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.

Пути решения назревавших проблем проектирования нащупывались трудно и медленно. Одно время большие надежды возлагались на создание автоматизированных рабочих мест конструктора, позволявших ему непосредственно обращаться к ЭВМ, использовать терминальные устройства и т.д. Подобные автоматизированные рабочие места очень интенсивно начали использовать (в США, Швеции и нашей стране) с конца шестидесятых годов. Однако ожидаемого эффекта они не дали. Конечно, они подняли общую культуру проектирования, ускорили отдельные операции, однако никакого качественного эффекта, например ощутимого уменьшения средних сроков проектирования, они не породили. Все оказывалось гораздо сложнее. Усовершенствование технологии проектирования означало принципиальную ее ревизию и требовало проведения специальных исследований.

Как показали эти исследования, реальная перспектива разрешения противоречий между задачами и методами проектирования заключается в комплексной автоматизации процесса создания технических систем.

Предпосылками к этому являются, во-первых, наличие технических средств автоматизации, основу которых составляют быстродействующие компьютеры с развитой системой терминальных устройств и мощной операционной системой, во-вторых, появление методов решения задач проектирования, которые могут быть реализованы с помощью вычислительных машин (математическое моделирование, численные методы оптимизации, формализованные методы принятия решений и т.д.) и, в-третьих, появление теоретических исследований в области совершенствования всего процесса разработки с применением методов и средств автоматизации.

Автоматизация проектирования, а также взаимосвязанных с ним этапов конструирования и технологической подготовки производства позволяет решить кардинальную проблему совершенствования процесса создания технической системы; повысить качество проектируемого изделия при одновременном снижении сроков проектирования и затрат на его создание.

Итак, главная цель создания систем автоматизированного проектирования может быть сформулирована следующим образом:

обеспечение необходимого соответствия между неуклонно растущими потребностями общества в разработке качественно новых, все более сложных технических систем и методами и средствами реализации этих потребностей при ограниченных временных, финансовых, трудовых и материальных ресурсах, которые могут быть выделены на эти разработки обществом.

Особенности сложных технических систем

Современный уровень научно-технического прогресса характеризуется расширением сфер использования технических систем (ТС), усложнением выполняемых ими функций и условий работы. Одновременно существенно возросли требования к эффективности и качеству решения задач с применением ТС. Следствием этих факторов является повышение сложности ТС.

Сложность используемой и, главным образом, создающейся техники, так же как почти всех особенностей жизни нашего века, возрастает по экспоненте. По оценке специалистов сложность продукции машиностроение возросла в среднем в шесть раз за последние три десятилетия. Разработка ТС превращается во все более многошаговый и многоплановый процесс, включающий в себя трудоемкие расчеты, экспериментальные исследования с применением различных методов и средств моделирования изучаемых объектов и процессов их функционирования, многочисленные процедуры принятия решений. В этой работе участвуют специалисты различного профиля, объединенные в большие коллективы. Длительность разработки достигает нескольких лет, а стоимость в ряде случаев составляет миллиарды долларов.

Современный летательный аппарат (ЛА) относится к особо сложным техническим системам. В самом деле, ЛА присущи следующие свойства:

• сложность структуры, проявляющаяся в наличии большого числа взаимосвязанных компонентов, многие из которых являются, в свою очередь, достаточно сложными системами (двигательная установка, бортовые системы управления, энергетики, жизнеобеспечения и т.д.)

• функционирование в условиях воздействия различных по природе факторов, состав и значение которых изменяются в широком диапазоне

• множественность задач, которые необходимо решить для достижения основной цели (или целей), поставленной перед ЛА

• наличие некоторой надсистемы, в которую ЛА входит как компонента (например, надсистема "самолет - аэродром - служба управления движением" или "космический корабль - ракета-носитель - стартовый комплекс - система управления полетом")

Следует также отметить, что ЛА относятся к тому классу сложных ТС, функции которых и эффективность их выполнения оказывают влияние, далеко выходящее за рамки их непосредственного применения и распространяющееся на сферы экономики и политики.

