Spaceclaim руководство на русском

Дмитрий Волкинд
Инженер технической поддержки по гидрогазодинамике и теплообмену, ГК «ПЛМ Урал»
Константин Кравченко
Инженер технической поддержки по CAM-системам, ГК «ПЛМ Урал»
Михаил Булатов
Инженер технической поддержки отдела КИМ, ГК «ПЛМ Урал»

Прямой моделировщик SpaceClaim на протяжении последних лет предлагался компанией ANSYS как удобное стороннее решение для подготовки геометрических моделей с учетом нужд численного моделирования. В 2014 году ANSYS приобрела SpaceClaim, и интеграция данного CAD­продукта в платформе Workbench стала еще более проработанной. Кроме того, он стал доступен без дополнительной платы в рамках лицензии Mechanical Enterprise. Тем не менее многие пользователи ANSYS, даже очень опытные, никогда не слышали о таком инструменте. В данной статье мы хотим обратить внимание читателей на некоторые его возможности, связанные как с численным моделированием, так и со смежными областями — CAM и 3D­сканированием. Для иллюстрации возможностей будут использованы примеры из инженерной практики различных отделов ГК «ПЛМ Урал».

В первую очередь необходимо отметить, что SpaceClaim позволяет не только эффективно подготавливать модели, созданные в сторонних CAD­пакетах, для численного моделирования или 3D­печати, но и создавать модели «с чистого листа». Для этого имеется весь необходимый функционал: модель может создаваться как с использованием твердотельных операций, так и по эскизам. Одной из своих основных целей разработчики ставили максимальное удобство использования продукта, в результате чего для вызова большого количества разнообразных функций используется минимум кнопок графического интерфейса. Например, команда Pull в зависимости от контекста ее применения позволяет выдавливать и поворачивать поверхности, менять радиусы закруглений, автоматически создавать поверхности из эскизов и производить множество других операций.

При работе с большими сборками весьма удобна функция рассечения модели (рис. 1). Она позволяет мгновенно рассечь модель координатной или любой произвольной плоскостью, которую при необходимости можно перемещать. При этом рассекаемые твердотельные области динамически заштриховываются разными цветами, а поверхности, находящиеся за плоскостью сечения, для удобства восприятия приобретают серый оттенок. Такой режим отображения позволяет наглядно визуализировать контакты между деталями сборки и при необходимости устранять зазоры и пересечения, например, приравнивая радиусы контактных поверхностей.

Рис. 1. Продольное сечение упрощенной тепловой модели электрической машины

Для пользователей CAE­систем незаменимы инструменты подготовки и исправления геометрии, которые позволяют автоматически выявить проблемные области и произвести исправления в ручном или автоматическом режиме. Для наглядности найденные по определенным критериям элементы подсвечиваются в графическом окне (рис. 2).

Рис. 2. Выявление сплайнов с избыточным количеством контрольных точек для сложной криволинейной геометрии (модель предоставлена АО «Авиадвигатель» для подготовки к расчету в рамках технической поддержки)

Твердотельное моделирование

Название SpaceClaim Direct Modeler подразумевает прямое моделирование. Рассмотрению его сильных и слабых сторон посвящено множество обзоров, поэтому в рамках данной статьи отметим лишь некоторые особенности реализации данного подхода в SpaceClaim.

Отсутствие дерева операций (на данный момент) в общем случае затрудняет параметризацию модели, хотя при необходимости любое действие можно автоматически записать в скрипт и параметризовать аргументы вызываемых в нем функций. С другой стороны, в отсутствие дерева обновление сложных моделей происходит значительно быстрее, и при необходимости оперативного редактирования отдельных геометрических элементов не требуется искать операции, в результате которых они были созданы.

Еще одним преимуществом прямого подхода является возможность свободного редактирования геометрии, импортированной в формате любой из ведущих CAD­систем. Необходимость в этом часто возникает при передаче геометрии в CAM­ или CAE­системы. Приведем пару характерных примеров.

Передача геометрии лопатки компрессора для расчета газодинамики проточной части в ANSYS CFX

В данном случае проблема заключается в том, что в исходной геометрии присутствуют сплайны высокого порядка с большим количеством контрольных точек. Они могут приводить к недопустимому искажению поверхностей в процессе трансляции либо затруднению построения сетки. Подобные проблемы часто встречаются в турбомашиностроении, где преобладают криволинейные поверхности сложной формы. Причем геометрия, отвечающая всем требованиям конструктора, может быть совершенно неприемлемой для расчетчика. При помощи инструментов SpaceClaim можно легко исправить неточно заданные ребра и сократить количество контрольных точек сплайна (рис. 3).

