Столярчук В.А. “CAD/CAE - системы”. Материалы к лекциям. Лекции № 5-6

Лекция № 5 – 6

3. Автоматизированное проектирования в САПР

Содержание

3.1. Формализация процессов проектирования и конструирования 3

3.2. Этапы проектирования 7

3.2.1. Этап синтеза проектных и конструктивных решений 9

3.2.2.Этап анализа проектных решений и универсальные методы расчета 14

3.2.3.Этап оптимизации и понятие оптимального проектирования 20

Общие положения 21

Последовательность решения задач оптимального проектирования 25

Основные функционалы и критерии оптимизации 33

Понятие многокритериальной оптимизации 36

Методы условной оптимизации 37

3.2.4.Этап оценки 43

Содержание лекций коррелируется с материалом:

1. Учебное пособие- Столярчук В.А. Автоматизация проектирования силовых конструкций. МАИ, 2004.

2. Часть 2. Оптимальное проектирование. Общие положения. Учебное пособие - Столярчук В.А. Основы автоматизации проектно-конструкторских работ. МАИ, 2003.

Как уже говорилось, под конструированием понимается не только соединение отдельных частей в единое целое, но и формирование составных частей этого целого. Конструиро­вание означает определение формы деталей, соединение деталей, определение их взаим­ного расположения, определение формы и функций изделия, а также разработку документации для из­готовления. Это также и поиск конструктивного решения. Конструирование является целенаправленным изобразительным процессом, при котором частные функции изделия объединяются в общую функцию. Целью конструирования является разработка и формирование функций изделия путем переработки геометрической, технологической и организационной информации; подготовка производства обеспе­чивает технологическую реализацию превращения исходной за­готовки в изделие. Поэтому конструирование можно интерпрети­ровать как обработку информации, обеспечива­ющую выполнение функциональных требований к изделию, а подготовку производства - как обработку информа­ции, обеспечивающую выполнение технических и технологических требований к изделию.

Поиск нового конструктивного решения предполагает отказ от традиционного образа мышления при анализе новых комбина­ций и установлении новых взаимосвязей между элементами. Конструирование означает оригинальность независимо от того, как решается задача: интуитивно или на основе известных анало­гов. Конструирование есть вид интеллектуальной деятельности, при которой правильные результаты получают путем анализа и переработки имеющейся информации. Каждое решение должно быть тщательно продумано и правильно сформулировано. Суть процесса конструирования состоит в выборе одного из возможных вариантов решений поставленной задачи. При этом при переборе вариантов происходят их сравнение, преобразование и запомина­ние. Важным свойством такого образа мышления является также способность абстрагироваться от конкретного объекта и переносить полученные результаты на другие объекты. Значительную роль играет способность к пространственному воображению, которая по мере накопления опыта может снижаться за счет ассоциативных воспоминаний. Важным условием при этом является способность человека концентрировать внимание на достижении поставленной цели [1].

При конструировании сложных объектов быстрое принятие частных решений весьма затруднительно, так как возможности отдельного человека ограничены, и он не может осмыслить одновременно все аспекты неожиданно возникающей перед ним новой задачи и решить ее с учетом всех целевых функций создаваемой конструкции. В таких случаях целесообразно использовать системотехнические методы, разработка которых требует проведения предварительного анализа процесса конструирования. В последние годы интенсивно ведется разработка новых методических подходов в конструировании, совершенствования самой методики конструирования.

Продуманная методика конструирования облегчает поиск оптимальных решений, объединяет в единый процесс различные смежные вопросы и способствует применению вычислительной техники для обработки данных. Систематика и методика конструирования является важным подготовительным этапом при переходе к конструированию с применением вычислительных машин.

Качественного улучше­ния изделий можно достичь путем применения соответствующих организа­ционных мер, путем переноса системно-технических методов на конструирование и главным образом путем использования компьютеров. Осуществление этих мер требует предварительного анализа про­цесса конструирования, четкого разделения его на отдельные этапы и формализации действий на этих этапах.

3.1. Формализация процессов проектирования и конструирования

Проектирование или конструирование — это процессы, которые, по сути, имеют целью соз­дание технической документации, необходимой для решения конкретной поставленной задачи. Действия в этих процессах можно подразделить на эври­стические и аналитические.

