Обзор на САПР

Введение

Привет всем читателям! На повестке дня у нас системы автоматизированного проектирования (САПР). Данные «помощники инженеров» прошли немалый и тернистый путь, чтобы дойти до того состояния, в котором мы можем лицезреть их сейчас. И данные программы действительно важны, ибо без них было бы крайне сложно конструировать и проектировать что-либо (только представьте объем чертежей, который инженерам приходилось рисовать от руки).

Но как же они помогают инженерам (и не только) выполнять свою работу? Насколько сильно они переплетены с другими ИТ отраслями? Каким именно был их путь развития? А каково же их будущее? Сегодня об этом и поговорим.

Немного об истории САПР

1960-е

Вообще, история САПР началась в 1960-х годах, когда первые компьютеры начали использоваться для создания чертежей и моделей. Первым проектом, походящим на систему проектирования, стал Sketchpad, разработанный Иваном Сазерлендом в 1963 году. Тогда он являлся лишь прообразом своих современников, но все равно являлся одним из первых примеров в истории, когда человек мог положиться на компьютер для рисования чертежей.

Данный продукт позволял пользователям рисовать геометрические фигуры, накладывать на них ограничения (например, отрезок всегда должен касаться окружности), а также поддерживал иерархическую структуру.

Так как Sketchpad являлся первым в своей области, он внёс основы для появления таких программ, как AutoCAD, CATIA, SolidWorks и т. д. По факту Sketchpad был прорывом в сфере конструирования.

1970-е

Перенесемся на десятилетие вперёд – в 1970-е. Именно тогда появились первые коммерческие САПР. Например, CADAM (Computer Augmented Design and Manufacturing), созданная IBM в 1977 году, стала первой успешной индустриальной CAD-системой несмотря на то, что она была ориентирована в первую очередь на 2D-чертежи. Sketchpad был исследовательской, а не коммерческой программой. Коммерческий успех CADAM связан с развитием компьютерной отрасли, ибо организациям стали доступны новые компьютеры, например, DEC PDP-11.

И так как CADAM вышла коммерческой, то у нее должны были быть покупатели. И такими компаниями стали Boeing и General Motors. CADAM вообще разрабатывалась специально для General Motors, ну а Boeing использовала DAC-1 (она тоже создана General Motors совместно с IBM) для создания своих самолетов, например, известного Boeing 747.

1980-е

В восьмидесятых годах компьютеры стали доступны не только для крупного бизнеса, но и для малого и среднего. Это позволило компаниям активнее переходить на компьютерные решения. Например, вышли IBM PC (1981 год) и Apple Macintosh (1984 год). Это важно упомянуть, ибо без развития ПК не развивались бы и САПР.

Пожалуй, одним из главных событий, произошедших тогда, стал релиз AutoCAD в 1982 году. Тогда вышла версия под 1.0, анонсированная на компьютерной выставке COMDEX (COMputer Dealers’ EXhibition). AutoCAD разработала (и продолжает разрабатывать) компания Autodesk, основанная Джоном Уолкером. Эта компания известна многим, кто работал с Maya, 3ds Max.

Кстати, именно тогда был основан формат DWG (drawing), знакомый всем, кто работал с системами автоматизированного проектирования.

Но я также хочу обратить внимание на CAM-системы. Модельку мы сделали, но ведь ее нужно воплотить в реальность. И именно в этот период CAD начал интеграцию с CAM, которые позволяют написать программу для ЧПУ станков. Одной из первых интеграцию выполнили разработчики CATIA, позволив инженерам в одной программе выполнять сразу две задачи: проектирование и подготовку к производству.

1990-e

В 90-е помимо очевидного развития индустрии компьютеров, САПР начали адаптироваться под Windows. С этого момента пользователи могли использовать интуитивно понятный GUI (graphical user interface). Больше не было нужды вбивать символы в командную строку, так как появились кнопки, текстовые поля и другие элементы интерфейса. А также появилась возможность отображать несколько чертежей одновременно за счет многооконности в Windows.

В тот период был выпущен родной многим инженерам-конструкторам SolidWorks (1995 год). Эта система менее функциональна, чем CATIA, но за счет этого была проще в обучении. SolidWorks был крайне удобен для 3D-моделирования, ибо разрабатывался под Windows с самого начала. Он также предложил параметрическое моделирование, позволив изменять размеры и свойства элементов модели, не заставляя пользователя перестраивать остальные элементы руками.

Появились такие форматы геометрических данных как IGES и STEP. Их начали внедрять многие САПР, что улучшило возможность работы в нескольких системах в рамках одного проекта.

