Обзор САПР для инженерных задач

Введение

Одним из главных направлений научно-технического прогресса в течение уже нескольких десятилетий является развитие методов и средств информатики и вычислительной техники. Использование методов математического моделирования и компьютерного решения инженерных и научных задач позволяет значительно повысить эффективность процессов проектирования и управления. Внедрение персональных компьютеров, компьютерных информационных сетей, построение и развитие INTERNET, широкое и разнообразное использование методов математического моделирования привели к расширению как практической, так и теоретической базы компьютерного моделирования.
Математическое компьютерное моделирование стало главным средством исследования сложных процессов и систем, на котором базируются современные подходы к проектированию, оптимизации и управления в различных областях науки и техники. Вычислительная математика стала основой для реализации и компьютерного расчета методов математического моделирования. Поэтому данная тема является актуальной на сегодняшний день.


1. Обзор возможностей САПР в инженерии

Машиностроительные предприятия и производства различных отраслей промышленности активно вкладывают средства как в обновление существующего так и в закупку нового конструкторского и технологического программного обеспечения, а также и в модернизацию компьютерной техники. Речь идет о персональных компьютерах с соответствующими системными параметрами, а также программных средствах, соответствующих целому ряду требований производства и современному состоянию рынка. В этом вопросе важно иметь в виду, что именно сквозное моделирование является той самой движущей силой машиностроения, позволяет повышать производительность, качество и в то же время позволяет сокращать расходы и оптимизировать производственный процесс.
Стоит заметить, что во многих случаях достичь максимальной эффективности в работе САПР не удается, соответственно, и время выполнения проектов не является оптимальным, поэтому актуальной является задача рационального использования различных систем, модулей и инструментов [1].
В рамках САПР сквозное моделирование представляет собой использование комплекса программных средств или модулей одного программного продукта с целью обеспечения полного цикла производства продукции.
Такой подход обеспечивает комплексность в принятии решений на этапах проектирования с учетом имеющихся технологических возможностей предприятия, ведь появляется возможность самостоятельно решать вопросы, связанные с трехмерным моделированием, разработкой технической документации и другими составляющими производства в рамках соответствующих программных продуктов [2-3].
Основными составляющими сквозного моделирования в рамках САПР, на наш взгляд, являются: система для автоматизации двух- и трехмерного геометрического проектирования - computer-aided design (CAD) [4], это программный комплекс для осуществления автоматизации расчетов инженерной деятельности, проведения анализа и синтеза множественных имитационных процессов. Computer-aided engineering (CAE), автоматизированная система предназначенная для подготовки технологического производства - computer-aided manufacturing (CAM), а автоматизированная САПР для осуществления управления информацией о продукте - product data management (PDM). Вместе с тем могут иметь место и вспомогательные модули и инструменты, интегрированные в те или иные САПР, то есть это средства, которые нельзя отнести к одной из вышеупомянутых систем, но они является частью сквозного производственного процесса

.
Также стоит заметить, что те или иные программные продукты включают в себя модули и инструменты, которые только в исключительных случаях используются предприятиями, но в то же время они могут упростить производственный процесс, а также обеспечить положительный экономический эффект.
Наиболее оптимальным решением является использование систем, включающих в себя все необходимые модули для обеспечения сквозного моделирования. В таком случае нет необходимости проводить дополнительную конвертацию файлов, созданных в той же системе, где и планируется продолжение работы (инженерный анализ, создание технологического процесса производства и т.д.). Кроме того, с такой точки зрения может быть существенно упрощено взаимодействие с поддержкой продукта со стороны разработчика.
Сегодня во многих странах мира одной из самых распространенных САПР, которая используются для сквозного моделирования, является программный комплекс SolidWorks компании Dassault Systèmes. Преимуществом версии 2018 года является наличие всех необходимых для сквозного моделирования модулей. Данная версия продукта является первой, в которой включен CAM-модуль.
Кроме того, мы считаем, что полезным в производственных условиях является инструмент Costing вышеуказанного программного пакета. Его основные возможности базируются на расчете себестоимости производства деталей, а также конструировании рациональной геометрии в том числе и с учетом ценообразования изготовления.
Соответственно, все необходимые операции по конструированию и моделированию могут выполняться без использования каких-либо других программных пакетов или дополнительных модулей. С помощью «облачных» хранилищ данных существует возможность коллективной работы над проектами. В случае с использованием программного пакета SolidWorks стоит отметить присутствие «Облачной» платформы, которая позволяет рассчитывать на полную независимость от сторонних программных разработок, тем самым полностью сконцентрироваться на сквозном моделировании в чистом виде. Компьютерные геометрические модели, которые используются в современных машиностроительных САПР, принято разделять на две большие группы: 2D-модели и 3D-модели (от англ. Dimension - измерение). Это плоские (двумерные) и объемные (трехмерные) геометрические модели.
В САПР, предназначенных для создания и внедрения инженерной документации активно применяются 2D-модели (твердотельные геометрические компьютерные модели), которые с большим успехом нашли свое применение в подсистемах САПР.
Точная геометрическая модель, которая лежит в основе правильного чертежа, может быть использована для измерений и расчетов в самом чертеже.
2. Особенности применения CAD/CAM/CAE программ для проектирования и анализ инженерных задач

Благодаря внедрению методов CAD / CAM / CAE- автоматизированных систем [5-7] на сегодняшний день предоставляется возможность отойти от стандартных методов автоматизации.
Системы автоматизированного проектирования (САПР) как правило работают в тандеме с CAE-системами - системами автоматизации инженерных расчетов и анализа. Информация, полученная из СAD-систем передается в CAM-систему.
В CAD-системах имеется следующий функционал: создание электрических систем; разработка и проектирование; производственный дизайн; создание и внедрение механических систем.
CAM-системы обеспечивают осуществление следующих функций: проектирование оснастки и инструментов; осуществление контроля и процедуры верификации