AVTpr-часть3(модел) (В.А. Столярчук. Основы автоматизации проектно-конструкторских работ (часть 3))

10

В.А. Столярчук “Основы автоматизации проектно-конструкторских работ” часть 2

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(технический университет)

В.А. Столярчук

Основы автоматизации проектно-конструкторских работ

Часть 3

Учебное пособие

Утверждено на заседании кафедры 609

в качестве учебного пособия по дисциплине

2000г

Пособие представляет собой третью часть конспекта лекций по дисциплине «Основы автоматизации проектно - конструкторских работ» и предназначено для студентов проектно - конструкторских специальностей. Кроме того, материал пособия может быть полезен студентам специальности 220300 при изучения дисциплины «Моделирование систем». В пособии дается обзор методов моделирования, и применяемых при разработке сложных технических систем. Особое внимание уделяется математическому моделированию, являющимся важнейшим компонентом современного автоматизированного проектирования. Приводится классификация математических моделей, требования, предъявляемые к математическим моделям, а также способы их использования.

Оглавление

3. Математическое моделирование в системах автоматизированного проектирования (САПР) ………………………………………………..………………………..	3
3.1 Эволюция применения ЭВМ при решении инженерных задач ….……………………	3
3.2 Моделирование и его применение в практике разработки ЛА. Понятия "модель" и "моделирование"……………………………………………………………………….……..……………	4
3.3 Классификация методов моделирования и их использование в практике разработки летательных аппаратов………………………………………….…………………………	5
3.4 Математические модели …………………………………………………….……………..	6
3.4.1 Характеристики математических моделей ………………………………..…………..	6
3.4.2 Классификация переменных и взаимосвязи параметров модели ……….……….	8
3.4.3 Уровень агрегирования ………………………………………………………….……….	8
3.5 Математическая модель сложной системы ……………………………………………	9
3.6 Классификация математических моделей ……………………………………………..	11
3.7 Построение математических моделей ………………………………………………….	13
3.7.1 Требования, предъявляемые к математическим моделям ……………………….	14
3.7.2 Процесс построения модели и технология моделирования………………………	18
Литература ……………………………………………………………………………..………..	18

3. Математическое моделирование в системах автоматизи­рованного проектирования (САПР)

3.1 Эволюция применения ЭВМ при решении инженерных задач.

Применение ЭВМ в практике проектирования уже имеет свою историю, заключающуюся в по­степенном переходе от фрагментарного использования ЭВМ при решении отдельных инженерных задач к системам, автоматизирующим крупные стадии разработки различных объектов. Сначала ЭВМ применялись для автоматизации трудоем­ких вычислений, характерных для поверочных расчетов (расчеты на прочность и моделирование на ЭВМ процессов и явлений, связанных с функционированием технических объектов).

На этом этапе сложился определенный стереотип процесса подготовки и решения на ЭВМ ин­женерной задачи, который в общем случае состоит из следующих этапов:

1) инженерная постановка задачи;

2) математическая постановка задачи или разработка математической модели;

3) составление блок-схемы логической последовательности решения задачи;

4) выбор численных методов решения каждой из подзадач;

5) разработка алгоритмов решения каждой из подзадач;

6) составление программы на доступном ЭВМ языке и перенос её на машинные носители;

7) отладка программы (отыскание и исправление всех допущенных ошибок на базе исходных данных и результатов конт­рольного варианта);

8) решение задачи на ЭВМ при "контрольных" и реальных ис­ходных данных;

9) инженерный анализ полученных результатов и при необходимости, корректировка задачи (возврат к одному из пунктов 1-5,7) или исходных данных (возврат к пункту 9).

Большинство этапов в этой схеме осуществлялось вручную, что приводило к существенным затратам времени на подготовку к реше­нию задачи - собственно вычислений на ЭВМ. Кроме того, от инженера-проектировщика, помимо его профессиональных знаний, требовалась специальная подготовка в области программирования. Все это не могло не сдерживать широкое использование ЭВМ в практике проектирования. С методической точки зрения основные недостатки применения ЭВМ на этой стадии заключались, во-первых, во фрагментарности, информационной разобщенности отдельных расчетных процедур и, во-вторых, в ориентации на традиционные, отработанные вручную методики. Поэтому, наряду с несомненным положительным эффектом, кардинального изменения в технологию проектирования подобные способы ис­пользования ЭВМ внести не смогли.

