Определение наилучшего конструктивного решения - сложный процесс, состоящий из работ по обеспечению наилучших эксплуатационных условий, а также выбору рациональных форм деталей и материалов, способствующих, например, получению минимальной массы конструкции с учетом технологичности и стоимости. Всем этим требованиям в равной мере удовлетворить чрезвычайно сложно и, как правило, за основу принимают одно или несколько требований. Например, для летательных аппаратов одним из основных будет именно обеспечение минимальной массы.

Процесс создания наилучшей конструкции получил название оптимизацииили оптимального проектирования. Термином “оптимизация” обозначают процесс или последовательность операций, позволяющих получить оптимальное решение. Методы оптимизации позволяют выбрать наилучший вариант конструкции из всех возможных вариантов, и, хотя именно это является целью оптимизации, обычно приходится довольствоваться улучшением известных решений, а не доведением их до совершенства. Поэтому под оптимизацией понимают, скорее, стремление к совершенству, которое, возможно, не будет достигнуто. При конструировании летательных аппаратов, для которых масса имеет большое значение, оптимальное проектирование, как метод, играет важную роль.

2.5.3.Автоматизированный обзор и оценка проектных решений

Задача оценки - определить “ценность”, “полезность” или “основательность” решения с учетом выполнения поставленной задачи. Ценность решения не является абсолютной величиной, она используется для оценки выполнения определенного требования, поэтому постановка цели (критерия) является обязательной. Всегда ограниченная зона решений конструкторской задачи включает ряд решений, среди которых требуется найти наилучшее. Для этого необходимо по определенным критериям дать оценку всем решениям. К сожалению, многообразие технических задач не позволяет создать общеупотребительные правила для всеохватывающей оценки конструкции. Проверку точности проектирования, например, легче выполнить с использованием графического терминала. Полуавтоматические стандартные программы определения размеров и допусков, привязывающие размерные характеристики к указываемым пользователем поверхностям, позволяют сократить число ошибок в определении размеров. При этом конструктор может получать изображения интересующих его деталей крупным планом и увеличивать соответствующие изображения в целях проведения более тщательного анализа. Как уже указывалось, еще одна возможность - это цветная графика. Цвет более информативен и позволяет, например, выделять отдельные компоненты сборочных узлов, подчеркивать объемность, или может использоваться для целого ряда других целей.

Часто в процессе обзора проектных решений используется процедура, называемая разбиением на слои. Например, при умелом использовании этой процедуры возможно наложение геометрического образа контуров готовой детали (после механической обработки на станке) на изображение черновой заготовки. Такая операция гарантирует, что размеры заготовки удовлетворяют требованиям к размерным характеристикам детали после чистовой обработки. Указанная процедура может применяться поэтапно в целях контроля каждой отдельной стадии изготовления детали.

Еще одна процедура, реализуемая в анализе проектных решений, состоит в проверке взаимных наложений. Эта процедура связана с контролем местоположения элементов компоновочного узла, так как существует риск установки их на места, уже занятые другими компонентами. Подобный риск особенно реален при проектировании крупных химических заводов, холодильных установок и разного рода трубопроводов сложной конфигурации.

Одно из наиболее интересных средств оценки проектных решений, имеющееся в некоторых автоматизированных системах проектирования - это кинематические модели. Стандартные коммерческие пакеты кинематики обеспечивают возможность динамического воспроизведения движения простых проектируемых механизмов вроде шарниров и сочлененных звеньев. Наличие таких средств анализа расширяет возможности конструктора в части визуального наблюдения за работой нужного механизма и помогает гарантировать отсутствие столкновений с другими объектами. Если программная система не предоставляет пользователю графических средств воспроизведения кинематики механизмов, то конструктор зачастую вынужден прибегать к примитивным моделям, не гарантирующим от ошибок. Программы такого рода могут быть чрезвычайно полезны при конструировании механизмов, предназначенных для выполнения определенных движений или приложения конкретных сил.

2.5.4. Автоматизированное изготовление проектно-конструкторской документации

Конструирование - это процесс, который имеет целью создание технической документации, необходимой для изготовления изделия. Традиционно конструкторские чертежи выполнялись на чертежных досках, а проектные решения документировались в форме деталировочных чертежей.

Проект любой механической конструкции требует разработки чертежей объекта в целом, его компонентов и сборочных узлов, а также инструмента и оснастки, необходимых для изготовления изделия. Проект электрического устройства предполагает подготовку электрических схем, спецификации, электронных компонентов и т.п. Аналогичная документация, выполняемая в неавтоматизированных системах вручную, нужна и в других сферах конструкторской деятельности: в строительстве, при проектировании самолетов, при разработке химико-технологических объектов и т.п. Традиционное изготовление чертежей особенно нерационально тогда, когда многократно изготовляются чертежи одинаковых или почти одинаковых технических объектов.

Автоматизированное черчение предполагает получение выполненных на бумаге конструкторских чертежей непосредственно на основе информации, хранящейся в базе данных автоматизированной системы проектирования. В некоторых конструкторских бюро на первых порах возможность полуавтоматического изготовления чертежей была определяющим фактором целесообразности затрат на приобретение соответствующих систем. Это неудивительно, так как производительность автоматизированных систем подготовки документации на указанной операции по сравнению с чертежником возрастает примерно в пять раз.

