Инженерные расчеты cae. Понятия CAD, САМ и САЕ

3.1. Aвтоматизированное проектирование (computer – aided design – CAD)

Представляет собой технологию, состоящую в использовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения, анализа и оптимизации проектов. Таким образом, любая программа, работающая с компьютерной графикой, так же как и любое приложение, используемое в инженерных расчетах, относится к системам автоматизированного проектирования. Другими словами, множество средств CAD простирается от геометрических прогpaмм для работы с формами до специализированных приложений для анализа и оптимизации. Между этими крайностями умещаются программы для анализа допусков, расчета масс инерционных свойств, моделирования методом конечных элементов и визуализации результатов анализа. Самая основная функция CAD – определение геометрии конструкции (детали механизма, архитектурные элементы, электронные схемы, планы зданий и т.п.), поскольку геометрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта. Для этой цели обычно используются системы разработки рабочих чертежей и геометрического моделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системами автоматизированного проектирования. Более того, геометрия, определенная в этих системах, может использоваться в качестве основы для дальнейших операций в системах САЕ и САМ. Это одно из наиболее значительных преимуществ CAD, позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связанных с необходимостью определять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется в расчетах. Можно, следовательно, утверждать, что системы автоматизированной разработки рабочих чертежей и системы геометрического моделирования являются наиболее важными компонентами автоматизированного проектирования.

3.2. Автоматизированное производство (computer – aided manufacturing – САМ)

CAM – это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для планирования, управления и контроля операций производства через прямой или косвенный интерфейс с производственными ресурсами предприятия. Одним из наиболее зрелых подходов к автоматизации производства является числовое программное управление (ЧПУ, numerical control – NC). ЧПУ заключается в использовании запрограммированных команд для управления станком, который может шлифовать, резать, фрезеровать, штамповать, изгибать и иными способами превращать заготовки в готовые детали. В наше время компьютеры способны генерировать большие программы для станков с ЧПУ на основании геометрических параметров изделий из базы данных САD и дополнительных сведений, предоставляемых оператором. Исследования в этой области концентрируются на сокращении необходимости вмешательства оператора.

Еще одна важная функция систем автоматизированного производства – программирование роботов, которые могут работать на гибких автоматизированных участках, выбирая и устанавливая инструменты и обрабатываемые детали на станках с ЧПУ. Роботы могут также выполнять свои собственные задачи, например, заниматься сваркой, сборкой и переносом оборудования и деталей по цеху.

Планирование процессов также постепенно автоматизируется. План процессов может определять последовательность операций по изготовлению устройства от начала и до конца на всем необходимом оборудовании. Хотя полностью автоматизированное планирование процессов, как уже отмечалось, практически невозможно, план обработки конкретной детали вполне может быть сформирован автоматически, если уже имеются планы обработки аналогичных деталей. Для этого была разработана технология группировки, позволяющая объединять поxoжие детали в семейства. Детали считаются подобными, если они имеют общие производственные особенности (гнезда, пазы, фаски, отверстия и т.д.). Для автоматического обнаружения схожести деталей необходимо, чтобы база данных CAD содержала сведения о таких особенностях. Эта задача осуществляется при помощи объектно-ориентированного моделирования или распознавания элементов.

Вдобавок, компьютер может использоваться для тoгo, чтобы выявлять необходимость заказа исходных материалов и покупных деталей, а также определять их количество исходя из графика производства. Называется такая деятельность планированием технических требований к материалу (material requirements planning – MRP). Компьютер может также использоваться для контроля состояния станков в цехе и отправки им соответствующих заданий.

3.3. Автоматическое конструирование (computer – aided engineering – САЕ)

CAE– это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для анализа геометрии CAD, моделирования и изучения поведения продукта для усовершенствования и оптимизации eгo конструкции. Средства САЕ могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Программы для кинематических pacчетов, например, способны определять траектории движения и скорости звеньев в механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениями могут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составных устройствах типа автомобилей. Прогpаммы верификации и анализа логики и синхронизации имитируют работу сложных электронных цепей.

По всей видимости, из всех методов компьютерного анализа наиболее широко в конструировании используется метод конечных элементов (finite element method – FЕМ). С eгo помощью рассчитываются напряжения, деформации, теплообмен, распределение магнитного поля, потоки жидкостей и другие задачи с непрерывными средами, решать которые каким-либо иным методом оказывается просто непрактично. В методе конечных элементов аналитическая модель структуры представляет собой соединение элементов, благодаря чему она разбивается на отдельные части, которые уже могут обрабатываться компьютером.

Как отмечалось ранее, для использования метода конечных элементов нужна абстрактная модель подходящего уровня, а не сама конструкция. Абстрактная модель отличается от конструкции тем, что она формируется путем исключения несущественных деталей и редуцирования размерностей. Например, трёхмерный объект небольшой толщины может быть представлен в виде двумерной оболочки. Модель создается либо в интерактивном режиме, либо автоматически. Готовая абстрактная модель разбивается на конечные элементы, образующие аналитическую модель. Программные средства, позволяющие конструировать абстрактную модель и разбивать ее на конечные элементы, называются пpeпpoцессорами (preprocessors). Проанализировав каждый элемент, компьютер собирает результаты воедино и представляет их в визуальном формате. Например, области с высоким напряжением могут быть выделены красным цветом. Программные средства, обеспечивающие визуализацию, называются пocтпpoцeccoрами (postprocessors). Существует множество программных средств для оптимизации конструкций.

Хотя средства оптимизации могут быть отнесены к классу САЕ, обычно их рассматривают отдельно. Ведутся исследования возможности автоматического определения формы конструкции путем объединения оптимизации и анализа.

В этих подходах исходная форма конструкции предполагается простой, как, например, у прямоугольного двумерного объекта, состоящего из небольших элементов различной плотности. Затем выполняется процедура оптимизации, позволяющая определить конкретные значения плотности, позволяющие достичь определенной цели с учетом ограничений на напряжения. Целью часто является минимизация веса. После определения оптимальных значений плотности рассчитывается оптимальная форма объекта. Она получается отбрасыванием элементов с низкими значениями плотности.