Возникли явные диспропорции между сложностью проектируемых объектов и используемыми традиционными методами проектирования, даже если они и реализовывались с использованием ЭВМ. Академик Н.Н.Моисеев отмечал в связи с этим: "Суть трудностей заключается прежде всего в том, что рост сложности создаваемых конструкций привел к резкому расширению задач, стоящих перед проектировщиком, и к не менее резкому их усложнению. Конструктору двигателя тридцатых годов не приходилось думать о проблемах охраны окружающей среды, конструктору самолетов в те времена не приходилось думать о преодолении пассажирским лайнером звукового барьера и о влиянии форм боевого истребителя на его видимость на экране локатора противника. Практически ни один конструктор не решал вопросов о поведении трущихся поверхностей в вакууме, а с этой задачей все время имеют дело создатели космической техники. Одним словом, конструктор сталкивается с потоком новых физических задач. Ему приходится учитывать обстоятельства, часто не достаточно изученные наукой, которая, как правило, не поспевает за потребностями конструктора. Такое рассогласование неизбежно. Так или иначе, но усложнение конструкции всегда служило мощным ускорителем прикладной науки. В конструкторских бюро сейчас начинают использовать во всё большей степени сложные методы решения инженерных задач"»

С учетом сказанного традиционные методы и организация процесса проектирования такой сложной системы, как, например, летательный аппарат уже не обеспечивали ни приемлемых сроков стоимости их разработки, ни требуемого качества. Они не позволяли проанализировать достаточное число вариантов проектных решений, вследствие чего возникали неизбежные ошибки в проектировании, выявляющиеся на поздних фазах разработки и приводящие к изменениям в конструкции, технологии, доработкам в производстве. Все это неизбежно затягивало процесс создания» испытания и серийного производства нового ЛА.

По мере развития вычислительной техники, появления быстро действующих ЭВМ с большой оперативной памятью, развитой периферией стал практиковаться комплексный подход к операциям проектирования с помощью ЭВМ. Вычислительные средства стали все чаще применяться с целью автоматизации совокупности взаимосвязанных процедур проектирования.

Претерпевает изменения и схема решения задачи с использованием ЭВМ, что связано с разработкой универсальных математических моделей для проведения инженерных исследований классов объектов и созданием необходимых пакетов прикладных программ, а также проблемно-ориентированных языков взаимодействия проектировщика с этими подпрограммами. Короче, приходят к мысли создания САПР – специальных систем, предназначенных для комплексной автоматизации проектно-конструкторских работ и объединенных общностью решаемых задач в ходе процесса проек­тирования. Создание подобных САПР может быть осуществлено только на основе создания и широкого использования математических моделей, обеспечивающих автоматизированное решение таких задач, как формирование и выбор рациональных технических решений, организация информационного взаимодействия при проектировании взаимосвязанных компонентов сложной системы, разработка текстовой и графической документации, технологических процессов и операций, управление процессом разработки системы и т.д.

3.2 Моделирование и его применение в практике разработки ЛА. Понятия "модель" и "моделирование".

Существует довольно много вариантов определений понятий "модель" и «моделирование», в которых в той или иной мере отражаются взгляды на возможности моделирования и области его применения. Приведем те определения, которые, на наш взгляд наиболее соответствуют рассматриваемым в настоящем пособии вопросам.

Итак, под моделью понимается такая мысленно представляемая или материально реализованная система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте.

Моделирование - это исследование каких-либо явлений, про­цессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей, использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов. Моделирование служит одним из методов научного исследования в результате которого получают новые знания об объектах.

При моделировании обязательно замещение моделируемого объекта другим либо материально-вещественным, либо идеальным объектом. Примерами таких идеальных объектов являются мысленные модели, а их материальным носителем - мозг и процессы, которые связаны с созданием образов. Моделирование подразделяется на физическое (материальное, предметное) и идеальное.

При физическом моделировании обеспечивается подобие между физической природой, геометрией объекта и модели.

