МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н. Э. БАУМАНА

А. А. Смирнов

ТРЕХМЕРНОЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Учебное пособие по курсу "Основы автоматизации проектирования"

Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2008

Автор: Смирнов Александр Анатольевич.

Рецензент внешний:

Рецензент внутренний:

В учебном пособии рассмотрены основные принципы трехмерного

твердотельного моделирования в области автомобилестроения на примере

пакета SolidWorks.

Подробно рассмотрены основные приемы работы в SolidWorks с

твердотельными моделями в режимах Part (Деталь) и Assembly (Сборка).

Приведена последовательность создания моделей типовых деталей авто-

мобилей: валов, шестерен, штампованных деталей и др.

В работе даны примеры создания трехмерных моделей сборочных

единиц различного уровня сложности – начиная с модели редуктора и за-

канчивая моделью всего автомобиля.

Для студентов 2-го курса.

Ил. 15. Табл. 2.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение ………………………………………………………………… 4

2. Трехмерное геометрическое моделирование ………………………… 5

3. Методы получения твердотельных моделей ………………………… 6

3.1. Функции моделирования ……………………………………… 7

3.2. Параметрическое моделирование ……………………………… 9

3.3. История создания геометрической модели …………………… 11

4. Система 3-хмерного проектирования SolidWorks …………………… 12

4.1. Основные понятия ……………………………………………… 12

Двунаправленная ассоциативность …………………………… 14

4.2. Создание эскизов………………………………………………… 14

Геометрические взаимосвязи ………………………………… 15

Полезные советы при создании эскиза ……………………… 17

4.3. Создание твердотельных моделей деталей …………………… 18

Полезные советы при создании моделей деталей …………… 21

4.4. Уравнения ……………………………………………………… 22

4.5. Создание моделей типовых деталей автомобиля …………… 23

Валы, фланцы, крышки ………………………………………… 23

Шестерни ………………………………………………………… 24

Штампованные детали ………………………………………… 27

4.6. Работа со сборками ……………………………………………… 28

Полезные советы при работе со сборками …………………… 31

4.7. Создание моделей сборочных единиц автомобиля …………… 32

Модель бортового редуктора вездехода …………………… … 33

Модель подвески бронеавтомобиля …………………………… 34

Модель вездехода ……………………………………………… 36

4.8. Работа в режиме Чертеж ………………………………………… 37

Заключение ………………………………………………………………… 39

Список рекомендуемой литературы ……………………………………... 40

3

1. Введение

Современный автомобиль представляет собой сложный технический

объект, состоящий из сотен узлов, десятков систем и нескольких десятков

тысяч деталей, размещенных в очень ограниченном пространстве, движу-

щихся и взаимодействующих между собой. При этом он должен удовле-

творять определенным, часто противоречивым критериям – быть безопас-

ным и экономичным, обладать минимальной массой, обеспечивать высо-

кую среднюю скорость движения, обладать большой грузоподъемностью и

(или) вместимостью. Очевидно, что процесс создания (проектирования)

такого автомобиля характеризуется большой трудоемкостью и наукоемко-

стью и невозможен без широкого использования систем автоматизиро-

ванного проектирования (САПР), основанных на применении компьюте-

ров и предназначенных для создания, переработки и использования всей

необходимой информации о свойствах изделий и сопровождающих про-

цессов.

Одним из наиболее важных этапов проектирования автомобиля яв-

ляется этап конструирования. Значимость его не только в том, что на этом

этапе формируется концептуальный облик будущего изделия, но и в том,

что именно на этапе конструирования создаются математически точные

геометрические модели как отдельных деталей, так и всего автомобиля,

которые будут играть определяющую роль на всех последующих этапах

его жизненного цикла.

В настоящее время при проектировании таких сложных изделий как

автомобили и их агрегаты в подавляющем большинстве случаев использу-

ется объемное геометрическое моделирование, в результате которого фор-

мируется геометрическая трехмерная модель объекта проектирования. В

предлагаемом учебном пособии рассматриваются основные методы и

приемы работы с трехмерными геометрическими моделями на примере из-

4

вестного программного пакета SolidWorks, выпускаемого компанией

Dassault Systems.

2. Трехмерное геометрическое моделирование

В соответствии с ГОСТ 22487-77, проектирование технического

объекта – это процесс составления описания, необходимого для создания

еще несуществующего объекта, который осуществляется преобразованием

первичного описания (технического задания), оптимизацией характери-

стик объекта и алгоритма его функционирования, устранением некоррект-

ности первичного описания и последовательным представлением описаний

детализируемого объекта для различных этапов проектирования.

При работе с двухмерными графическими пакетами (типа КОМПАС

или AutoCAD) промежуточные и окончательное описания объекта проек-

тирования строятся на основе его проекций на координатные плоскости.

Ограниченность такого подхода вынуждала широко применять физическое

макетирование при проектировании сложных изделий, которое позволяло

разработчикам оперировать физическими моделями в трехмерном про-

странстве.

Системы трехмерного геометрического моделирования были созда-

ны для того, чтобы преодолеть проблемы, связанные с использованием фи-

зических моделей в процессе проектирования. Эти системы создают среду,

подобную той, в которой создаются и изменяются физические модели.

Другими словами, в системе геометрического моделирования разработчик

изменяет форму модели, добавляет и удаляет ее части, детализируя форму

визуальной модели. Визуальная модель может выглядеть точно так же, как

физическая, но она нематериальна. Однако трехмерная визуальная модель

хранится в компьютере вместе со своим математическим описанием, бла-

годаря чему устраняется главный недостаток физической модели – необ-

5

ходимость выполнения измерений для последующего прототипирования

или серийного производства.

При использовании пакетов трехмерного моделирования для обо-

значения геометрических объектов применяются специальные термины.

Твердое тело (рис. 1) образуется в пространстве одной или несколь-

кими поверхностями, образующими замкнутый объем. Оно включает в се-

бя грани, ребра (или кромки) и вершины. Грань – часть граничной поверх-

ности, образующей тело, граница которой состоит из криволинейных сег-

ментов, при пересечении которых происходит существенное изменение

вектора нормали к поверхности, т.е. нарушается непрерывность изменения

кривизны поверхности (рис. 2). Криволинейные сегменты, ограничиваю-

щие грань, называются ребрами. Точки, в которых встречаются соседние

ребра, называются вершинами.

