Компания Autodesk представляет на рынке широкую гамму программных продуктов для работы с 3D-контентом. Многие из этих систем имеют чрезвычайно богатый функционал, ориентированный на определенную специализацию, будь то конструирование, дизайн, анимация или технологическое проектирование. Сегодня мы поговорим еще об одном достаточно интересном решении Autodesk – комплексе Fusion 360.

3D вне 3ds Max – это возможно!

Система Fusion 360 позиционируется как универсальное средство, ориентированное на небольшие группы конструкторов-разработчиков. Особенностью Fusion 360 является тесная интеграция с сетевым хранилищем Autodesk. После установки программы и создания учетной записи пользователь получает возможность работать с содержимым проектов, практически не заботясь об их локальном расположении (хотя оно предусмотрено). Такой подход позволяет организовать эффективную коллективную работу и контроль версий проектов.

Интерфейс Fusion 360 достаточно лаконичен: лента с группами команд, рабочая область с инструментами управления видом, браузер структуры объекта.

Собственно, управление проектами осуществляется посредством несложного инструментария Data Panel, открываемого соответствующей кнопкой из панели быстрого доступа (рис. 1).

После создания проекта (кнопка New Project в Data Panel) и открытия его папки можно приступать к созданию файлов компонентов. Интересная особенность Fusion 360 – добавление компонента любого типа осуществляется универсальной командой New Design из панели быстрого доступа. Что будет представлять собой компонент – решит в дальнейшем пользовательконструктор. Это может быть деталь, сборка, визуализация, анимация, прочностной расчет или проект станочной обработки (рис. 2). Доступ к соответствующему инструментарию предоставляет меню Change Workspace ленты.

Базовым набором команд и соответствующей рабочей средой для создания изделий является MODEL – с её помощью осуществляется геометрическое моделирование деталей, а также интеграция их в узлы и сборки (рис. 3). С этого мы и начнем знакомство с функционалом Fusion 360.

Порядок геометрического проектирования типичен для большинства приложений аналогичного назначения: создается эскиз (группа команд SKETCH), на его базе генерируется объемная форма (группа команд CREATE), добавляются и редактируются необходимые конструктивные элементы (группа команд MODIFY) и далее процесс итеративно продолжается до получения необходимой конфигурации 3D-модели. Кроме того, имеются инструменты для работы со сборками (ASSEMBLE) и вспомогательной геометрией (CONSTRUCT).

Если речь идет о цифровом прототипировании объектов, имеющих сложную геометрическую форму, то дизайнеру или конструктору не обойтись без такого средства, как Attached Canvas – это изображение- подложка, по которой удобно контролировать форму 3D-модели. При создании объекта Canvas ему задается плоскость расположения, уровень прозрачности и размеры (рис. 4).

“Вылепить” по объекту Canvas необходимую форму позволяет набор инструментов SCULPT, доступ к которому открывает команда Create Form из группы MODEL. Базовым инструментом “скульптинга” является Face – грань, для которой указывается плоскость размещения и количество сторон (Number of Sides). Для удобства конструирования формы плоскость грани выбирается параллельной объекту Canvas (рис. 5).

При создании грани требуется последовательно указать её вершины в соответствии с количеством сторон. Вершины задаются по контуру подложки (Canvas), причем после завершения построения первой грани можно начать создавать следующую, выбрав в качестве начальной вершины одну из уже имеющихся (рис. 6).

Откорректировать расположение какой-либо из вершин позволяет универсальный инструмент трансформации – Edit Form (рис. 7). Манипуляторы Edit Form позволяют выбрать направление и величину смещения (поворота). Окно настройки Edit Form дает возможность выбрать режим использования команды (Transformation Mode) – смещение, вращение, масштабирование или их сочетание, установить расположение осей манипулятора (Coordinate Space) в локальной, экранной или глобальной системе координат. Здесь же устанавливаются фильтры выбора бъектов трансформации (Selection Filter) для работы с выделенными вершинами, ребрами, гранями.

После выбора объектов точную величину их трансформации в указанном направлении позволяют задать поля ввода (рис. 8).

Многие моделируемые объекты обладают симметрией, реализовать которую помогает инструмент Mirror – Duplicate (рис. 9). Особенность этой команды в том, что она не только создает зеркальную копию выбранных объектов относительно указанной плоскости, но и поддерживает симметрию при трансформациях.

В случаях, когда необходимо соединить между собой вершины несмежных граней, следует воспользоваться средством Weld Vertices (рис. 10).

