Новые технологии проектирования в рамках дисциплины «САПР в машиностроении»

граммная инженерия. теоретической базой для применения количественных методов к дизайну образовательных программ, как показано в настоящей главе, могут быть приложения математических методов теории графов. инструментальную базу для реализации необходимых расчетов обеспечивают современные прикладные математические пакеты, снимающие проблему трудоемких вычислений.

количественные методы для поддержки принятия управленческих решений по вопросам стратегического развития образовательных программ для прорывных направлений цифровых технологий создают основу конкурентных преимуществ ведущих университетов.

Список литературы

1. Shilova O., Yurkov A. ICT and the education system - key factors in the competitiveness of worldclass universities. Prikladnaya Informatika - Journal of Applied Informatics, 2017, vol. 12, no. 6 (72), pp. 50-57.

2. Terekhov А., Khalin V., Yurkov A. Do candidates and doctors of science in software engineering need to modernize and technological development of the Russian economy? Prikladnaya Informatika —Journal of Applied Informatics, 2018, vol. 13, no. 4 (76), pp. 42-52 (in Russian).

3. Bourque P., Fairley R.E. (eds.) Guide to the Software Engineering Body of Knowledge, Version 3.0, IEEE Computer Society, 2014; URL: www.swebok.org (Дата обращения 17.04.2019).

4. Software Engineering 2014 Curriculum Guidelines for Undergraduate Degree Programs in Software Engineering. URL: https://www.acm.org/binaries/content/assets/ education/se2014.pdf (Дата обращения 17.04.2019).

5. Шилова О.Н. Теоретические основы становления информационно-педагогического тезауруса студентов в системе высшего педагогического образования. Диссертация на соискание ученой степени доктора педагогических наук. - СПб, 2001. 365 с.

6. Монахова Л.Ю. Адаптация информационных технологий к формированию тезауруса у студентов технических вузов (профессион.- пед., теорет.-метод. информац. аспект). Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук. - СПб, 1997. 210 с.

УДК 519.6

Солодилова Наталья Алексеевна,

доцент, канд. техн. наук

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В РАМКАХ ДИСЦИПЛИНЫ «САПР В МАШИНОСТРОЕНИИ»

Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический

университет Петра Великого, solodilova_na@spbstu.ru

Аннотация. В статье сформулированы требования к квалификации инженера-машиностроителя, рассмотрены новые технологии проектирования изделий машиностроения, проанализирована необходимость их введения в программу дисциплины «САПР в машиностроении».

Ключевые слова: параметрические CAD, генеративное проектирование, обратный инжиниринг, объединённое моделирование, граничное представление.

Natalia A. Solodilova,

Associate Professor, Candidate of Engineering Sciences

NEW DESIGN TECHNOLOGIES WITHIN THE DISCIPLINE "CAD IN MECHANICAL ENGINEERING»

Russia, Saint-Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, solodilova_na@spbstu.ru

Abstract. The paper formulates requirements for the qualification of a mechanical engineer, examines new technologies for engineering products designing, analyzes the need for introducing them into the discipline program "CAD in mechanical engineering".

Keywords: parametric CAD, generative design, 3D reverse engineering, convergent modeling, B-rep.

В современной экономической ситуации любое производственное предприятие сталкивается с необходимостью, с одной стороны, регулярно обновлять ассортимент производимой продукции, повышать качество, с другой стороны - сокращать себестоимость и сроки проектирования. Традиционно именно машиностроение является той отраслью промышленного производства, которая определяет уровень экономического развития в целом. Развитие машиностроительных технологий, в свою очередь, во многом зависит от уровня развития и возможности использования технологий автоматизации проектирования.

Подготовка квалифицированного инженера-машиностроителя, способного решать технические задачи современного производства обязательно включает в себя освоение информационных технологий, среди которых особое место занимают системы автоматизированного проектирования.

Образовательные стандарты высшего образования СПбПУ по направлениям подготовки бакалавров 15.03.01 «Машиностроение» и 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», среди прочих, устанавливают общепрофессиональную компетенцию «Способен использовать современные информационные технологии, прикладные программные средства при решении задач профессиональной деятельности».

На протяжении уже почти двух десятков лет будущие инженеры-конструкторы и инженеры-технологи, обучавшиеся тогда ещё на механико-машиностроительном факультете СПбГТУ, а ныне в ИММиТ, успешно осваивают комплексные CAx системы. Начиналось знакомство с

системами автоматизации проектирования с изучения чертеж-но-графического редактора КОМПАС-ГРАФИК. С течением времени курс непрерывно пополнялся новыми разделами, расширялся лабораторный практикум.