Идеальное моделирование осуществляется:

а) на уровне самых общих, не вполне осознанных и фиксиро­ванных модельных представлений;

б) на уровне достаточно детализированных знаковых систем.

Первый вид называется мысленным моделированием, второй - знаковым, где моделями служат знаковые образования (схемы, чертежи, формулы, слова и предложения в некотором алфави­те естественного или искусственного языка).

Соотношения между объектом и моделью помогут уяснить следу­ющие положения:

1. Модель конструируется исходя из целей исследований и воспроизводит лишь изучаемые черты и свойства объекта (с определен­ной погрешностью или степенью адекватности). Поэтому один и тот же объект может быть замещен множеством моделей различного целе­вого назначения.

2. Для одного и того же объекта можно сконструировать множество моделей различной природы, имеющих одно и то же целевое на­значение.

3. Модель способна давать новую информацию об объекте.

4. Модель всегда "беднее" объекта, поэтому ее изучение в принципе не может дать полностью достоверную информацию об объекте.

В практике разработки технических систем и, в частности, летательных аппаратов, объект и модель могут быть как материаль­ными (по отношению к объекту этот термин более уместен), так и идеальными, например:

- объектом является реально существующий самолет, а моделью - его уменьшенный аналог, предназначенный для продувок в аэроди­намической трубе (объект и модель - материальны);

- объектом является чертеж самолета, а моделью - аналог для продувок (объект - идеален, модель - материальна);

- объектом является реальный элемент конструкции под на­грузкой, а моделью - ее расчетная схема для определения поля действующих напряжений (объект - материален, модель - идеальна);

- объектом является, самолет, существующий пока в представ­лении конструктора, а моделью - формулы для расчета основных ха­рактеристик этого самолета (объект и модель - идеальны).

3.3 Классификация методов моделирования и их использование в практике разработки летательных аппаратов

При разработке летательных аппаратов (ЛА) широко применяют­ся различные весьма многочисленные методы моделирования (рис. I).

Ранее в традиционном про­цессе разработки ЛА было широко распространено материальное моделиро­вание (оно, кстати, не потеряло полностью своего значения и с развитием автоматизации). В связи с этим кратко укажем на основ­ные особенности методов материального моделирования.

При материальном моделировании (натурном или макетном) объект замещается, как уже отмечалось, другим материальным объектом, причем должно обеспечиваться подобие между их физической природой, геометрией и другими физическими свойствами.

Натурное моделирование как разновидность материального характеризуется тем, что моделью служит реальный объект (или объекты) по результатам исследований которого судят о характеристиках всего объекта или совокупности аналогичных объектов. Примерами такого моделирования могут также служить испытания выбо­рок из потока готовой продукции при массовом производстве (напри­мер, подшипников, электронных компонентов и т.д.), испытания опытного самолета или опытной партии самолетов.

При макетном моделировании обеспечивается подобие ряда свойств объекта и модели, существенных для задач исследования. Так, масштабное моделирование предполагает подобие геометрии объекта и модели, например, самолета и его аэродинамической про­дувочной модели. Другим видом макетного моделирования является структурное моделирование, когда в качестве модели выступает структурный ма­кет, состав и функциональные связи элементов которого соответст­вуют составу и связям элементов моделируемого объекта. Таким об­разом, в этом виде моделирования обеспечивается подобие структур модели и объекта. Примером может служить лабораторный макет ка­кой-либо системы ЛА (топливной, радиосистемы и т.д.). В том случае, когда некоторый физический объект функциониру­ет таким образом, что его поведение адекватно поведению исследуе­мого объекта, имеет место функциональное моделирование. Функцио­нальная модель может быть далека от оригинала по внешней геомет­рии или внутренней структуре. Например, электромеханические стенды, используемые для исследования управления ЛА, представляют собой динами­ческие функциональные модели соответствующих ЛА.

Важнейший класс методов моделирования, используемых в прак­тике разработки ЛА, составляют знаковое моделирование, к которо­му относятся наглядно-образное, лингвистиче­ское и математическое моделирование.

Наглядно-образное моделирование реализуется путем создания графических образов, отображающих в наглядной форме внешний вид, структуру, поведение объекта. К этим моделям относятся, например, чертежи элементов конструкции, блок-схемы систем, графики, изо­бражающие траектории движения и т.д.