Рис. 3. Автоматическое сокращение количества контрольных точек на поверхности корытца лопатки

Для проверки соответствия исправленной геометрии ее исходному варианту существует особый инструмент, позволяющий визуализировать распределение отклонения по всем поверхностям (рис. 4). Осуществляя такие проверки периодически в процессе работы, можно контролировать отклонения подготавливаемой геометрии и при необходимости изменять степень упрощения.

Рис. 4. Визуализация отклонений модифицированной геометрии относительно исходной

Подготовка геометрии поверхности лопатки для передачи в CAM­систему

Для программирования обрабатывающих центров рассчитываются управляющие программы. Каждый кадр управляющей программы — это точка в пространстве с заданным направлением вектора оси режущего инструмента. Для расчета управляющих программ используются CAM­системы, в частности Autodesk PowerMill. CAM­система на основе 3D­модели выполняет расчет траектории движения режущего инструмента.

При обработке импеллеров (рис. 5) на обрабатывающих центрах одним из ключевых моментов является корректный расчет точек траектории для обеспечения плавности движения режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Требования по точности и шероховатости к импеллерам настолько жесткие, что любые резкие движения инструмента могут привести к браку всего изделия.

Рис. 5. Общий вид импеллера

Рис. 6. Расчет траектории инструмента в CAM-системе для обработки лопатки

Точки управляющей программы рассчитываются на основе 3D­модели (рис. 6). Очевидно, что точность и корректность 3D­модели влияют на точность и корректность расчета управляющей программы. Среди погрешностей 3D­модели для изделий типа импеллеров и лопаток наиболее распространенными являются разрывы между поверхностями, а также нарушение кривизны отдельной поверхности. Когда CAM­система «видит» разрыв между поверхностями, она старается компенсировать погрешность путем расчета дополнительных точек в месте разрыва. Если разрыв слишком большой, CAM­система будет вынуждена вовсе отвести инструмент от поверхности и перейти на безопасном расстоянии к следующей поверхности. Кривизна поверхности, в свою очередь, оказывает влияние на расчет направления вектора оси инструмента. Следовательно, резкое изменение кривизны поверхности найдет свое отражение при расчете направления вектора оси инструмента.

На примере отдельной лопатки (рис. 7) рассмотрим влияние корректности 3D­модели на расчет управляющей программы.

Рис. 7. Геометрическая модель отдельной лопатки импеллера

Результат расчета управляющей программы по модели, первоначально поступившей от конструктора, приведен на рис. 8а. На рисунке четко видны изломы траектории, вызванные обозначенными ранее погрешностями 3D­модели. Такие изломы сопровождаются увеличением плотности точек. Увеличение количества точек на единицу длины траектории нежелательно, поскольку есть вероятность, что станок просто не сможет плавно обработать переход от одной точки к другой в связи с тем, что рабочие органы станка массивны. Другими словами, в сегментах с изломами станок начнет дергаться, что может привести к браку изделия.

Соответствующая линия контакта между инструментом и обрабатываемой поверхностью будет иметь вид, приведенный на рис. 8б. Видно, что точка контакта имеет резкие перепады (заметно на входной кромке лопатки), что, в свою очередь, может привести к преждевременному износу инструмента и повышению шероховатости обрабатываемой поверхности.

Для решения данной проблемы средствами SpaceClaim были перестроены неточно заданные ребра и отредактированы сплайны, образующие поверхности спинки, корытца и входной кромки. По полученной твердотельной геометрии была автоматически построена подробная триангулированная модель, которая впоследствии была передана в CAM­систему в формате STL. Отклонение преобразованной модели от исходной не превышало заданного допуска.

Рис. 8. Результат расчета траектории по базовой 3D-модели (а) и соответствующие линии контакта (б)

Далее по исправленной модели были произведены расчеты управляющей программы. Результаты расчета приведены на рис. 9. Сравнивая рис. 8а и 9а, можно заметить, что изломы исчезли, траектория стала более гладкой, а значит станок сможет плавно отработать все переходы. Линия контакта также изменилась и стала на входной кромке лопатки более плавной.

