Что такое параметрическое конструирование
Параметрическое моделирование в 3Ds Max: что нужно знать?
Профессиональный 3D-дизайнер в своей работе должен владеть несколькими технологиями моделирования объектов и уметь мастерски сочетать их. В дизайне интерьеров обычно применяют полигональное, сплайновое, NURBS-моделирование или 3D-скульптинг. А вот параметрическое моделирование чаще можно встретить в инженерном деле. Тем не менее, это не повод обойти его стороной. В статье мы объясним, что такое трехмерное параметрическое моделирование на персональных компьютерах, где применяется и как именно реализуется в Autodesk 3Ds Max.
Что такое параметрическое моделирование
Параметрическое моделирование в 3D-графике – это метод проектирования объектов с использованием их параметрических данных. Принцип – изменение геометрии объекта с помощью регулировки его параметров (формы, размера, плотности, радиуса и т.д). Заданные параметры сохраняются в базе данных, и вы сможете воспользоваться ими в любой момент.
В итоге вы создаете математическую модель, из которой, благодаря настройке параметров, можно получить в будущем уникальные комбинации. Отметим, что большинство объектов в 3Ds Max параметрические, то есть представляют собой совокупность установок и настроек. Вносить корректировки настроек можно на командной панели в свитке Parameters.
Параметрическое 3D-моделирование – гибкий и в то же время точный инструмент, который несложно освоить, если знать азы 3Ds Max. А познакомиться с интерфейсом, функциями и основными настройками этой программы можно на наших курсах под контролем опытных преподавателей.
Параметризация – это один из первых способов моделирования, который чаще всего применяют в промышленности, машиностроении, строительстве и т.д. С его помощью удобно конструировать детали и механизмы промышленных изделий. В дизайне интерьера параметризация необходима для проектирования декора, потолков, мебели нестандартных форм.
Параметр можно изменить в любой момент – тогда модель обновится в режиме реального времени. Поскольку все детали сборки связаны между собой, то при изменении конфигурации они будут взаимно перемещаться. Еще до создания конечного объекта вы поэкспериментируете с комбинациями настроек, увидите ошибки, допущенные при проектировании, вовремя исправите их.
Программы для параметрического моделирования – это не только 3Ds Max. Часто параметризацию выполняют в разных САПР – CATIA, Solidworks или Компас-3D.
Типы параметризации
В 3D-моделировании существует несколько режимов параметризаций:
Геометрическая параметризация – многофункциональный инструмент с тонкими настройками. С его помощью вы сможете вносить изменения в 3D-модель на любой стадии редактирования.
Преимущества параметрического моделирования
Разберем, почему в ходе знакомства с 3Ds Max стоит освоить параметрическое моделирование:
Несмотря на все плюсы, параметрическое моделирование в программе «3Д Макс» мы рекомендуем использовать для разработки технически несложных изделий с малым числом параметров. Если параметров наберется больше 40-50, обновление модели займет слишком много времени. Еще один минус – из-за продолжительности и трудоемкости процесс станет экономически невыгодным.
Процесс параметрического моделирования
Теперь разберем алгоритмы конструирования параметрических моделей на примере нескольких модификаторов. Наиболее распространено параметрическое моделирование в 3Ds Max с применением модификаторов Vol. Select и Morpher.
Параметрическое моделирование
Параметрическое моделирование (параметризация) — моделирование (проектирование) с использованием параметров элементов модели и соотношений между этими параметрами. Параметризация позволяет за короткое время «проиграть» (с помощью изменения параметров или геометрических соотношений) 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.
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 собственно началась в 1989 году, когда вышли первые САПР с возможностью параметризации. Первопроходцами были Pro/Engineer (трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование) фирмы Parametric Technology Corporation и T-FLEX CAD (двухмерное параметрическое моделирование) фирмы Топ Системы [1] [2]
Содержание
Двухмерное параметрическое черчение и моделирование
Примеры двухмерных САПР с возможностью параметризации:
Трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование
Трёхмерное параметрическое моделирование является гораздо более эффективным (но и более сложным) инструментом, нежели двухмерное параметрическое моделирование. В современных САПР среднего и тяжёлого классов наличие параметрической модели заложено в идеологию самих САПР. Существование параметрического описания объекта является базой для всего процесса проектирования.
