Развитие систем автоматизированного проектирования

РАЗВИТИЕ  СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО  ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

     Система автоматизированного проектирования (САПР, в англоязычном написании CAD System - Computer Aided Design System) - это система, реализующая  проектирование, при котором все  проектные решения или их часть  получают путем взаимодействия человека и ЭВМ.

     В настоящий момент существует несколько  классификационных подгрупп, из них  три основных: машиностроительные САПР (MCAD - Mechanical Computer Aided Design), архитектурно-строительные САПР (CAD/AEC - Architectural, Engineering, and Construction), САПР печатных плат (ECAD - Electronic CAD/EDA - Electronic Design Automation). Наиболее развитым среди них  является рынок MCAD, по сравнению с  которым секторы ECAD и CAD/AEC довольно статичны и развиваются слабо. Рассмотрим процесс развития автоматизированного  проектирования в машиностроении.

     Современный рынок машиностроения предъявляет  все более жесткие требования к срокам и стоимости проектных  работ. Проведение конструкторских  работ, нацеленных на создание качественной, конкурентоспособной продукции, связано  с подготовкой точных математических моделей узлов и агрегатов, а  также с выполнением огромного  объема математических расчетов, необходимых  для инженерного анализа конструкций. Основной путь повышения конкурентоспособности  предприятия связан с резким сокращением  сроков создания моделей и ускорением расчетов математических параметров на всех этапах разработки продукции. Таким  образом, применение высокопроизводительных систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа (CAE/CAD/CAM-систем) стало ключевым элементом бизнеса  предприятия, работающего на современном  рынке машиностроения.

     Применение  линейки, циркуля и транспортира на чертежной доске привело к  технической революции начала XIX века. Для повышения точности все  построения выдерживали в максимально  возможном масштабе, при этом погрешность  построений составляла не менее 0,1 мм, а при задании угловых значений - не менее 1 мм на одном метре. Таковы пределы точности при геометрическом моделировании на кульмане. Появление  ЭВМ стало благоприятной предпосылкой для развития машинной графики, которая  включила в себя дисциплины геометрического  моделирования и вычислительной геометрии. Основная их задача состоит  в решении геометрических задач  в аналитической и вычислительной (алгоритмической) форме.

     История САПР в машиностроении разделяется  на несколько этапов. Первый этап формирования теоретических основ САПР начался  в 50-х годах прошедшего столетия. В основу идеологии положены разнообразные  математические модели, такие как  теория B-сплайнов, разработанная И. Шоенбергом (I.J. Schoenberg) в 1946 г. Моделированию  кривых и поверхностей любой формы  были посвящены работы П. Безье (P.E. Bezier), выполненные в 60-х годах. В этот период сформировалась структура и  классификация САПР. Объекты проектирования стали рассматриваться с точки  зрения различных областей науки, базовые  подсистемы САПР разделились на геометрические, прочностные, аэродинамические, тепловые, технологические, и т. п, впоследствии их стали классифицировать как CAD, CAE, CAM, PDM, PLM.

     САПР  на базе подсистемы машинной графики  и геометрического моделирования (собственно CAD - Computer Aided Design) решают задачи, в которых основной процедурой проектирования является создание геометрической модели, поскольку любые предметы описываются  в первую очередь геометрическими  параметрами.

     САПР  системы технологической подготовки производства (CAM - Сomputer Aided Manufacturing) осуществляют проектирование технологических процессов, синтеза программ для оборудования с ЧПУ, моделирование механической обработки и т.п. в соответствии с созданной геометрической моделью.

     САПР  системы инженерного анализа (CAE - Computer Aided Engineering) позволяют анализировать, моделировать или оптимизировать механические, температурные, магнитные и иные физические характеристики разрабатываемых  моделей, проводить симуляцию различных  условий и нагрузок на детали.

     Как правило, эти пакеты работают, используя  метод конечных элементов, когда  общая модель изделия делится  на множество геометрических примитивов, например тетраэдров. Основными модулями программ анализа являются препроцессор, решатель и постпроцессор.

     Исходные  данные для препроцессора - геометрическая модель объекта - чаще всего получают из подсистемы конструирования (CAD). Основная функция препроцессора - представление  исследуемой среды (детали) в сеточном виде, т.е. в виде множества конечных элементов.

     Решатель - программа, которая преобразует  модели отдельных конечных элементов  в общую систему алгебраических уравнений и рассчитывает эту  систему одним из методов разреженных  матриц.