Замечательное достоинство методов анализа и оптимизации конструкций заключается в том, что они позволяют конструктору увидеть поведение конечного продукта и выявить возможные ошибки до создания и тестирования реальных прототипов, избежав определенных затрат. Поскольку стоимость конструирования на последних стадиях разработки и производства продукта экспоненциально возрастает, ранняя оптимизация и усовершенствование (возможные только благодаря аналитическим средствам САЕ) окупаются значительным снижением сроков и стоимости разработки.

Таким образом, технологии CAD, САМ и САЕ заключаются в автоматизации и повышении эффективности конкретных стадий жизненного цикла продукта. Развиваясь независимо, эти системы еще не до конца реализовали потенциал интеграции проектирования и производства. Для решения этой проблемы была предложена новая технология, получившая название компьютеризированного интегрированного производства (computer – integrated manufacturing – СIМ). CIM пытается соединить «островки автоматизации» вместе и превратить их в бесперебойно и эффективно работающую систему. CIM подразумевает использование компьютерной базы данных для более эффективного управления всем предприятием, в частности бухгалтерией, планированием, доставкой и другими задачами, а не только проектированием и производством, которые охватывались системами CAD, САМ и САЕ. CIM часто называют философией бизнеса, а не компьютерной системой.

4. Обзор программного обеспечения CAE
(Computer Aided Engineering)

По прогнозу аналитиков в ближайшие годы количество пользователей компьютерных систем инженерного анализа (Computer-Aided Engineering, CAE) вырастет вдвое. CAE-программы являются частью средств управления жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management, PLM). Уже сейчас около 25% инвестиций в PLM приходится на долю CAE, и эта часть будет увеличиваться, так как по темпу годового роста сегмент инженерного анализа опережает рынок PLM в целом.

Главные причины бума в области CAE - быстрый рост вычислительной мощности компьютеров и признание роли компьютерного моделирования для повышения качества продукции, ускорения выпуска новых изделий и снижения затрат на разработку. В течение длительного времени предприятия скептически относились к системам CAE, считая результаты традиционных методик расчета более точными. Тем не менее, растёт число проектов, обязанных своим успехом применению CAE, а у производственников расширяется опыт работы с новыми технологиями. Кроме того, CAE-продукты становятся удобнее в эксплуатации. Огромное значение имеет и то, что совершенствование аналитического ПО сопровождается снижением стоимости и повышением доступности высокопроизводительных компьютеров, так как инженерные расчёты требуют большой вычислительной мощности. Раньше для них были нужны мощные серверы и специализированные рабочие станции, а теперь достаточно настольных ПК. Более того, те расчёты, которые прежде требовали нескольких дней или недель, теперь выполняются за пару часов.

По мнению аналитиков, рынок CAE может расти быстрее, чем на 10% в год. Дело в том, что возможности этой технологии выходят за рамки простого повышения производительности труда конструкторов. Она позволяет ускорить выпуск продукции в продажу, снизить затраты на гарантийное обслуживание и, что самое главное, производить изделия лучшего качества, которые реже ломаются и более безопасны. Самые передовые предприятия уже сейчас считают внедрение CAE задачей номер один. Однако подавляющее большинство западных производственников не торопятся с переходом на эту технологию.

Почему? Любое нововведение вызывает перемены в привычном стиле работы, связано с неизбежным риском и заставляет решать множество вопросов. Основные вопросы:

1. Как узнать, что сотрудники правильно интерпретируют результаты моделирования?

2. Способно ли виртуальное моделирование заменить стендовые испытания?

3. Хватит ли у сотрудников опыта и образования, чтобы использовать CAE?

4. Захотят ли сотрудники выполнять новую работу?

Все эти вопросы, безусловно, правильные. Однако некоторые предприятия уже нашли ответ на них, успешно внедрив технологию CAE и выпустив с её помощью удачные изделия.

Чтобы оценить перспективы CAE, вспомним, какие технологии вызывали в прошлом аналогичные революционные перемены. Например, 35 лет назад Национальный научный фонд США назвал появление систем автоматизированного проектирования (Computer – Aided Design, CAD) самым выдающимся событием с точки зрения повышения производительности труда со времён изобретения электричества. Тогда наиболее прозорливые руководители, поверившие в огромный потенциал CAD, буквально «пробивали» внедрение новой технологии на своих предприятиях, преодолевая сопротивление сотрудников, которое объясняется тем, что людям, совершенно не знакомым с компьютером, приходилось коренным образом менять привычные способы работы и оставлять без применения почти весь накопленный опыт. Тем не менее, их удалось убедить в преимуществах новой технологии и уговорить пройти длительную переподготовку. Можно быть уверенными, что смена отношения к САЕ-системам также не за горами.

Аналогичный путь уже прошла индустрия электронного проектирования. Сначала CAD-системы применялись лишь для трассировки печатных плат. Однако по мере развития технологии автоматизации проектирования базовые CAD отошли на второй план, а первое место заняли продукты, которые помимо физической трассировки выполняли моделирование и анализ. В результате, сейчас в электронном проектировании первую скрипку играет CAE, а CAD-системы, тесно интегрированные с CAE, занимают важное, но менее заметное положение. Именно так же будут развиваться события в сфере машиностроительного проектирования.

CAD - компьютерная помощь в дизайне, проще говоря, программа черчения.
CAM - компьютерная помощь в производстве.
CAE - компьютерная помощь в инженерных расчетах.
GIS - географическая информационная система.
Большую помощь при подготовке данного материала оказала статья Сергея Котова из Томского Политехнического Университета "Обзор рынка САПР и информационных ресурсов сети Интернет" , предоставленная им самим.

