Конструирането има две важни страни: техника на описание на обектите;техника на манипулиране с цел изготвяне на чертежи. Конструкторът ги използва едновременно при проектирането.
Техника на описание- свежда се до построяване на съответните тримерни геометрични модели. Могат да се използват различни начини за описание на геометрията на обекта:
- буквено-цифров език за формализирано описание – отделните обекти се задават ръчно и се описват процедурите на тяхното обединяване или пресичане. За по-опитните потребители е по-бърз подход.
- въвеждане от скица и “сглобяване” на модела по създадените проекции- за всеки графичен примитив има няколко възможности да се построи. Още не е намерило достатъчно приложение.
- интерактивен графичен диалог- най- разпространения начин. Стартира се от скица, сглобява се ръбов модел, след това се преобразува или в граничен или в твърдотелен модел. Важно е с каква форма е обекта.
- команди на естествен език.
Техника на манипулиране- освен всички използвани функции при двумерно конструиране се включват и спомагателни средства. Като дефиниране на координатни системи, на изгледи и разрези на обекта и др.
Видове координатни системи: декартова, цилиндрична и сферична.
Спомагателни координатни системи: на дисплея, на обекта, работна (на потребителя).
При CAD системите за тримерно конструиране също се използва техниката на работа с чертожни слоеве, като има възможност за различни оцветявания в отделните слоеве.
За всеки елемент от набора на CAD системата се използват по няколко начина на процедурното му описание например:
-равнина- по 3 точки, линия и точка не лежаща на нея, успоредно на друга равнина и др.
-мрежова повърхнина- чрез неуспоредни криви, чрез пресичащи или успоредни фамилии криви, чрез множества от точки и др.
Генерирането на повърхнинен модел протича в следните етапи:
- Генерират се характерните контури, профили, сечения и т.н.
- Сеченията се позиционират в пространството.
- Генериране на повърхнини, който минават през сеченията, като едноименните им точки се свързват с надлъжни линии.
- “Съшиват” се отделните повърхнини и се получава мрежовият повърхнинен модел
Моделът се оцветява в светлосенки и се оценява ефективността му. И създаване на програма за машина с ЦПУ за физическата реализация.
За твърдотелен модел стъпките са:
1. Построява се равнинен контур.
2. Чрез транслация се генерира профилно тяло (плоча).
3. Чрез булеви операции се добавят или изрязват определени обекти (например за отвор използваме цилиндър, който първо пресичаме с обекта, а после го изтриваме).
Изгледите при един тримерен обект служат за получаване на проекции с помощта на функцията проекция. Определените проекции на обекта се позиционират в екранни прозорци. В процеса на конструиране често се налага да се правят разрези или сечения на проектирания обект с оглед по-ясното му представяне на чертежа. CAD системата автоматично генерира разреза по зададена равнина (например по 3 точки) и ненужната част от обекта се изтрива.
Видове методи за конструиране на обекти: вариационно, приспособяващо, генеративни (параметрично конструиране, вариационна геометрия, моделиране с Features).
Вариантно конструиране се използва когато се проектира фамилия от варианти на геометрично подобни детайли. Детайлите се групират в групи. Изработва се комплексен детайл. Могат да се получат различни конфигурации подобни на комплексния детайл.
Генеративно конструиране- всеки нов конструктивен обект се получава, като ново съчетание от конструктивни елементи. В голяма част от CAD системите построяването на моделите на обекти става процедурно, т.е. за създаването на отделни елементи на обекта се използват определени команди. Вниманието на конструктора е насочено към това как да построй обект, а не какво представлява обекта. Този недостатък се преодолява, чрез нови подходи при проектирането на машиностроителните обекти. Подходите са:
-параметрично проектиране- интензивно се използват набор от базови машиностроителни елементи (валове, лагери, зъбни колела, лагери, болтове и др.). Чрез езиците за параметрично проектиране се създава набор елементи, наричани параметрични обекти (макроси). Параметричните обекти многократно се използват в процеса на конструирането на възли, устройства и др., като се задават конкретни стойности на параметрите им. Параметричните обекти и операциите с тях се дефинират в потребителски менюта, което повишава производителността при проектиране.
-управлявана от оразмеряването геометрия (вариационна геометрия)- при всяка промяна на размерите на обекта, системата автоматично преизчислява цялата геометрия на обекта.
-изключително перспективен е един нов подход основан на възможността на конструктора да създава модела на обекта, като специфицира негови признаци. Този метод се нарича моделиране, чрез признаци (характеристики) на обекта. Признаците представляват конструктивни особености и характеристики на обектите. Основно предимство е, че конструкторът мисли и конструира с присъщи за машиностроителната практика термини (отвори, резби, успоредност, перпендикулярност и др.), а геометричните елементи (отсечки, дъги, окръжности) с който се изгражда геометричното изображение на екрана остават за него на втори план.
