Ссылка для цитирования: Фролов И.В., Григорьев А.В. Перспективы развития систем автоматизированного проектирования // — Сборник материалов студенческой секции VIII всероссийской научно-технической конференции СИТОНИ-2023. — 2023. — №8. — С. 161-165.
Перспективы развития систем автоматизированного проектирования
Фролов И.В., Григорьев А.В.
ФГБОУ ВО «Донецкий национальный технический университет» (г. Донецк)
кафедра «Программная инженерия» им. Л.П. Фельдмана
e-mail: f-r-o-l-ov2000@mail.ru, grigorievalvl@mail.ru
Фролов И.В., Григорьев А.В. Перспективы развития систем автоматизированного проектирования. В статье рассматривается понятие систем автоматизированного проектирования, производится анализ сфер их применения и отраслевой специфики. Особенное внимание уделяется рассмотрению потенциала и перспектив дальнейшего совершенствования существующих систем.
Ключевые слова: САПР, направленность, интеграция, взаимодействие, искусственный интеллект, развитие.
Введение
Системы автоматизированного проектирования (САПР) играют важную роль в современном производстве, обеспечивая эффективное проектирование и моделирование продуктов. Они стали неотъемлемой частью многих отраслей, включая автомобильную промышленность, аэрокосмическую промышленность, медицину и строительство. Однако, как и любая другая технология, САПР постоянно развиваются, и в будущем нас ждут многие интересные инновации. Актуальность рассматриваемой темы обусловлена возрастающей ролью САПР во множестве отраслей сфер производства и услуг. Целью данной работы является изучение систем автоматизированного проектирования с точки зрения их функциональных особенностей и специфики отраслевого применения, а также определение методов перспективного развития данных систем.
1. Определение и типология САПР, краткий обзор возможностей
Для создания механизмов и машин в условиях современного развития техники инженеры должны владеть новейшими методами расчета и проектирования. При проектировании механизмов инженеры-конструкторы обращаются к цифровым моделям. Для их получения используется технология автоматизированного проектирования (САПР).
САПР является автоматизированной системой и выполняет функции проектирования в упрощенном виде, реализуя большое количество информационных данных и технологий. Благодаря этому она способна достичь автоматизации, которая является основной функцией этой технологии.
САПР подразделяется на несколько типов для оптимизации различных задач:
– CAD (Computer-aided design) — комбинированная система для построения 2D/3D моделей;
– CAE (Computer-aided engineering) — системы для инженерного анализа готовых модели;
– CAM (Computer-aided manufacturing) — задает алгоритмы работы для станков с ЧПУ. PLM (Product Lifecycle Management) — прикладное программное обеспечение, автоматизирующее и упрощающее управление жизненным циклом производимых компаниями изделий [1].
2. Отраслевая специфика и анализ САПР в различных предметных областях Системы автоматизированного проектирования являются инструментом, который позволяет инженерам и дизайнерам создавать, анализировать и оптимизировать проекты в различных отраслях. Отраслевые особенности САПР включают в себя использование специализированных функций и инструментов, которые позволяют учесть специфику конкретной отрасли и повысить эффективность работы.
2.1. Сфера строительства и архитектуры
В области архитектуры и строительства эти системы используются для проектирования зданий, сооружений и интерьеров. Они помогают архитекторам и инженерам-строителям создавать сложные трехмерные модели, выполнять расчеты, визуализировать проекты и выпускать документацию. Функции САПР включают такие функции, как:
– создание и редактирование 3D-моделей: моделирование геометрических фигур, добавление материалов и текстур, изменение размеров и пропорций объектов;
– создание чертежей: Создание 2D-чертежей, нанесение и редактирование размеров, текста, штриховки и других обозначений;
– визуализация: создание фотореалистичных изображений и анимации проектов;
– расчеты: выполнение различных расчетов, включая анализ прочности конструкций, расчет дневного света, солнечной радиации и акустики помещений;
– генерация документации: автоматическая генерация отчетов, ведомостей, спецификаций и другой текстовой документации по проекту;
– совместная работа: работа в команде над проектом, принятие замечаний и изменений.
Примеры применения САПР в строительстве:
– Autodesk Revit: мощная система для комплексного проектирования, включающая инструменты для архитектурного, инженерного и строительного проектирования;
– Graphisoft ArchiCAD: популярная программа для создания сложных архитектурных проектов и выпуска чертежей;
– Nemetschek Allplan: система автоматизированного проектирования для строительной отрасли, обеспечивающая полный цикл проектирования от концепции до реализации;
– Trimble SketchUp: программное обеспечение для моделирования и визуализации архитектурных, интерьерных и строительных проектов;
– Renga: разработанная в России система автоматизированного проектирования для информационного моделирования зданий и сооружений.