После объединения двух предварительно выделенных вершин, Weld Vertices позволяет до нажатия OK в окне команды продолжать “сваривание” указываемых пар точек (рис. 11).

При реализации сложной геометрии обычно рекомендуется изначально не использовать большое количество граней – согласно принципу “низкой полигональности”.

Но по мере уточнения формы может возникнуть необходимость создания, например, дополнительных вершин командой Insert Point (рис. 12).

При этом указываемые вершины автоматически соединяются в цепочки ребер (рис. 13).

Если при создании модели использовалась команда-настройка Mirror-Duplicate, то объекты (вершины, ребра), добавляемые с “одной стороны”, будут автоматически генерироваться и с “другой”.

Еще раз подчеркнем, что свойства “зеркала” будут распространяться, например, и на перемещения элементов геометрии (рис. 14).

Для более точного контроля формы имеющиеся ребра можно разделять командой Bevel Edge (рис. 15). При этом расстояние между ребрами-клонами устанавливается (посредством манипулятора или в поле ввода) в виде относительного значения длины ребер, поддерживающих редактируемое.

В арсенале Fusion 360 команда, аналогичная соединению вершин, существует и для ребер. Она называется Bridge и требует указания двух наборов ребер (Side One и Side Two), между которыми будут созданы соединяющие грани (рис. 16).

Поле Faces окна команды Bridge позволяет задать количество сегментов, на которые будет разбита каждая из соединяющих граней (рис. 17).

Используя переключатели команды Display Mode или соответствующие горячие клавиши, можно проанализировать, каким образом будет выглядеть модель в “сглаженном” виде (Smooth) по сравнению с исходным “фасеточным” (Box). Несложно заметить, что “открытые” ребра по умолчанию интерпретируются как “жесткие” (рис. 18).

Добавить “закрытому” ребру “жесткости” позволяет классический прием полигонального моделирования – создание ребра (ребер) поддержки.

Для этого к выделенным ребрам необходимо применить команду Insert Edge (рис. 19). В окне команды следует также определить направление добавления ребра (Insertion Side) и его расположение (Insert Location).

Контроль уточненной формы модели удобно вести в комбинированном режиме отображения (Control Frame Display) команды Display Mode (рис. 20).

Конвертировать поверхностную модель в твердотельную позволяет команда Thicken (рис. 21). Она добавляет к выбранным граням (Faces) толщину (Thickness). При этом добавление объема производится по нормали к каждому участку поверхности, что в местах “перегибов” может привести к образованию “круток”. Одним из вариантов борьбы с этим явлением является коррекция расположения вершин или поворот “выгнутых” ребер. Но не нужно забывать о том, что этот узел проблем можно буквально разрубить соответствующей булевой операцией.

Для этого, сначала на подходящей плоскости достаточно изобразить эскизный контур (рис. 22) – например, в виде прямоугольника (2-Point Rectangle).

Контур необходимо расположить и образмерить так, чтобы его проекция пересекала “ненужные” части объема (рис. 23).

И, наконец, к созданному контуру следует применить команду выдавливания Extrude – с опцией вырезания (Cut), заданием направлений выдавливания (Direction) и расстояний (Distance) вдоль каждого из них. В качестве расстояния можно указать не конкретную величину (высоту выдавливания), а всё пространство модели по варианту All (рис. 24).

Итак, по мере работы над моделью к ней применялись различные команды с множеством опций.

Что делать, если необходимо обратиться к их настройкам для внесения каких-либо изменений? Для этого в системе Fusion 360 фирмой Autodesk был реализован интересный инструментарий – Design History (рис. 25). Это интерактивная история создания модели, визуально выполненная в виде “плеера”, кнопки которого позволяют “перейти” к любой стадии работы над проектом. Выбрать интересующий этап (команду или объект) можно также непосредственно на линейке Design History. После этого в контекстном меню объекта станут доступны команды его редактирования – например, Edit Feature (редактировать элемент) или Edit Profile Sketch (редактировать эскиз).

Вообще, после знакомства с подсистемой трехмерного моделирования Fusion 360, нетрудно заметить сходство с соответствующим функционалом более “тяжелых” приложений от Autodesk, а именно 3ds Max и Inventor. По всей видимости, такой “самоповтор” или “перекомпиляция” имеет смысл. Во-первых, почему бы не использовать в новых продуктах действительно сильные стороны уже существующих?

Во-вторых, анализ рынка САПР и мультимедиа, проведенный маркетологами Autodesk, показал потребность широкого круга пользователей в универсальных программных средствах, эффективных с одной стороны и простых в использовании с другой.

