Компьютерное проектирование
Компьютерное проектирование ( САПР ) — это использование компьютеров (или рабочие станции ), чтобы помочь в создании, изменении, анализе или оптимизации проекта . [1] : 3 Это программное обеспечение используется для повышения производительности проектировщика, улучшения качества проектирования, улучшения связи посредством документации и создания базы данных для производства. [1] : 4 Проекты, созданные с помощью программного обеспечения САПР, помогают защитить продукты и изобретения при использовании в патентных заявках. Выходные данные САПР часто представлены в виде электронных файлов для печати, механической обработки или других производственных операций. термины «компьютерное черчение» ( CAD ) и «компьютерное проектирование и черчение» ( CADD ). Также используются [2]
Его использование при проектировании электронных систем известно как автоматизация электронного проектирования ( EDA ). В механическом проектировании это известно как автоматизация механического проектирования ( MDA ), которая включает в себя процесс создания технического чертежа с использованием компьютерного программного обеспечения . [3]
Программное обеспечение САПР для механического проектирования использует либо векторную графику для изображения объектов традиционного черчения, либо может также создавать растровую графику, показывающую общий внешний вид спроектированных объектов. Однако здесь речь идет не только о формах. Как и при составлении вручную технических и инженерных чертежей , выходные данные САПР должны передавать такую информацию, как материалы , процессы , размеры и допуски , в соответствии с соглашениями, специфичными для конкретного приложения.
САПР можно использовать для проектирования кривых и фигур в двумерном (2D) пространстве; или кривые, поверхности и твердые тела в трехмерном (3D) пространстве. [4] [5] : 71, 106
САПР — важное промышленное искусство, широко используемое во многих приложениях, включая автомобильную , судостроительную и аэрокосмическую промышленность, промышленное и архитектурное проектирование ( информационное моделирование зданий ), протезирование и многие другие. САПР также широко используется для создания компьютерной анимации для спецэффектов в фильмах, рекламе и технических руководствах, что часто называют созданием цифрового контента DCC . Современное повсеместное распространение и мощь компьютеров означает, что даже флаконы для духов и дозаторы шампуней разрабатываются с использованием технологий, неслыханных инженерам 1960-х годов. Из-за своей огромной экономической значимости САПР стала основной движущей силой исследований в области вычислительной геометрии , компьютерной графики (как аппаратной, так и программной) и дискретной дифференциальной геометрии . [6]
В частности, разработку геометрических моделей форм объектов иногда называют компьютерным геометрическим проектированием ( CAGD ). [7]
Обзор
Компьютерное проектирование — один из многих инструментов, используемых инженерами и дизайнерами, и используется по-разному в зависимости от профессии пользователя и типа рассматриваемого программного обеспечения.
САПР является частью всей деятельности по разработке цифрового продукта (DPD) в рамках процессов управления жизненным циклом продукта (PLM) и поэтому используется вместе с другими инструментами, которые представляют собой либо интегрированные модули, либо автономные продукты, такие как:
- Компьютерное проектирование (CAE) и анализ методом конечных элементов (FEA, FEM)
- Автоматизированное производство (CAM), включая инструкции для с числовым программным управлением (ЧПУ). станков
- Фотореалистичный рендеринг и симуляция движения
- Управление документацией и контроль версий с использованием управления данными о продукции (PDM)
САПР также используется для точного создания фотомоделаций, которые часто требуются при подготовке отчетов о воздействии на окружающую среду, в которых компьютерные проекты предполагаемых зданий накладываются на фотографии существующей среды, чтобы представить, каким будет это место, где будут происходить изменения. предлагаемые объекты разрешены к строительству. Потенциальное закрытие коридоров обзора и исследования теней также часто анализируются с помощью CAD. [8]
Типы
Существует несколько различных типов САПР. [9] каждый из них требует от оператора по-разному думать о том, как их использовать, и по-разному проектировать виртуальные компоненты. Практически все инструменты САПР полагаются на концепции ограничений , которые используются для определения геометрических или негеометрических элементов модели.