2.2. САПР в машиностроении
В области машиностроения САПР используется для трехмерного моделирования деталей, узлов и агрегатов, разработки техпроцессов, создания управляющих программ для станков с ЧПУ, прочностных расчетов и анализа конструкций. Основные функции САПР в машиностроении:
– 3D-моделирование: создание и редактирование трехмерных объектов, задание свойств и характеристик;
– параметризация: определение зависимостей между геометрическими параметрами модели, что позволяет быстро модифицировать модель, если требования к изделию изменятся;
– анализ и моделирование: выполнение различных видов анализа (например, прочностного, гидродинамического, теплового) и моделирование процессов и поведения изделия в различных условиях;
– чертежи и документация: Автоматическая генерация чертежей на основе 3D-моделей, спецификаций, деклараций и других текстовых документов;
– проектирование пресс-форм и оснастки: проектирование и разработка пресс-форм, штампов, матриц, направляющих и сборочной оснастки;
– разработка управляющих программ для оборудования с ЧПУ: программирование обрабатывающего, сварочного, лазерного и другого оборудования на станках.
Примеры систем автоматизированного проектирования, используемых в машиностроении:
– CATIA: система автоматизированного проектирования общего назначения, предназначенная для автоматизации задач на всех этапах жизненного цикла изделия — от концептуального проектирования и аналитики до готовности к производству;
– Autodesk Inventor: система трехмерного твердотельного моделирования, используемая для создания цифровых прототипов деталей и узлов;
– Siemens NX: модульная система, включающая средства трехмерного моделирования, инженерного анализа, документирования и проектирования инструмента;
– PTC Creo: система автоматизированного проектирования, охватывающая все этапы разработки изделия — от концепции и эскиза до производственной документации и управляющих программ.
2.3. Электроника и электротехника
В области электроники САПР используется для проектирования печатных плат, интегральных схем, микропроцессоров, беспроводной электроники и других компонентов электронных систем. Функции САПР в области электроники включают:
– 3D-моделирование электронных компонентов и их размещение на печатных платах;
– автоматическое размещение компонентов на печатной плате с учетом заданных ограничений и правил;
– моделирование поведения электронных схем: анализ частотных характеристик, тепловых режимов, электромагнитной совместимости и т.д.;
– подготовка конструкторской и технической документации: чертежи печатных плат, спецификации компонентов, инструкции по сборке и наладке устройств;
– связь с системами автоматизации производства: подготовка данных для станков с числовым программным управлением; программирование станков лазерной резки, фрезерных и сверлильных станков.
Примеры систем автоматизированного проектирования в электронной промышленности:
– Altium Designer — система проектирования электроники с модулями для проектирования печатных плат и моделирования электронных схем;
– Mentor Graphics PADS — система автоматизированного проектирования, специализирующаяся на проектировании интегральных схем и систем-на-кристалле;
– Eagle — бесплатное программное обеспечение для проектирования печатных плат с возможностью моделирования электронных схем и создания проектной документации.
САПР всё чаще используются в области компьютерной анимации и спецэффектов в кино, рекламе и технической документации. Иными словами, даже такие вещи, как флаконы для духов и дозаторы для шампуня, проектируются с использованием информационных технологий столь обыденных для нас, но невероятных для инженеров начала XXI века.
Таким образом, отраслевые особенности САПР во многом определяются спецификой отрасли, в которой она используется, и решаемой проблемой.
3. Перспективы дальнейшего развития САПР
Несмотря на обширный функционал и высокую вычислительную точность, разработчики современных САПР из разных отраслей постоянно находятся в поиске методов оптимизации и модернизации их работы. Наиболее перспективными путями развития и расширения функциональных особенностей являются интеллектуализация (интеграция САПР с системами искусственного интеллекта (ИИ)), функциональная модернизация путём применения дополненной реальности, а также применение облачных технологий разработки продуктов (концепция PLM) [2]. Рассмотрим указанные направления подробнее.
3.1. Интеллектуализация САПР
Искусственный интеллект (ИИ) играет важную роль в промышленном проектировании и подготовке квалифицированных кадров, поскольку он может автоматизировать и провести оптимизацию многих процессов, требовавших значительных усилий и «ручного» исполнения. В области искусственного интеллекта исследования проводились в областях консультирования экспертных систем, распознавания образов и сцен, автоматического доказательства теорем, автоматической генерации программного кода, обработки естественного языка, планирования поведения роботов. Он применялся или может быть применен в САПР [3].