     Постпроцессор служит для визуализации результатов  решения в удобной для пользователя форме. В машиностроительных САПР это  форма - графическая. Конструктор может  анализировать поля напряжений, температур, потенциалов и т.п. в виде цветных  изображений, где цвет отдельных  участков характеризует значения анализируемых  параметров.

     Наконец, системы управления инженерными  данными (PDM - Product Data Management) обеспечивают хранение и управление проектно-конструкторской  документацией разрабатываемых  изделий, ведение изменений в  документации, сохранение истории этих изменений и т. п.

     На  первом этапе развития возможности  систем в значительной мере определялись характеристиками имевшихся в то время недостаточно развитых аппаратных средств ЭВМ. Для работы с системами  САПР использовались графические терминалы, подключаемые к мэйнфреймам. Процесс  конструирования механических изделий  заключается в определении геометрии  будущего изделия, поэтому история CAD-систем практически началась с  создания первой графической станции. Такая станция Sketchpad, появившаяся  в 1963 г, использовала дисплей и световое перо. Ее создатель И. Сазерленд в  дальнейшем работал в агентстве ARPA и возглавлял департамент анализа  и обработки информации, а позже  стал профессором Гарвардского университета.

     Развитие  компьютерной графики сдерживалось не только аппаратными возможностями  вычислительных машин, но и характеристиками программного обеспечения, которое  должно было стать универсальным  по отношению к использовавшимся аппаратным средствам представления  графической информации. С 70-х годов  прошлого века разрабатывался стандарт графических программ. Стандарт на базисную графическую систему включал  в себя функциональное описание и  спецификации графических функций  для различных языков программирования.

     В 1977 г. ACM представила документ Core, который  описывал требования к аппаратно-независимым  программным средствам. В 1982 г. появилась  система Graphical Kernel System (GKS), принятая в качестве стандарта в 1985 г, а уже в 1987 г. был разработан вариант GKS-3D с ориентацией на 3D-графику.

     Параллельно с развитием CAD-систем бурное развитие получили CAM-системы автоматизации  технологической подготовки производства. В 1961 г. был создан язык программирования APT (Automatic Programming Tools), впоследствии этот язык стал основой многих других языков программирования применительно к  оборудованию с числовым программным  управлением. Параллельно с работами, проводившимися в США, в СССР Г.К. Горанский создал первые программы  для расчетов режимов резания.

     Разработанный к 1950 г. метод конечных элементов  послужил толчком к развитию систем инженерного анализа CAE. В 1963 г. был  предложен способ применения метода конечных элементов для анализа  прочности конструкции путем  минимизации потенциальной энергии.

     В 1965 г. NASA для поддержки проектов, связанных с космическими исследованиями, поставила задачу разработки конечно-элементного  программного пакета. К 1970 г. такой пакет  под названием NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis) был  создан и введен в эксплуатацию. Стоимость разработки, длившейся 5 лет, составила $4 млн. Среди компаний, участвовавших  в разработке, была MSC (MacNeal-Schwendler Corporation), которая с 1973 г. начала самостоятельно развивать пакет MSC.NASTRAN, впоследствии ставший мировым лидером в  своем классе продуктов. С 1999 г. компания MSC называется MSC.Software Corporation. В 1976 г. был  разработан программный комплекс анализа  ударно-контактных взаимодействий деформируемых  структур DYNA-3D (позднее названный LS-DYNA).

     Мировым лидером среди программ анализа  на макроуровне считается комплекс Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems), разработанный  и совершенствуемый компанией Mechanical Dynamics Inc. (MDI). Компания создана в 1977 г. Основное назначение комплекса Adams - кинематический и динамический анализ механических систем с автоматическим формированием  и решением уравнений движения.

     Широкое внедрение систем САПР в то время  сдерживалось высокой стоимостью программных  продуктов и "железа". Так, в  начале 80-х годов прошлого века стоимость  одной лицензии CAD-системы доходила до $100000 и требовала использования  дорогостоящей аппаратной платформы.

     Следующий этап развития ознаменовался началом  использования графических рабочих  станций под управлением ОС Unix. В середине 80-х годов компании Sun Microsystems и Intergraph предложили рабочие  и графические станции с архитектурой SPARC. Фирма DEC разработала автоматизированные рабочие места на компьютерах VAX, появились персональные компьютеры на основе процессоров i8086 и i80286. Эти  разработки позволили снизить стоимость CAD-лицензии до $20000 и создали условия  более широкого применения для CAD/CAM/CAE-систем.