Рис. 1. Твердое тело Рис. 2. Грани, ребра и нормали к поверхности

3. Методы получения твердотельных моделей

Системы геометрического моделирования делятся на каркасные, по-

верхностные, твердотельные. В настоящее время наибольшее распростра-

нение получили системы твердотельного моделирования, позволяющие

оперировать в трехмерном пространстве твердыми телами (solid). Следует

отметить, что большинство систем твердотельного моделирования позво-

ляют работать и с поверхностными (surface) моделями, которые могут

6

быть эффективно использованы на этапах концептуального проектирова-

ния или выступать инструментом при построении твердотельных моделей.

3.1. Функции моделирования

При создании трехмерной модели твердого тела конструктор может

использовать различные инструменты (функции), входящие в арсенал того

или иного программного пакета. Количество подобных инструментов мо-

жет достигать от нескольких десятков (для простых систем) до нескольких

сотен (для сложных систем). Однако все это множество функций может

быть разбито на несколько основных групп.

К первой группе относятся функции создания объемных тел путем

перемещения плоской фигуры. Функция заметания (sweeping) позволяет

создавать объемное тело перемещением или вращением фигуры, заданной

на плоскости (рис. 3, а, б). Кроме того может быть задана произвольная

траектория движения фигуры (рис. 3, в).

Создавая замкнутую плоскую фигуру, так называемый производящий

эскиз, пользователь может указывать геометрические ограничения или

вводить данные о размерах. Здесь под геометрическими ограничениями

понимаются соотношения между элементами фигуры (перпендикуляр-

ность отрезков, касание дуги окружности отрезком и т. д.). В этом случае

система построит точную форму, удовлетворяющую ограничениям, само-

стоятельно. Изменение геометрических ограничений или размеров даст

другую плоскую фигуру и другое, следовательно, объемное тело. Такой

подход называется параметрическим моделированием, поскольку измене-

ние параметров позволяет получить разные тела. Параметрами могут быть

постоянные, входящие в геометрические ограничения, а также размеры. К

функциям данной группы также относится функция скиннинга (skinning),

7

которая позволяет создавать объемное тело, натягивая поверхность на за-

данные плоские поперечные сечения тела (рис. 4).

Рис. 3. Функция заметания:

а – перемещение производящего эскиза по прямой; б – вращение производящего эс-киза; в – перемещение производящего эскиза по траектории

Функции моделирования первой группы позволяют проектировщику

начать моделирование с формы, весьма близкой к конечному результату,

поскольку одних поперечных сечений вполне достаточно для точного опи-

сания конечного твердого тела. Именно с использования функций этой

группы обычно и начинается процесс построения модели какой-либо дета-

ли.

Отметим, что функции заметания и скиннинга могут быть не только

аддитивными, то есть добавлять получаемый объем к модели, но и быть

субтрактивными – получаемый в результате выполнения функции объем

вычитается из уже существующего твердого тела (рис. 5).

8

Ко второй группе относятся функции моделирования, позволяющие

оперировать с уже существующими геометрическими объектами – граня-

ми, ребрами, вершинами. Примером таких функций могут служить функ-

ции создания скругления граней, придания граням уклона или кривизны и

т.д.

К третьей группе можно отнести оставшиеся многочисленные

функции, в том числе и реализующие принципы объектно-

ориентированного моделирования (например, создание отверстий различ-

ного типа).

3.2. Параметрическое моделирование

Параметрическое моделирование (parametric modelling) заключается

в том, что конструктор определяет форму заданием геометрических взаи-

мосвязей и некоторых размерных параметров. Геометрические взаимосвя-

зи описывают отношения геометрических элементов. Примерами взаимо-

связей являются: параллельность двух граней, компланарность двух ребер,

касательность криволинейного ребра к соседнему прямому и т. д. К раз-

мерным данным относятся не только заданные размеры формы, но и соот-

ношения между размерами. Соотношения записываются конструктором в

Рис. 4. Функция скининга Рис. 5. Функция заметания с вычитанием объема

9

виде математических уравнений. Таким образом, параметрическое моде-

лирование заключается в построении формы путем решения уравнений,

выражающих геометрические взаимосвязи, и уравнений, описывающих за-

данные размеры и соотношения между ними.

При параметрическом моделировании построение формы обычно

осуществляется в приведенной ниже последовательности.

1. Строится грубый набросок плоской фигуры.

2. В интерактивном режиме вводятся геометрические взаимосвязи и

данные о размерах.

3. Строится плоская фигура, отвечающая ограничениям и требовани-

ям к размерам.

4. Шаги 2 и 3 повторяются с изменением ограничений или размеров

до тех пор, пока не будет получена нужная модель (рис. 6).

5. Объемное тело создается заметанием или вращением плоской фи-

гуры. Толщина и угол поворота также могут стать размерными параметра-

ми, что позволит при необходимости легко изменить созданную трехмер-

ную форму.

Рис. 6. Изменение формы через ограничения

Отметим, что форма в параметрическом моделировании изменяется

не непосредственно, а через использование геометрических взаимосвязей и

размеров. Поэтому конструктор может разработать множество альтерна-

10

тивных проектов, не заботясь о деталях, но сосредоточившись на функ-

циональных аспектах.

3.3. История создания геометрической модели

Одной из важных характеристик геометрической модели твердого

тела является история его создания. Содержательная часть истории созда-

ния включает описание всех элементов, используемых для построения те-

ла, параметры и последовательность выполненных операций. История соз-

дания имеет иерархическую структуру. На нижнем уровне размещаются

геометрические примитивы (плоские или пространственные), параметры

примитивов. На всех последующих уровнях могут размещаться сборки тел,

полученные в результате преобразований над объектами нижнего уровня, а

также промежуточные результаты топологических операций над отдель-

ными конструктивными элементами. На верхнем уровне истории создания

всегда находится результирующее тело (например, деталь) или сборка ре-

зультирующих тел (например, узел или агрегат).

История создания твердого тела дает возможность быстрого доступа

в любых моделях сложных тел, к любым промежуточным результатам и

использования их при построении новых тел, а также позволяет организо-

вать коллективный доступ к результатам работы многих конструкторов в

едином проекте, не создавая дополнительных (резервных) копий всех кон-

структивных элементов. Кроме самой геометрии в истории создания хра-

нится описание каждой операции в хронологическом порядке их выполне-

ния, которые можно редактировать прямо в дереве истории создания.