Это обстоятельство значительно повышает степень ответственности решений, принимаемых при разработке новых ЛА.

Блочно – иерархический подход к проектированию

Сложившаяся практика приводит к различным схемам структуризации процесса проектирования в отраслях промышленности. Однако чаще всего структура процесса проектирования соответствует структуре разрабатываемой ТС. Типовая структура ТС (далее в контексте - изделия) показана на рис. 1.1.

Р ис. 1.1

Здесь под агрегатом понимается часть изделия, законченная в конструктивном и технологическом отношении. Подсистема - это элемент изделия, единый по физическим законам своего функционирования.

Агрегаты и подсистемы расчленяются на конструктивные элементы и функциональные блоки. Под конструктивным элементом понимается крупная часть агрегата. Функциональный блок - это часть подсистемы, предназначенная для выполнения какой-либо частной задачи. Конструктивные элементы и подсистемы на следующем уровне членятся на узлы. Последние делятся на детали, представляющие собой первичные элементы проектируемого изделия.

Если связать все работы по созданию элементов ТС со структурой технической системы, расчлененной по уровням, то эти работы и будут составлять структуру процесса проектирования (Рис.1.2).Таким образом, иерархическая структура объекта определяет и иерархическую структурупроцесса проектирования, что привело к реализации так называемого блочно – иерархического подхода при проектировании сложных технических систем.

При блочно – иерархическом подходе процесс проектирования и представление о самом объекте разбивается на уровни, что в приложении к ЛА выглядит, как показано на схеме.

Рис. 1.2

Работа по проектированию объекта распределяется между отдельными группами разработчиков, каждая из которых решает свои специфические проблемы, обусловленные поставленной перед ними задачей. Например, одна группа занимается проектированием корпуса ракеты, другая - планера, третья - двигателя.

Каждая из групп работает автономно, но согласовывают полученные проектные решения со своими смежниками. При достижении определенного компромисса согласованное решение передаётся на более детальную проработку, т.е. производится переход на следующий уровень, где также проводится работа отдельных групп, занимающихся решением своих частных проблем. И на этом уровне также необходимы согласования, обеспечивающие, например, стыковку проектируемых топливного и приборного отсеков. При работе на k-ом уровне не исключена возможность столкнуться с проблемой, не решаемой в рамках концепции, принятой на k-1 уровне (например, принятой формы поперечного сечения ракеты).

В этом случае приходится возвращаться на предыдущий уровень и начинать работу на этом уровне сначала и т.д. Очевидно, что такой процесс является итерационным, долгим и не гарантирующим от принятия неверного решения.

Но преимущества такого подхода к проектированию состоят в том, что:

• сложная задача большой размерности разбивается на последовательное решение задач малой размерности

• имеется возможность распараллелить работы, ведущиеся над проектом

Недостатки же следующие:

• на k-ом уровне работа ведется с недостаточно определенным объектом;

• оптимальность может быть достигнута только при согласовании по уровням, причём как внутри уровня, так и между соседними уровнями;

• на каждом уровне возникают свои критерии.

Понятно, что реализация такого подхода вызывает известные трудности, которые возрастают с возрастанием сложности технических систем.

Рассмотрим более детально саму технологию процесса проектирования.

Технология процесса проектирования и конструирования

Прежде чем начать рассмотрение различных аспектов автоматизации проектирования и конструирования, попытаемся определиться с терминами «проектирование» и «конструирование». Часто процесс проектирования называют конструированием, а иногда наоборот.