Примеры САПР, использующих трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование:
Типы параметризации
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 (параметризация на основе истории построений) заключается в том, что в ходе построения модели вся последовательность построения отображается в отдельном окне в виде «древа построения». В нем перечислены все существующие в модели вспомогательные элементы, эскизы и выполненные операции в порядке их создания.
Помимо «древа построения» модели, система запоминает не только порядок её формирования, но и иерархию её элементов (отношения между элементами). Пример: сборки → подсборки → детали.
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.
Вариационная (размерная) параметризация
Вариационная или размерная параметризация основана на построении эскизов (с наложением на объекты эскиза различных параметрических связей) и наложении пользователем ограничений в виде системы уравнений, определяющих зависимости между параметрами.
Процесс создания параметрической модели с использованием вариационной параметризации выглядит следующим образом:
Вариационная параметризация позволяет легко изменять форму эскиза или величину параметров операций, что позволяет удобно модифицировать трёхмерную модель.
Геометрическая параметризация
Геометрической параметризацией называется параметрическое моделирование, при котором геометрия каждого параметрического объекта пересчитывается в зависимости от положения родительских объектов, его параметров и переменных.
Параметрическая модель, в случае геометрической параметризации, состоит из элементов построения и элементов изображения. Элементы построения (конструкторские линии) задают параметрические связи. К элементам изображения относятся линии изображения (которыми обводятся конструкторские линии), а также элементы оформления (размеры, надписи, штриховки и т. п.).
Одни элементы построения могут зависеть от других элементов построения. Элементы построения могут содержать и параметры (например, радиус окружности или угол наклона прямой). При изменении одного из элементов модели все зависящие от него элементы перестраиваются в соответствии со своими параметрами и способами их задания.
Процесс создания параметрической модели методом геометрической параметризации выглядит следующим образом:
Последующие этапы в целом аналогичны процессу моделирования с использованием метода вариационной параметризации.
Геометрическая параметризация даёт возможность более гибкого редактирования модели. В случае необходимости внесения незапланированного изменения в геометрию модели не обязательно удалять исходные линии построения (это может привести к потере ассоциативных взаимосвязей между элементами модели), можно провести новую линию построения и перенести на неё линию изображения.
Параметрическое проектирование
Процесс параметрического моделирования (проектирования) (часто используют термин параметризация) — моделирование (проектирование) с использованием параметров элементов модели и соотношений между этими параметрами. Параметризация позволяет за короткое время «проиграть» (с помощью изменения параметров или геометрических отношений) различные конструктивные схемы и избежать принципиальных ошибок.
Параметрическое моделирование существенно отличается от обычного двухмерного черчения или трехмерного моделирования. Конструктор, в случае параметрического проектирования, создает математическую модель объектов с параметрами, при изменении которых происходят изменения конфигурации детали, взаимные перемещения деталей в сборке и т.п.
Идея параметрического моделирования появилась еще на ранних этапах развития САПР, но долгое время не могла быть осуществлена по причине недостаточной компьютерной производительносити. История параметрического моделирования началась в 1989 году, когда вышли первые системы с возможностью параметризации. Первопроходцами были Pro/ENGINEER (трехмерное твердотельное параметрическое моделирование) от Parametric Technology Corporation и T-FLEX CAD (двухмерное параметрическое моделирование) от Топ Системы [1] [2]
Содержание
Двухмерное параметрическое черчение и моделирование
Примеры двухмерных САПР с возможностью параметризации:
Трехмерное твердотельное параметрическое моделирование
Трехмерное параметрическое моделирование является гораздо более эффективным (но и более сложным) инструментом, нежели двухмерное параметрическое моделирование. В современных системах среднего и тяжелого класса наличие параметрической модели заложено в идеологию самих САПР. Существование параметрического описания объекта является базой для всего процесса проектирования.