11

4. Система 3-хмерного проектирования SolidWorks

4.1. Основные понятия

Дальнейшее рассмотрение принципов твердотельного трехмерного

проектирования будем вести на примере системы SolidWorks, разработан-

ной корпорацией SolidWorks (США), и в настоящее время входящей в со-

став компании Dassault Systems.

SolidWorks - это полнофункциональное приложение для автоматизи-

рованного механико-машиностроительного конструирования, базирую-

щееся на параметрической объектно-ориентированной методологии.

Это позволяет легко получать твердотельную модель из двумерного эски-

за, применяя очень простые и эффективные инструменты моделирования.

С помощью SolidWorks можно создавать также поверхностные параметри-

ческие модели.

Программа имеет удобный и интуитивно понятный пользователь-

ский интерфейс с широкими возможностями по настройке имеющихся и

пользовательских панелей инструментов, полное описание которого выхо-

дит за рамки данного пособия и может быть найдено в [1].

Программа SolidWorks имеет три режима работы. Остановимся на

них подробнее.

1. Режим Part (Деталь)

Режим Part (Деталь) представляет собой параметрическую объектно-

ориентированную среду, позволяющую строить твердотельные геометри-

ческие модели деталей. По умолчанию конструктор получает в свое распо-

ряжение три взаимно перпендикулярные основные плоскости: Спереди,

Сверху и Справа. Сначала необходимо выделить плоскость, в которой бу-

дет выполнен эскиз базового элемента. После этого в распоряжение разра-

ботчика предоставляется эскизная среда, располагающая всеми необходи-

мыми инструментами для построения чертежей. Построив эскиз, нужно

12

нанести размеры и установить требуемые геометрические взаимосвязи

между его элементами, находясь все в той же среде построений. Добавле-

ние взаимосвязей и уравнений помогает конструктору предельно четко

выразить свой замысел. Кроме того, в режиме Part (Деталь) можно строить

сложные поверхности, используя средства моделирования поверхностей.

Также в режиме Part (Деталь) создаются такие элементы чертежа, как обо-

значения сварных швов, геометрических допусков, базовых поверхностей,

чистоты обработки поверхности.

2. Режим Assembly (Сборка)

В режиме Assembly (Сборка) с помощью соответствующих инстру-

ментов выполняется объединение разработанных ранее компонентов (де-

талей и сборок более низкого уровня) в сборку. Сборка компонентов мо-

жет осуществляться двумя методами:

1) сборка «снизу вверх»;

2) сборка «сверху вниз».

При подходе «снизу вверх» сборка формируется путем интеграции

ранее созданных компонентов с сохранением всех конструкторских реше-

ний. Подход «сверху вниз» подразумевает создание компонентов в режиме

сборки: можно начать с каких-то готовых изделий и далее в контексте

сборки создавать другие компоненты. При этом можно задавать зависи-

мость размеров одних компонентов от размеров других.

3. Режим Drawing (Чертеж)

Режим Drawing (Чертеж) предназначен для формирования техниче-

ской документации на созданные ранее детали и сборки в виде чертежных

видов и их деталировок. В SolidWorks составление документации осущест-

вляется двумя способами.

Во-первых, возможно получение чертежей автоматически на основе

созданных моделей деталей или сборок. На чертежах отображаются все

размеры и обозначения, добавленные к компоненту в режиме Part (Деталь).

13

При этом сохраняется свойство двусторонней ассоциативности. Чертеж

сборки может быть также дополнен спецификацией и текстовыми приме-

чаниями.

Во-вторых, построить чертежи изделия и нанести размеры можно

«вручную» с использованием традиционных инструментов компьютерной

инженерной графики.

Двунаправленная ассоциативность

Между различными режимами работы SolidWorks – Part (Деталь),

Assembly (Сборка) и Drawing (Чертеж) – поддерживается единая двусто-

ронняя взаимосвязь. Таким образом, все изменения, внесенные конструк-

тором в модель в одном из режимов, немедленно будут отражены и в дру-

гих режимах. Например, если изменить размеры детали в режиме Part (Де-

таль), размеры изменятся и в режиме Assembly (Сборка), и в режиме Draw-

ing (Чертеж). Аналогично, можно изменить размеры детали на чертеже, ав-

томатически сгенерированном в режиме Drawing (Чертеж), при этом в ре-

жимах Part (Деталь) и Assembly (Сборка) эти изменения также появятся.

4.2. Создание эскизов

В SolidWorks создание твердотельной модели начинается с создания

эскиза. Эскизы могут быть плоские и трехмерные. Для создания подав-

ляющего большинства элементов используются плоские эскизы. Для того

чтобы создать плоский эскиз необходимо выбрать плоскость, на которой

он будет строиться. Это может быть либо непосредственно плоскость,

имеющаяся в дереве конструирования, либо одна из плоских граней,

имеющихся в твердотельной модели. Каждый плоский эскиз имеет начало

координат, называемое исходной точкой эскиза и оси координат X и Y, ко-

торые определяются проекцией начала координат и осей X, Y и Z трехмер-

14

ной модели на плоскость данного эскиза. Начало координат модели назы-

вается исходной точкой модели.

Инструменты для создания элементов эскиза (линий, дуг, окружно-

стей, сплайнов и т.д.) в SolidWorks аналогичны командам черчения в сис-

теме AutoCAD и здесь подробно не рассматриваются.

Отметим, что в эскизе SolidWorks, используемом для создания твер-

дотельного элемента, как правило, присутствует два типа объектов – ос-

новные, которые участвуют в создании трехмерной геометрии (например,

линии при применении операций вытягивания или поворота образуют или,

как говорят, "производят" грани тела) и вспомогательные объекты, кото-

рые сами не "производят" трехмерной геометрии, но необходимы для пра-

вильного построения основных объектов (например, осевые линии). Ос-

новные объекты отображается сплошными линиями, вспомогательные –

штрихпунктирными.

Далее остановимся кратко на геометрических взаимосвязях, которые

можно наложить на элементы эскиза.