Поиск по сайту www.сайт:

Пользовательский поиск

Для начала немного статистики:

Распределение влияния компаний-разработчиков на рынок САПР

Распределение влияния участников рынка систем автоматизированной подготовки производства

T-FLEX CAD

Система параметрического проектирования и черчения T-FLEX CAD является разработкой российской фирмы "Топ Системы". Система обладает следующими основными возможностями: параметрическое проектирование и моделировании; проектирование сборок и выполнение сборочных чертежей; полный набор функций создания и редактирования чертежей; пространственное моделирование, базирующееся на технологии ACIS; параметрическое трёхмерное твёрдотельное моделирование; управление чертежами; подготовка данных для систем с ЧПУ; имитация движения конструкции.
Система T-FLEX CAD попала в обзор за 1997 год лучших САПР.
Разработчик - Топ-Системы, Москва
http://www.tflex.com
http://www.topsystems.ru
- страница о Tflex на моем сайте.

bCAD

bCAD - программный проект, направленный на разработку новых технологий 3D графики и САПР, а также программ для 2D эскизирования и точного черчения, 3D моделирования и фотореалистичного тонирования, программная система 3D моделирования и визуализации для PC. bCAD спроектирован и разработан как универсальное рабочее место проектировщика, позволяющее производить широкий спектр работ в сквозном режиме - от чертежа к объёмной модели и наоборот - от трёхмерного представления к плоским проекциям: для исполнения технической документации, соответствующей требованиям стандартов, для получения реалистичных изображений, подготовки данных для расчётных систем. Сочитает в себе CAD, 3D моделирование и фотореалистичную визуализацию.
Разработчик - ProPro Group, Новосибирск.
http://www.propro.ru

КОМПАС

Один из лидирующих российских продуктов. CAD-система, предназначенная для широкого спектра проектно-конструкторских работ, лёгкая в освоении, удобная в работе и при этом имеющая стоимость, приемлемую для комплексного оснащения российских предприятий, в том числе средних и малых. Позволяет осуществлять двумерное проекти-рование и конструирование, быструю подготовку и выпуск разнообразной чертёжно-конструкторской документации, создание технических текстово-графических документов.
Разработчик - Аскон, Россия.
http://www.asсon.ru/

CADMECH

CADMECH - система проектирования деталей и сборочных единиц на базе AutoCAD.
CADMECH Desktop - трехмерная система проектирования деталей и сборочных единиц на базе Mechanical Desktop.
Разработчик - НПО "Интермех", Минск.
http://www.intermech.host.ru

CADRA

Система двумерного проектирования и черчения для машиностроения.
Разработчик - SofTECH, Inc., США.
http://www.softech.com

CADkey

3D графический пакет для проектирования, твёрдотельного, поверхностного и каркасного моделирования, визуализации и документирования простых и сложных деталей и сборочных единиц. 250000 инсталляций в разных странах.

Разработчик - Baystate Technologies, США. http://www.cadkey.com http://www.cadkey.de http://www.cadkey.lv/ http://www.colla.lv

DesignCAD Pro

Система двумерного и трёхмерного проектирования и моделирования для профессиональных конструкторов и проектировщиков.
Разработчик - ViaGrafix, США.
http://www.viagrafix.com

IronCAD

Система автоматизированного проектирования для машиностроения. Обеспечивает двумерное проектирование и трёхмерное твердотельное моделирование.

Разработчик - Visionary Design Systems, Inc., США. http://www.ironcad.com

BlueCAD

BlueCAD является 2D/3D CAD - системой для работы на персональных компьютерах.
Разработчик - CADWare, Италия.
http://www.cadware.it

Surface Express

Система поверхностного моделирования.
Разработчик - MCS, Inc., США.
http://www.mcsaz.com

RhinoCeros

Распространённая система NURBS - моделирования.
Разработчик - Robert McNeel & Associates, США.
http://www.rhino3d.com

CADdy

Система CADdy по функциональным возможностям занимает промежуточное положение между системами низкого и высокого уровней. Предназначена для решения комплексных интегрированных технологий от стадии проектирования до стадии производства в таких областях, как:
- архитектура;
- проектирование промышленных установок;
- машиностроение;
- электроника;
- оборудование зданий (отопление, вентиляция, сантехника, электротехника);
- инженерные сети и дороги;
- геодезия, картография.

Разработчик - фирма ZIEGLER-Informatics GmbH, Германия.
http://www.caddy.de
http://www.plaza.ch
http://www.caddy.ru

OmniCAD

Система двумерного проектирования, черчения и трёхмерного поверхностного моделирования.

SolidWorks

Мощный машиностроительный CAD пакет для твёpдотельного пapaметpического моделиpовaния сложных деталей и сборок. Системa констpуиpовaния сpеднего клaссa, бaзиpующaяся нa пapaметpическом геометpическом ядpе Parasolid. Создaнa специaльно для использовaния нa пеpсонaльных компьютеpaх под упpaвлением опеpaционных систем Windows 95 и Windows NT.
Разработчик - SolidWorks Corporation, США.
http://www.solidworks.com
http://www.uscad.com
http://www.delcam.ru ,
http://www.ascon.ru ,
http://www.intersed.kiev.ua/ ,
www.delcam-ural.ru ,
http://www.colla.lv ,
http://www.solidworks.lv/

SolidEdge

SolidEdge является принципиально новой системой автоматизированного конструирования, которая предназначена для разработки сборочных узлов и геометрического моделирования отдельных деталей. Solid Edge разработан специально для конструирования изделий машиностроения. Является системой среднего уровня, которая обеспечивает эффективное объектно-ориентированное параметрическое моделирование в среде Windows. Базируется на ядре геометрического моделирования Parasolid.
Разработчик - Unigraphics Solutions, США.

Cimatron

Cimatron - интегрированная CAD/CAM - система, предоставляющая полный набор средств для конструирования изделий, разработки чертёжно-конструкторской документа-ции, инженерного анализа, создания управляющих программ для станков с ЧПУ. Cimatron удовлетворяет запросам и требованиям самого широкого круга пользователей, работает на различных платформах, в том числе на персональных компьютерах. Пользователями сис-темы в мире являются около 6000 компаний.
Разработчик - Cimatron Ltd., Израиль.