Рис. 9. Результат расчета траектории по исправленной
3D-модели (а) и соответствующие линии контакта (б)

Работа с триангулированной геометрией

Помимо твердотельного моделирования SpaceClaim имеет в своем арсенале мощные инструменты работы с триангулированной геометрией. Это особенно актуально для обработки результатов 3D­сканирования и подготовки фасеточных моделей для 3D­печати. На рис. 10 приведен пример построения CAD­модели отсканированной детали средствами SpaceClaim.

Рис. 10. Получение CAD-модели отсканированного изделия

Рис. 11. Построение сплайна для описания поверхности отсканированной лопатки

Для деталей подобной формы особенно важно правильно извлечь плоские и цилиндрические поверхности, что представляет определенные трудности, поскольку при 3D­сканировании сложно получить резкие границы поверхностей на внутренних углах. При помощи SpaceClaim можно легко построить плоскость по выделенному набору фасеток или автоматически извлечь эскиз, произведя рассечение модели выбранной плоскостью. Для работы с поверхностями сложной формы существуют специализированные инструменты, в частности — функция автоматического построения сплайна (рис. 11). Также весьма удобна функция, позволяющая ориентировать плоскости отсканированной модели с координатными плоскостями, поскольку начало координат отсканированной модели соответствует точке установки измерительного устройства. В результате применения автоматических и ручных операций можно в короткие сроки получить CAD­модель сканируемого изделия и в дальнейшем использовать ее в производстве.

***

В статье мы рассмотрели только основные возможности и области применения ANSYS SpaceClaim. Если у вас остались вопросы, вы можете задать их, связавшись с нами по почте info@plm­ural.ru.
Кроме того, предлагаем вам ознакомиться с вебинаром о преимуществах ANSYS SpaceClaim Modeler для 3D­моделирования: https://youtu.be/ko5HRqpcEb0.

Найти дополнительные материалы о продуктах компании ANSYS можно на следующих ресурсах: www.cae­expert.ru —
новостной сайт с полезной информацией о решениях ANSYS, примерами расчетов и расписанием бесплатных вебинаров; www.cae­club.ru —
портал и форум для пользователей ANSYS. Информацию о CAM­системах и 3D­сканировании вы можете получить на официальном сайте компании www.plm­ural.ru. 

SpaceClaim Meshing – это инструмент для создания структурированной гексаэдрической сетки для сложной геометрии. Он также поддерживает построение неструктурированной тетраэдрической сетки и сетки с преимущественно гексаэдрическими элементами (Hex Dominant). Одним из основных преимуществ гексаэдрических конечных элементов является то, что они позволяют разбить объём модели при относительно небольшом количестве узлов и элементов в сравнении с другими видами сеток.

В основу SpaceClaim Meshing легли технологии ICEM CFD, поэтому для пользователей этого специализированного продукта для построения сеток новый инструментарий SpaceClaim Meshing будет не в диковинку, но они наверняка оценят удобство пользовательского интерфейса.

Блочное построение сетки

Главная идея SpaceClaim Meshing – для построения сетки геометрия разделяется на блоки, которые отображаются в дереве структуры модели параллельно с геометрией. Для блоков доступны привычные пользователям SpaceClaim операции (вытянуть, переместить, разделить и тд.), при этом они затрагивают только блоки и не влияют на исходную геометрическую модель. Редактирование же геометрии этими операциями будет вносить изменения не только в геометрии, но и в блочной структуре, а значит, и в создаваемой сетке. Блочную структуру можно сохранить как отдельный файл и использовать в дальнейшем, привязав блоки с уже заданными настройками к объектам новой геометрической модели, схожей со старой.

Также стоит отметить, что с помощью SpaceClaim Meshing можно построить сетку только на части тел геометрической модели, а на остальных телах её можно будет построить на следующем этапе, штатными средствами Ansys Meshing, которые обеспечивают более гибкую настройку для качественной неструктурированной сетки.

Запуск SpaceClaim Meshing

Вкладка SpaceClaim Meshing по умолчанию не активна, её нужно специально активировать. Для этого зайдите в настройки: главное меню > File > SpaceClaim Options (Файл > Параметры SpaceClaim). В открывшемся окне на вкладке «Customize» («Настроить») выберите «Ribbon Tabs» («Вкладки в ленте») и поставьте галочку напротив «Mesh» («Сетка»). Нажмите «OK» – теперь эта вкладка стала доступна на ленточной панели в верхней части окна.

