1. Описание функциональных характеристик программного обеспечения САРУС+ CAD/CAM

1.1. Введение

1.1.1. Использование материалов

Настоящий документ является собственностью ООО «ТопС Бизнес Интегратор». Никакая часть этого документа не может быть передана, в том числе временно, для ознакомления без письменного согласия ООО «ТопС Бизнес Интегратор».

1.1.2. Обратная связь/контактная информация

Контактная информация для вопросов и обратной связи доступна на странице: https://sarusplus.ru/contacts

1.1.3. Общие положения

В настоящем документе приводится описание работы ПО «CАРУС+» CAD/CAM, предназначенного для разработки конструкций из слоистых композиционных материалов.

1.2. Назначение и функциональные блоки ПО «САРУС+» CAD/CAM

В процессе проектирования и подготовки производства изделий из композиционных материалов необходимы специализированные инструменты, учитывающие особенности этих материалов: анизотропию свойств, сложность укладки слоев, необходимость точного раскроя и оптимизации расположения разверток на рулоне материала.

ПО САРУС+ CAD/CAM предназначено для решения этих задач, обеспечивая инженеров и технологов комплексной средой для разработки и подготовки производства композитных конструкций.

ПО САРУС+ CAD/CAM позволяет:

автоматизировать проектирование с учетом специфики композитов, включая описание слоистых структур и моделирование процесса выкладки композиционного материала на поверхность оснастки;

оптимизировать процессы раскроя и укладки материала, сокращая затраты и минимизируя отходы;

упростить взаимодействие между отделами предприятия за счет использования единой цифровой платформы.

ПО САРУС+ CAD/CAM состоит из функциональных блоков:

В части функционала CAD:

• проектирование послойной структуры композитной детали;

• анализ послойной структуры;

• моделирование драпировки ткани на криволинейных поверхностях;

• устранение технологических проблем;

• получение контуров плоских разверток.

В части функционала CAM:

• подготовка данных для лазерных проекционных систем;

• выполнение оптимизации расположения разверток на ширине рулона композиционного материала;

• подготовка данных для раскроя.

1.3. САРУС+ CAD

1.3.1. Проектирование послойной структуры композитной детали

В блоке реализована возможность формирования описания композитного пакета. Композитный пакет — это многослойная структура, которая является основным проектируемым объектом для изделий из композиционных материалов.

Объект «Композитный пакет» объединяет упорядоченную совокупность слоев с уникальными параметрами, технологическую инструкцию для производства с определенным порядком операций.

В составе блока предусмотрены команды:

• «Пакет»;

• «Композитная система координат»;

• «Слой».

1.3.1.1. Команда «Пакет»

Предназначена для описания объекта — композитный пакет (рис. 1).

Композитный пакет — объект, описывающий форму изделия на промежуточных (с припуском) и финальных (по номиналу) этапах производства.

Рис. 1. Диалоговое окно команды «Пакет»

После создания композитный пакет доступен в «Навигаторе модели» (рис. 2) и позволяет задавать исходные геометрические данные о поверхности, направлении выкладки и параметрах границ пакета.

Рис. 2. Пакет в «Навигаторе модели»

Композитный пакет хранит информацию о поверхности и направлении выкладки композиционного материала, границе конструкторской геометрии детали, выступает в качестве инструмента группировки слоев, а также инструмента анализа совокупной информации о слоях (например, суммарная масса пакета, положение центра масс и т.д.).

При выделении композитного пакета в «Навигаторе модели» в 3D-сцене визуализируется граница пакета (1) и направление выкладки (2). (рис. 3).

Рис. 3. Границы пакета

Для каждой композитной детали обязательно наличие композитного пакета.

1.3.1.2. Команда «Композитная система координат»

Команда «Композитная система координат» предназначена для создания системы координат композитного пакета — локальной системы отсчета, которая определяет основные направления ориентации волокон в каждом слое (рис. 4).

Рис. 4. Диалоговое окно команды «Композитная СК»

Созданные объекты типа «Композитная СК» становятся доступны для просмотра и редактирования свойств в «Навигаторе модели».