Эвристическая деятельность базируется на идеях, интуиции и изобретательности. Она представляет собой мыслительно-творческие процессы, которые при совре­менном состоянии техники не могут быть осуществлены автома­тически с помощью вычислительных устройств, а требуют диалоговой работы. Процессы, описываемые алгорит­мами, основываются на математических, физических и конструк­тивных закономерностях, используют логическую связь между различными высказываниями и могут быть выполнены автоматически с помощью компьютеров.

Задачи, выполняемые в процессах проектирования и конструирования, можно разделить на вписывающиеся в ту или иную структуру (формализуемые) и невписывающиеся в какую-либо структуру (неформализуемые) [1]. У неформализуемых задач отсутствует однозначная связь между определяющими переменными задачами. Сами переменные тоже не являются определенными. Поэтому неформализуемые проблемы можно решить только эвристиче­ским путем. Если проблемы формализуемые, то переменные и связи между ними определены, и возможно математическое описание задачи, а это позволяет применить вычислительную технику. Из-за сложности процесс проектирования или конструирования, в ходе которого произво­дится преобразование информации, расчленяется на ряд фаз. Каждая фаза характеризуется своей (фазовой) логикой. Фазовая логика — это обобщенная последовательность логи­ческих шагов решения, последовательность действий. В каждой из фаз при использовании компьютера выполняются следу­ющие виды работ: нахождение и использование информации, проведение расчетов, представление результатов, их оценка и корректировка. Время, необходимое для этих видов работ, зависит от принятой степени конкретизации разрабатываемого изделия.

Формализация процесса проектирования/конструирования является предпосылкой создания и реализации САПР.

Сопряжение отдельных фаз и проработка логики отдельных фаз формализуют процессы автоматизированного проектирования по вертикали и по горизонтали в соответствии с логикой блочно-иерархического подхода к проектированию[2]. Общим для всех этапов (фаз) является условие постановки задачи в форме, доступной для обработки на компьютере. Работа с ин­формацией должна пониматься в трех аспектах. Конструктор может получить информацию из ЭВМ, он может ввести информа­цию в ЭВМ, и может производиться обмен информацией между программами. Работа с информацией означает при этом в первую очередь передачу данных, но она может включать и передачу алгоритмов, по которым перерабатываются данные. В случае более обширных задач конструирования с использованием вычислительной техники информационное обеспечение невозможно без банка данных. Оперирование с данными и программами является вспомогатель­ным средством информационного обеспечения.

Расчеты в САПР-процессах проводятся для того, чтобы способ­ствовать повышению уровня конкретизации описания фазового объекта (задачи этапа). Расчеты могут производиться с использо­ванием данных уже представленной на машинном языке модели объекта, а также других данных и вне зависимости от машинного представления их. Расчеты могут потребоваться для проверки, интерпретации, истолкования и оптимизации, а также для оценки данных.

Оценка — это действие, с помощью которого можно произвести автоматически или интеллектуально, т. е. человеком, чаще всего, по графи­ческому представлению, экспертизу фазовых объектов, записанных на машинном языке. Это относится и к результатам расчетов.

Корректирование для определенного момента фазы — это изменение состояния проектируемого объекта. Для его осуществления нужно при­нять решение о направлении и способе дальнейшего развития процесса проектирования, так как корректирование всегда вклю­чает признак управления. Корректирование всегда осуществляется на основе оценки. При этом реализуются две возможности:

• полученный результат соответствует достижению пред­варительно определенной цели. В этом случае корректирование состоит в том, что переходят к проработке (данных) по логике следующей фазы (т. е. никакие изменения не вносятся)

• результат оценки не согласуется с ранее поставленной целью. Тогда нужно принять одно из решений:

1. производить ли изменения (логики) только что оцененного фазового объекта или

2. изменить предыдущий фазо­вый объект с его фазовой логикой

Поэтому для оптимального достижения цели конструирования иногда необходимо, исходя из полученных результатов на фазе n + 1, возвратиться к фазе n и проработать ее, введя новую информацию. Это означает, что в вертикальном направлении уровней форма­лизации нужно обеспечить интегрированный поток информации и на его основе сопряжение (горизонтальных) пред­ставлений разных уровней. Для достижения оптимальной фазовой цели необходимо, на­ряду с возвратом к предыдущей фазе, повторное выполнение отдельных действий данной фазы. Этому способствует применение в пределах одной фазы единой структурной модели фазового объекта.