VISI - Series

Развитая CAD/CAM - система. Обеспечивает двумерное проектирование и черче-ние, трёхмерное поверхностное и твердотельное моделирование, генерацию программ для станков с ЧПУ, визуализацию обработки детали.
Разработчик - Vero International, Inc., США.
http://www.veroint.com
http://www.verosoftware.com

HELIX

HELIX Design System - развитая САПР для двумерного и трёхмерного проектирования в машиностроении, дизайне и других отраслях. Позволяет осуществлять двумерное проектирование, трёхмерное каркасное, поверхностное и твердотёльное моде-лирование.
Разработчик - MicroCADAM Ltd., Великобритания.
http://www.microcadam.co.uk

Form-Z

Система двумерного проектирования и черчения, трёхмерного поверхностного и твёрдотельного моделирования, визуализации и анимации для профессионального дизайна, визуализации и проектирования.
Разработчик - Autodessys, Inc., США.

Alias¦Wavefront

Распространённые программные продукты двумерного и трёхмерного эскизирования и черчения, трёхмерного поверхностного и твёрдотельного моделирования, визуализации и анимации, для профессионального дизайна и проектирования.
Разработчик - Alias¦Wavefront, Канада.
http://www.aw.sgi.com
http://aliaswavwfront.com

CoCreate

Серия продуктов для проектирования и управления данными проекта: ME10 - проектирование и черчение; SolidDesigner - твердотельное моделирование и управление данными проекта.
Разработчик - CoCreate Software, Inc., Германия.
http://www.cocreate.com

VX VISION

CAD/CAM/CAE система среднего уровня.
Разработчик - Varimetrix Corp., Ltd., США.
http://www.vx.com

CADMAX

CADMAX SolidMaster - система автоматизированного проектирования, обеспечивающая двумерное проектирование, трёхмерное поверхностное и твердотельное моделирование.
Разработчик - CADMAX Corp., США.

BRAVO

Семейство продуктов для проектирования, подготовки конструкторской документации, подготовки производства и управления проектом в машиностроении. Продукты: Bravo XL, Bravo Sheet Metal Fabricator, Bravo NCG, Bravo Frame.
Разработчик - Applicon, Inc., США.
http://www.applicon.com

MicroStation

MicroStation - это профессиональная, высоко производительная система для 2D/3D - автоматизированного проектирования при выполнении работ, связанных с черчением, конструированием, визуализацией, анализом, управлением базами данных и моделированием. Обеспечивает практически неограниченными возможностями проектировщиков и конструкторов на платформах DOS, Windows и компьютерах различных типов.
MicroStation 95 - система коллективной работы, дающая всем участникам группы гарантию взаимного согласования независимо от аппаратного развития платформ.
Разработчик - Bentley, США.

Genius

Продукты Genius являются программным обеспечением для конструирования в машиностроении и создания чертежей с применением Автокада.

Genius Desktop - Объектно-ориентированная система трёхмерного проектирования машиностроительных деталей и сборок на базе Mechanical Desktop. Пакет предлагает дополнительные удобные инструменты для нанесения типовых конструктивных элементов, наполнения конструкции стандартными изделиями в виде твёрдотельных моделей и значительно облегчает работу конструктора при управлении компонентами сборки. Располагает библиотеками стандартных деталей в виде готовых параметрических деталей по целому ряду стандартов.
Genius 14 - это продукт, обеспечивающий высокопроизводительное двумерное автоматизированное проектирование и черчение в области машиностроения в среде AutoCAD R14.
Genius LT 97 - система двухмерного автоматизированного проектирования, предназначенная для создания и оформления машиностроительных чертежей и конструкторской документации на базе AutoCAD LT 97. Genius LT 97 включает в себя стандартные компоненты, автоматизированный интерфейс пользователя, а также ряд функциональных возможностей, повышающих производительность работы в среде AutoCAD LT 97.

Разработчик - Genius CAD-Software GmbH, Германия.

Power Solutions

Семейство продуктов Power Solutions охватывает все этапы производственного цикла:
- PowerShape - Система трёхмерного моделирования.
- PowerMILL - Мощнaя и пpостaя в использовaнии aвтономнaя системa aвтомaтической подготовки упpaвляющих пpогpaмм для 3/4 кооpдинaтной фpезеpной обpaботки нa любом стaнке с ЧПУ изделий, спpоектиpовaнных в любой CAD-системе.
- CopyCAD - система преобразования данных, полученных с координатно-измерительной машины, в компьютерную поверхностную модель.
- PowerINSERT - пакет для контроля точности с помощью 3-координатных измерительных машин.
- ArtCAM Pro - пакет для создания объёмного рельефа на базе плоского рисунка и создания управляющих программ для его мехобработки.
- DUCT 5 - CAD/CAM - система, позволяет проводить моделирование, черчение и подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ.

Разработчик - DELCAM Plc., Великобpитaния.

hyperMILL

Пакет, позволяющиё реализовать завершающее технологическое звено в сквозной CAD/CAM/CAE-технологии - подготовка управляющих программ для станков с ЧПУ и изготовление изделий.
Разработчик - Open Mind Software Technologies GmbH, Германия.
http://www.openmind.de
http://www.acad.co.uk
http://www.autodesk.com

EdgeCAM

CAM - система. Решения для фрезерной, поверхностной, токарной и электроэрозионной обработки деталей.
Разработчик - Pathtrace, Великобритания.
http://www.pathtrace.com

ESPRIT

CAD/CAM - система на базе ядра Parasolid.
Разработчик - DP Technology, США.
http://www.dptechnology.com

SolidCAM

Пакет генерации управляющих программ для станков с ЧПУт при обработке деталей, содержащих сложную поверхностную или твердотельную геометрию. Обеспечивает 2,5 и 3-осевую фрезерную обработку, токарную обработку, визуализацию процесса обработки.
Разработчик - CADTECH, Израиль.

MasterCAM

CAD/CAM - система, занимающая лидирующее положение в мире по количеству продаж и инсталляций пакета среди CAD/CAM систем. Обеспечивает каркасное и поверхностное моделирование деталей, визуализацию и документирование простых и сложных деталей и сборочных единиц, разработку управляющих программ для токарной, фрезерной, электроэрозионной обработки на станках с ЧПУ.
Разработчик - CNC Software, США.

