Параметрическое моделирование

Федеральное государственное  бюджетное общеобразовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

"Липецкий государственный  технический университет"

 

Кафедра управления автотранспортом

 

Реферат

по дисциплине компьютерное моделирование

 

Параметрическое моделирование

 

 

 

Студент	__________________	Макушина Е.В.
Группа ТП-12-1
Руководитель  к.т.н., доцент	___________________	Жилин И.В.

 

 

 

Липецк 2013

Введение

С моделированием каждый человек  встречается в самом раннем детстве. После погремушек, малышу предлагают для игры куклу или машинку. Малыш, радуясь ярким цветам, начинает познавать  реальный мир, изучая модели-игрушки. «Где глазки?» Ребенок смело и весело тычет пальчиком в глазки куклы  или плюшевого мишки, постепенно осознавая, что наличие глаз —  это свойство всех животных, птиц и  людей. Таким образом, модельность свойственна познанию. Человек всегда познает сущность окружающего мира с помощью разного рода моделирования. Модели могут быть разными и по уровню сложности, и по способу представления и передачи знаний о них. Тем не менее, существуют определенные принципы построения моделей, то есть моделирования, и изучения этих моделей с той или иной степенью правомочности для умозаключений о реальных предметах или явлениях, которые служили образцом для изученной модели. Издавна человек применяет модели. Это полезно при изучении сложных процессов или систем, конструировании новых устройств или сооружений. Обычно модель более доступна для исследования, чем реальный объект (а есть такие объекты, экспериментировать с которыми невозможно или недопустимо). Как вы уже знаете, модель -- это некоторый материальный или идеальный (мысленно представляемый) объект, замещающий объект-оригинал, сохраняя его характеристики, важные для данной задачи. Процесс построения модели называют моделированием.

 

 

 

 

 

 

Моделирование: основные понятия и сущность

Важной целью деятельности человека является создание высоко-

эффективных систем, процессов  в экономике, технике, производстве,

экологии и т.д. Но высокая  эффективность систем предполагает необ-

ходимость использования  математических методов. К реальному  объ-

екту, системе эти математические методы непосредственно не приме-

нимы. Сначала необходимо построить математическую модель систе-

мы. Под математической моделью  системы понимают приближенное

описание системы с  помощью математических соотношений. Матема-

тическое моделирование представляет собой исследование математи-

ческой модели, которое  включает построение модели, изучение её и

перенос полученных сведений на моделируемую систему. Фактически

математическое моделирование  существует уже с далёких времен,

когда начал применяться  математический аппарат для решения  прак-

тических задач. Но многие практические задачи не могли быть реше-

ны из-за сложности моделей. С появлением ЭВМ с математической

моделью начали экспериментировать. Появилось новое понятие –

компьютерное моделирование. Для компьютерного моделирования

характерно то, что математическая модель системы представлена в

виде программы для ЭВМ – компьютерной модели, позволяющей

проводить с ней вычислительный эксперимент.

Компьютерное моделирование  можно разбить на три вида: числен-

ное, имитационное и статистическое. При численном моделировании

для построения компьютерной модели используются методы вычис-

лительной математики, а вычислительный эксперимент заключается в

численном решении некоторых уравнений. Имитационное моделиро-

вание – это вид компьютерного моделирования, для которого харак-

терно воспроизведение на ЭВМ (имитация) процесса функционирова-

ния сложной системы.

Моделирование представляет собой процесс замещения объекта ис-

следования некоторой  его моделью и проведение исследований на

модели с целью получения  необходимой информации об объекте.

Модель – это физический или абстрактный образ моделируемого

объекта, удобный для проведения исследований и позволяющий адек-

ватно отображать интересующие исследователя физические свойства

и характеристики объекта. Удобство проведения исследований может

определяться различными факторами: легкостью и доступностью по-

лучения информации, сокращением  сроков и уменьшением матери-

альных затрат на исследование и др.

Компьютерное  моделирование можно разделить на три вида: чис-

ленное, имитационное, статистическое.

Для компьютерного моделирования  характерно, что математиче-

ская модель системы представлена в виде программы на ЭВМ или

компьютерной модели, позволяющей  проводить с ней вычислитель-

ные эксперименты. При численном моделировании для построения

компьютерной модели используются методы вычислительной матема-

тики, а вычислительный эксперимент  заключается в численном реше-

нии некоторых математических уравнений при заданных значениях

параметров и начальных  условиях. Имитационное моделирование –

это вид компьютерного  моделирования, для которого характерно вос-

произведение на ЭВМ (имитация) процесса функционирования иссле-

дуемой системы. При этом имитируются элементарные явления, со-

ставляющие процесс, с сохранением их логической структуры, после-

довательности протекания во времени, что позволяет получить ин-

формацию о состоянии  системы в заданные моменты времени. Стати-

стическое моделирование – это вид компьютерного моделирования,

позволяющий получить статистические данные о процессах в модели-

руемой системе.

 

Параметрическое моделирование

В ранних системах автоматизированных моделирования  компьютерные модели строились из геометрических элементов путем задания точных значений координат. Ручное редактирование таких моделей было трудоемким процессом и часто приводило к ошибкам. Рабочие чертежи создавались путем извлечения значений координат из модели и генерации на их основе двумерных проекций. По мере совершенствования методов компьютерной обработки, модели становились все более реалистичными, их редактирование упрощалось. Появилась возможность создавать объемные элементы на основе поверхностей и тел. В результате стало возможным моделирование предметов сложной формы.

Но  результатом по-прежнему была модель с явными координатами элементов, которую  было сложно редактировать. Модель практически  не имела связи с чертежами, созданными на ее основе, то есть при изменении  модели эти чертежи приходилось  создавать заново.