Традиционный процесс проектирования или конструирования состоит из прорисовки эскиза будущего объекта и оценки пригодности его использования для реализации определенных целей (так называемый этап синтеза проектных и конструктивных решений). В случае положительной оценки на основе эскиза определяются примерные количественные характеристики объекта (минимально – геометрические размеры и материалы, используемые при изготовлении) и предполагаемая технология изготовления.

Далее конструкторы производят расчёты деталей, например, на прочность и устойчивость, чтобы убедиться в работоспособности конкретного решения (анализ работоспособности). Затем, изменяя форму и размеры геометрических размеров деталей в соответствии с результатами расчётов, достигают наиболее оптимального конструктивного решения в рамках принятой концепции (этап оптимизации). После этого производится комплексная оценка данного решения в сравнении с решениями, полученными ранее или известными из предыдущих разработок (этап оценки). Если конструкторское решение плохо удовлетворяет критериям оценки, то происходит возвращение на этап прорисовки нового варианта будущего изделия и весь цикл повторяется.

Таким образом, процесс проектирования является, по сути, бесконечным процессом и прекращение его производится лицом, принимающим решение. Это решение принимается, как правило, в условиях неопределенности и всегда существует вероятность того, что все возможности усовершенствования конструкции ещё не использованы. Упрощенная типовая схема процесса проектирования была представлена и описана в лекции 1. Напомним, что стрелки на схеме свидетельствуют об итеративном характере проектных процедур.

Для того чтобы более полно разобраться с проблемами автоматизации проектно-конструкторских работ и организацией САПР как организационно-технических систем целесообразно ограничиться какой-нибудь одной прикладной областью.

Такой прикладной областью в дальнейшем нашем изложении выступает задача проектирования силовых конструкций.

3.2. Этапы проектирования

Задачи проектирования конструкций технических объектов относятся к числу наиболее распространенных прикладных задач автоматизированного проектирования. Проектируемые конструкции должны удовлетворять не только требованиям прочности, жесткости и устойчивости, но и требованиям минимальной стоимости, материалоемкости и специальных требований своего функционального назначения. Требования к проектируемым конструкциям, наряду с ограничениями функционального характера, нередко определяются необходимостью снижения массы получаемых изделий. Последнее особенно актуально для конструкций летательных аппаратов.

При работе сооружений и машин их части воспринимают внешние нагрузки и действии этих нагрузок передают друг другу.

Поэтому при проектировании таких сооружений инженеру приходится выбирать материал и поперечные размеры каждого элемента конструкции так, чтобы он мог работать вполне надежно, без риска разрушиться, или, исказив свою форму, сопротивлялся действию внешних сил, передающихся на него от соседних частей конструкции. Конструкции, воспринимающие внешние силы и передающие эти силы на другие элементы сооружения, другие конструкции или опоры будем в дальнейшем называть силовыми конструкциями.

В проектировании так называемые силовые конструкции, т.е. конструкции, воспринимающие и передающие нагрузку, занимают особое место. Если для определения масс вспомогательных и несиловых конструктивных элементов статистика является, пожалуй, единственным средством, особенно на начальных этапах проектирования, то для силовых конструкций статистика имеет лишь вспомогательное значение и для них необходимо применение точных и сложных методов расчета.

Проектирование силовых конструкций обычно производится в два этапа.

На первом этапе происходит проектирование структуры или структурная оптимизация. На этом этапе отыскивается силовая схема или несущая структура конструкции, которая предопределяет генеральные пути передачи усилий. Проектирование силовых схем производится на основе анализа характера нагружения и возможных условий закрепления. В конечном итоге определяются расположение и взаимосвязь основных силовых элементов конструкции.

На втором этапе производится так называемая параметрическая оптимизация, в процессе которой происходит отыскание наилучших параметров элементов конструкции, разработанной на предыдущем этапе, а именно: значения толщины элементов, форм и площадей поперечных сечений и т.д. Но такое определение всегда связано с проведением расчётов на прочность и устойчивость. Поэтому процесс определения наилучших параметров производится итеративно, т.е. путем возвратов и повторов и является частью общего оптимизационного процесса. Задачи параметрической оптимизации в достаточной мере формализованы и успешно решаются с использованием различных математических методов.

Рис. 2.1

Значительно менее формализованы задачи структурной оптимизации. Безусловно, ни первый, ни второй этапы невозможны без расчета на прочность и устойчивость промежуточных и окончательных проектных решений. Поэтому для обеспечения качества и достоверности полученных результатов важнейшую роль играют используемые методы расчета, которым приходится уделять повышенное внимание особенно на поздних стадиях разработки проекта.