Сегодня дисциплина «САПР в машиностроении» на кафедре «Компьютерные технологии в машиностроении» состоит из курса лекций и практических занятий.

Теоретическая часть дисциплины посвящена основам САПР без привязки к какому-либо программному продукту и, начиная с истории развития, целей создания и назначения САПР, включает разделы, посвященные понятию САПР, как системы, видам обеспечения САПР, раскрывая наиболее подробно математическое и программное обеспечение, основы геометрического моделирования и компьютерной графики, технологии параметризации и прямого моделирования [1].

В результате освоения практической части студенты владеют следующими навыками:

- трёхмерное моделирование деталей при помощи основных формообразующих операций в САПР КОМПАС-3Б и SolidWorks;

- построение массива элементов;

- моделирование листовой детали;

- моделирование сборок последовательным добавлением моделей компонентов и путем создания компонентов в контексте сборки;

- создание ассоциативного чертежа;

- создание спецификации связанной с другими документами (сборками, чертежами, деталями);

- создание параметрических чертежей и моделей;

- анимация движения трёхмерных моделей сборок;

- разработка технологического процесса обработки детали и формирование технологической документации средствами САПР ТПП ВЕРТИКАЛЬ;

- выполнения экспресс-расчетов твердотельной модели в системе конечно-элементного анализа APM FEM [3].

Бурное развитие за последнее десятилетие аддитивных технологий, искусственного интеллекта и облачных вычислений дало толчок появлению и новых технологий проектирования.

Одна из самых передовых - генеративное проектирование. Она основана на применении специализированного программного обеспечения, использующего генетические алгоритмы в комбинации с вычислительными технологиями конечно-элементного анализа, способного самостоятельно, без участия конструктора, генерировать трехмерные модели, отвечающие заданным условиям. Цель использования технологии

- оптимизация изготовления, снижение веса изделий, экономия используемых материалов, проектирование геометрии изделий наилучшим образом отвечающей требованиям аддитивного производства.

Генеративное проектирование развивается в четырёх направлениях: синтез формы, оптимизация структуры и поверхности (изменение внутренней структуры и оптимизация формы поверхности продукта для того, чтобы сделать его легче и прочнее), оптимизация топологии и тра-бекулярные структуры (оптимизация структуры материалов для создания медицинских имплантов. Для машиностроения наибольший интерес представляет оптимизация топологии, позволяющая экономить материалы и энергоресурсы, одновременно с увеличением производительности (рис 1).

4 ^ / ^

Рис. 1. Кронштейн, созданный с помощью топологической оптимизации. Материал был удален из областей, не несущих нагрузку

Источник: URL: https://www.autodesk.com/

При работе с программным обеспечением такого рода инженеру необходимо ввести параметры проектирования (величину и направление действующих нагрузок, материал и его свойства) и дополнительные ограничения (например, допустимый диапазон массы), задать области изделия, которые не должны быть подвергнуты оптимизации. В результате анализа и удаления лишнего материала из областей не несущих нагрузку, получается определённое количество различных конструктивных решений. Инженер выбирает один из вариантов, предложенных системой [6].

Другая технология, хотя и имеет в своей основе один из самых старых методов проектирования, также активно развивается сегодня -обратный инжиниринг.

Обратный инжиниринг используется, когда необходимо получить 3D модель готового изделия, например, для разработки его модернизированного варианта или когда отсутствует документация на изделие, произведённое много лет назад. В этом случае выполняют «оцифровку» физического прототипа при помощи 3D сканнера. Далее по облаку точек, полученному в результате сканирования, создают цифровую геометрию.

Объединяет эти новые технологии тот факт, что они работают с фасетной геометрией в то время как большинство машиностроительных САПР предоставляют возможность работы только с параметрическим и прямым моделированием, используя граничное (B-rep) представление,

т.е. метод представления объемной формы путем описания ее границ. Преобразование одного типа представления геометрии в другой возможно - задача решается путем трансляции B-rep модели в один из доступных в конкретной САПР формат, например в STL. Однако, обратное преобразование (фасетное представление - B-rep) не так тривиально и может повлечь за собой появление дефектов модели. При этом, инженерам приходится осваивать специализированные приложения и переносить модели из одного приложения в другое, что не гарантирует от возникновения ошибок в модели - отдельные элементы модели могут терять параметрические связи или вовсе пропадать, нарушая тем самым конструктивную целостность. Модель приходится исправлять, что неизбежно сказывается на производительности. Нельзя не учитывать и тот факт, что в процессе проектирования изделия с использованием описываемых технологий не исключен многократный переход от фасетного представления к точному [6].

