Компьютерное проектирование ( САПР ) — это использование компьютеров (илирабочие станции ), чтобы помочь в создании, изменении, анализе или оптимизациипроекта.[1] : 3 Это программное обеспечение используется для повышения производительности проектировщика, улучшения качества проектирования, улучшения связи посредством документации и создания базы данных для производства.[1] : 4 Проекты, созданные с помощью программного обеспечения САПР, помогают защитить продукты и изобретения при использовании впатентныхзаявках. Выходные данные САПР часто представлены в виде электронных файлов для печати, механической обработки или других производственных операций.Также используютсятермины«компьютерное черчение»(CAD) и«компьютерное проектирование и черчение»(CADD[2]
Его использование при проектировании электронных систем известно как автоматизация электронного проектирования ( EDA ). В механическом проектировании это известно как автоматизация механического проектирования ( MDA ), которая включает в себя процесс создания технического чертежа с использованием компьютерного программного обеспечения . [3]
Программное обеспечение САПР для механического проектирования использует либо векторную графику для изображения объектов традиционного черчения, либо может также создавать растровую графику , показывающую общий внешний вид спроектированных объектов. Однако здесь речь идет не только о формах. Как и при ручном составлении технических и инженерных чертежей , выходные данные САПР должны передавать такую информацию, как материалы , процессы , размеры и допуски , в соответствии с соглашениями, специфичными для конкретного приложения.
САПР можно использовать для проектирования кривых и фигур в двумерном (2D) пространстве; или кривые, поверхности и твердые тела в трехмерном (3D) пространстве. [4] [5] : 71, 106
САПР — важное промышленное искусство, широко используемое во многих приложениях, включая автомобильную , судостроительную и аэрокосмическую промышленность, промышленное и архитектурное проектирование ( информационное моделирование зданий ), протезирование и многие другие. САПР также широко используется для создания компьютерной анимации для спецэффектов в фильмах, рекламе и технических руководствах, что часто называют созданием цифрового контента DCC . Современное повсеместное распространение и мощь компьютеров означает, что даже флаконы для духов и дозаторы шампуней разрабатываются с использованием технологий, неслыханных инженерам 1960-х годов. Из-за своего огромного экономического значения САПР стала основной движущей силой исследований в области вычислительной геометрии , компьютерной графики (как аппаратной, так и программной) и дискретной дифференциальной геометрии . [6]
В частности, разработку геометрических моделей форм объектов иногда называют компьютерным геометрическим проектированием ( CAGD ). [7]
Компьютерное проектирование — один из многих инструментов, используемых инженерами и дизайнерами, и применяется по-разному в зависимости от профессии пользователя и типа рассматриваемого программного обеспечения.
САПР является частью всей деятельности по разработке цифрового продукта (DPD) в рамках процессов управления жизненным циклом продукта (PLM) и поэтому используется вместе с другими инструментами, которые представляют собой либо интегрированные модули, либо автономные продукты, такие как:
САПР также используется для точного создания фотомоделаций, которые часто требуются при подготовке отчетов о воздействии на окружающую среду, в которых компьютерные проекты предполагаемых зданий накладываются на фотографии существующей среды, чтобы представить, каким будет это место, где будут происходить изменения. предлагаемые объекты разрешены к строительству. Потенциальное закрытие коридоров обзора и исследования теней также часто анализируются с помощью CAD. [8]
Существует несколько различных типов САПР, [9] каждый из которых требует от оператора по-разному думать о том, как их использовать, и по-разному проектировать их виртуальные компоненты. Практически все инструменты САПР полагаются на концепции ограничений , которые используются для определения геометрических или негеометрических элементов модели.
Существует множество производителей недорогих систем 2D-эскизов, включая ряд бесплатных программ с открытым исходным кодом. Они обеспечивают подход к процессу рисования, при котором масштаб и расположение на листе чертежа можно легко отрегулировать в окончательном проекте по мере необходимости, в отличие от рисования вручную.
3D- каркас — это расширение 2D-черчения в трехмерном пространстве . Каждую линию приходится вставлять в чертеж вручную. Конечный продукт не имеет связанных с ним массовых свойств и не может иметь непосредственно добавленных к нему элементов, таких как отверстия. Оператор подходит к ним так же, как и к 2D-системам, хотя многие 3D-системы позволяют использовать каркасную модель для создания окончательных видов инженерного чертежа.
«Тупые» 3D-тела создаются аналогично манипуляциям с объектами реального мира. К базовым трехмерным геометрическим формам (например, призмам, цилиндрам, сферам или прямоугольникам) добавляются или вычитаются твердые объемы, как при сборке или резке реальных объектов. На основе моделей можно легко создать двумерные проекции. Базовые 3D-тела обычно не включают в себя инструменты, позволяющие легко разрешить движение компонентов, установить ограничения на их движение или выявить взаимодействие между компонентами.
Существует несколько видов твердотельного 3D- моделирования.
Топовые CAD-системы предлагают возможность включать в проекты более органичные, эстетические и эргономичные функции. Моделирование поверхности произвольной формы часто сочетается с твердыми телами, что позволяет дизайнеру создавать продукты, которые соответствуют форме человека и визуальным требованиям, а также взаимодействуют с машиной.
Первоначально программное обеспечение для систем САПР разрабатывалось с использованием таких языков программирования, как Фортран , АЛГОЛ , но с развитием методов объектно-ориентированного программирования ситуация радикально изменилась. Типичный современный параметрический инструмент моделирования на основе элементов и системы поверхностей произвольной формы построены на основе ряда ключевых модулей C со своими собственными API . Систему САПР можно рассматривать как созданную в результате взаимодействия графического пользовательского интерфейса (GUI) с геометрией NURBS или данными представления границ (B-rep) через ядро геометрического моделирования . Механизм ограничений геометрии также может использоваться для управления ассоциативными связями между геометрией, например, геометрией каркаса в эскизе или компонентами в сборке.
