоинствам продукта можно отнести его наилучший показатель цена-качество, двухсторонняя связь с CAD пакетами, откры-

тость - возможная любая модификация и программирование собственных пользовательских модулей. Наличие широкой сети поддержки и технического обслуживания. По этим и ряду других причин продукт завоевал наибольшее число рабочих мест в мире (более 80000) и СНГ (около 200) организаций.

Кроме того, следует назвать NISA - разработчик EMRC. Надо отметить, что все вышеназванные программы стали за рубежом (дефакто) стандартом при разработках серьезных конструкций, т.е. проект, «про-пущеный» через одну из этих систем, считается надежно рассчитанным и оптимизированным. Кроме того все эти производители стремятся расширить свои системы до уровня универсальных.

Pro/ENGINEER - разработчик Parametric technologi (PTC) (http://www.ptc.com) [2]. Декларируется разработчиком как платфор-мо-независимая. Euclid - разработчик Euclid Matra Datavision (http://www.matra-datavision.com). I-DEAS - разработчик SDRC (http://www.sdrc.com). CADMATIC -разработчик Macrovision. SolidEdge - разработчик Intergraph [3].

Универсальные системы предназначены для комплексной автоматизации процессов проектирования, анализа и производства продукции. В зависимости от функциональных возможностей, получаемых пользователем сразу после приобретения продукта, их можно поделить на малые, средние и полномасштабные системы. По платформам -больше тяготеют к Intel PC и часто служат программно - графическим ядром для сторонних разработчиков специализированных САПР. Т.е. для решения конкретной задачи часто надо искать поставщика САПР, отличного от основного, что отрицательно сказывается на комплексности решения, надежности результатов и вообще не удобно. Однако, эти продукты популярны из-за относительной доступности платформы Intel PC -AutoCAD, TopCAD, CADdy, MicroStation, КОМПАС.

Особо следует выделить пакет машинной графики AutoCAD фирмы «Autodesk», с помощью которого можно создавать чертежи в соответствии с требованиями ЕСКД.

КОМПАС-График 5.9 (АО «Аскон»). Параметрический чертежно-конструкторский редактор, ориентированный на выпуск конструкторско-технологической документации. Одной из самых сильных сторон

КОМПАС-График является полная поддержка ЕСКД. КОМПАС-График имеет ряд дополнительных библиотек, в том числе: система проектирования спецификаций, машиностроительная библиотека, библиотека проектирования тел вращения и т.д.

Компас-3D (АО «Аскон»). Система трехмерного твердотельного моделирования. Область применения КОМПAС-3D: моделирование деталей с целью расчета их геометрических и массо-центровочных характеристик, моделирование деталей для передачи геометрии в расчетные пакеты, моделирование деталей для передачи геометрии в пакеты для оборудования с ЧПУ, создание изометрических изображений деталей.

T-Flex (Фирма «Топ Системы»). Комплекс программных средств для автоматизации подготовки производства. Данный комплекс программ предназначен для решения следующих задач: управление проектами и техническим документооборотом; создание трехмерной модели изделия; создание конструкторской документации на изделие; создание технологической документации на изделие; всесторонний анализ изделия (расчеты на прочность, динамический анализ и т. д.); создание технологической оснастки для изготовления изделия; изготовление изделия.

bCAD-интегрированный пакет для двумерного черчения, объемного моделирования и реалистичной визуализации для инженеров, архитекторов и дизайнеров. Возможен экспорт и импорт чертежей и объемных моделей в форматах AutoCAD и 3D Studio.

CadMECH Desktop (НПП «Интермех»). Комплексная система 2-х мерного и 3-х мерного проектирования деталей и сборочных единиц. CADMECH DESKTOP включает: систему CADMECH для генерации двух и трехмерных деталей и сборочных единиц в среде MECHANICAL DESKTOP; систему AVS для выпуска текстовых конструкторских документов и т.д.

CADDS 5 - предназначен для автоматизации процессов проектирования и технологической подготовки производства изделий машиностроения и объектов других отраслей промышленности. Она включает в себя более 85 отдельных программных продуктов, функционально охватывающих эскизное и рабочее проектирование, синтез геометрических моделей, инженерный анализ, разработку чертежно-конструкторской до-

кументации и подготовку производства. Продукты, входящие в CADDS 5, обеспечивают функциональную гибкость в применении к конкретным особенностям как предприятий, так и проектируемой и производимой ими продукции.