2D САПР
Существует множество производителей недорогих систем 2D-эскизов, включая ряд бесплатных программ с открытым исходным кодом. Они обеспечивают такой подход к процессу рисования, при котором масштаб и расположение на листе чертежа можно легко отрегулировать в окончательном проекте по мере необходимости, в отличие от рисования вручную.
3D CAD
3D- каркас — это расширение 2D-черчения в трехмерном пространстве . Каждую линию приходится вставлять в чертеж вручную. Конечный продукт не имеет связанных с ним массовых свойств и не может иметь непосредственно добавленных к нему элементов, таких как отверстия. Оператор подходит к ним так же, как и к 2D-системам, хотя многие 3D-системы позволяют использовать каркасную модель для создания окончательных видов инженерных чертежей.
«Тупые» 3D-тела создаются аналогично манипуляциям с объектами реального мира. К базовым трехмерным геометрическим формам (например, призмам, цилиндрам, сферам или прямоугольникам) добавляются или вычитаются объемы твердого тела, как при сборке или резке реальных объектов. На основе моделей можно легко создать двумерные проекции. Базовые 3D-тела обычно не включают в себя инструменты, позволяющие легко разрешить движение компонентов, установить ограничения на их движение или выявить взаимодействие между компонентами.
Существует несколько видов 3D- моделирования. твердотельного
- Параметрическое моделирование позволяет оператору использовать так называемый «проектный замысел». Объекты и функции создаются с возможностью изменения. Любые будущие модификации можно внести, изменив способ создания исходной детали. Если элемент должен был располагаться из центра детали, оператор должен расположить его из центра модели. Элемент можно было найти с помощью любого геометрического объекта, уже имеющегося в детали, но такое случайное размещение противоречило бы замыслу проекта. Если оператор проектирует деталь по мере ее функционирования, разработчик параметрического моделирования может вносить изменения в деталь, сохраняя при этом геометрические и функциональные связи.
- Прямое или явное моделирование предоставляет возможность редактировать геометрию без дерева истории. При прямом моделировании, когда эскиз используется для создания геометрии, он включается в новую геометрию, и дизайнеру остается только впоследствии изменить геометрию, не используя исходный эскиз. Как и параметрическое моделирование, прямое моделирование может включать взаимосвязи между выбранной геометрией (например, касательность, концентричность).
- Моделирование сборки — это процесс, который включает результаты предыдущего моделирования одной детали в конечный продукт, содержащий несколько деталей. Сборки могут быть иерархическими, в зависимости от конкретного поставщика программного обеспечения САПР, и могут быть созданы очень сложные модели (например, при проектировании зданий с использованием программного обеспечения для автоматизированного архитектурного проектирования ). [10] : 539
Произвольная форма САПР
Топовые CAD-системы предлагают возможность включать в проекты более органичные, эстетические и эргономичные функции. Моделирование поверхности произвольной формы часто сочетается с твердыми телами, что позволяет дизайнеру создавать продукты, которые соответствуют форме человека и визуальным требованиям, а также взаимодействуют с машиной.
Технология
 |
Первоначально программное обеспечение для систем САПР разрабатывалось с использованием таких языков программирования, как Фортран , АЛГОЛ, но с развитием методов объектно-ориентированного программирования ситуация радикально изменилась. Типичный современный параметрический инструмент моделирования на основе элементов и системы поверхностей произвольной формы построены на основе ряда ключевых модулей C со своими собственными API . Систему САПР можно рассматривать как созданную в результате взаимодействия графического пользовательского интерфейса (GUI) с геометрией NURBS или данными представления границ (B-rep) через ядро геометрического моделирования . Механизм ограничений геометрии также может использоваться для управления ассоциативными связями между геометрией, например, геометрией каркаса в эскизе или компонентами в сборке.
Неожиданные возможности этих ассоциативных отношений привели к появлению новой формы прототипирования, называемой цифровым прототипированием . В отличие от физических прототипов, которые влекут за собой время изготовления при проектировании. Тем не менее, модели САПР могут быть созданы на компьютере после сканирования физического прототипа с помощью промышленного компьютерного томографа . В зависимости от характера бизнеса изначально могут быть выбраны цифровые или физические прототипы в соответствии с конкретными потребностями.