Насколько правильным окажется такой подход Autodesk, покажет время. Степень интереса к Fusion 360 на сегодняшний день можно оценить по количеству пользователей программы и уровню их проектов, представленных в онлайн-галерее.

 Сопромат in action!

Ни для кого не секрет, что современные системы автоматизированного проектирования являются не только электронными кульманами – помимо достойного инструментария для создания трехмерных моделей деталей и узлов, они должны обладать развитыми средствами аналитики.

Рассмотрим под этим углом новый продукт фирмы Autodesk. Допустим, что первый этап работы уже выполнен – спроектирована деталь, например пуансон.

Далее конструктора интересует, насколько эта деталь будет соответствовать условиям нагружения. Для проведения такого типа анализа с помощью меню Change Workspace необходимо перейти в среду SIMULATION (рис. 26).

При загрузке среды SIMULATION система Fusion 360 дает запрос на то, какой именно тип анализов будет выполняться: статический, динамический или температурный. Для нашей детали – пуансона – из предлагаемых вариантов мы остановимся на первом (рис. 27).

Среда SIMULATION позволяет определить несколько направлений анализа. Для каждого из них в браузере программы создается “ветка” с отдельными параметрами материалов (Materials), связей (Constraints) и нагрузок (Loads). Для добавления анализа в среде SIMULATION служит кнопка STUDY.

Обычно анализ начинают с задания материала элементам модели. Кнопка MATERIAL на ленте открывает окно, в котором каждой детали (или телу) можно сопоставить материал из выпадающего списка. Для пуансона мы выбираем сталь (рис. 28).

Далее необходимо определить условия закрепления компонента конструкции и задать их в модели. В нашем примере пуансон будет фиксироваться на матрице посредством крепежа, установленного в специальных монтажных отверстиях. Связи-крепления позволяет добавить в анализ группа команд CONSTRAINT среды SIMULATION. В данном случае выберем связь типа Fixed (крепёж), а в качестве базовых элементов (Targets) укажем кромки четырех отверстий, расположенных по углам детали (рис. 29).

На следующем шаге подготовки анализа зададим нагрузку, используя меню LOAD. В приведенном перечне нагрузок есть возможность определить сосредоточенные силы (Force), моменты (Moment), задать силу тяжести (Gravity). Будем считать, что наиболее существенную роль в картине напряжений детали пуансона будет играть давление литьевого материала на рабочую поверхность детали. Поэтому в качестве нагрузки выберем Pressure (давление). В окне настройки нагрузки укажем все грани пуансона (Targets), с которыми будет контактировать материал отливки, а в качестве величины давления (Magnitude) введем 100 МПа (рис. 30).

Таким образом, исходные данные для анализа подготовлены, а соответствующие настройки доступны для редактирования в браузере. Самое время приступить к прочностному расчету, используя для этого команду SOLVE среды SIMULATION. В результате выполнения расчета на нашу модель детали в рабочем поле накладывается карта распределения значений аналитических характеристик, по структуре которой достаточно легко определить наиболее ослабленные части конструкции (рис. 31). Цветовая шкала, расположенная рядом с моделью, дает возможность численно оценить значения каждой из выбранных характеристик, будь то коэффициент запаса прочности (Safety Factor), величина напряжений (Stress) или деформаций (Displacement). В нашем случае, например, карта деформаций свидетельствует, что при данных условиях анализа в средней части пуансона будет значительная деформация (~ 0.3 мм).

Решить эту проблему проще всего будет, отредактировав условия закрепления детали. Для этого необходимо найти в браузере соответствующий элемент группы Constraints и выполнить для него команду Edit (рис. 32).

При редактировании закрепления пуансона добавим фиксацию к кромкам отверстий, расположенных в средней части детали (рис. 34).

После этого выполним повторно аналитический расчет (команда SOLVE). Мы видим, что теперь максимальные деформации переместились с базы пуансона на рабочую поверхность, а их величина стала практически в 10 раз меньше по сравнению с предыдущим расчетом (рис. 35).

С точки зрения практики конструирования, достичь допускаемых значений напряжений и деформаций можно было коррекцией формы детали или выбором более прочного материала. Тогда для этого следовало вернуться в среду MODEL и внести правки в эскизы и объемные элементы или же воспользоваться инструментом MATERIAL среды SIMULATION.

В любом случае, какой бы метод конструкторской оптимизации мы не избрали, система Autodesk Fusion 360 позволяет достаточно быстро выполнить его проверку согласно заданным условиям анализа.

Александр Юрьевич Стремнев – канд. техн. наук, доцент кафедры информационных технологий Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.