Целый ряд функциональных возможностей ИМГ как раз наилучшим образом проявляется именно в процедурах изготовления чертежей. Сюда относятся автоматическое определение размеров, штриховка нужных областей, масштабирование, а также построение разрезов и увеличенных изображений конкретных элементов деталей. Важную роль в черчении с использованием ЭВМ играет возможность вращения деталей или выполнения иных преобразований изображений (например, для получения косоугольных проекций, построения изометрии или перспективы). Чертежи могут приводиться в соответствие с принятой в конкретной фирме системой стандартов путем воплощения требований этих стандартов в конкретные машинные программы .

Итак, мы проследили основные возможности использования вычислительной техники для автоматизации отдельных этапов проектирования или конструирования, но важнейшей и труднейшей задачей является задача комплексной автоматизации процесса проектирования. Для решения этой задачи существуют интегрированные системы автоматизированного проектирования – САПР.

2.6.Эволюция САПР

В эволюции систем автоматизированного проектирования, определяемой в значительной мере возможностями ЭВМ и других средств автоматизации и характером их применения в процессе проектирования различных объектов, можно выделить несколько этапов.

Первоначально 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 и сооружений).

Для систем первого этапа характера следующие основные черты:

• использование в ходе решения традиционных задач проектирования отдельных программ, не объединенных в процедурно законченные комплексы

• отсутствие диалогового режима взаимодействия проектировщиков с ЭВМ

• экспериментальное использование (в отдельных случаях) средств ввода-вывода графической информации

• частичное или полное отсутствие управляющих и сервисных средств в системе

По мере развития вычислительной техники, появления быстродействующих ЭВМ с большой оперативной памятью стал практиковаться комплексный подход к операциям проектирования с помощью ЭВМ. Вычислительные средства на втором этапе применяются для проектных расчетов с привлечением нескольких алгоритмов, характерных для различных проектных дисциплин. Если проектную задачу удается формализовать, то применяются численные методы оптимизации.

Второй этап можно назвать проектированием с применением ЭВМ. Некоторые предприятия, имеющие развитые вычислительные центры, осуществляют проектирование именно таким образом.

Особенностями систем автоматизированного проектирования второго этапа являются:

• охват системой отдельных этапов процесса проектирования (появление интегрированного комплекса средств)

• построение системы на базе созданного ранее программного задела

• ограниченное использование диалоговых режимов

• наличие достаточно развитой периферии

За время эксплуатации системы автоматизации, обладающие основными характеристиками систем второго этапа, продемонстрировали хорошие возможности по сокращению сроков проектирования и повышению качества спроектированных изделий. Успех этот стимулировал дальнейшее развитие процесса автоматизации проектирования и появление новых тенденций, характеризующих переход к третьему этапу эволюции систем автоматизации.

Третьему этапу свойственен не только комплексный подход к операциям проектирования, но и комплексный подход к использованию ЭВМ и различных периферийных устройств. Применение численных методов поиска лучших решений, методов формирования с помощью вычислительных машин оптимальной структуры проектируемых объектов, операций выбора рациональных проектных решений с помощью диалоговых интерактивных процедур, работа с пространственным образом проектируемых изделий, получение чертежной документации с помощью средств машинной графики, генерация программ для управления обрабатывающим оборудованием, создание автоматизированных информационно-справочных систем и архивов для хранения исходных данных и всей информации о проектных и конструкторских решениях – все это признаки третьего этапа эволюции САПР.

2.7.Принципы создания САПР

Проектирование — процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе первичного описания этого объекта и/или алгоритма его функционирования. Проектирование включает в себя комплекс работ по изысканию, исследованию, расчетам и конструированию, имеющих целью получение описания предмета проектирования, необходимого и достаточного для создания нового изделия или реализации нового процесса, удовлетворяющего заданным требованиям. Проектирование — это сложный специфический вид созидательной деятельности человека, основанный на глубоких научных знаниях и творческом поиске, использовании накопленного опыта и навыков в определенной сфере, не лишенный, однако, необходимости выполнения трудоемких рутинных работ.

Под автоматизацией проектирования понимается такой способ выполнения процесса разработки проекта, когда проектные процедуры и операции осуществляются разработчиком изделия при тесном взаимодействии с ЭВМ. Автоматизация проектирования предполагает систематическое использование средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и обоснованном выборе методов решения задач.

Рациональное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен в основном решать задачи творческого характера, а ЭВМ — задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма, что позволяет достичь большей эффективности по сравнению с традиционным ручным способом.

Существенное преимущество машинных методов проектирования состоит в возможности проводить на ЭВМ эксперименты на математических моделях объектов проектирования, отказавшись или значительно сократив дорогостоящее физическое моделирование. Математические модели при этом должны удовлетворять требованиям универсальности, адекватности, точности и экономичности.

Для создания САПР необходимы:

• совершенствование проектирования на основе применения математических методов и средств вычислительной техники

• автоматизация процесса поиска, обработки и выдачи информации

• использование методов оптимизации и многовариантного проектирования

• применение эффективных математических моделей проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов

• создание банков данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования объектов

• повышение качества оформления проектной документации

• увеличение творческой доли труда проектировщиков за счет автоматизации нетворческих работ

• унификация и стандартизация методов проектирования

• подготовка и переподготовка специалистов в области САПР

• взаимодействие проектных подразделений с автоматизированными системами различного уровня и назначения

Система автоматизированного проектирования (САПР) — это комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователем системы), выполняющей автоматизированное проектирование. САПР объединяет технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования. В САПР обеспечивается удобство использования программ за счет применения средств оперативной связи инженера с ЭВМ, специальных проблемно-ориентированных языков (объектно-ориентированных) и информационно справочной базы.