Сегодня системы САПР существуют для всех основных платформ ( Windows , Linux , UNIX и Mac OS X ); некоторые пакеты поддерживают несколько платформ. [11]
В настоящее время для большинства программ САПР не требуется специального оборудования. Однако некоторые САПР могут выполнять задачи, требующие больших графических и вычислительных затрат, поэтому современную видеокарту , высокоскоростной (и, возможно, несколько) процессор и большой объем оперативной памяти можно рекомендовать .
Человеко-машинный интерфейс обычно осуществляется с помощью компьютерной мыши , но также может осуществляться с помощью ручки и графического планшета . Манипулирование видом модели на экране также иногда осуществляется с помощью Spacemouse/SpaceBall . Некоторые системы также поддерживают стереоскопические очки для просмотра 3D-модели . Технологии, которые раньше ограничивались более крупными установками или специализированными приложениями, теперь стали доступны широкой группе пользователей. К ним относятся CAVE или HMD и интерактивные устройства, обнаружения движения. такие как технология
Программное обеспечение
Начиная с IBM Drafting System в середине 1960-х годов, системы автоматизированного проектирования начали предоставлять больше возможностей, чем просто возможность воспроизводить чертежи вручную с помощью электронных чертежей, и экономическая выгода для компаний при переходе на САПР стала очевидной. Программное обеспечение автоматизировало многие задачи, которые сегодня считаются само собой разумеющимися в компьютерных системах, такие как автоматическое создание спецификаций материалов , автоматическая компоновка в интегральных схемах , проверка на помехи и многие другие. Со временем САПР предоставила проектировщику возможность выполнять инженерные расчеты. [5] Во время этого перехода расчеты по-прежнему выполнялись либо вручную, либо теми людьми, которые могли запускать компьютерные программы. САПР стало революционным изменением в машиностроительной отрасли, где роли чертежника, дизайнера и инженера, которые раньше были отдельными, начали сливаться. САПР — пример того всепроникающего влияния, которое компьютеры начали оказывать на отрасль.Современные пакеты программного обеспечения для автоматизированного проектирования варьируются от 2D- систем векторного черчения до 3D- средств твердотельного и поверхностного моделирования . Современные пакеты САПР также часто допускают вращение в трех измерениях, позволяя просматривать спроектированный объект под любым желаемым углом, даже изнутри. [5] Некоторые программы САПР способны выполнять динамическое математическое моделирование. [5]
Технология САПР используется при проектировании инструментов и машин, а также при проектировании и проектировании всех типов зданий, от небольших жилых домов (домов) до крупнейших коммерческих и промышленных сооружений (больниц и фабрик). [12]
САПР в основном используется для детального проектирования 3D-моделей или 2D-чертежей физических компонентов, но также используется на протяжении всего процесса проектирования, от концептуального проектирования и компоновки изделий, через прочностной и динамический анализ сборок до определения методов изготовления компонентов. Его также можно использовать для проектирования таких объектов, как ювелирные изделия, мебель, бытовая техника и т. д. Кроме того, многие приложения САПР теперь предлагают расширенные возможности рендеринга и анимации, поэтому инженеры могут лучше визуализировать проекты своих продуктов. 4D BIM — это тип виртуального моделирования строительства, включающий информацию, связанную со временем или графиком, для управления проектом.
CAD стал особенно важной технологией в сфере компьютерных технологий , имеющей такие преимущества, как более низкие затраты на разработку продукта и значительно сокращенный цикл проектирования . САПР позволяет дизайнерам компоновать и разрабатывать работы на экране, распечатывать их и сохранять для будущего редактирования, экономя время при работе с чертежами.