     В этот период математический аппарат  плоского геометрического моделирования  был хорошо "доведен", способствуя  развитию плоских CAD-систем и обеспечивая  точность геометрии до 0,001 мм в метровых диапазонах при использовании 16-битной математики. Появление 32-разрядных  процессоров полностью обеспечило потребности плоских CAD-систем для  решения задач любого масштаба.

     Развитие CAD-систем следовало двум подходам к  плоскому моделированию, которые получили название твердотельный и чертежный. Чертежный подход оперирует такими основными инструментами как  отрезки, дуги, полилинии и кривые. Операциями моделирования на их основе являются продление, обрезка и соединение. В твердотельном подходе основными инструментами являются замкнутые контуры, а остальные элементы играют вспомогательную роль. Главными операциями моделирования являются булевы объединение, дополнение, пересечение.

     В 80-е годы прошлого века характеристики использовавшегося для САПР вычислительного  оборудования значительно различались. Аппаратной платформой CAD/CAM-систем верхнего уровня были дорогие высокопроизводительные рабочие станции с ОС Unix. Такая  техника позволяла выполнять  сложные операции как твердотельного, так и поверхностного объемного  моделирования применительно к  деталям и сборочным узлам  из многих деталей. Идеология систем объемного моделирования базируется на объемной мастер-модели; при этом определяется геометрия поверхности  не по проекциям отдельных сечений, а интегрально - для всей спроектированной поверхности. Используя модель, можно  получить информацию о координатах  любой точки на поверхности, а  также сформировать плоские изображения: виды, сечения и разрезы. Геометрическая модель позволяет легко получить такие локальные характеристики как нормали, кривизны и интегральные характеристики - массу, объем, площадь  поверхности, момент инерции.

     Системы объемного моделирования также  базируются на двух подходах к построению поверхностей модели: поверхностном  и твердотельном. При использовании  поверхностного моделирования конструктор  определяет изделие семейством поверхностей. При твердотельном способе конструктор  представляет изделие семейством геометрических примитивов, таких как куб, шар, цилиндр, пирамида, тор. В отличие от чертежа  модель является однозначным представлением геометрии и количественного  состава объекта. Если в сборочном  чертеже болт представляется несколькими  видами, то в объемной сборке - одним  объектом, моделью болта.

     Поверхностное моделирование получило большее  распространение в инструментальном производстве, а твердотельное - в  машиностроении. Современные системы, как правило, содержат и тот, и  другой инструментарий и позволяют  работать как с телами, так и  с отдельными поверхностями, используя  булевы и поверхностные процедуры.

     Принято делить CAD/CAM-системы по их функциональным характеристикам на три уровня (верхний, средний и нижний). В 80-е годы прошлого века такое деление основывалось на значительном различии характеристик  использовавшегося для САПР вычислительного  оборудования. CAD-системы нижнего  уровня предназначались только для  автоматизации чертежных работ, выполнявшихся на низкопроизводительных  рабочих станциях и персональных компьютерах.

     К 1982 г. твердотельное моделирование  начали применять в своих продуктах  компании IBM, Computervision, Prime, но методы получения  моделей тел сложной формы  не были развиты, отсутствовал аппарат  поверхностного моделирования. В 1983 г. была разработана техника создания 3D-моделей с показом или удалением  скрытых линий. В 1986 г. компания Autodesk выпустила свой первый CAD-продукт Autocad - однопользовательскую версию на языке "C" с поддержкой формата IGES. В  области автоматизации проектирования унификация основных операций геометрического  моделирования привела к созданию универсальных геометрических ядер, предназначенных для применения в разных САПР. Распространение получили два геометрических ядра: Parasolid (продукт  фирмы Unigraphics Solutions) и ACIS (компания-разработчик Spatial Technology). Ядро Parasolid было разработано  в 1988 г. и в следующем году стало  ядром твердотельного моделирования  для CAD/CAM Unigraphics, а с 1996 г. - промышленным стандартом.

     Необходимость обмена данными между различными системами на различных этапах разработки продукции способствовала стандартизации описаний геометрических моделей. Вначале  появился стандарт IGES (Initial Graphics Exchange Specification). Фирма Autodesk в своих продуктах  стала использовать формат DXF (Autocad Data eXchange Format). Затем были разработаны язык Express и прикладные протоколы AP203 и AP214 в группе стандартов ISO 10303 STEP (Standard for Exchange Product Model Data). В 1986 г. появился ряд новых стандартов. Среди них CGI (Computer Graphics Interface) и PHIGS P (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) - стандарт ANSI, принятый в качестве стандарта ISO в 1989 г. В 1993 г. компанией Silicon Graphics предложен стандарт OpenGL (SGI Graphical Language), широко используемый в настоящее время.