Интеллектуализация САПР подразделяется на уровни соразмерно с масштабностью роли ИИ в решении конкретных задач:
– первый уровень: средства ИИ используются как компоненты отдельных подсистем САПР для решения подзадач, которые не могут быть решены или решаются только формальными методами;
– второй уровень: в системе, построенной на традиционных принципах, будут существовать подсистемы (конструкции или сервисы), полностью организованные в соответствии с методами ИИ;
– третий уровень интеллекта достигается, когда САПР полностью построена на организационных принципах системы ИИ и использует как формальные, так и перспективные процедуры проектирования [3].
Некоторые способы, которыми ИИ может быть использован в промышленном проектировании:
– генеративное проектирование: ИИ может использоваться для создания оптимальных дизайнерских решений на основе заданных параметров. Это может включать в себя все, от проектирования деталей двигателя до оптимизации расположения оборудования на заводе;
– автоматизация процессов: ИИ может автоматизировать многие процессы, связанные с проектированием, такие как моделирование, тестирование и оптимизация;
– прогнозирование и анализ: ИИ может использоваться для прогнозирования поведения проектируемых систем и анализа данных, что может помочь инженерам принимать обоснованные решения;
– обучение и адаптация: ИИ может обучаться и адаптироваться к изменяющимся условиям, что имеет особую ценность в стремительно развивающихся отраслях (например, автомобилестроение и космическая промышленность).
Таким образом, ИИ может значительно улучшить эффективность и точность промышленного проектирования.
3.2. Виртуальная реальность в САПР
Виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR) уже активно применяются в различных областях, в том числе и в САПР. С помощью этих технологий можно создавать виртуальные прототипы объектов, проводить виртуальные презентации проектов и даже выполнять некоторые задачи в реальном времени. Например, инженеры могут использовать VR и AR для моделирования сложных процессов и конструкций или проведения виртуальных встреч с коллегами из других городов и даже стран. Они позволяют инженерам и дизайнерам визуализировать и взаимодействовать с 3D-моделями в более интуитивном и реалистичном контексте. Это может помочь в более точном проектировании и тестировании продуктов. Кроме того, эти технологии позволяют существенно сократить сроки разработки проектов и снизить производственные затраты.
3.3. Облачные технологии и жизненный цикл продукции
Управление жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management, PLM) — перспективное направление развития САПР. PLM-системы организуют совместную работу над проектами, управляют данными и документацией об изделии на всех этапах жизненного цикла и обеспечивают более эффективное и результативное управление изделием, делая работу над проектом более эффективной, сокращая время разработки и производственные затраты. Инженеры и конструкторы могут работать над проектами из любой точки мира благодаря мощным вычислительным ресурсам и большим хранилищам данных. Кроме того, облачные технологии облегчают совместную работу и обмен данными между командами. Платформа 3dEXPERIENCE — это сервис, который позволяет реализовать такой подход.
Платформа предлагает современную архитектуру и масштабируемость (3d Experience может быть развернута в организациях любого размера и доступна с любого устройства), настраиваемые рабочие интерфейсы (система дашбордов позволяет пользователям настраивать интерфейсы индивидуально или корпоративные дашборды), вовлечение бизнес-пользователей (в отличие от многих традиционных PLM/PDM-систем, работа на платформе 3d Experience не сосредоточена только на инженерных данных, работа с инженерными объектами (только инженерные данные, не инженерные объекты).
Платформа 3D Experience зарекомендовала себя как надежный и полезный инструмент для всех сложных изделий у десятков мировых лидеров в отраслях машиностроения, судостроения, авиации и многих других.
Выводы
Таким образом, САПР представляют собой комплекс инструментов, обеспечивающих автоматизацию процесса разработки продукции. Отраслевая спецификация систем автоматизации проектирования обусловлена особенностями и целевой направленностью конкретных отраслей применения. Перспективы развития САПР обещают множество инноваций, которые могут значительно улучшить процесс проектирования и производства. От интеграции с ИИ до использования виртуальной реальности и облачных технологий, будущее САПР выглядит полным возможностей. Дальнейшим развитием данного исследования может послужить разработка собственного интеграционного проекта существующих САПР и систем ИИ, VR/AR, PLM.
Литература
1. Сообщество IT-специалистов habr.com [Электронный ресурс] / Интернет-ресурс. Режим доступа: https://habr.com/ru/companies/ds/articles/598233/. – Загл. с экрана.
2. Новостной портал vc.ru [Электронный ресурс] / Интернет-ресурс. Режим доступа: https://vc.ru/design/98856-evolyuciya-3d-sapr-proektirovaniya. – Загл. с экрана.
3. Личный сайт fedoruk.comcor.ru [Электронный ресурс] / Интернет-ресурс. Режим доступа: http://fedoruk.comcor.ru/AI/ai_lect.html. – Загл. с экрана.