Столярчук В.А. “CAD/CAE - системы”. Материалы к лекциям. Лекции №3-4

Лекция № 3 – 4

2.Автоматизация проектирования сложных технических систем

Содержание

2.1

Предпосылки к автоматизации проектно – конструкторских работ 4

2.2.Особенности сложных технических систем 8

2.3.Блочно – иерархический подход к проектированию 9

2.4.Технология процесса проектирования и конструирования 12

2.5.Автоматизация этапов процесса проектирования 17

2.5.1.Геометрическое моделирование 18

2.5.2.Численный анализ и оптимизация 20

2.5.3.Автоматизированный обзор и оценка проектных решений 23

2.5.4.Автоматизированное изготовление проектно-конструкторской документации 24

2.6.Эволюция САПР 25

2.7.Принципы создания САПР 27

2.8.САПР как организационно – техническая система 33

2.9.Состав САПР 35

2.10.Компоненты информационной среды САПР 38

2.11 Работа в САПР 42

Содержание лекций коррелируется с материалом части 1 учебного пособия:

Столярчук В.А. Основы автоматизации проектно-конструкторских работ. МАИ, 2003г

В настоящее время роль компьютеров в сфере деловых операций, в государственной деятельности, в военном деле, в конструкторской работе и в научных исследованиях трудно переоценить.

Вычислительные машины оказались мощным средством автоматизации проектирования и управления производственными процессами.

Прогресс науки и техники обуславливает необходимость выполнения проектно - конструкторских работ большого объема. Требования, предъявляемые к качеству проектов, срокам их выполнения, оказываются все более жесткими по мере увеличения сложности проектируемых объектов и повышения важности выполняемых ими функций. Удовлетворить эти требования с помощью простого возрастания численности проектировщиков нельзя, так как возможность параллельного проведения проектных работ ограничена, и численность инженерно-технических работников в проектных организациях не может быть заметно увеличена. Решить проблему можно только на основе автоматизации проектирования — за счёт широкого применения вычислительной техники.

Автоматизированное проектирование можно определить как технологию использования вычислительных систем для оказания помощи проектировщикам при выработке, модификации, анализе или оптимизации проектных решений.

Цель автоматизации проектирования — повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация тенденции к росту числа инженерно-технических работников, занятых проектированием, повышение производительности труда.

Однако не всегда переход от традиционных неавтоматизированных методов проектирования к автоматизированным обеспечивает достижение указанной цели. Например, часто удается ускорить процесс проектирования без улучшения качества изделий, в отдельных случаях не наблюдается непосредственного снижения материальных затрат. Тем не менее важен сам эффект ускорения научно-технического прогресса в данной области техники.

Применение вычислительной техники для решения отдельных проектных задач началось одновременно с появлением первых вычислительных машин. Однако оно было скорее эпизодическим, чем систематическим. Обычно в каждом конкретном случае инженер заново составлял программу решения, используя традиционные методы проектирования. Поскольку эти методы разрабатывались для неавтоматизированного проектирования, их копирование при автоматизированном проектировании не могло дать ожидаемого эффекта.

Необходим обоснованный выбор методов машинного решения задач, подразумевающий учет возможностей вычислительной математики и вычислительной техники для обеспечения приемлемого компромисса между требованиями высокой точности, степени универсальности, малых затрат машинного времени, памяти и труда инженеров-проектировщиков на сбор исходной информации.

Для автоматизированного проектирования характерно систематическое использование вычислительной техники при рациональном распределении функций между человеком и компьютером. На ЭВМ решаются задачи, поддающиеся формализации, при условии, что их машинное решение более эффективно, чем ручное. К примеру, на компьютерах не только решаются, но и автоматически составляются системы уравнений на основе лаконичного исходного описания объекта проектирования и имеющихся в памяти вычислительных машин сведений.

Универсальность многих положений автоматизации проектирования имеет ту же природу, что и общность приемов математического исследования различных физических объектов и явлений. Следует отметить, что развитие автоматизации проектирования выражается, прежде всего, в совершенствовании и углублении именно математических приемов исследования, поэтому появление и развитие автоматизированного проектирования стимулирует создание общей теории инженерного проектирования.

Граница между автоматизированным и неавтоматизированным проектированием не может быть четкой. Она зависит от конкретных условий и должна изменяться по мере развития математики, вычислительной техники и теории проектирования. То, что сегодня представляется наилучшим распределением функций между человеком и компьютером и оптимальным методом решения, завтра может перестать быть наилучшим и оптимальным в связи с расширением знаний и технических возможностей.

Выделение автоматизации проектирования как самостоятельного научно-технического направления связано с тем, что постановка и методы решения проектных задач при автоматизированном и неавтоматизированном проектировании существенно различаются. Предметом автоматизации проектирования являются формализация проектных процедур, структурирование и типизация процессов проектирования, модели, методы и алгоритмы решения проектных задач, способы построения технических средств, создания языков, описания программ, банков данных, а также вопросы их объединения в единую проектирующую систему.

Наилучшая форма организации процесса проектирования достигается при применении САПР — комплекса средств автоматизации проектирования. В комплекс средств автоматизации проектирования наряду с техническим, математическим и другими видами обеспечения входит программное обеспечение. Важно отметить, что программы для САПР разрабатываются не инженерами-пользователями, которые при применении имеющихся программ могут не знать многих особенностей их построения и реализованных в них методов, а специалистами по САПР. Программы разрабатываются единожды, а применяются многократно в различных ситуациях, возникающих при проектировании многих объектов. Несмотря на это, инженеру-пользователю необходимо знать методы и алгоритмы, реализованные в программах САПР, что поможет избежать ошибок в формулировке задач, выборе исходных данных, интерпретации результатов и получить их с наименьшими затратами общего и машинного времени.