Геометрические взаимосвязи

Геометрические взаимосвязи состоят из набора логических операций

(правил), которые определяют отношение (например, касательность или

перпендикулярность) между элементами эскиза модели, плоскостями, ося-

ми, ребрами и вершинами. Отношением можно связать один элемент эски-

за с другим элементом эскиза или с ребром, гранью, вершиной, началом

координат, плоскостью и т. д. Ввести геометрическую взаимосвязь можно

двумя способами:

1) использовать автоматические взаимосвязи;

2) вручную определить взаимосвязи между элементами эскиза.

Геометрические взаимосвязи, которые возможно назначить в пло-

ских и трехмерных эскизах, представлены в табл. 1.

15

Таблица 1. Геометрические взаимосвязи в эскизах Взаимосвязь Выбранные объекты Получающиеся взаимосвязи

Горизонтальная

Вертикальная

Одна или несколько линий или две или несколько то-чек.

Линии становятся горизонтальными или верти-кальными (что определяется текущей системой координат эскиза). Точки выравниваются по горизонтали или вертикали.

Коллинеарность Две или несколько линий. Элементы лежат на одной и той же бесконечной

линии.

Корадиальность Две или более дуги. В элементах используются одни и те же центр и радиус.

Перпендикулярность

Две линии. Два элемента перпендикулярны друг к другу.

Параллельность Две или несколько линий. Линия и плоскость (или плоская грань) в трехмер-ном эскизе.

Элементы параллельны друг другу. Линия параллельна выбранной плоскости.

Параллельно YZ

Линия и плоскость (или плоская грань) в трехмер-ном эскизе.

Линия расположена параллельно плоскости YZ относительно выбранной плоскости.

Параллельно ZX

Линия и плоскость (или плоская грань) в трехмер-ном эскизе.

Линия расположена параллельно плоскости ZX относительно выбранной плоскости.

Вдоль Z Линия и плоскость (или плоская грань) в трехмер-ном эскизе.

Линия расположена перпендикулярно грани вы-бранной плоскости.

Касательность Дуга, эллипс или сплайн, и линия или дуга.

Два элемента остаются касательными друг к другу.

Концентричность

Две или более дуги, или точка и дуга.

Для дуг используется один и тот же центр.

Средняя точка Две линии или точка и ли-ния.

Точка остается в центре линии.

Пересечение Две линии и одна точка. Точка остается на пересечении двух линий.

Совпадение Точка и линия, дуга или эллипс.

Точка лежит на линии, дуге или эллипсе.

Равенство Две или более линии, или две или более дуги.

Длины линий или радиусы остаются равными.

Симметричность Осевая линия и две точки, линии, дуги или два эл-липса.

Элементы остаются на равном расстоянии от осевой линии, на перпендикулярной к ней ли-нии.

Фиксированность

Любой объект. Фиксируются размер и местоположение объек-та.

Точка пронзания

Точка эскиза и какая-либо ось, кромка, линия или сплайн.

Точка эскиза совпадает с местом, где ось, кром-ка или кривая пронзают плоскость эскиза. Взаимосвязь "Точка пронзания" используется в элементах по траектории с направляющими кривыми.

Слить точки Две точки эскиза или ко-нечные точки.

Две точки эскиза сливаются в одну точку.

16

Если наложенные на эскиз взаимосвязи и проставленные размеры

полностью однозначно определяют форму эскиза, то он называется полно-

стью определенным. Цвет линий такого эскиза – черный (по умолчанию).

Для того чтобы эскиз был полностью определенным необходимо задать не

только взаимосвязи и размеры, определяющие взаимное расположение

объектов эскиза, но и закоординировать их относительно исходной точки

эскиза или уже имеющейся геометрии модели.

Если наложенных геометрических взаимосвязей и проставленных

размеров недостаточно для однозначного определения формы эскиза, то

такой эскиз называется не полностью определенным или недоопределен-

ным. Цвет недоопределенных объектов эскиза – синий (по умолчанию).

Перетаскивая мышкой синие объекты эскиза, можно определить остав-

шуюся подвижность эскиза и ограничить ее наложением дополнительных

взаимосвязей и размеров.

Если система не может построить эскиз, одновременно удовлетво-

ряющий всем наложенным геометрическим взаимосвязям и размерам, то

такой эскиз называется переопределенным. Цвет линий такого эскиза –

красный (по умолчанию). Удаляя противоречащие друг другу взаимосвязи

и ограничения, можно добиться, чтобы эскиз стал полностью определен-

ным.

Таким образом, уже на этапе создания эскиза для получаемого твер-

дотельного элемента система SolidWorks помогает конструктору избегать

незамкнутых размерных цепочек или "лишних" размеров.

Полезные советы при создании эскиза

1. Старайтесь использовать только полностью определенные эскизы.

2. Если эскиз симметричный, располагайте его симметрично отно-

сительно исходной точки эскиза.

3. При создании эскизов деталей вращения проставляйте размеры в

диаметральном выражении.

17

4. При создании моделей деталей по готовым чертежам в эскизах

проставляйте те размеры, которые указаны в чертеже.

5. Не используйте, эскизов, содержащих самопересекающиеся про-

фили, поскольку они затрудняют дальнейшую модификацию модели и по-

нимание замысла другими разработчиками.

4.3. Создание твердотельных моделей деталей

Созданные эскизы используются для создания элементов 3-х мерной

твердотельной модели. Кроме элементов, применяемых при обычном мо-

делировании, в SolidWorks также имеются специализированные элементы,

использующиеся в узкой области, например для листового материала или

для литейной формы. Эти элементы мы рассматривать не будем.

Дадим определение некоторых терминов, используемых ниже.

Замкнутый профиль (замкнутый контур) – эскиз или объект эскиза

с невыделенными конечными точками; например, окружность или много-

угольник.

Открытый профиль (открытый контур) – эскиз или объект эскиза с

выделенными конечными точками. Например, профиль в форме U являет-

ся открытым.

Самопересекающийся профиль - эскиз или объект эскиза, содер-

жащий пересекающиеся линии или кривые.

Основные элементы, которые наиболее часто применяются при ра-

боте с SolidWorks, сведены в табл. 2.

18

Функции создания элементов в SolidWorks Таблица 2 Элемент Требования к эскизам и

топологические ограничения Вытянутая бобышка / основание Опция: Тонкостенный

Профили должны быть замкнутыми для не тонкостенных элементов. Профили должны быть не пересекающиеся для не тонкостенных элементов.