Примеры САПР, использующих трехмерное твердотельное параметрическое моделирование:
Типы параметризации
Табличная параметризация
Табличная параметризация заключается в создании таблицы параметров типовых деталей. Создание нового экземпляра детали производится путем 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 (параметризация на основе истории построений) 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.
Параметризация на основе истории построений присутствует во всех САПР использующих трехмерное твердотельное параметрическое моделирование. Обычно такой тип параметрического моделирования сочетается с вариационной и/или геометрической параметризацией.
Вариационная (размерная) параметризация
Вариационная или размерная параметризация основана на построении эскизов (с наложением на объекты эскиза различных параметрических связей) и наложении пользователем ограничений в виде системы уравнений, определяющих зависимости между параметрами.
Процесс создания параметрической модели с использованием вариационной параметризации выглядит следующим образом:
Вариационная параметризация позволяет легко изменять форму эскиза или величину параметров операций, что позволяет удобно модифицировать трехмерную модель.
Геометрическая параметризация
Геометрическая параметризацией называется парметрическое моделирование, при котором геометрия каждого параметрического объекта пересчитывается в зависимости от положения родительских объектов, его параметров и переменных.
Параметрическая модель, в случае геометрической параметризации, состоит из элементов построения и элементов изображения. Элементы построения (конструкторские линии) задают параметрические связи. К элементам изображения относятся линии изображения (которыми обводятся конструкторские линии), а также элементы оформления (размеры, надписи, штриховки и т.п.).
Одни элементы построения могут зависеть от других элементов построения. Элементы построения могут содержать и параметры (например, радиус окружности или угол наклона прямой). При изменении одного из элементов модели все зависящие от него элементы перестраиваются в соответствии со своими параметрами и способами их задания.
Процесс создания параметрической модели методом геометрической параметризации выглядит следующим образом:
Последующие этапы в целом аналогичны процессу моделирования с использованием метода вариационной параметризации.
Геометрическая параметризация дает возможность более гибкого редактирования модели. В случае необходимости внесения незапланированного изменения в геометрию модели не обязательно удалять исходные линии построения (это может привести к потере ассоциативных взаимосвязей между элементами модели), можно провести новую линию построения и перенести на нее линию изображения.
Будущее параметрического CAD’a
Сегодня невозможно представить проектирование зданий, сооружений или деталей механизмов без использования CAD-систем. 90-е годы принесли революцию в CAD-индустрию, когда компания PTC продемонстрировала параметрический подход, значительно упростивший работу инженера, избавив его от части рутинных процедур, которые возникали при минимальной модификации чертежа. Параметрический элементно-ориентированный (feature-based) подход стал стандартом де-факто, но многие вопросы остались нерешенными, в первую очередь, из-за сложности расчетов, возникающих при параметризации чертежа. Прошло почти 20 лет, но CAD-технологии, кажется, не продвинулись ни на шаг. Сейчас у нас есть мощные компьютеры, многократно превосходящие любые системы, доступные в начале 90-х, повсеместно применяются гетерогенные вычисления, последние видеокарты содержат тысячи потоковых ядер. Застывшим во времени CAD пришла пора меняться.
В этой статье я хотел бы познакомить вас с тем что такое параметрический CAD и какие проблемы он испытывает в настоящем, рассказать о наших исследованиях, и о тех решениях, которые способны в ближайшие годы кардинально изменить всю индустрию.
Для начала, хотелось бы вкратце описать что такое CAD вообще и что такое параметрический CAD в частности. Если вы знакомы с этими понятиями, то можете смело пропустить следующие два параграфа и перейти непосредственно к сути.
Что такое CAD?
Независимо от того, что вы собираетесь сделать – разработать сложный механизм, построить дом или просто переставить мебель в комнате – вам понадобится чертеж. При помощи чертежа можно визуализировать проект, чтобы найти его сильные и слабые стороны, противоречия. Ведь не всегда возможно все детально продумать «в голове». Кроме того, чертеж позволяет передать ваше видение какой-либо конструкции другим людям, и обмениваясь идеями постепенно ее совершенствовать.