Современные системы реализуют концепцию  параметрического моделирования. Суть ее — в возможности задания  параметров для элементов модели. Параметры представляют собой наборы характеристик, определяющих поведение  элемента модели и его взаимодействие с другими элементами. Вот два  примера: «диаметр этого отверстия  всегда равен 10 мм» или «центр этого  отверстия расположен посередине между  этими кромками». Такой подход значительно  упрощает редактирование моделей и  сокращает число ошибок.

Параметрическое моделирование вначале стало  применяться при машиностроительном проектировании и сразу произвело  настоящий переворот.

Процесс параметрического моделирования —  моделирование с использованием параметров элементов модели и соотношений  между этими параметрами. Параметризация позволяет за короткое время «проиграть»  различные конструктивные схемы  и избежать принципиальных ошибок.

Параметрическое моделирование существенно отличается от обычного двухмерного черчения или  трёхмерного моделирования. Конструктор, в случае параметрического проектирования, создаёт математическую модель объектов с параметрами, при изменении  которых происходят изменения конфигурации детали, взаимные перемещения деталей  в сборке и т. п.

Параметрическое моделирование позволяет создавать  модель так, как она представлена на чертеже, т.е. не безликим указанием  координат, а привязкой элементов  друг к другу. 

Рис. 1. Модель колпачка

Идея  параметрического моделирования появилась  ещё на ранних этапах развития САПР, но долгое время не могла быть осуществлена по причине недостаточной компьютерной производительности. История параметрического моделирования началась в 1989 году, когда вышли первые системы с возможностью параметризации. Первопроходцами были Pro/ENGINEER от Parametric Technology Corporation и T-FLEX CAD от Топ Системы

Параметризация двухмерных чертежей обычно доступна в CAD-системах среднего и тяжёлого классов. Однако, упор в этих системах сделан на трёхмерную технологию проектирования и возможности параметризации двухмерных чертежей практически не используются. Параметрические CAD-системы, ориентированные на двухмерное черчение зачастую являются «урезанными» версиями более продвинутых САПР

Примеры двухмерных САПР с  возможностью параметризации:

• T-FLEX CAD 2D — «Урезанный» вариант T-FLEX CAD 3D от российской компании «Топ Системы». Позволяет создавать полностью параметризованные чертежи. Имеется функция автоматической параметризации.
• Solid Edge 2D — «Урезанный» вариант Solid Edge от компании Siemens PLM Software. Программа полностью бесплатна, в том числе для коммерческого применения.
• AutoCAD — Начиная с версии 2010 в AutoCAD появилась возможность создавать параметрические чертежи. С версии 2006 в AutoCAD присутствует возможность создавать двухмерные динамические блоки. Динамические блоки фактически представляют собой реализацию табличной параметризации. В вертикальных решениях на базе AutoCAD возможности параметризации обычно значительно шире.
• AutoCAD Mechanical — специализированное решение для двухмерного машиностроительного проектирования и черчения на базе AutoCAD. В AutoCAD Mechanical используется собственный механизм параметризации, не связанный с динамическими блоками базовой системы.
• КОМПАС-График — система двухмерного машиностроительного и строительного проектирования и черчения, разработанная компанией АСКОН..

Трёхмерное параметрическое  моделирование является гораздо  более эффективным инструментом, нежели двухмерное параметрическое  моделирование. В современных системах среднего и тяжёлого класса наличие  параметрической модели заложено в  идеологию самих САПР. Существование  параметрического описания объекта  является базой для всего процесса проектирования.

Рис. 2.Моделирование пружинной  шайбы в КОМПАС-3D

Примеры САПР, использующих трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование:

• CATIA — САПР тяжёлого класса французской фирмы Dassault Systemes
• NX — САПР тяжёлого класса от Siemens PLM Software
• Pro/Engineer — САПР тяжёлого класса от Parametric Technology Corporation
• Inventor- САПР среднего класса от Autodesk
• Solid Edge — САПР среднего класса от Siemens PLM Software
• SolidWorks — САПР среднего класса от SolidWorks Corporation
• 3design CAD — САПР для ювелирного и графического дизайна от французского разработчика Vision Numeric
• T-FLEX CAD — российская САПР среднего класса, использующая геометрическую параметризацию от компании Топ Системы
• КОМПАС-3D — известная российская САПР среднего класса от компании АСКОН, созданная на основе собственного ядра геометрического моделирования.

Табличная параметризация

Табличная параметризация заключается  в создании таблицы параметров типовых  деталей. Создание нового экземпляра детали производится путём выбора из таблицы  типоразмеров. Возможности табличной  параметризации весьма ограничены, поскольку  задание произвольных новых значений параметров и геометрических отношений  обычно невозможно.

Однако, табличная параметризация находит широкое применение во всех параметрических САПР, поскольку позволяет существенно упростить и ускорить создание библиотек стандартных и типовых деталей, а также их применение в процессе конструкторского проектирования.

Иерархическая параметризация

Иерархическая параметризация заключается в том, что в ходе построения модели вся последовательность построения отображается в отдельном  окне в виде «дерева построения». В нем перечислены все существующие в модели вспомогательные элементы, эскизы и выполненные операции в  порядке их создания.

Помимо «дерева построения»  модели, система запоминает не только порядок её формирования, но и иерархию её элементов..

Параметризация на основе истории построений присутствует во всех САПР использующих трёхмерное твердотельное  параметрическое моделирование. Обычно такой тип параметрического моделирования  сочетается с вариационной и/или  геометрической параметризацией.