Рабочий процесс в SpaceClaim Meshing

Для создания сетки нужно активировать инструмент кнопкой «On/Off» («Вкл./Выкл.») и указать тела, для которых вы хотите построить сетку, добавив их кнопкой «Add/Edit» («Добавить/Редактировать»).

Для сложной геометрии по умолчанию будет построена неструктурированная сетка методом Hex Dominant. При этом программа попытается разбить геометрию на более простые блоки, чтобы построить на них структурированную стеку, но для полного контроля над процессом лучше начать с создания одного блока с неструктурированной сеткой (Free Mesh). На рисунке ниже показаны рёбра и вершины исходного блока. В дальнейшем сетка будет сразу же перестраиваться при изменении настроек. Для больших моделей автоматическое перестроение сетки можно отключить, чтобы сэкономить время при редактировании блочной структуры.

Чтобы построить сетку только из гексаэдров, данную геометрию необходимо разделить на несколько блоков (не изменяя при этом геометрическую модель). Это можно сделать с помощью инструмента «Split» («Разделить»). В нём есть несколько вариантов использования: сначала можно разделить рёбра, добавив вершины, потом – разделить грани, нарисовав новые рёбра, и наконец – разделить блок, выбрав цепочку из рёбер. При этом все операции пользователь производит в интерактивном режиме, а элементы блочной структуры выбираются таким же образом, как и геометрические элементы – просто по щелчку мыши.

На рисунке ниже показано разделение геометрии на три блока:

Далее можно создать новые рёбра и отрезать блоки вокруг цилиндрических отверстий, для которых сетку можно будет построить вытягиванием (метод «Sweep»). Стоит отметить, что узлы сетки на смежных блоках автоматически сливаются друг с другом, создавая неразрывную сетку.

Теперь повторяем создание блока в зоне цилиндрического отверстия в правой части, добавляем блоки для структурирования сетки вокруг отверстий командой «Layers» («Слои») – и наша блочная структура, обеспечивающая создание сетки с только гексаэдрическими элементами, готова.

Ниже показан конечный результат разбивки. Последней операцией на блоках было объединение граней в центральной части тела и изменение типа центрального блока на структурированный – «Mapped» («Сопоставленный» в русском переводе интерфейса 2020R1).

Для проверки качества сетки можно вывести наглядные цветовые распределения по нескольким критериям:

Импорт сетки в ANSYS Mechanical

При использовании SpaceClaim Meshing процесс импорта геометрической модели из SpaceClaim в расчетный модуль ANSYS Mechanical производится как обычно. Геометрия переносится так же, как и любая другая. Стоит отметить, что грани в модели будут разделены таким же образом, как они разделены в блочной структуре, но при этом исходное геометрическое тело на отдельные тела не разделяется.

Подведём итоги

В этой небольшой статье показана лишь малая часть возможностей SpaceClaim Meshing, больше вы сможете найти в справочной системе SpaceClaim и на образовательном портале Ansys Learning Hub. Прелесть разбивки сетки с помощью SpaceClaim Meshing cостоит в том, что нет необходимости разделять геометрию и постоянно заново импортировать её в Mechanical для создания сетки – весь процесс можно сделать в SpaceClaim с помощью редактирования блочной структуры. Кроме того, разделение тел может выдавать ошибки на «грязной» и сложной геометрии, в то время как работа с блоками позволяет не только избежать проблемных булевых операций на геометрии, но и устранить необходимость в ручном удалении мелких геометрических элементов («defeaturing»).

Источник: digitallabs.edrmedeso.com

Компания Софт Инжиниринг Групп, дистрибьютор американской компании Ansys Inc. в Украине, осуществляет поставку лицензионного программного обеспечения всей линейки программных продуктов Ansys и проводит сертифицированные курсы обучения программных продуктов Ansys. Оставляйте свои вопросы, комментарии и предложения под статьей или напишите на электронную почту info@soften.com.ua, Facebook https://www.facebook.com/softenukraine Также информируем, что у вас есть возможность посмотреть вебинары в записи. Для этого необходимо зайти по ссылке на наш YouTube канал и выбрать плейлист (Ansys Вебинары/Обзоры).