Впервые возможность объединить точное и фасетное представление в единый компонент геометрического моделирования с единым набором функций появилась в САПР NX11 (Siemens PLM Software) в 2016 году. Годом позже объединённое моделирование появилось и в Solid Edge ST10.

Теперь стало возможным использовать инструменты точного представления (B-rep) для редактирования и доработки фасетных моделей, полученных в результате импорта, ЭБ-сканирования или генеративного проектирования.

Solid Edge ST10 предлагает подход «проектирование следующего поколения», согласно которому автоматизация будет охватывать весь процесс проектирования - сначала реверс-инжиниринг, генеративное проектирование, затем объединённое моделирование (конвергентное в терминологии Siemens) и, наконец, воплощение в 3D печати (рис. 2) [2, 7].

Рис. 2. План концепции проектирования следующего поколения для Solid Edge

Доступна технология генеративного проектирования и в Fusion Э60 Ultimate, облачном инструменте от компании Autodesk [4].

Новые технологии активно развиваются и другими крупными вендорами САПР. В конце 2018 года компания PTC объявила о приобрете-

нии Frustum Inc., разработчика современного ПО для генеративного проектирования изделий. Благодаря добавлению новых возможностей при помощи технологий Frustum и ANSYS, Creo сможет рекомендовать оптимальные подходы к проектированию изделий при помощи генеративного подхода к разработке моделей. Предполагается, что пользователи Creo будут использовать оптимальные подходы к проектированию изделий при помощи генеративного подхода к разработке моделей в модуле ANSYS Discrovey Live и иметь возможность проверки финальной модели в ANSYS Discovery suite [S].

Таким образом, новые технологии проектирования развиваются очень активно и есть все основания предполагать, что это развитие продолжится и в дальнейшем, поскольку они позволяют значительно повысить производительность инженерного труда и при этом получать оптимизированные конструкции изделий.

Современный инженер в области машиностроения обязательно должен владеть теоретической базой современных технологий проектирования и навыками работы в пакетах САПР, поддерживающих реализацию описанных технологий.

Список литературы

1. Бортяков Д.Е. Основы проектной деятельности. Системы автоматизированного проектирования машин и оборудования: учебное пособие / Д.Е. Бортяков, С.В. Мещеряков, Н.А. Солодилова; под ред. С.В. Мещерякова. — 3-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2017. — 152 с.

2. Грабовски Р. Solid Edge ST10 сближает методы моделирования //isicad.ru:портал САПР, PLM и ERP. 201S. б мар.

URL: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=19729

3. Донская М.М. Солодилова Н.А. САПР в машиностроении. Компас-график, Kомпас-3D, Вертикаль, Библиотека анимации: учеб. пособие / Санкт-Петербургский государственный политехнический университет .— Электрон. текстовые дан. (1 файл: 7,88 Мб) .— Санкт-Петербург, 2013— Свободный доступ из сети Интернет (чтение) .— Текстовый документ. — Adobe Acrobat Reader 7.0.-<URL:http://www.unilib.neva.ru/dl/2948.pdf>.

4. Кин Ф. Порождающее проектирование порождает новую эру высокоэффективных продуктов // isicad.ru: портал САПР, PLM и ERP. 2017. 25 июл.

URL: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=19337&print=1&printcomments=1 (дата обращения 15.04.2019).

5. Чад Джексон. Новое поколение проектирования//САПР и графика. - 2017. -№12. - С. 58-б3.

6. Kenneth Wong. Generative Design: Advice from Algorithms // Digital Engineering magazine. 2018. January 2, URL: https://www.digitalengineering247.com/article/design-advice-algorithms (дата обращения 15.04.2019).

7. Next generation design is here today// solidedge.siemens.com. URL: https://solidedge.siemens.com/en/solutions/products/3d-design/next-generation-design.

8. PTC Adds Artificial Intelligence and Generative Design Capabilities to Enhance and Expand its CAD Portfolio with Acquisition of Frustum //Business Wire. 2018. November 20/ URL: https://www.businesswire.com/news/home/201S112000532б/en/PTC-Adds-Artificial-Intelligence-Generative-Design-Capabilities/ generation design is here.