Процесс создания чертежа называется черчением. Это целая наука, которая совершенствовалась многие столетия вместе с инженерным прогрессом, и к началу 20-го века она обросла большим количеством четких методологий и полезных инструментов, сделав создание чертежа более формализованным, отдалив его от изобразительного искусства и приблизив к чистой инженерии.
Традиционно процесс черчения начинается с того, что вы берете лист бумаги и закрепляете его на ровной поверхности или на специальном чертежном столе. Затем начинаете рисовать что-нибудь карандашом при помощи набора специальных приборов (рейсшина, линейки, лекала и т.д.).
Лично мне трудно провести прямую линию даже по линейке, поэтому в школе я имел определенные проблемы с черчением — любая ошибка и нужно все перерисовывать.
Еще в 60-х годах начались попытки использовать компьютеры для технического проектирования, но только в конце 70-х — начале 80-х годов вместе с лавинообразным распространением персональных компьютеров появились удобные для пользователей программы, позволившие перенести процесс черчения с кульманов на мониторы.
Такие системы (сначала программно-аппаратная связка, затем и просто программа) стали обозначать аббревиатурой CAD от английского Computer-Aided Design, что можно приблизительно перевести как проектирование при помощи компьютера. В России для таких систем утвердилась аббревиатура САПР (системы автоматизированного проектирования), что, однако, подразумевает не только CAD, но и CAE (Computer-Aided Engineering – инженерия, расчеты при помощи компьютера) и CAM (Computer-Aided Manufacturing – подготовка производства при помощи компьютера).
Параметрический CAD
Первоначально 2D CAD-системы были основаны на координатном подходе. Это значит, что, когда оператор создавал линии в 2D-чертеже, программа записывала координаты концевых точек каждой линии. Проблемы такого подхода проявляются тогда, когда вам нужно изменить чертеж (например, увеличить длину какой-нибудь линии) – даже маленькое изменение обычно требует обновления вручную многочисленных линий, на которых сказалось изменение в чертеже.
Параметрический подход позволяет инженеру мыслить в терминах размеров (линейных и угловых) и геометрических ограничений вместо того, чтобы привязываться к координатам. При этом подходе, вы рисуете геометрические примитивы (точки, линии, окружности, дуги и т.д.) и выставляете для них размерности и геометрические ограничения (например, параллельность, перпендикулярность, равенство длин и т. п.). Программное обеспечение самостоятельно строит систему уравнений, в которой координаты точек будут неизвестными, а размеры и геометрические ограничения будут уравнениями, которые определяют решение. При параметрическом подходе, если вы делаете какие-либо изменения, вам не нужно ничего «поправлять» в рисунке самостоятельно, система автоматически пересчитает координаты всех точек на основе заданных размеров и геометрических ограничений, после чего перерисует модель.
Проблемы параметрического подхода
Идея параметрического подхода очень простая, понятная и привлекательная. Представьте, что вы потратили несколько месяцев на чертеж большого здания (да еще и в нескольких разрезах с планами каждого этажа), принесли чертеж заказчику, а он попросил расширить оконные проемы на несколько сантиметров. Без параметризации это будет означать серьезную переделку, которая может потребовать много времени. Если же правильно выставить размеры и геометрические ограничения, то задача решается автоматически изменением всего лишь одного параметра.
К сожалению, не все так просто. В случае реальных чертежей — результирующая система уравнений может получиться очень большой и сложной. Она может содержать многие тысячи уравнений и миллионы переменных. Ни одна современная параметрическая CAD-система не в состоянии обрабатывать параметризованные модели такой сложности. Очень часто их поведение нестабильно уже для моделей, содержащих небольшое количество геометрических примитивов. Более того, даже если они будут способны обработать относительно большую модель, для получения результата может потребоваться много времени, что делает работу с такой моделью некомфортной.
Cheetah solver
В основе современных параметрических CAD-систем лежат алгоритмы, разработанные десятилетия назад и мало изменившиеся с тех пор. Они используют медленные архаичные математические методы и работают в одном потоке, не используя всю мощь современных многоядерных процессоров. Например, если в вашем компьютере стоит процессор Core i7, который содержит четыре настоящих ядра и восемь виртуальных (за счет hyper-threading), то любая современная CAD-система будет использовать процессор где-то на 15%.