Отмечая специфичность САПР конкретных отраслей, необходимо подчеркнуть, что для многих областей техники ряд основополагающих положений теории и практики САПР носит достаточно общий характер,. Например принципы построения общего и специального программного обеспечения, формирование типовых последовательностей задач и программ, организация взаимодействия инженера и ЭВМ, подходы к получению математических моделей проектируемых объектов и т.д.

2.1.Предпосылки к автоматизации проектно – конструкторских работ

За последние десятилетия характеристики ЛА, например, тех же дозвуковых пассажирских и транспортных самолетов, претерпели значительные изменения. Их эволюция сопровождалась ростом сложности ЛА, а значит, и трудоемкости их создания и, как следствие, увеличением длительности и стоимости разработки ЛА, а также числа специалистов, принимающих в ней участие. Например, по достаточно объективным данным затраты человеческого труда на 1 кг массы конструкции ЛА в период с 1940 г. по 1980г. возросли более чем в 100 раз.

Значительное возрастание числа специалистов различного профиля, принимающих участие в разработке ЛА, а также резкое увеличение объема информации о проектируемом ЛА приводят к обострению проблемы хранения, обработки и передачи информации в ходе проектирования. Кроме того, ограниченность людских ресурсов не позволяет увеличивать число инженеров-разработчиков теми же темпами, что и темпы роста сложности технических систем и ЛА в частности.

При проектировании ЛА принципиально новых типов возникают серьезные трудности, связанные с недостаточным знанием условий их будущего функционирования (например, точных характеристик атмосфер и поверхности планет), отсутствием точных характеристик входящих в состав ЛА систем и оборудования, разработка которых ведется в большинстве случаев параллельно с разработкой ЛА в целом, а также с ограниченной применимостью ранее использовавшихся методов решения отдельных задач.

Конструкции, которые создают инженеры, во все большей степени используют знания, добываемые в смежных науках. Объединение радиоэлектроники, тепловых процессов, газовой динамики и многого другого является типичным для современного ракетостроения и самолетостроения. Резкое усложнение всевозможных производственных связей, технологий, переход к новым материалам качественно усложняют работу проектировщика, делают его сегодняшнюю деятельность качественно непохожей на работу крупного проектировщика пятидесятилетней давности.

Таким образом, рост сложности создаваемых конструкций привел к резкому расширению задач, стоящих перед проектировщиком, и к не менее резкому их усложнению. Конструктору автомобильного 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. Она развивается своими путями - самобытными, оригинальными, но не всегда совпадающими с интересами практики. Такое рассогласование неизбежно. Так или иначе, но усложнение конструкции всегда служило мощным ускорителем прикладной науки. В конструкторских бюро сейчас используют во все большей степени сложные методы решения инженерных задач.

С учетом сказанного традиционные методы и организация процесса проектирования ЛА уже не обеспечивают ни приемлемых сроков и стоимости их разработки, ни требуемого качества. Они не позволяют проанализировать достаточное число вариантов проектных решений, вследствие чего неизбежны ошибки в проектировании, выявляющиеся на поздних фазах разработки и приводящие к изменениям в конструкции, технологии, доработкам в производстве. Все это неизбежно затягивает процесс создания, испытания и серийного производства нового ЛА.

Развитие технологии проектирования (его автоматизация) долгое время связывалось с автоматизацией вспомогательных работ - черчением и инженерными расчетами. Как бы они сложны и интересны ни были, но, тем не менее, это всегда для конструктора вспомогательная работа, хотя, безусловно, автоматизация выпуска проектно-конструкторской документации и инженерных расчётов повышали, конечно, общую культуру проектирования, уменьшая количество ошибок. Но в целом они, используясь автономно, не сыграли существенной роли в ускорении процесса проектирования.

Как правило, создание новых конструкций затягивалось на десятилетия, представляемые к испытаниям опытные образцы оказывались не удовлетворяющими заданным требованиям, а доводка конструкции происходила в процессе испытаний, что, конечно, удорожало создание образца в десятки раз. Когда же серийный образец, наконец, пускался в эксплуатацию, то оказывалось, что он уже безнадежно устарел и не очень нужен. В самом деле, ведь исходный замысел отвечал уровню науки десяти-пятнадцатилетней давности, а это срок огромный при нынешнем темпе ее развития. Примеры, иллюстрирующие сказанное, привести нетрудно - от начала разработки до первого серийного образца самолета "Конкорд" прошло 15 лет. Для создания Бурана потребовалось 12 лет.

Подобная ситуация - это не вина конструктора. Это результат принципиального несоответствия традиционной технологии проектирования и сложности современной техники. И никакие чертежные автоматы и даже внедрение компьютеров в практику инженерных расчетов это противоречие не разрешат.

Где – то в середине шестидесятых годов прошлого века инженеры стали понимать, что развитие технологии проектирования принципиально отстает от усложнения проектируемых конструкций, и, следовательно, математика и вычислительная техника должны гораздо глубже проникнуть в процесс проектирования сложных технических конструкций, должны сделаться неотъемлемой частью конструкторского ремесла. Однако на пути такого органического слияния вставали разнообразные трудности - трудности традиций, языка, манеры мышления, слабые возможности вычислительных средств, отсутствие соответствующего программного обеспечения и т.п.