Вытянутый вырез

Профили должны быть замкнутые, не-пересекающиеся

Повернутая бобышка / основание Опция: Тонкостенный

Профили должны быть замкнутые для не тонкостенных элементов. Профили должны быть не пересекаю-щиеся для не тонкостенных элементов. Профили не могут пересекать осевую линию. Если эскиз содержит несколько осевых линий, выберите осевую линию, которую требуется использовать в каче-стве оси вращения.

Повернутый вырез

Профили должны быть замкнутые, не-пересекающиеся. Профили не могут пересекать осевую линию. Если эскиз содержит несколько осевых линий, выберите осевую линию, которую требуется использовать в каче-стве оси вращения.

Вытянутая бобышка / основание по траек-тории Опции: Тонкостенный, Направляю-щие кривые

Профиль должен быть замкнутым. В качестве направления может высту-пать разомкнутая кривая или замкнутая. Начальная точка направления должна лежать на плоскости профиля. Ни сечение, ни направление, ни полу-ченный в результате твердотельный элемент не могут быть самопересекаю-щимися.

19

Продолжение таблицы 2 Элемент Требования к эскизам и

топологические ограничения Вытянутая бобышка / основание по сечениям Опции: Тонкостенный, Направ-

ляющие кривые

Элемент по сечениям создается с помо-щью двух или нескольких профилей. Профили должны быть замкнутые для не тонкостенных элементов.

Вытянутый вырез по траектории

То же, что и для вытянутой бобышки по траектории.

Вытянутый вырез по сечениям

То же, что и для вытянутой бобышки по сечениям.

Скругление

Скруглить можно ребра и грани. В одном элементе можно скруглить раз-ными радиусами. Добавляйте большие скругления перед малыми. Когда несколько скруглений сходятся в вершине, создайте сначала большие скругления.

Фаска

Создать фаску можно для ребра и грани.

Оболочка

Инструмент "Оболочка" делает деталь полой, оставляя открытыми выбранные грани и создавая тонкостенные элемен-ты на остальных гранях. Если на модели не выбрана никакая грань, можно соз-дать оболочку твердотельной детали, тем самым создав замкнутую полую мо-дель.

20

Окончание таблицы 2 Элемент Требования к эскизам и

топологические ограничения Линейный массив

Создание массива элементов в одном или двух линейных направлениях.

Круговой массив

Создание массива элементов, располо-женных по окружности вокруг указан-ной оси.

Отверстие под крепеж

Можно создать следующие типы отвер-стий под крепеж:

- цековка,

- зенковка,

- отверстие,

- метчик,

- трубная коническая резьба

Полезные советы при создании моделей деталей

1. Размещайте твердотельную модель так, чтобы ее плоскости сим-

метрии совпадали с основными плоскостями.

2. В процессе создания модели необходимо стараться отразить по-

следовательность технологических операций, требующихся для изготовле-

ния детали.

3. Модели деталей, получаемых точением, необходимо формировать

элементом «Повернутая бобышка». В качестве образующего эскиза ис-

21

пользуется продольное сечение детали. Эскиз должен содержать все фас-

ки, скругления и т.д., содержащиеся в детали.

4. Если в детали имеется резьбовая поверхность ее необходимо обо-

значать с помощью команды "Вставка / Примечания / Условное обозначе-

ние резьбы…"

5. При создании элементов «Вытянутая бобышка» и «Вытянутый

вырез» при указании направления и расстояния для вытягивания активнее

используйте опции «До следующей», «Через все», «До поверхности».

6. Для создания отверстий для крепления используйте исключи-

тельно элемент «Отверстие под крепеж».

7. При создании линейного или кругового массива несложных форм

предпочтительнее использовать соответствующий инструмент эскиза, а не

элемент.

8. При создании элемента «Оболочка» все скругления должны быть

введены в модель заранее.

9. Для каждой детали задавайте материал, из которого она изготов-

лена, для получения адекватной массы детали.

10. Присваивайте уникальные названия деталям и сборкам.

11. Для получения моделей однотипных деталей, например, болтов,

гаек, шайб, имеющих одинаковую геометрию, но разные размеры, исполь-

зуйте менеджер конфигураций.

4.4. Уравнения

Важным способом наложения взаимосвязей между размерами эскиза

или элемента детали являются уравнения. Они позволяют создавать мате-

матические отношения между размерами модели с помощью имен разме-

ров в качестве переменных. Использование уравнений позволяет создавать

22

детали с высоким уровнем параметризации, что позволяет значительно со-

кратить время при проектировании однотипных деталей.

В модели детали каждый геометрический размер или параметр имеет

уникальное название, состоящее из имени размера и имени эскиза или эле-

мента, к которым этот размер относится, например, «D1@Эскиз1» или

«D1@Вытянуть1».

При записи уравнений в SolidWorks с помощью специального редак-

тора уравнений возможно использование 4-х алгебраических операций:

сложение (+), вычитание (-), умножение (*), деление (/), операции возведе-

ния в степень (^), тригонометрических функций (sin, cos, tan и др.), неко-

торых математических функций (abs, exp, log, sqr и др.) и константы pi.

Рассмотрим простейший пример примене-

ния уравнений. Пусть необходимо создать мо-

дель бобышки так, чтобы наружный диаметр бо-

бышки всегда был в два раза меньше, чем диа-

метр внутреннего отверстия (рис. 7). Для этого

мы должны задать значение размера наружного

диаметра с помощью следующего уравнения:

"D2@Эскиз1" = "D1@Эскиз1"*2. Рис. 7. Модель бобышки

4.5. Создание моделей типовых деталей автомобиля

Рассмотрим более подробно процесс создания твердотельных моде-

лей типовых деталей автомобиля.

Валы, фланцы, крышки

Детали данного вида представляют собой тела вращения, поэтому их

создание должно начинаться с элемента «Повернутая бобышка / основа-

ние». Исходная точка в эскизе должна совпадать с осью вращения детали.

23

Все мелкие конструктивные элементы (скругления, фаски, проточки)

должны быть прорисованы в исходном эскизе. После того, как сформиро-

вано основное тело вращения, добавляются остальные элементы – шлицы,

лыски, шпоночные пазы, крепежные отверстия и т.д. Наиболее сложным

элементом на валу являются шлицы, поэтому рассмотрим процесс созда-

ния прямобочных шлиц подробно по шагам (рис. 8).