PEPS

CAM - система, автоматизированная подготовка фрезерной, токарной, лазерной, электроэрозионной обработки деталей.
Разработчик - Camtek Ltd., Великобритания.
http://www.camtek.co.uk

СПРУТ

Система технологического проектирования.
Разработчик - АО "Спрут-Технология", г.Набережные Челны, Россия.
http://www.sprut.ru

EUCLID3

САПР высокого уровня EUCLID, охватывающая все этапы проектирования, разработана фирмой MATRA DATAVISION, с оборотом более 10 миллиардов долларов США. Фирма занимается разработкой, продажей и сопровождением программного обеспечения CAD/CAM/CAE/PDM и программной среды для создания приложений. Основные продукты фирмы имеют торговые марки: EUCLID, PRELUDE, CAS.CADE. Они предназначены для таких областей, как авиация, космос, автомобилестроение, оборона, электромеханика, промышленный дизайн, атомное машиностроение, инжиниринг, производство товаров широкого потребления и др.
Разработчик - MATRA DATAVISION, Франция. В связи со входом компании MATRA Datavision в консорциум EADS (контрольный пакет акций которого имеет владелец MATRA Datavision Жан-Люк Лагардер) компания стала называться EADS MATRA Datavision

CATIA

CATIА/CADAM Solutions - это полностью интегрированная универсальная CAD/CAM/CAE система высокого уровня, позволяющая обеспечить параллельное проведение конструкторско-производственного цикла CATIA, являясь универсальной системой автоматизированного проектирования, испытания и изготовления, широко применяется на крупных машиностроительных предприятиях во всем мире для автоматизированного проектирования, подготовки производства, реинжиниринга. Число фирм-пользователей CATIA превышает 8 тысяч.

Функции, поддерживаемые CATIA/CADAM Solutions :
- администрирование - планирование, управление ресурсами, инспектирование и документирование проекта;
- самый совершенный моделлинг;
- описание всех механических связей между компонентами объекта и приведение их в состояние пространственного взаимопозиционирования;
- автоматический анализ геометрических и логических конфликтов
- анализ свойств сложных сборок;
- разработанный инструментарий трассировок систем коммуникаций с соблюдением заданных ограничений;
- специализированные приложения для технологической подготовки производства.

Компании DASSAULT SYSTEMES (Франция) и IBM (США) являются совместными разработчиками и распространителями системы автоматизированного проектирования. В последние три года параллельно сосуществуют две CATIA: версии 4 и 5, причем версия 4 - только на рабочих станциях и на ядре DASSAULT SYSTEMES, а версия 5 - и для РС на ядре CASCADE разработки MATRA (http://www.opencascade.com).

Unigraphics

Система Unigraphics является CAD/CAM/CAE - системой высокого уровня. Unigraphics позволяет осуществлять полностью виртуальное проектирование изделий, механообработка деталей сложных форм, имеет полностью ассоциативную базу данных мастер-модели, Unigraphics Solutions , одна из самых быстроразвивающихся компаний, производящих системы автоматизированного проектирования, производства и управления проектами, занимается разработкой, продажей и технической поддержкой программного обеспечения для автоматизации проектирования, производства, инженерного анализа и управления проектами для всех областей промышленности, включая автомобилестроение, авиационную и космическую промышленности, станкостроение, производство товаров народного потребления и т.п.
Серия продуктов Unigraphics Solutions, Inc.: Unigraphics Solutions, Parasolid, Solid Edge, Unigraphics, IMAN, ProductVision, GRIP .
Разработчик - Unigraphics Solutions, Inc., США.

MSC/InCheck

3D QuickFill

Программа, позволяющая на ранних стадиях проектирования изделия провести анализ литья по трёхмерной твёрдотельной модели. Предоставляет конструктору возможность наблюдать процесс заполнения литьевой формы с предоставлением результатов следующим параметрам: временя заполнения пресс-формы; время охлаждения летали; распределение температуры; наличие "раковин"; масса готового изделия.
Разработчик - Advanced CAE Technologies, Inc., США.

DEFCAR

CAD/CAM- система для проектирования и подготовки производства в кораблестроении.
Разработчик - Defcar Ingenieros, S.L., Испания.
http://www.defcar.es
http://www.defcar.com

VUTRAX

Vutrax PCB CAD - система автоматизированного проектирования электронных схем и печатных плат.
Разработчик - Computamation Systems Limited, Великобритания.
http://www.vutrax.co.uk

Protel

Protel PCB CAD - развитая система автоматизированного проектирования электронных схем и печатных плат.
Разработчик - Protel Technology Inc., США.
http://www.protel.com

UNICAM

UNICAM - система автоматизированного проектирования и изготовления электронных схем и печатных плат.
Разработчик - Unicam Software, Inc., США.
http://www.unicam.com

CAD STAR

Развитая система автоматизировации проектирования и изготовления электронных схем и печатных плат.
Разработчик - Zuken-Redag Group, Ltd., Великобритания.
http://www.redac.co.uk

SoftCAD

САПР для двумерного и трёхмерного проектирования в архитектуре и строительстве. Серия продуктов: ArchiTECH.PC, SoftCAD.3D, SoftCAD.2D.
Разработчик - SoftCAD International, США.
http://www.softcad.com

Design WorkShop

Система фотореалистичного трёхмерного моделирования и проектирования в архитектуре.
Разработчик - Artifice, Inc., США.
http://www.artifice.com

REBIS

Серия продуктов автоматизированного 2D/3D проектирования промышленных предприятий.
Разработчик - Rebis, Inc., США.
http://www.rebis.com

CADVANCE

Профессиональная CAD - система для архитекторов, инженеров, проектировщиков в строительстве и архитектуре.
Разработчик - Fit, Inc., США.
http://www.cadvance.com

Planit

Система автоматизированного двумерного и трёхмерного проектирования для профессиональных дизайнеров.
Разработчик - Planit Millenium, США.
http://www.planit.com