Программное обеспечение для управления лицензиями
В 2000-х годах некоторые поставщики программного обеспечения для систем САПР поставляли свои дистрибутивы со специальным программным обеспечением-менеджером лицензий, которое контролировало, как часто и сколько пользователей могут использовать систему САПР. [5] : 166 Он мог работать либо на локальном компьютере (путем загрузки с локального устройства хранения), либо на файловом сервере локальной сети , и в последнем случае обычно привязывался к определенному IP-адресу. [5] : 166
Список пакетов программного обеспечения
Программное обеспечение САПР позволяет инженерам и архитекторам проектировать, проверять и управлять инженерными проектами с помощью интегрированного графического интерфейса пользователя (GUI) в системе персонального компьютера . Большинство приложений поддерживают твердотельное моделирование с граничным представлением (B-Rep) и геометрию NURBS и позволяют публиковать их в различных форматах. [ нужна ссылка ]
Согласно рыночной статистике, коммерческое программное обеспечение от Autodesk, Dassault Systems , Siemens PLM Software и PTC. в отрасли САПР доминируют [13] [14] Ниже приведен список основных приложений САПР, сгруппированных по статистике использования. [15]
Коммерческое программное обеспечение
- AC3D
- Алибре Дизайн
- Архикад ( Графисофт )
- Автокад ( Автодеск )
- АксСТРИМ
- БриксCAD
- CATIA ( Dassault Systèmes )
- Кобальт
- КорелCAD
- Fusion 360 ( Автодеск )
- IntelliCAD
- Изобретатель ( Autodesk )
- АЙРОНКАД
- KeyCreator (Куботек)
- Пейзажный экспресс
- МЕДУЗА
- Микростанция ( Бентли Системс )
- Модельур (AgiliCity)
- Оншейп ( PTC )
- NX ( программное обеспечение Siemens Digital Industries )
- PTC Creo (преемник Pro/ENGINEER ) ( PTC )
- Панчкад
- Remo 3D
- Ревит ( Автодеск )
- Носорог 3D
- СкетчАп
- Solid Edge ( программное обеспечение Siemens Digital Industries )
- SOLIDWORKS ( Дассо Системс )
- SpaceClaim
- Т-ФЛЕКС CAD
- ПеревестиCAD
- ТурбоCAD
- Vectorworks ( Немечек )
Программное обеспечение с открытым исходным кодом
Бесплатное ПО
- Форма BricsCAD
- ТиффинCAD
- Tinkercad (преемник Autodesk 123D )
Ядра САПР
- ACIS от ( Spatial Corp, принадлежащая Dassault Systèmes )
- Набор инструментов C3D от C3D Labs
- Открытый КАСКАД с открытым исходным кодом
- Parasolid от ( Siemens Digital Industries Software )
- ShapeManager от ( Autodesk )
См. также
- 3D компьютерная графика - графика, в которой используется трехмерное представление геометрических данных.
- 3D-печать – аддитивный процесс, используемый для создания трехмерного объекта.
- Формат файла аддитивного производства — открытый стандарт для описания объектов для процессов аддитивного производства, таких как 3D-печать.
- Алгоритмическое искусство - Жанр искусства
- Стандарты САПР . Рекомендации по внешнему виду чертежей автоматизированного проектирования.
- Библиотека САПР — облачное хранилище . или 3D-моделей деталей
- Грубое пространство (численный анализ) – уменьшенное представление числовой задачи.
- Сравнение программного обеспечения для компьютерной 3D-графики
- Сравнение программ просмотра файлов CAD, CAM и CAE
- Сравнение программного обеспечения для автоматизированного проектирования
- Сравнение программного обеспечения EDA (автоматизация электронного проектирования)
- Компьютерное промышленное проектирование - разновидность автоматизированного проектирования.
- Цифровая архитектура – Архитектура с использованием цифровых технологий.
- Цифровой двойник – цифровая копия живого или неживого физического объекта.
- Автоматизация электронного проектирования - Программное обеспечение для проектирования электронных систем.
- Инженерная оптимизация - Методы оптимизации.
- Метод конечных элементов - численный метод решения физических или инженерных задач.
- ISO 128 – Международный стандарт графического изображения объектов на технических чертежах.