Мы разработали алгоритм, который позволяет комфортно работать со значительно более сложными параметризованными моделями в тысячи раз быстрее, чем любая современная CAD-система. Наш алгоритм хорошо параллелится, поэтому его производительность может бесконечно масштабироваться под требуемый масштаб геометрической модели, посредствам увеличения числа вычислительных ядер в системе. Он может работать не только на многоядерных процессорах общего назначения, но также на видеокартах (NVIDIA CUDA), имеющих сотни и даже тысячи ядер, и картах Xeon Phi, имеющих 60 физических ядер и 240 виртуальных.
Наш плагин встраивается в AutoCAD и перехватывает все обращения к стандартному решателю. Таким образом, использование нашей технологии нисколько не меняет привычный пользовательский опыт. Более того, подключение нашего плагина не означает полный отказ от использования встроенного решателя, пользователь может легко переключаться между нашим и стандартным решателем. Переключение происходит мгновенно.
От слов к делу
Первый пример
Второй пример
Третий пример
Четвертый пример
Только с использованием Cheetah Solver удается адекватно трансформировать данные геометрические модели. Все остальные тестируемые CAD-программы демонстрируют очень нестабильное поведение – даже маленький сдвиг какой-нибудь точки часто приводит к непредсказуемым большим изменениям в чертеже.
Заключение
Сейчас мы находимся на стадии альфа-версии, стабильная бета ожидается в первом квартале 2015 года.
В первом квартале также планируется, что Cheetah Solver заработает на GPU NVIDIA с использованием CUDA (compute capability 3.5+). Мы ожидаем, что на наших тестовых машинах бета при использовании GPU должна работать на 2 порядка быстрее нынешней альфы.
Кроме того, в бете будут внесены некоторые изменения в алгоритм (тестируемые сейчас), которые должны сделать расчет еще стабильнее и, при прочих равных, быстрее в 2-3 раза.
Наша конечная цель – возможность свободно оперировать сотнями тысяч примитивов с сотнями тысяч ограничений.
Наши QA-специалисты усердно работают, но, тем не менее, любой отзыв от вас – наших будущих пользователей — будет чрезвычайно полезен. Речь идет не только о багах и проблемах, но и о возможных улучшениях функциональности. Мы создаем свою систему ограничений, соответственно, никак не связаны списком представленном в AutoCAD, Inventor, SolidWorks и т.д. Если вы часто сталкиваетесь с какими-то специфическими задачами для которых не хватает встроенных ограничений – расскажите нам и мы попробуем добавить их в следующей версии.
Мы заинтересованы в тесном общение с вами, так как мы хотим сделать параметрический CAD наиболее удобным и наиболее интуитивным для сегодняшнего пользователя.
Если у вас есть схемы и модели, которые вы хотели бы параметризовать (такие, с которыми не справляются стандартные CAD программы), и которыми вам не жалко поделиться – мы с радостью возьмем их в качестве тестового примера и будем использовать для отладки.
Кроме того, нам интересно было бы знать, какие CAD программы вы используете. Oт этого будет зависеть для какой программы мы разработаем наш следующий плагин. Сейчас мы выбираем между Autodesk Inventor и SolidWorks. К сожалению, наша команда слишком маленькая. Пока у нас не будет дополнительных ресурсов, нам придется выбирать что-то одно, и выбор зависит от вас.
На нашем сайте много полезной информации. Там также есть блог, где вы можете написать все свои мнения, предложения и замечания.
На нашем YouTube-канале периодически появляются новые видео, демонстрирующие работу Cheetah Solver. Там тоже можно оставлять комментарии (можно по-русски).
Еще по этой ссылке можно скачать альфа-версию плагина для AutoCAD 2015 с примерами, чтобы попробовать все самостоятельно.
В следующих статьях я постараюсь более подробно рассказать о наших исследованиях и о функционировании параметрических CAD, следите за нашими публикациями.
*Иллюстрации взяты из книги CAD History, а конкретно из второй главы.