LS-DYNA

Разработчик LSTC (Livermore Software Technology Corp.) , коммерческое подразделение всемирно известного ядерного центра LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory http://www.llnl.gov), США. Развивается с 1976г. Универсальный расчетный программный комплекс, ориентированный на численное моделирование высоконелинейных и быстротекущих процессов в термомеханических задачах механики деформируемого и жидкого тела. Среди гражданских приложений - краш-тесты, обработка металлов давлением, общие задачи динамической прочности, разрушения, взаимодействия деформируемых консткуций с жидкостями и газами и пр.
http://www.lsdyna.com
http://www.feainformation.com/ - Новости и много ссылок на проблемно-ориентированные сайты по приложениям пакета
http://www.cadfem.ru/ - Сайт генерального дистрибьютора LS-DYNA в СНГ

STAR-CD

Разработчик CD-adapco group , Великобритания. Развивается с 1987г. Многоцелевой тяжелый пакет для решения задач механики жидкостей и газов (CFD), ориентированный на промышленные задачи любой сложности.
http://www.cd.co.uk
http://www.adapco-online.com - Подборка материалов пользовательских конференций, полезных советов
http://www.cfd-online.com/Forum/starcd.cgi - Форум по практическим аспектам применения пакета
http://www.cadfem.ru/ - Сайт генерального дистрибьютора STAR-CD в СНГ

AutoSEA

Разработчик VASCi (Vibro Acoustic Sciences) , США. Тяжелый расчетный пакет виброакустического анализа в области средних и высоких частот.
http://www.vasci.com
http://www.cadfem.ru/ - Сайт генерального дистрибьютора AutoSEA в СНГ

LVMFlow

профессиональная CAM-система компьютерного 3D моделирования литейных процессов позволяющая автоматизировать рабочее место технолога – литейщика и снизить затраты времени и средств на подготовку новых изделий.
http://www.cadinfo.net/ .

По электронным САПР можно порекомендовать следующую страницу: http://www.rodnik.ru/htmls/f_main.htm . Здесь также можно загрузить документацию по этим САПР.

CAE (англ. Computer-aided engineering) - общее название для программ или программных пакетов, предназначенных для инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (см.: метод конечных элементов, метод конечных объёмов, метод конечных разностей и др.).
Современные системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).
CAE-системы - это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчётных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.

В русском языке есть термин САПР, который подразумевает CAD/CAM/CAE


Наиболее распространённые CAE-системы:
-T-FLEX Анализ - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
-APM WinMachine - отечественная универсальная система для проектирования и расчета в области машиностроения, включающая КЭ анализ с встроенным пре-/постпроцессором;
-APM Civil Engineering - отечественная универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором для проектирования и расчета металлических, железобетонных, армокаменных и деревянных конструкций;
-ANSYS - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
-MSC.Nastran - универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором MSC.Patran;
-ABAQUS - универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;
-NEiNastran - универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором;
-NX Nastran - универсальная система МКЭ анализа;
-SAMCEF - универсальная система КЭ анализа с пре-постпроцессором SAMCEF Field.
-OpenFOAM - свободно-распространяемая универсальная система КО пространственного моделирования механики сплошных сред;
-SALOME - платформа для проведения расчётов МСС (подготовка данных - мониторинг расчёта - визуализация и анализ результатов);
-CAElinux - дистрибутив операционной системы Линукс, включающий в себя ряд свободных САЕ-программ, в том числе OpenFOAM и SALOME.
-STAR-CD - универсальная система МКО анализа с пре-/постпроцессором;
-STAR-CCM+ - универсальная система МКО анализа с пре-/постпроцессором;
-ADAMS - система моделирования и расчёта многотельной динамики;
-Универсальный механизм (UM) - программный комплекс предназначен для моделирования динамики и кинематики плоских и пространственных механических систем;
-EULER (Эйлер) - программный комплекс автоматизированного динамического анализа многокомпонентных механических систем;
-ФРУНД - комплекс моделирования динамики систем твёрдых и упругих тел;
-Femap - независимый от САПР пре- и постпроцессор для проведения инженерного анализа методом конечных элементов;
-QForm 2D/3D - специализированный программный комплекс для моделирования и оптимизации технологических процессов объёмной штамповки;
-MBDyn - система комплексного анализа и расчётов нелинейной динамики твёрдых и упругих тел, физических систем, "умных" материалов, электрических сетей, активного управления, гидравлических сетей, аэродинамики самолётов и вертолётов. Распространяется на условиях лицензии GNU GPL 2.1.;
-SimulationX - программный комплекс для моделирования и анализа динамики и кинематики автомобилей, индустриального оборудования, электро-, пневмо- и гидроприводов, ДВС, гибридных двигателей и т. д.
История развития
Историю развития рынка CAD/CAM/CAE-систем можно достаточно условно разбить на три основных этапа, каждый из которых длился, примерно, по 10 лет. Первый этап начался в 1970-е годы. В ходе его был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность проектирования сложных промышленных изделий. Во время второго этапа (1980-е) появились и начали быстро распространяться CAD/CAM/CAE-системы массового применения. Третий этап развития рынка (с 1990-х годов до настоящего времени) характеризуется совершенствованием функциональности CAD/CAM/CAE-систем и их дальнейшим распространением в высокотехнологичных производствах (где они лучше всего продемонстрировали свою эффективность).
На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE-систем работали на графических терминалах, присоединённых к мейнфреймам производства компаний IBM и Control Data, или же мини-ЭВМ DEC PDP-11 и Data General Nova. Большинство таких систем предлагали фирмы, продававшие одновременно аппаратные и программные средства (в те годы лидерами рассматриваемого рынка были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph). У мейнфреймов того времени был ряд существенных недостатков. Например, при разделении системных ресурсов слишком большим числом пользователей нагрузка на центральный процессор увеличивалась до такой степени, что работать в интерактивном режиме становилось трудно. Но в то время пользователям CAD/CAM/CAE-систем ничего, кроме громоздких компьютерных систем с разделением ресурсов (по устанавливаемым приоритетам), предложить было нечего, так как микропроцессоры были ещё весьма несовершенными. По данным Dataquest, в начале 1980-х стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до 90 000 долл.
Развитие приложений для проектирования шаблонов печатных плат и слоёв микросхем сделало возможным появление схем высокой степени интеграции (на базе которых и были созданы современные высокопроизводительные компьютерные системы). В течение 1980-х годов был осуществлён постепенный перевод CAD-систем с мейнфреймов на персональные компьютеры (ПК). В то время ПК работали быстрее, чем многозадачные системы, и были дешевле. По данным Dataquest, к концу 1980-х годов стоимость CAD-лицензии снизилась, примерно, до 20 000 долл.
Следует сказать, что в начале 1980-х годов произошло расслоение рынка CAD-систем на специализированные секторы. Электрический и механический сегменты CAD-систем разделились на отрасли ECAD и MCAD. Разошлись по двум различным направлениям и производители рабочих станций для CAD-систем, созданных на базе ПК:
часть производителей сориентировалась на архитектуру IBM PC на базе микропроцессоров Intel х86;
другие производители предпочли ориентацию на архитектуру Motorola (ПК её производства работали под управлением ОС Unix от ATT, ОС Macintosh от Apple и Domain OS от Apollo).
Производительность CAD-систем на ПК в то время была ограничена 16-разрядной адресацией микропроцессоров Intel и MS-DOS. Вследствие этого, пользователи, создающие сложные твердотельные модели и конструкции, предпочитали использовать графические рабочие станции под ОС Unix с 32-разрядной адресацией и виртуальной памятью, позволяющей запускать ресурсоёмкие приложения.
К середине 1980-х годов возможности архитектуры Motorola были полностью исчерпаны. На основе передовой концепции архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд (Reduced Instruction Set Computer - RISC) были разработаны новые чипы для рабочих станций под ОС Unix (например, Sun SPARC). Архитектура RISC позволила существенно повысить производительность CAD-систем.
С середины 1990-х годов развитие микротехнологий позволило компании Intel удешевить производство своих транзисторов, повысив их производительность. Вследствие этого появилась возможность для успешного соревнования рабочих станций на базе ПК с RISC/Unix-станциями. Системы RISC/Unix были широко распространены во 2-й половине 1990-х годов, и их позиции все ещё сильны в сегменте проектирования интегральных схем. Зато сейчас Windows NT и Windows 2000 практически полностью доминируют в областях проектирования конструкций и механического инжиниринга, проектирования печатных плат и др. По данным Dataquest и IDC, начиная с 1997 года рабочие станции на платформе Windows NT/Intel (Wintel) начали обгонять Unix-станции по объёмам продаж. За прошедшие с начала появления CAD/CAM/CAE-систем годы стоимость лицензии на них снизилась до нескольких тысяч долларов (например, 6000 долл. у Pro/Engineer).