- ISO 10303 – Стандарт ISO (ШАГ)
- Список программного обеспечения для автоматизированного проектирования
- Определение на основе модели – аннотирование моделей автоматизированного проектирования.
- Программное обеспечение для молекулярного проектирования — программное обеспечение САПР для проектирования, моделирования и анализа на молекулярном уровне.
- Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом - оборудование из движения открытого дизайна.
- Быстрое прототипирование - группа методов быстрого создания физических объектов.
- Отзывчивый компьютерный дизайн - подход к компьютерному проектированию.
- Картографирование пространства — методология оптимизации дизайна
- Суррогатная модель – Инженерная модель
- Системная интеграция – объединение компонентов подсистем в одну систему.
- Виртуальное прототипирование – разработка прототипа с помощью компьютерного моделирования.
- Виртуальная реальность – опыт, смоделированный на компьютере
Ссылки
- ^ Jump up to: а б Нараян, К. Лалит (2008). Компьютерное проектирование и производство . Нью-Дели: Прентис Холл Индии. ISBN 978-8120333420 .
- ^ Дуггал, Виджай (2000). Cadd Primer: Общее руководство по компьютерному проектированию и черчению — Cadd, CAD . Майлмакс Паб. ISBN 978-0962916595 .
- ^ Мэдсен, Дэвид А. (2012). Инженерный чертеж и дизайн . Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Дельмар. п. 10. ISBN 978-1111309572 .
- ^ Фарин, Джеральд; Хошек, Йозеф; Ким, Мён Су (2002). Справочник по компьютерному геометрическому проектированию [электронный ресурс] . Эльзевир. ISBN 978-0-444-51104-1 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Скунмейкер, Стивен Дж. (2003). Путеводитель по САПР: базовое руководство для понимания и совершенствования систем автоматизированного проектирования . Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN 0-8247-0871-7 . OCLC 50868192 .
- ^ Поттманн, Х.; Брелл-Коккан, С. и Валлнер, Дж. (2007) «Дискретные поверхности для архитектурного проектирования». Архивировано 12 августа 2009 г. в Wayback Machine , стр. 213–234 в журнале Curve and Surface Design , Патрик Шенен, Том Лич и Ларри. Л. Шумейкер (ред.), Nashboro Press, ISBN 978-0-9728482-7-5 .
- ^ Фарин, Джеральд (2002) Кривые и поверхности для CAGD: Практическое руководство , Морган-Кауфманн, ISBN 1-55860-737-4 .
- ^ «Компьютерное проектирование (CAD) и автоматизированное производство (CAM)» . Inc.com . Проверено 30 апреля 2020 г.
- ^ «3D-элементное параметрическое твердотельное моделирование» . EngineersHandbook.com . Архивировано из оригинала 18 ноября 2012 г. Проверено 1 марта 2012 г.
- ^ Страуд, Ян; Надь, Хильдегард (2011). Твердотельное моделирование и САПР: как выжить в САПР . Лондон Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0-85729-259-9 .
- ^ «Что такое рабочая станция САПР? Определение, использование и многое другое» . Обзоры компьютерной техники . 21.11.2019 . Проверено 30 апреля 2020 г.
- ^ Дженнифер Херрон (2010). «Проектирование на основе 3D-моделей: четкое определение определений» . МКАДКафе.
- ^ Большая шестерка в индустрии программного обеспечения CAD/CAE/PLM (2011 г.) , CAEWatch, 12 сентября 2011 г.
- ^ ван Кутен, Мишель (23 августа 2011 г.). «ТОП 100 ГЛОБАЛЬНЫХ ПРОГРАММНЫХ ОБЕСПЕЧЕНИЙ – ИЗДАНИЕ 2011 ГОДА» . Программное обеспечение Топ 100 .
- ^ Список программного обеспечения САПР для механической части. Архивировано 28 июля 2020 г. на Wayback Machine , BeyondMech.
Внешние ссылки
- Массачусетский технологический институт, 1982 г., лаборатория САПР.
Учебные материалы по компьютерному проектированию в Викиверситете - Учебные материалы по компьютерному геометрическому дизайну в Викиверситете