Начали зарождаться PDM-системы (Product Data Management), позволявшие инженерам управлять данными и жизненным циклом изделий (PLM – Product Lifetime Management). А сами САПР получили функционал для совместной работы по сети.

2000-е

В 2000-х начал активное развитие последний виток САПР – CAE-системы (Computer-Aided Engineering). Эти системы позволяют выполнять различные инженерные расчеты, анализы и симуляции. Например:

• Анализ на прочность и устойчивость

• Тепловой анализ

• Аэродинамический и гидродинамический анализ

• Динамический и кинематический анализ (анализ движения)

• Анализ на усталость и долговечность

Самые сильные позиции на рынке CAE-систем показывали ANSYS и MSC Software.

Вместе с развитием ПК САПР стали доступны и для простых пользователей, которые хотят решить с их помощью свои задачи. Например, школьные олимпиадные задачки по физике, направленные на исследование движения очень удобно решать с помощью подобных программ.

Также инженеры, разрабатывающие печатные платы и электрические схемы, получили возможность делать это за компьютером (вообще это произошло немного ранее, но активно – именно в этот период). Им вероятно знакомы такие программы, как Altium Designer, AutoCAD Electrical.

Многим инженерам из России знаком Компас-3D. Он вышел в 2000 году под Windows и сразу же был нацелен (как не странно) на 3D-моделирование. Он нацелен в первую очередь на российский рынок за счет поддержки соответствующих стандартов.

2010 — настоящее время

В это время производители САПР начали адаптацию своих решений под веб-приложения и мобильные платформы. С одной стороны, это крайне удобно при потребности быстро отредактировать чертеж, а в веб-версии (того же AutoCAD) – 3D-модели. Но с другой, разумеется, полный функционал они не получили.

В остальном же САПР улучшили работу с симуляцией и моделированием, но чего-то реально революционного не произошло.

Переплетение с другими ИТ-отраслями

В обзоре истории САПР я уже рассказал, для чего они вообще используются и как они помогают людям. Но мне хочется вам рассказать о том, как САПР повлияли на ИТ в целом.

Во-первых, моделирование само по себе является ресурсоемкой задачей. И для того, чтобы предоставить нужные мощности, производители процессоров, видеокарт и т. д.  были вынуждены увеличивать производительность своих продуктов. Ведь чем больше мощностей, тем больше можно класть на оптимизацию тем больше возможностей ПО может предоставить.

Во-вторых, в некоторые САПР (тот же AutoCAD) уже добавляют крайне модный сейчас ИИ. Например, он используется для поиска и генерации блоков (составных объектов). Но на данный момент его интеграция в рассматриваемые нами системы не слишком то и велико.

В-третьих, косвенно они повлияли на развитие платформ разработки, используемых САПРами (того же .NET, который используется AutoCADом)

Будущее САПР

Не отходя от темы ИИ, сразу скажу, что наиболее вероятным сценарием дальнейшего развития САПР будет нарастающая интеграция ИИ во все модули (CAD, CAE, CAM).

• CAD – генерация моделей и чертежей

• CAE – автоматизация симуляция и анализов (имею в виду, что подготавливать их станет проще)

• CAM – более простая генерация программ для ЧПУ станков

Также, веб-версии (и мобильные версии) станут более доступными и функциональными за счет более продвинутых облачных вычислений.

Насчет остального я могу только гадать. Если у кого-то есть идеи, прошу отписаться в комментариях.

А почему так дорого!?

И я хочу немного рассказать … о ценах. Наверное каждый, кто хоть раз заходил на сайты популярных САПР, очень сильно удивлялся расценкам на так нужный софт.

И этому есть несколько причин:

1. Сложность разработки. САПР – это крайне сложная система, требующая огромных средств для разработки.

2. Долгая разработка и поддержка – это тоже требует денег.

3. Ограниченный рынок – реальных пользователей не так много, ибо подобные системы разрабатываются под узкий круг профессий (инженеры, архитекторы, проектировщики).

4. Высокие требования – как от самих покупателей, так и от стандартов проектирования (ISO, ANSI и т. д.). Все-таки, если ошибка в изделии/здании будет из-за САПР, то это обернется огромной убылью для производителя этого изделия. А если здание рухнет…

Итог

Мы прошлись по самым важным аспектам, которые стоит знать про системы автоматизированного проектирования. Данное ПО действительно делает нашу жизнь лучше за счет того, что инженеры могут быстрее создавать решения наших проблем.

Я очень надеюсь, что эта статья была хоть немного полезна кому-нибудь. Я постарался вместить большой пласт информации в эту небольшую статью. И если у кого-то есть идеи по дополнению, критика или просто свои впечатления, то я буду очень рад увидеть вас в комментариях!