1. На начальном этапе, как отмечалось, создается основное тело вра-

щения с помощью элемента «Повернутая бобышка / основание».

2. Для создания шлиц с выходом режущего инструмента использует-

ся элемент «Вытянутый вырез по траектории», для которого необходимо

создать два эскиза: профиль для выреза и траекторию кромки режущего

инструмента. На первом эскизе, который располагают на торце вала, для

профиля выреза задаются размеры внутреннего диаметра шлиц, ширины

шлица, половинный угол между осями соседних шлиц, который определя-

ется по формуле:

Угол = 180° / Число шлиц.

Если шлицы выполнены на проход, то есть, без выхода инструмента,

вместо элемента «Вытянутый вырез по траектории» необходимо использо-

вать элемент «Вытянутый вырез» с эскизом профиля для выреза шлица.

3. На полученном на предыдущем этапе шлице создаем фаски с по-

мощью элемента «Фаска».

4. Создаем круговой массив из элементов «Вытянутый вырез по тра-

ектории» и «Фаска» в количестве равном числу шлиц.

Шестерни

Шестерни также представляют собой в основе тела вращения, по-

этому процесс их создания аналогичен созданию валов. Основные трудно-

сти возникают при создании зубьев, поэтому рассмотрим подробнее про-

цесс создания модели цилиндрической прямозубой шестерни без смеще-

ния (рис. 9).

24

Рис. 8. Процесс создания модели вала с прямобочными шлицами

1. На начальном этапе, создается основное тело вращения с помо-

щью элемента «Повернутая бобышка / основание». Производящий эскиз

25

должен содержать все имеющиеся в детали конструктивные элементы:

фаски, скругления, проточки.

2. На торце зубчатого венца создается эскиз профиля для выреза зу-

ба. Отметим, что мы не задаемся целью построить точный профиль зуба,

Рис. 9. Процесс создания модели зубчатого колеса

26

который, как известно, является эвольвентой. При проектировании доста-

точно, чтобы правильно были представлены в модели диаметры вершин и

впадин зуба и толщина зуба по делительной окружности. В этом случае

допустимо профиль зуба задавать в виде дуги окружности.

При создании данного эскиза при определении основных размеров

очень удобно воспользоваться уравнениями, в которых фигурируют два

основных параметра зубчатого колеса: модуль m, и число зубьев z. Эскиз

профиля для выреза зуба и уравнения, задающие размеры представлены на

рис. 9. Дополнительно в качестве геометрической взаимосвязи задается ра-

венство толщины зуба и впадины по делительной окружности , то есть, ра-

венство дуг AB и BC.

Используя полученный эскиз, применяем элемент «Вытянутый вы-

рез».

3. Создаем круговой массив из элементов «Вытянутый вырез» в ко-

личестве равном числу зубьев.

Аналогично создаются цилиндрические косозубые шестерни (с ну-

левым смещением), только для получения профиля зуба вместо элемента

«Вытянутый вырез» используется элемент «Вытянутый вырез по траекто-

рии», при этом в качестве траектории выступает спираль с шагом, соответ-

ствующим углу наклона линии зуба.

Штампованные детали

Штампованные детали из листового материала широко используют-

ся в автомобилестроении. Это и элементы обшивки кузова, и силовые эле-

менты рамы – лонжероны, поперечины, различные кронштейны и др.

Обычно такие детали удобно создавать по следующему алгоритму: 1) соз-

дается модель, задающая внешнюю форму детали (внешний контур); 2) к

данной модели применяется элемент оболочка с необходимой толщиной;

3) модель дополняется необходимыми вырезами и отверстиями. Данный

Рис.10

27

алгоритм проиллюстрирован на рис. 10 на примере создания модели по-

перечины рамы.

Рис. 10. Процесс создания модели штампованной детали (поперечины)

4.6. Работа со сборками

Создание сборок происходит в SolidWorks в режиме Сборка (Assem-

bly). В этом режиме детали, входящие в сборку (компоненты сборки), со-

бираются вместе при помощи параметрических соотношений, называемых

сопряжениями. Сопряжение дает возможность ограничить степень свобо-

ды компонентов согласно их рабочему положению. Сохраняемый файл

сборки содержит в себе ссылки на файлы деталей.

Сборку можно создавать, используя проектирование снизу вверх,

проектирование сверху вниз или комбинацию этих двух методов.

28

Традиционным является метод проектирования снизу вверх. При

проектировании снизу вверх сначала создаются детали, затем они

вставляются в сборку и сопрягаются согласно требованиям проекта. Про-

ектирование снизу вверх более предпочтительно при использовании зара-

нее сконструированных, готовых деталей. Преимущество проектирования

снизу вверх состоит в том, что компоненты проектируются независимо,

поэтому их взаимосвязи и повторная генерация проще, чем при проектиро-

вании сверху вниз. Метод проектирования снизу вверх позволяет сосредо-

точиться на отдельных деталях. Он хорош в том случае, когда не нужно

создавать ссылки, управляющие размером и формой деталей относительно

друг друга.

Проектирование сверху вниз отличается тем, что работа начинает-

ся в сборке. Можно использовать геометрию одной детали для определе-

ния других деталей или создания обрабатываемых элементов, которые до-

бавляются только после сборки деталей. Можно начать с компоновочного

эскиза, определить местоположения зафиксированных деталей, плоскостей

и т.д., затем спроектировать детали в соответствии с этими определениями.

Например, можно вставить деталь в сборку, затем на основе этой де-

тали создать хомут. Проектирование сверху вниз и создание хомута в кон-

тексте позволяет создавать ссылки на геометрию модели, тем самым мож-

но управлять размерами хомута путем создания геометрических взаимо-

связей с исходной деталью. Таким образом, если изменяется размер дета-

ли, хомут обновляется автоматически.

Рассмотрим подробнее метод проектирования сборок снизу вверх.

Создание новой сборки начинается со вставки в файл сборки первого

компонента. Компонентом может быть либо деталь, либо другая сборка,

называемая также узлом. По умолчанию первый компонент в сборке рас-

полагается в пространстве таким образом, что его исходная точка и основ-

ные плоскости совпадают с исходной точкой и основными плоскостями

29

сборки, соответственно. Первый компонент фиксируется в трехмерном

пространстве, и остальные компоненты располагаются относительно него

с использованием сопряжений.