-среща се и т.н. приспособяващо конструиране- конструираното решение се получава, чрез модифициране на съществуващо. Използването на приспособяващо проектиране предполага използването и поддържането на много добър технически архив (административна база данни) в CAD системата. Тогава е възможно бързо да бъде изведен на графичния екран нужния чертеж и да се извършат конструктивните изменения.
-конструиране с фитчъри.
Фитчър- признак (характеристика). Може да съдържа: набор от геометрични и числови параметри, материални характеристики. Може да се задава с булеви операции (свързване, отрязване) и др. Или това е един универсален метод за проектиране. Същността на метода се състой в това че детайла се конструира, чрез конкретни елементи, описани със свойте признаци и характеристики.
Фитчър- признак (характеристика). Той може да представлява:
1. Повърхнина или съвкупност от повърхнини имащи определени топологични и геометрични характеристики.
2. Математическа функция на някой технологични и/ или геометрични променливи, чиито стойности могат да бъдат четимо- достъпни или получени от твърдотелния материал.
3. Всеки елемент (величина, свойство, същност) приемливо използвано при проектирането, анализа и производството.
4. Кой- да е възприеман геометричен или функционален елемент или свойство на обекта, пригодени за подразбиране на функцията, поведението или работата на този обект.
Базиран на Features твърдотелен модел:
1. Моделът на обекта на проектиране се изгражда с Features (признаци) всеки Features носи в себе си характерни данни за собствената си геометрия и връзките с другите Features и запазва своята “индивидуалност” по време на моделирането. Това позволява във всеки момент да бъде редактиран.
2. Features (признаци) се дефинират от набор геометрични и числови параметри. Те определят формата и взаимното положение на елементите в Features, пространственото положение и размерите им. Максималният брой геометрични и числови параметри определят степените на свобода на даден елемент. Наричат се ограничения.
3. Могат да се задават материални характеристики, могат да се използват булеви операции; свързване (Join) отрязване (Cut) сечение между два Features (intersection).
Етапи и задачи на автоматизация на проектирането не технологичните процеси (АПТП). Видове модели за формализиране и оптимизиране при АПТП. Видове задачи за синтез на структурата на технологичния процес (ТП).
Целта на АПТП е създаване на технологична документация за оптимално произвеждане на дадено изделие при конкретни производствени условия. Проектирането на технологичните процеси може да се изпълни автоматизирано и автоматично.
Автоматизираният начин на проектиране предполага активно взаимодействие между технолога и компютърната система в режим на диалог, а при автоматичния технологичната задача се решава самостоятелно от системата. Предпочитана среда за АПТП е CAPP системата.
АПТП предполага използване на системен подход. Процеса се характеризира с четири системни характеристики: структура на процеса (маршрут, операции, преходи); Функция на процеса (вид и начин на обработване), набор от свойства, връзки с останалите части на производствения процес.
При АПТП се препоръчва използването на стъпкова стратегия. Тя отразява различните възможности за формализирано описание на технологичните задачи, различните нужди и ефективност от автоматизиране на отделните етапи при проектиране на ТП съобразно конкретните производствени условия.
Пресмятането на оптималните стойности на параметрите на ТП (параметрите на режима на рязане и др.) при зададена структура и избрани критерии за оценка е задача на параметричната оптимизация, т.е. задача на анализа.
След като се изясни постановката на задачата, АПТП (маршрут, операция, преход) започва в общия случай със синтез на структурата на процеса съобразно изискванията на техническото задание. За всеки вариант на структурата се съставя модел- математически, математико- логически или евристичен. Чрез анализ на модела се оценява работоспособността на варианта на структурата за дадените условия на обработка, качество, производителност и се извършва оптимизация на параметрите му. Ако условията за работоспособност не са изпълнени, правят се промени в параметрите му и отново се анализира модела. Когато някой от вариантите на структурата на ТП гарантира получаването на зададените изисквания за качеството на изделието, задачата се смята за решена и се отпечатва необходимата технологична документация.
За АПТП могат да бъдат избрани два подхода- вариантно или генеративно проектиране.
При вариантното се използват идеите на груповата технология и типовите технологични процеси. Въз основа на разработени класификатори на детайлите и варианти на ТП за тяхното обработване въведени предварително в CAPP системата, се проектира технологията на обработка на конкретния детайл, чрез редактиране на съществуващия вариант.
Генеративният подход при технологичното проектиране може да бъде дефиниран, като използване на програмна система в която са заложени знанията и способността за вземане на решения на опитни технолози. Автоматизираното проектиране на технологични процеси става индивидуално за всеки конкретен детайл, т.е. всеки път се проектира нов ТП.
Възлов момент при формализирането на ТП е изборът и съставянето на подходящ модел. При АПТП се използват математически, математико- логически и евристични (въз основа на логически правила) модели.
В зависимост от решаваната задача моделите могат да бъдат класифицирани като структурно- логически и функционални.