ADEM - универсальная система. В отличие от большинства тяжелых систем, ADEM требует объемного моделирования именно тогда, когда это действительно необходимо. Для проектирования и изготовления изделий сложной формы ADEM поддерживает 3х-мерное моделирование и объемную обработку. Плоскостное и объемное моделирование имеют прямой выход в модуль проектирования механической обработки. Система дает возможность создания сложных изделий наиболее подходящим методом на каждой стадии: твердотельное моделирование, поверхностное моделирование, плоское моделирование.

Математические пакеты являются составной частью мира CAE-систем, но эта часть является далеко не второстепенной, т.к. некоторые задачи вообще невозможно решить без помощи компьютера. Современные математические пакеты можно использовать и как обычный калькулятор, и как генератор графики или даже звука. Они стали стандартными средствами взаимодействия с Web и генерация HTML-страниц.

Патриархом математических пакетов можно назвать Derive. Это была DOS-программа с набором функций, реализующих численные методы и построения графики. Сделать что-либо серьезное в этом пакете не представлялось возможным. Существовали, конечно, и другие программы, например, Eureka, но все их можно отнести к классу «числогрызов», т.е. программ, которые решают задачи с помощью численных методов. На смену численным методам пришли символьные методы вычислений. Что такое символьные методы? Это самые точные алгоритмы вычислений, потому что решение задачи производится в аналитическом виде.

Несмотря на то, что в этой области компьютерного софта нет такого разнообразия как, скажем, среди графических пакетов, но за видимой ограниченностью рынка математических программ скрываются их поистине безграничные возможности. Как правило, CAE-системы охватывают практически все области математики.

Сейчас все современные CAE-программы имеют встроенные функции символьных вычислений. Приведем наиболее известные программы этого класса: MatLab, mathCad, Mathematica, Maple V.

MatLab v.5 - система изначально была предназначена для численных вычислений. С течением времени количество возможностей MatLab существенно возросло, появились библиотеки, которые реализуют уникальные для математических пакетов функции. Например, широко известная библиотека Simulink, реализуя принцип визуального программирования, позволяет, не написав ни строчки кода, построить функциональную схему системы управления из стандартных блоков (усилитель, сумматор, интегратор и т.д.) и проанализировать ее работу. MatLab отличается высокой скоростью численных вычислений. Из недостатков следует отметить невысокую интегрированность среды, не совсем удачный Help и специфический редактор кода MatLab-программ.

Mathematica 3.0 - одна из самых мощных систем. Обладает исключительно большой функциональной избыточностью (есть даже возможность синтезирования звука). Большой выигрыш Mathematics дает высокая скорость численных вычислений. К недостаткам следует отнести необычный язык программирования, который компенсируется достаточно подробной системой помощи (Фирма-производитель: Wolfram Research) [4].

MathCad v.8.0 - весьма своеобразная САЕ-программа. Давно завоевал популярность как непревзойденный редактор математических текстов. В MathCad нет как такового языка программирования. Вычисления осуществляются на уровне визуальной записи выражений в общеупотребительной математической форме. «Движок» символьных вычислений заимствован из Maple. MathCad хорош для небольшого объема вычислений, он предоставляет широкие возможности для оформления работы в привычном виде. Большие возможности импорта/экспорта данных, интеграция с Internet, возможность работы с электронными таблицами Excel внутри MathCad-документа (фирма-производитель: MathSoft Inc.) [5].

Maple V - это, пожалуй, самая удачно сбалансированная система, бесспорный лидер по возможностям символьных вычислений. Оригинальный символьный «движок» сочетается с легко запоминающимся структурным языком программирования. Maple V легко может быть использован и для небольших задач и для серьезных проектов. Большой «плюс» Maple V - высокая интеграция среды, отличный Help. К недостаткам следует отнести иногда необоснованную «задумчивость» системы. Существуют следующие версии программы: Maple V Rlease 3, Maple V Release 4, Maple V Release 5 (фирма-производитель: Waterloo Maple Inc.) [6].

Литература

1.

Коваленко В. Системы автоматизации проектирования вчера, сегодня, завтра // Открытые системы. 1997. №2. Ершов Г. Pro/Engineer в вопросах и ответах // Открытые системы. 1997. №4. 3. Костромин К. SolidEdge Intergraph - система твердотельного моделирования //

2.

Открытые системы. №2. 1997.

4. Аладьев В.З., Шишаков М.Л. Введение в среду пакета Mathematica 2.2. М., 1997.

5. Кудрявцев Е.М. Mathcad 8. М:, 2000.

6. Говорухин В.Н., Цибулин В.Г. Введение в Maple. Математический пакет для всех. М., 1997.