Функции CAE -систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования , оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных CAE-систем прежде всего включают программы для выполнения следующих процедур:

моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ ;

расчет состояний моделируемых объектов и переходных процессов в них средствами макроуровня ;

имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри .

Основными частями программ анализа с помощью МКЭ являются библиотеки конечных элементов, препроцессор, решатель и постпроцессор.

Библиотеки конечных элементов (КЭ) содержат модели КЭ - их матрицы жесткости . Очевидно, что модели КЭ будут различными для разных задач (анализ упругих или пластических деформаций, моделирование полей температур, электрических потенциалов и т.п.), разных форм КЭ (например, в двумерном случае - треугольные или четырехугольные элементы), разных наборов координатных функций .

Исходные данные для препроцессора - геометрическая модель объекта, чаще всего получаемая из подсистемы конструирования. Основная функция препроцессора - представление исследуемой среды (детали) в сеточном виде, т.е. в виде множества конечных элементов.

Решатель - программа, которая ассемблирует (собирает) модели отдельных КЭ в общую систему алгебраических уравнений и решает эту систему одним из методов разреженных матриц .

Постпроцессор служит для визуализации результатов решения в удобной для пользователя форме. В машиностроительных САПР это графическая форма. Пользователь может видеть исходную (до нагружения) и деформированную формы детали, поля напряжений, температур, потенциалов и т.п. в виде цветных изображений, в которых палитра цветов или интенсивность свечения характеризуют значения фазовой переменной .

Основные функции cad-систем

Функции CAD -систем в машиностроении подразделяют на функции двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования. К функциям 2D относят черчение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D - получение трехмерных геометрических моделей, метрические расчеты, реалистичную визуализацию, взаимное преобразование 2D и 3D моделей. Трехмерные модели представляют в виде описания поверхностей, ограничивающих деталь, или указанием элементов пространства, занимаемых телом детали. Модели поверхностей сложной формы получают с помощью разновидностей кинематического метода , к которым относят вытягивание заданного плоского контура по нормали к его плоскости, протягивание контура вдоль произвольной пространственной кривой, вращение контура вокруг заданной оси, натягивание поверхности между несколькими заданными сечениями. В случае построения скульптурных поверхностей , проходящих через заданные точки пространства, применяют модели в форме Безье , а при требованиях высокой гладкости поверхности - модели в форме B-сплайнов . Синтез моделей сборок выполняют применением операций позиционирования и теоретико-множественных операций пересечения, объединения, вычитания к библиотечным элементам и вновь созданным моделям комплектующих деталей. В ряде систем предусмотрено также выполнение операций компоновки и размещения оборудования, проведения соединительных трасс и т.п.

К важным характеристикам CAD-систем относятся параметризация и ассоциативность . Параметризация подразумевает использование геометрических моделей в параметрической форме, т.е. при представлении части или всех параметров объекта не константами, а переменными. Параметрическая модель , находящаяся в базе данных, легко адаптируется к разным конкретным реализациям и потому может использоваться во многих конкретных проектах. При этом появляется возможность включения параметрической модели детали в модель сборочного узла с автоматическим определением размеров детали, диктуемых пространственными ограничениями. Эти ограничения в виде математических зависимостей между частью параметров сборки отражают ассоциативность моделей.