При выделении композитной СК в «Навигаторе модели», она визуализируется в 3D-сцене (рис. 5).

Рис. 5. Отображение композитной системы координат

1.3.1.3. Команда «Слой»

Основной инструмент для создания и управления отдельными слоями композиционного материала. Команда предназначена для описания послойной структуры композитного пакета методом послойного проектирования, создания объектов «Слой» с заполнением текстовых параметров и выбором геометрии слоя (рис. 6).

Рис.6. Диалоговое окно команды «Слой»

Результатом выполнения является создание объекта «Слой» в «Навигаторе модели» с возможностью редактирования его свойств: имени слоя, шага, ориентации, выбора композитного пакета, выбора системы координат, выбора композиционного материала, границы слоя, выбора начальной точки укладки.

При выделении слоя в «Навигаторе модели» все связанные геометрические объекты визуализируются в 3D-сцене (рис. 7).

Рис. 7. Отображение точки начала выкладки, ориентации и границы слоя в 3D-сцене

1.3.2. Анализ послойной структуры

Блок анализа предназначен для выполнения комплексной проверки и оценки параметров разработанной композитной конструкции. В данном блоке представлены инструменты, которые позволяют проанализировать структуру пакета, получить информацию о массово-инерционных характеристиках пакета, детальную информацию о характеристиках укладки в выбранной точке, выполнить сечение модели плоскостью, а также определить отклонения фактической ориентации волокон композиционного материала от заданных направлений.

Функции блока:

• «Сечение плоскостью»;

• «Анализ отклонений»;

• «Анализ укладки»;

• «Анализ пакета».

1.3.2.1. Команда «Сечение плоскостью»

Предназначена для визуализации послойной структуры композитного пакета в сечении плоскостью.

Построение сечений композитного пакета применяется конструкторами и технологами при моделировании изделий из композиционных материалов и служит для представления послойной структуры композитного пакета с целью контроля состава пакета в требуемых областях. Сечения отображают цветами слои с различной ориентацией материала и настраиваются пользователем для изменения параметров визуализации (масштаб, внешний вид сечения, область построения) (рис. 8).

Рис.8. Диалоговое окно «Сечение плоскостью»

Поддерживаются два режима отображения:

• схематичное — отображает идеализированную, расчетную структуру укладки;

• драпированное — позволяет визуализировать фактическое расположение слоев после драпировки композиционного материала на поверхности.

Результатом выполнения команды является создание объекта «Сечение плоскостью» в «Навигаторе модели» с возможностью редактирования параметров сечения для изменения типа, масштаба, границ.

Послойная структура композитного пакета в сечении плоскостью отображается в 3D-сцене (рис. 9).

Рис.9. Послойная структура композитного пакета

1.3.2.2. «Анализ отклонений»

Функция предназначена для анализа локальных отклонений волокон относительно заданной конструктором ориентации слоя. Решает ключевые задачи:

• контроль соответствия требуемым механическим характеристикам;

• оценка влияния кривизны поверхности на ориентацию волокон слоя;

Функция основывается на результатах применения двух команд — «Слой» и «Драпировка». Допустимое отклонение задается при создании композитной системы координат.

Результатом выполнения команды является цветовое изображение областей сетки на модели, где выявлены отклонения. Степень отклонения соответствует различным цветам сетки (рис. 10).

Рис. 10. Результат анализа слоя на отклонения

1.3.2.3. Команда «Анализ укладки»

Предназначена для анализа укладки композиционных материалов в заданной точке с учетом фактического контура каждого слоя и переориентации волокон материала при укладке на криволинейную поверхность.

Команда обеспечивает возможность анализа состава укладки композитного пакета в выбранной точке анализа, включая толщину пакета, число и список слоев с параметрами, процентное соотношение слоев с каждым значением параметра ориентации в композитном пакете в точке анализа, характеристику баланса и симметрии композитного пакета, ориентацию волокон композиционного материала в точке анализа с учетом драпировки.