Поддерживаются следующие сопряжения:

Совпадение: выбранные грани, кромки и плоскости (в комбинации

друг с другом или с одной вершиной) разделяют одну и ту же бесконечную

линию. Две вершины касаются друг друга.

Параллельность: выбранные элементы одинаково направлены и на-

ходятся на постоянном расстоянии друг от друга.

Перпендикулярность: выбранные элементы располагаются под уг-

лом 90 градусов друг к другу.

Касательность: выбранные элементы касаются друг друга (как ми-

нимум один элемент должен быть цилиндрическим, коническим или сфе-

рическим)

Концентричность: выбранные элементы разделяют центральную

точку или ось вращения.

Расстояние: выбранные элементы расположены на указанном рас-

стоянии.

Угол: выбранные элементы расположены под указанным углом.

Сопряжение Симметричность делает два похожих элемента сим-

метричными относительно плоскости или плоской грани компонента. Со-

пряжение Симметричность можно выполнять для следующих объектов:

– точки, например, вершины или точки эскиза;

– линии, например, кромки, оси или линии эскиза;

– плоскости или плоские грани;

– сферы с равными радиусами;

– цилиндры с равными радиусами.

Если наложенные на компонент в сборке сопряжения однозначно и

полностью определяют его положение в пространстве, то такой компонент

30

называется полностью определенным. Если же сопряжений недостаточно

для однозначного расположения компонента в сборке, то такой компонент

называется не полностью определенным. В дереве построения сборки сле-

ва от имени такого компонента записывается "(–)", что означает, что дан-

ный компонент имеет, как минимум, одну степень свободы. Если же со-

пряжения, наложенные на компонент, не могут быть одновременно вы-

полнены, то такой компонент называется переопределенным. В дереве по-

строения сборки слева от имени такого компонента записывается "(+)".

Полезные советы при работе со сборками

1. Основные плоскости в модели сборки должны совпадать с плоско-

стями ее симметрии или другими характерными плоскостями. При выборе

основных плоскостей при создании моделей сборок агрегатов и узлов ав-

томобиля, таких, как силовой агрегат, раздаточная коробка, мосты, кабина,

кузов, подвеска, колеса и т.д., следует стремиться, чтобы они были парал-

лельны соответствующим основным плоскостям автомобиля (рис. 11).

Рис. 11. Основные плоскости в сборке автомобиля

31

2. Чаще используйте сопряжения с элементами справочной геомет-

рии (оси, плоскости, точки). Это позволит уменьшить число ошибок при

изменении геометрии деталей, входящих в сборку.

3. Старайтесь, чтобы компоненты в сборках были полностью опреде-

лены (не имели степеней свободы).

4.7. Создание моделей сборочных единиц автомобиля

Условно все модели сборочных единиц автомобиля можно разделить

на три группы:

– сборки нижнего уровня;

– сборки среднего уровня;

– сборки верхнего уровня.

К сборкам нижнего уровня можно отнести сборочные единицы, со-

стоящие из небольшого количества компонентов (как правило, до 10–15

компонентов), которые входят в состав сборок среднего уровня.

К сборкам среднего уровня относятся сборочные единицы, представ-

ляющие собой агрегаты и системы автомобиля. Такие сборки могут со-

держать более сотни компонентов. Сборки среднего уровня входят в со-

став сборок верхнего уровня.

Сборки верхнего уровня – это сборки, предназначенные для решения

компоновочных задач на уровне автомобиля в целом или его нескольких

взаимосвязанных систем.

Примером сборок нижнего уровня являются, например, шток в сборе

с вилкой переключения передач или синхронизатор коробки передач. Эти

сборки входят в качестве компонентов в сборку среднего уровня "Коробка

передач", которая в свою очередь входит в качестве компонента в сборку

верхнего уровня "Автомобиль в сборе".

32

Рассмотрим подробнее создание сборок среднего и верхнего уровня

на конкретных примерах.

Модель бортового редуктора вездехода

Модель бортового редуктора вездехода представлена на рис. 12.

Первым компонентом, который должен быть зафиксирован в пространстве

и относительно которого базируются остальные компоненты, является

подсборка "Картер в сборе". Расположение основных плоскостей сборки

выбрано таким образом, чтобы они проходили через оси ведомого и веду-

щего валов и были параллельны основным плоскостям автомобиля. В со-

став данной сборки входит три компонента, являющихся сборками нижне-

го уровня: "Картер в сборе", ""Ведущий вал в сборе", Ведомый вал в сбо-

ре" и несколько деталей (крышки подшипников, подшипники, болты и др.)

Отметим, что хотя подшипники являются сборочной единицей, в Solid-

Works их рациональнее моделировать как детали с конфигурациями.

Рис. 12. Модель бортового редуктора вездехода

33

Модель подвески бронеавтомобиля

Модель подвески бронеавтомобиля относится к сборкам среднего

уровня (рис. 13). Основные плоскости сборки подвески передних колес

должны совпадать с основными плоскостями модели автомобиля (см.

рис. 11). Для модели подвески задних колес плоскости Справа и Сверху

совпадают с соответствующими плоскостями автомобиля, а плоскость

Спереди подвески отстоит от плоскости Спереди автомобиля на расстоя-

нии его базы.

Основными компонентами, входящими в данную сборку являются:

колесный редуктор в сборе, нижний рычаг в сборе, верхний рычаг в сборе,

нижняя часть амортизатора в сборе, верхняя часть амортизатора в сборе.

Сначала назначаются следующие сопряжения:

Рис. 13. Модель подвески бронеавтомобиля

– два сопряжения Расстояние от оси нижнего рычага до плоскостей

Справа и Сверху;

34

– два сопряжения Расстояние от оси верхнего рычага до этих же

плоскостей;

– два сопряжения Расстояние от плоскости Спереди сборки до плос-

костей Спереди нижнего и верхнего рычага.

После назначения этих сопряжений рычаги могут совершать только

вращательные движения вокруг своих осей.

Затем сопрягают колесный редуктор с рычагами. Конкретный вид

сопряжений определяется в зависимости от конструкции шарниров под-

вески. Если используются сферические шарниры, то удобно использовать

сопряжение Совпадение для центров сферических шарниров на редукторе

и рычагах.