Параметризация и ассоциативность играют важную роль при проектировании конструкций узлов и блоков, состоящих из большого числа деталей. Действительно, изменение размеров одних деталей оказывает влияние на размеры и расположение других. Благодаря параметризации и ассоциативности изменения, сделанные конструктором в одной части сборки, автоматически переносятся в другие части, вызывая изменения соответствующих геометрических параметров в этих частях.

Корректные синтез и редактирование 3D твердотельных моделей изделий возможны с помощью нескольких методов.

Наиболее очевидный метод - задание проектировщиком изделия ограничений и условий, накладываемых на параметры модели и отражающих требования непересечения тел, соосности отверстий, компланарности, перпендикулярности и т.п.

В большинстве современных MCAD используется метод, основанный на использовании дерева построения модели. Деревом построения называют историю моделирования сборки, другими словами, последовательность операций создания модели, упорядоченную по времени их совершения. Согласно этому методу внесение изменений в ту или иную часть модели подразумевает переход в ту вершину дерева, которая соответствует изменяемой части, и после внесения изменений повторное выполнение всех последующих операций синтеза.

Третий способ - синхронное моделирование , основанное на автоматическом определении, благодаря применению экспертных систем , тех ограничений, которые в первом методе задаются пользователем. В результате упрощается работа конструктора, не требуются затраты времени на перестроение дерева модели.

система управление язык spice

CAE (Computer - aided engineering) -- общее название для программ и программных пакетов, предназначенных для решения различных инженерных задач: расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений. Современные системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).

CAE-системы -- это разнообразные программные продукты, позволяющие при помощи расчётных методов (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.

Функции CAЕ-систем

Функции CAЕ-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. При функциональном проектировании ССУ тип используемой CAЕ-системы будет определяться уровнем описания СУ: уровень системы в целом; уровень устройств СУ; уровень элементов устройств СУ.

В состав CAЕ-систем объектов электрической природы как правило включают программы расчета:

· частотных характеристик;

· расчета установившихся процессов (анализ статики);

· расчет переходных процессов (анализ динамики);

· расчет шумов, спектров, вариации температуры;

· статистический анализ по методу Монте-Карло;

· расчет чувствительности;

· расчет наихудшего случая;

· учет задержек распространения сигналов в цифровых компонентах;

· параметрическую оптимизацию.

Большинство современных CAE-систем для проектирования электронных устройств используют формат SPICE. Это формат входного языка проектирования, который поддерживается большинством универсальных САПР электронных устройств: Protel, OrCAD, MicroCAP, Proteus и др. Эти САПР можно использовать при проектировании ССУ на уровнях системы в целом и устройств СУ

В состав CAE-систем, традиционно называемые машиностроительными, прежде всего включают программы для моделирования полей физических величин, в том числе анализа прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ. Такие САПР применяются при проектировании элементов устройств СУ.

Формат SPICE

Язык предназначен для описания электрических цепей разной сложности, и он используется для расчета схем во временной и частотной областях, а также в статическом режиме. Эти типы расчетов используются в инженерной практике наиболее часто. При проведении моделирования все элементы схемы заменяются их математическими моделями. Таким образом, SPICE-модели являются полными.

Язык SPICE и системы на его основе используются во многих САПР; существуют разные их модификации. Например, в системе OrCAD 9.2 используется программа PSPICE. Заметим, что в системе OrCAD предусмотрен расчет логических устройств на основе булевой алгебры. Помимо PSPICE существуют и другие программы WinSPICE (некоммерческая программа, распространяется свободно), HSPICE, XSPICE и др. Языки, используемые во всех системах, имеют незначительные отличия и дополнения по сравнению с изначальной версией SPICE.

Язык SPICE может быть использован для моделирования цифровых узлов с использованием только электрических сигналов. Это подразумевает использование полных SPICE-моделей микросхем. Основная сложность, возникающая при полном моделировании внутренней электрической схемы микросхемы при автоматизированном проектировании, связана с размерностью вычислительной задачи и высоким порядком систем уравнений, описывающих цифровой узел. Уже для микросхем средней степени интеграции объем вычислений становится неоправданно большим.

Одним из методов, позволяющих существенно сократить размерность задачи, является использование макромоделей. Однако их удается построить только для очень ограниченного класса цифровых элементов -- триггеров и логических элементов.

Еще одной трудностью, возникающей на пути полного схемотехнического моделирования цифрового узла на основе SPICE-моделей составляющих его элементов, является отсутствие в свободном доступе принципиальных электрических схем, тем более с номиналами пассивных и характеристиками активных элементов. Напротив, большинство крупных фирм старается сохранить эту информацию в тайне (особенно для новых разработок).

В технической документации на микросхемы они лишь иногда приводят структурную схему, которая не дает практически ничего для составления SPICE-моделей.

Виды анализа SPICE

· AC анализ;

· DC анализ;

· анализ DC transfer curve;

· анализ шумов;

· анализ передаточной функции;

· анализ переходных процессов.

Пример использования PSICE в OrCAD 9.2

Схема повышающего конвертора

Рисунок 4.1 -- Повышающий ИСН с транзистором IRFJ120 в силовой цепи

Проведем анализ методом Монте-Карло и проанализируем выходную мощность на R5. Статистический анализ по методу Монте-Карло производится при статистическом разбросе параметров, описанных по директиве.MODEL. Введем в параметры элементов R_VD и C_out статический разброс параметров:

Рисунок 4.2 -- Параметры статического разброса элементов

Рисунок 4.3 -- Параметры моделирования

Рисунок 4.4 -- Результаты моделирования

В результате проведенного анализа методом Монте Карло при N=10, выходная мощность с наибольшей вероятностью в 30% находиться на интервалах 8.428m - 8.434m Вт, а с наименьшей вероятностью 15% - на интервалах 8.397m - 8.417m и 8.434 - 8.447m Вт.