Результатом выполнения команды является создание объекта «Анализ укладки» (1) в «Навигаторе модели» (рис. 11).

Рис. 11. Объект «Анализ укладки» в «Навигаторе модели»

Операции анализа состава укладки (рис. 12) предоставляют информацию:

• толщина композитного пакета в точке;

• толщина композитного пакета с учетом деформации;

• число слоев композитного пакета в точке;

• список слоев с параметрами:

• • имя;

  • материал;

  • шаг;

  • ориентация.

• процентное соотношение слоев с каждым значением параметра ориентации;

• характеристики симметрии;

• характеристики баланса;

• анализ ориентации в точке с учетом драпировки.

Рис. 12. Состав операций анализа укладки

1.3.2.4. Команда «Анализ пакета»

Предназначена для получения результирующей информации о композитном пакете (массово-инерционные характеристики, суммарная площадь по каждому материалу, суммарный периметр слоев по каждому материалу).

Функция позволяет точно определить ключевые физические параметры композитной конструкции, необходимые для проектирования.

Результатом выполнения являются данные (рис. 13):

• массово-инерционные характеристики пакета;

• суммарная площадь слоев по каждому композиционному материалу;

• суммарный периметр слоев по каждому композиционному материалу;

• использованные в композитной детали композиционные материалы.

Рис. 13. Диалоговое окно команды «Анализ пакета»

1.3.3. Моделирование драпировки ткани на криволинейных поверхностях

Инструменты блока позволяют смоделировать драпировку как тканых, так и однонаправленных композиционных материалов с учетом геометрии поверхности, начальной точки укладки, направления волокон, возможных деформаций и технологических ограничений. В процессе моделирования можно скорректировать начальные параметры таким образом, чтобы уменьшить деформацию материала при укладке.

Входными данными для моделирования драпировки композиционного материала при укладке на криволинейные формообразующие являются: геометрия границ слоя, геометрия поверхности композитного пакета, композитная система координат, начальная точка укладки, метод укладки, параметры композиционного материала, разрешение сетки. Результат моделирования драпировки композиционного материала на поверхность отображается в виде линий, цветом показывающих уровень деформации композиционного материала.

1.3.3.1. Команда «Драпировка»

Предназначена для моделирования драпировки однонаправленных и тканых материалов.

При выполнении команды производится моделирование драпировки композиционного материала на заданной криволинейной поверхности и визуализация драпировки.

Система учитывает параметры выбранного материала и геометрические параметры слоя, производит расчет узлов сетки драпировки и выполняет визуализацию сетки на модели.

Результат моделирования драпировки тканого композиционного материала на поверхность визуализируется в виде сетки, где цветом отражается уровень деформации композиционного материала. Синий – композиционный материал в данной области возможно выложить без технологических проблем. Желтый – композиционный материал возможно выложить без технологических проблем, но потребуется дополнительное внимание со стороны технологического персонала. Красный – композиционный материал в данной области невозможно выложить без технологических проблем (рис. 14).

Рис. 14. Визуализация драпировки

Реализованы геодезический и стандартный методы моделирования.

Геодезический метод — укладка производится вдоль основы ткани или ленты от точки до границы слоя в обе стороны, далее по смещенной на небольшое расстояние в поперечном направлении геодезической кривой и далее, до достижения границ слоя.

Стандартный метод — укладка производится от начальной точки с разглаживанием по концентрическим окружностям в направлении границ слоя.

Система автоматически выбирает геодезический метод моделирования при моделировании однонаправленного материала. При моделировании тканого материала доступны для выбора оба метода моделирования.

Реализована возможность выбора начальной области укладки материала.

Выбор начальной области укладки важен для геометрически сложных поверхностей, где результат драпировки существенно зависит от места начального распределения материала.

Область задается путем указания замкнутого контура на поверхности детали.

1.3.4. Устранение технологических проблем

В процессе моделирования укладки композиционного материала на сложные криволинейные поверхности могут возникать технологические затруднения: появление складок, чрезмерное растяжение материала, невозможность точной укладки.