*Структурно- логическите се разделят на:
-таблични- за всеки набор от свойства съответства един вариант на проектирания ТП
Задачата за синтез на структурата се решава в следната последователност: съставя се модела на поредния вариант на структурата; оценява се по приети критерии и се взима решение за замяна с нов с последваща оценка или се прекратява търсенето на следващи нови варианти ако се е стигнало до задоволително решение. Задачите за синтеза на структурата при АПТП условно се разделят на пет групи в зависимост от сложността:
- Iгр.- Структурата на ТП се задава, чрез таблици за приложимост и таблици за вземане на решения.
- Iiгр.- Задачи за синтез на структурата на ТП, при която е необходимо да се направи оценка на всички варианти, който са краен брой.
- IIIгр.- Оптималният вариант се избира измежду голямо количество принципно известни варианти въз основа на целенасочено стъпково търсене на решението.
- IVгр.- Синтез на ТП, при който изборът става от множество варианти (неизвестен брой).
- Vгр.- Задача при която синтезът на структурата на ТП се извършва с използване на евристични правила или методи в режим на обучение или самообучение, понякога подпомагано интерактивно от технолога.
Инженерни пресмятания и анализ на конструкции. Видове. Приложение на метода на крайните елементи.
Инженерните пресмятания на конструираните обекти се извършва в почти всички етапи на процеса на конструиране. Инженерните пресмятания биват два вида- проверочни и параметрични. И при двата вида пресмятания стремежа е получения резултат да удовлетворява определени критерии и условия.
Проверочни пресмятания- извършват се при вече конструиран обект (възел, детайл). Използват се аналитични и числени методи на пресмятания. Аналитичните използват принципи и методи от сапромат и механика. Към числените методи се отнасят метода на крайните елементи (МКЕ) на крайните разлики (МКР) и граничните елементи (МГЕ).
При проверочните пресмятания се контролират допустимите стойности на сили, напрежения, температурни деформации, премествания, собствени честоти и др.
За голям брой машиностроителни елементи, като зъбни колела, лагери, валове, ремъчни предавки и др. за пресмятане се използват специализирани методи на равнище фирма или отрасъл. Създадените на тяхна основа програмни пакети са с модулна структура и не изискват значителни компютърни ресурси. Конструкторът е в състояние за броени минути да извърши проверочните изчисления, даже за няколко варианта на входните данни и да получи оптималния резултат.
Параметрични пресмятания- не съществува предварително създадена конструкция на машиностроителния елемент или възел. Целта им е да се определят размерите на елемента съобразно определени изисквания и въз основа на това да се създаде геометричната му конфигурация. Параметричните пресмятания са последвани винаги от проверочни, който могат да наложат промяна в параметрите. По такъв начин конструирането на елемента или възела става интерактивно (стъпково) до достигане на оптимално решение съобразно с преценката на конструктора или някакво ограничение (якостно, деформацйонно, надеждностно).
Приложение на МКЕ: МКЕ се използва широко като универсално средство за пресмятания и анализ на поведението на механични конструкции при силови (статични и динамични) и топлинни натоварвания. С МКЕ се решават успешно проблеми в механиката на флуидите, топлотехниката, ядрената физика, геологията и др.
При този метод непрекъсната структура на конструкцията се разделя на краен брой елементи с проста геометрична форма, свързани един с друг във възлови точки, разположени по границите им. Преместванията на тези възлови точки под действието на натоварвания приложени в тях са неизвестни променливи в система от уравнения, чието решаване представлява поведението (деформации, напрежения) в цялата конструкция.
Прилагането на МКЕ в инженерните пресмятания може да се раздели на три етапа:
1. Подготовка и контрол на входните данни- входните данни се подготвят от потребителя и обхващат описание на геометричната структура (възли, елементи); натоварването (статично, динамично, топлинно); свойства на материала (физико-механични, топлинни и др.); гранични условия.
След като са приключили подготовката и въвеждането на входните данни и е извършен необходимия контрол върху тях, те се запомнят в компютъра.
2. Пресмятане на мрежовата структура от крайни елементи- изчислителните програми работят в пакетен режим. Като резултат в зависимост от поставената задача се получават: деформации, напрежения, температурни полета, енергиен спектър и др. който описват състоянието и поведението на конструкцията при зададени гранични условия и натоварвания в съответните възли от мрежата.
3. Анализ на изчислителните резултати- резултатите могат да се представят в таблици в цифрено- буквен вид или графично върху дисплейния екран, чрез програми постпроцесори. С използването на цветни дисплей конструкторът получава цветно графично изображение на разпределението на напрежения, температури, налягания. Освен това на всяка линия се посочва и съответната пресметната числова стойност. Това съществено улеснява и подобрява анализа и оценката на получените резултати.
Прилагането на МКЕ при автоматизираното проектиране на машиностроителни конструкции позволява да се получат достоверни и оптимизирани резултати и да се оценят различни алтернативи на конструктивните решения.