Неожиданные возможности этих ассоциативных отношений привели к появлению новой формы прототипирования , называемой цифровым прототипированием . В отличие от физических прототипов, которые влекут за собой время изготовления при проектировании. Тем не менее, модели САПР могут быть созданы на компьютере после сканирования физического прототипа с помощью промышленного компьютерного томографа . В зависимости от характера бизнеса изначально могут быть выбраны цифровые или физические прототипы в соответствии с конкретными потребностями.
Сегодня системы САПР существуют для всех основных платформ ( Windows , Linux , UNIX и Mac OS X ); некоторые пакеты поддерживают несколько платформ. [11]
В настоящее время для большинства программ САПР не требуется специального оборудования. Однако некоторые CAD-системы могут выполнять задачи, требующие больших графических и вычислительных затрат, поэтому можно рекомендовать современную видеокарту , высокоскоростной (и, возможно, несколько) процессор и большой объем оперативной памяти .
Человеко-машинный интерфейс обычно осуществляется с помощью компьютерной мыши , но также может осуществляться с помощью ручки и графического планшета . Манипулирование видом модели на экране также иногда осуществляется с помощью Spacemouse/SpaceBall . Некоторые системы также поддерживают стереоскопические очки для просмотра 3D-модели . Технологии, которые раньше ограничивались более крупными установками или специализированными приложениями, теперь стали доступны широкой группе пользователей. К ним относятся CAVE или HMD и интерактивные устройства, такие как технология обнаружения движения.
Начиная с IBM Drafting System в середине 1960-х годов, системы автоматизированного проектирования начали предоставлять больше возможностей, чем просто возможность воспроизводить чертежи вручную с помощью электронных чертежей, и экономическая выгода для компаний при переходе на САПР стала очевидной. Программное обеспечение автоматизировало многие задачи, которые сегодня считаются само собой разумеющимися в компьютерных системах, такие как автоматическое создание спецификаций материалов , автоматическая компоновка в интегральных схемах , проверка на помехи и многие другие. Со временем САПР предоставила проектировщику возможность выполнять инженерные расчеты. [5] Во время этого перехода расчеты по-прежнему выполнялись либо вручную, либо теми людьми, которые могли запускать компьютерные программы. САПР стало революционным изменением в машиностроительной отрасли, где роли чертежника, дизайнера и инженера, которые раньше были отдельными, начали сливаться. САПР — пример того всепроникающего влияния, которое компьютеры начали оказывать на отрасль. Современные пакеты программного обеспечения для автоматизированного проектирования варьируются от 2D- систем векторного черчения до 3D-средств твердотельного и поверхностного моделирования . Современные пакеты САПР также часто допускают вращение в трех измерениях, позволяя просматривать спроектированный объект под любым желаемым углом, даже изнутри. [5] Некоторые программы САПР способны выполнять динамическое математическое моделирование. [5]
Технология САПР используется при проектировании инструментов и машин, а также при проектировании и проектировании всех типов зданий, от небольших жилых домов (домов) до крупнейших коммерческих и промышленных сооружений (больниц и фабрик). [12]
САПР в основном используется для детального проектирования 3D-моделей или 2D-чертежей физических компонентов, но также используется на протяжении всего процесса проектирования, от концептуального проектирования и компоновки изделий, через прочностной и динамический анализ сборок до определения методов изготовления компонентов. Его также можно использовать для проектирования таких объектов, как ювелирные изделия, мебель, бытовая техника и т. д. Кроме того, многие приложения САПР теперь предлагают расширенные возможности рендеринга и анимации, поэтому инженеры могут лучше визуализировать проекты своих продуктов. 4D BIM — это тип виртуального моделирования строительства, включающий информацию, связанную со временем или графиком, для управления проектом.
CAD стал особенно важной технологией в сфере компьютерных технологий , имеющей такие преимущества, как снижение затрат на разработку продукта и значительно сокращенный цикл проектирования . САПР позволяет дизайнерам компоновать и разрабатывать работы на экране, распечатывать их и сохранять для будущего редактирования, экономя время при работе с чертежами.
В 2000-х годах некоторые поставщики программного обеспечения для систем САПР поставляли свои дистрибутивы со специальным программным обеспечением-менеджером лицензий, которое контролировало, как часто и сколько пользователей могут использовать систему САПР. [5] : 166 Он мог работать либо на локальном компьютере (путем загрузки с локального устройства хранения), либо на файловом сервере локальной сети , и в последнем случае обычно был привязан к определенному IP-адресу. [5] : 166
Программное обеспечение САПР позволяет инженерам и архитекторам проектировать, проверять и управлять инженерными проектами с помощью интегрированного графического интерфейса пользователя (GUI) в системе персонального компьютера . Большинство приложений поддерживают твердотельное моделирование с граничным представлением (B-Rep) и геометрию NURBS и позволяют публиковать их в различных форматах. [ нужна цитата ]
Согласно рыночной статистике, коммерческое программное обеспечение от Autodesk, Dassault Systems, Siemens PLM Software и PTC доминирует в отрасли САПР. [13] [14] Ниже приводится список основных приложений САПР, сгруппированных по статистике использования. [15]
Учебные материалы по компьютерному проектированию в ВикиверситетеУчебные материалы, связанные с компьютерным геометрическим дизайном, в Викиверситете