В сборке подвески управляемого колеса необходимо задать угол, оп-

ределяющий поворот колеса. Он задается с помощью сопряжения Угол

между плоскостью Справа сборки и плоскостью Спереди колеса (колесно-

го редуктора). Именно такое сопряжение будет корректно работать, если в

подвеске присутствует продольный (кастер) и (или) поперечный угол на-

клона оси поворота колеса.

При установке рычагов подвески необходимо обеспечить, чтобы при

нулевом угле поворота колеса и при положении, соответствующем стати-

ческому ходу подвески, его ось вращения проходила через плоскость Спе-

реди сборки.

Ход подвески задается с помощью сопряжения Расстояние между

плоскостью Сверху сборки и некоторой точкой на колесном редукторе, на-

пример, центром нижнего шарнира подвески.

Для установки амортизаторов в модели подвески может быть ис-

пользовано два подхода: 1) использовать модель амортизатора, вставив ее

в модель подвески как свободную, при этом можно будет перемещать от-

дельно верхнюю и нижнюю часть амортизатора; 2) использовать две от-

дельных модели для нижней и верхней части амортизатора, задав сопря-

35

жение Концентричность между их соответствующими цилиндрическими

поверхностями. Отметим, что первый способ не всегда корректно работает

в больших сложных сборках.

Модель вездехода

Модель вездехода является сборкой верхнего уровня и предназнача-

ется для отработки компоновочных решений (рис. 14). Модель в качестве

компонентов включает в себя сборки основных узлов, агрегатов и систем

автомобиля. Основные плоскости сборки расположены следующим обра-

зом: плоскость Справа совпадает с продольной плоскостью автомобиля,

плоскость Спереди совпадает с осью передних колес, плоскость Сверху

совпадает с плоскостями верхних полок лонжеронов рамы автомобиля.

Рис. 14. Модель вездехода

Расположение агрегатов задается с помощью сопряжений с исполь-

зованием основных плоскостей сборки. Если агрегат не наклонен относи-

тельно основных плоскостей автомобиля, то используются сопряжения

Расстояние и (или) Совпадение. Если агрегат имеет наклон (например,

двигатель), то сопряжения Расстояние задаются между основными плоско-

36

стями автомобиля и некоторой его точки (например, точки пересечения

оси коленвала и плоскости разъема картера сцепления). Дополнительно к

этому задаются сопряжения Угол, определяющие углы наклона основных

плоскостей агрегата относительно основных плоскостей автомобиля.

На ранних этапах компоновки удобно некоторые детали определить

в контексте сборки. Например, макеты карданных валов, определенные в

контексте сборки таким образом, что центры их шарниров совпадают с

центрами карданных шарниров на агрегатах трансмиссии, позволяют опе-

ративно отслеживать и оптимизировать длины валов и углы в шарнирах

при перемещении агрегатов в ходе компоновки.

4.8. Работа в режиме Чертеж

В режиме Drawing (Чертеж) для проектируемых трехмерных деталей

и сборок можно создавать двухмерные чертежи. Детали, сборки и чертежи

являются связанными документами; при внесении любых изменений в де-

тали или сборки документ чертежа также изменяется.

Обычно чертеж состоит из нескольких видов, сгенерированных из

модели. Виды также можно создавать из существующих видов. Например,

разрез создается из существующего чертежного вида.

Существует множество различных параметров для настройки эле-

ментов чертежа (основной надписи, размеров, технических требований и

т.д.), которые позволяют оформлять чертежи в полном (или почти в пол-

ном) соответствии с требованиями ЕСКД.

Следует отметить, что SolidWorks позволяет сохранять созданные

чертежи в формате DWG системы AutoCAD, что сильно упрощает созда-

ние чертежей сложных сборок и деталей в соответствии с требованиями

ЕСКД.

37

Подробнее о работе в режиме Drawing (Чертеж) можно узнать в

справочной системе пакета SolidWorks и в книгах [1, 2].

А здесь мы рассмотрим один интересный пример использования ре-

жима Drawing (Чертеж). Благодаря широкому использованию геометриче-

ских взаимосвязей в чертежах возможно их использование для решения

различных задач графоаналитическим методом. В частности, при разра-

ботке независимой подвески автомобиля на ранних стадиях проектирова-

ния в режиме Чертеж возможно не только отработать кинематику подвески

автомобиля, но и определить передаточное отношение по ходу и по уси-

лию для упругого элемента подвески. На рис. 15 представлен чертеж неза-

Рис. 15. Чертеж независимой подвески на двойных поперечных рычагах

38

висимой подвески вездехода на двойных поперечных рычагах. Изменяя

размер между линией уровня земли и линией рамы, можно проверить, как

изменяется развал колеса и колея автомобиля в зависимости от хода под-

вески, а также определить максимальные углы в шаровых шарнирах под-

вески. Вычисляя отношение хода колеса к изменению длины упругого

элемента при этом ходе, можно построить зависимость передаточного от-

ношения по ходу от хода колеса.

Кроме того, если провести дополнительное построение треугольни-

ков сил для этого типа подвески (подробнее см. в [3]), то возможно опре-

делить усилия, действующие на упругий элемент и рычаги в зависимости

от хода подвески и рассчитать передаточное отношение по усилию для уп-

ругого элемента.

С сожалением приходится отметить, что в режиме Чертеж нельзя

использовать такой мощный инструмент проектирования и анализа как

уравнения.

Заключение

Ограниченный объем учебного пособия не позволяет дать полное

описание приемов работы с таким мощным пакетом твердотельного моде-

лирования как SolidWorks. Однако автор надеется, что данное пособие по-

служит хорошим подспорьем при самостоятельном освоении SolidWorks.

39

40

Список рекомендуемой литературы

1. Тику Ш. Эффективная работа: SolidWorks 2004 – СПб.: Питер, 2005.

– 768 с.: ил.

2. Прерис А.М. SolidWorks 2005/2006. Учебный курс. – СПб.: Питер,

2006. – 528 с.: ил.

3. Проектирование полноприводных колесных машин: В 2 т. Т. 2. Учеб.

для вузов / Б.А. Афанасьев, Б.Н. Белоусов, Л.Ф. Жеглов, и др.; Под

общ. ред. А.А. Полунгяна. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,

2000.– 640 с.