Раздел устранения технологических проблем предоставляет инструменты для изменения слоев с целью устранения дефектов.

Функции блока:

• «Вырез»;

• «Надрез;

• «Линия ширины материала»;

• «Разделить слой».

1.3.4.1. Команда «Вырез»

Предназначена для построения вырезов. Вырез используется в качестве инструмента устранения технологических проблем, выявленных в результате моделирования драпировки. В зоне избыточного натяжения материала выполняется вырез композиционного материала таким образом, чтобы устранить проблемные области слоя со складками. При помощи команды технолог выполняет поиск оптимального расположения выреза для устранения избыточного натяжения. В качестве инструмента создания контура выреза выступают контрольные точки (1), (2) (рис. 15), на основе которых строится геометрия выреза, который включается в состав геометрии границы слоя. После выполнения выреза требуется создание дополнительного слоя для восстановления целостности границы исходного слоя.

Рис. 15. Построение выреза

Результатом выполнения команды является объект «Вырез» (1) (рис. 16) в «Навигаторе модели».

Рис. 16. Вырез в «Навигаторе модели»

1.3.4.2. Команда «Надрез»

Предназначена для формирования надрезов с целью сокращения деформации материала до приемлемых значений.

Надрез используется в качестве инструмента устранения технологических проблем, выявленных в результате моделирования драпировки. Надрез выполняется в зоне образования складок с целью устранения причины их образования, При этом в процессе выкладки композиционного материала на поверхность оснастки края надреза соединяются встык по линии тонкого надреза. Технолог в несколько итераций определяет оптимальное расположение тонкого надреза для устранения складок. В качестве инструмента создания контура тонкого надреза выступают точки (1), (2) (рис. 17), на основе которых автоматически строится геометрия тонкого надреза. Построенный надрез включается системой в состав геометрии границы слоя. После выполнения надреза не требуется создание дополнительного слоя для восстановления целостности границы исходного слоя.

Рис. 17. Создание надреза

Результатом выполнения команды является объект «Надрез» (1) (рис. 18) в «Навигаторе модели».

Рис. 18. Надрез в «Навигаторе модели»

1.3.4.3. Линия ширины материала

Функция предназначена для визуализации линий ширины материала для предварительного просмотра и оценки расположения линии ширины материала на поверхности слоя.

На основании результатов моделирования драпировки композиционного материала система выполняет расчет расположения узлов линий ширины материала для данного слоя.

Результатом выполнения команды является линия ширины материала на модели в 3D-сцене (рис. 19).

Рис. 19. Линия ширины материала на модели

1.3.4.4. Команда «Разделить слой»

Предназначена для разделения слоев на отдельные компоненты по выбранной кривой.

Разделение слоя выполняется с помощью кривой разделения, каждый слой имеет свою начальную точку.

Результатом выполнения функции является создание двух объектов (1) «Слой» с новыми границами в «Навигаторе модели», полученных из первоначального слоя (рис. 19).

Рис. 19. Результат выполнения команды «Разделить слой»

В 3D-сцене отображаются два получившихся слоя с начальными точками (рис. 20).

Рис. 20. Результат разделения слоя

1.3.5. Получение контуров плоских разверток

Формирование контура плоской развертки на основе деформации материала выполняется по результатам моделирования и анализа драпировки ткани при укладке на криволинейные формообразующие.

Результирующая форма контура развертки получается путем разворачивания плоской конечно-элементной сетки с криволинейной формообразующей в плоскость развертки. Форма рассчитана так, что при укладке композиционного материала, вырезанного по заданному контуру развертки, на поверхность оснастки, границы материала должны совпадать с требуемыми границами слоя.

Функции блока:

• «Развертка»;

• «Компоновка разверток».

1.3.5.1. Команда «Развертка»

Предназначена для построения контура плоской развертки на основе результатов моделирования драпировки ткани (рис. 21).

Рис. 21. Развертка

Функция развертки преобразует 3D-геометрию слоя композитного пакета в 2D-шаблон, необходимый для:

• раскроя композиционного материала;

• изготовления лекал;

• выполнения оптимизации раскроя.

При выполнении команды происходит:

• расчет границ и визуализация геометрических контуров плоских разверток слоев с учетом заданных параметров и деформации ткани.

Результатом выполнения команды является объект «Развертка» (1) (рис. 22) в «Навигаторе модели».

Рис. 22. Развертка в «Навигаторе модели»

1.3.5.2. Команда «Компоновка разверток»

Предназначена для упрощения визуального контроля формы и количества 2D-шаблонов слоев в 3D-сцене (рис. 23).

Все развертки укладываются в ряды и столбцы по прямоугольной сетке с фиксированным шагом между соседними элементами.

Пользователь может задать шаг (расстояние) между элементами сетки и смещение расположения разверток по оси X и Y при необходимости.

Рис. 23. Компоновка разверток

1.4. САРУС+ CAM

1.4.1. Подготовка данных для лазерных проекционных систем

1.4.1.1. Команда «Экспорт на проекторы»

Предназначена для экспорта калибровочных файлов и файлов данных для лазерных проекторов.

Команда реализует возможности:

• экспорта послойной укладки композитного пакета;

• настройки экспорта послойной укладки композитного пакета;

• экспорта калибровочных точек композитного пакета.

При экспорте послойной укладки композитного пакета в файле экспорта отражена следующая информация о каждом слое:

• имя слоя;

• количество проекционных точек;

• координаты проекционных точек, отображающих геометрию границы слоя;

• координаты единичных векторов нормалей поверхности в проекционных точках.

В файл экспорта можно включить дополнительную геометрическую информацию о каждом слое композитного пакета:

• координаты начальной точки выкладки;

• координаты начальной и конечной точек вектора ориентации.

Реализована возможность контроля плотности размещения проекционных точек путем установки минимального и максимального значения шага между проекционными точками, а также управление допуском по кривизне.

Результатом выполнения функции является создание по указанному пути:

• файла экспорта данных для проекторов (рис. 24);

• калибровочного файла для настройки проекционной системы (рис. 25).

Рис. 24. Пример файла экспорта

Рис. 25. Пример калибровочного файла

1.4.2. Выполнение оптимизации расположения разверток на ширине рулона композиционного материала

Блок предназначен для автоматизированного формирования схем оптимального размещения плоских разверток на рулоне композиционного материала.

Функции блока:

• «Раскрой».

1.4.2.1. Команда «Раскрой»

Функциональность реализуется посредством команды «Раскрой», в рамках которой система анализирует геометрию разверток, а также заданные пользователем параметры размещения. В результате формируется один или несколько вариантов (рис. 26) оптимального расположения с учетом:

• точности аппроксимации — степень детализации геометрических контуров разверток;

• минимального зазора — расстояние, обеспечивающее необходимый технологический отступ между отдельными элементами;

• отступа от начала рулона — расстояние от начального края рулонного материала до первой размещенной развертки;

• отступа от краев рулона — поля по боковым краям рулона, в пределах которых размещение разверток запрещено.

Пользователь может задать количество копий необходимых разверток и габариты рулона.

Рис. 26. Пример выполнения оптимизации расположения разверток

1.4.3. Подготовка данных для раскроя

После выполнения процедуры оптимизации расположения разверток на рулоне выполняется подготовка файла данных для передачи на оборудование для раскроя.

1.4.3.1. Команда «Раскрой»

В процессе подготовки осуществляется выбор одного из оптимальных вариантов расположения разверток, сформированных на предыдущем этапе.

При выполнении команды система автоматически создает и сохраняет по указанному пути файл в формате DXF для дальнейшей передачи на раскройное оборудование. Файл содержит координаты точек контуров разверток (рис. 27).

Рис. 27. Пример файла данных для раскроя

ПО «САРУС+» находится в стадии разработки и процесс расширения функциональных возможностей является непрерывным, в связи с чем в составе ПО «САРУС+» могут присутствовать функции, неописанные в настоящем документе.