Техника является основной частью современной цивилизации и своим развитием обязана творчеству людей, обладающих определенными знаниями и мастерством, развитым интеллектом и сознанием, способностью к наблюдению и восприятию нового. Изобретение чего-либо нового имеет очень сложную природу и его можно сравнить с процессом художественного творчества в искусстве. Человек мыслит обычно зрительными образами, которые соответствуют отдельным функциональным решениям стоящей перед ним задачи. При мысленном решении сложных пространственных задач происходит расчленение процесса поиска на отдельные шаги, чередующиеся во времени и пространстве. Этот упорядоченный по функциональным признакам творческий процесс, на каждом этапе которого принимается решение, целиком ориентированное на какую-либо реализацию конкретной функции, можно определить и как проектирование, и как конструирование, илиназвать проектно-конструкторскими работами

Исходным материалом для начала проектно-конструкторских работ обычно служит техническое задание (ТЗ), поступающее конструкторам-проектировщикам. Оно содержит все необходимые данные, однозначно определяющие назначение, характеристики и качество разрабатываемого изделия.

Целью проектирования является разработка комплекта технической документации (рабочие чертежи, схемы, спецификации, технические условия, инструкции, описания и т. п.) на новое или модернизируемое изделие.

Таким образом, под проектированием можно понимать совокупность работ, следующих в определенной последовательности от технического задания до выпуска рабочих чертежей на изделие. Он складывается из целого ряда работ: поиска и ознакомления с аналогичными разработками и с существующей технической литературой, поиска наиболее рационального технического решения, выполнения инженерных - расчетов, разработки и графического оформления чертежей, составления текстовых документов (описаний, инструкций, технических условий, технических отчетов), проверки разработанной документации, копирования и размножения.

Здесь уместно отметить, что в литературе не существует четкого понятия терминов «проектирование» и «конструирование». Поэтому понятие «проектирование» в русском языке имеет двоякий смысл.

Во-первых, термин «проектирование» употребляют применительно к
сложным объектам, представляющим совокупность известных элементов. Так, например, говорят о проектировании самолетов, ракет, автомобилей, городов, предприятий, зданий, поточных линий, электрических схем и т.д.

Во-вторых, под проектированием понимают начальный этап конструирования. Чтобы создать новую машину, надо сначала спроектировать ее, т.е. выработать определенную концепцию, замысел решения задачи, представить принципиальную схему, структуру машины, может быть, даже изобразить еевнешний вид в первом приближении.

Творцам новой техники - конструкторам - приходится заниматься и проектированием (во втором смысле этого слова), и собственно конструированием. Эти элементы на всем протяжении процесса создания новой машины переплетаются друг с другом и зачастую их невозможно выделить в отдельный этап. Нельзя, например, сказать, что разработка, скажем, технического предложения или эскизного проекта - это только проектирование, а вот изготовление рабочей документации - это уже конструирование. Можно только констатировать, что схемы взаимосвязи процессов проектирования и конструирования изделия не существует.

В дальнейшем изложении мы будем придерживаться такой терминологии, когда весь цикл разработки полного комплекта технической документации на изделие называют «проектированием», а разработку отдельных агрегатов или элементов, узлов или деталей «конструированием».

Разработка чертежа общего вида изделия — пример конструирования при проектировании изделия — может быть названа проектированием или конструированием, а чертеж общего вида — проектным или конструкторским документом.

Итак, конструирование, это процесс отражения в чертежах структуры, размеров, формы, материалов, обработки и связей (внутренних и внешних) будущего изделия, который появляется в составе проектных работ, но которое продолжается и после окончания проектирования, как стадия разработки рабочей конструкторской документации.

Конструкция - это система, составленная по определенным правилам из отдельных функциональных элементов. В латинском языке слово construere означает сборку, компоновку. Под словом constructio понимается сооружение чего-либо, построение путём соединения.

В настоящее время под конструированием понимается не только соединение отдельных частей в единое целое, но и формирование составных частей этого целого. Конструирование может означать соединение деталей, определение их взаимного расположения, определение формы и функции изделия, а также разработку документации для изготовления. Конструирование - это также исследование и поиск конструктивного решения.

Традиционный процесс проектирования и конструирования состоит из прорисовки эскиза будущего объекта проектирования и оценки пригодности его использования для реализации определенных целей. В случае положительной оценки на основе эскиза определяются примерные количественные характеристики объекта (масса, размеры) и предполагаемая технология изготовления. Затем происходит разбивка конструируемого объекта на агрегаты, а агрегатов на узлы. Узлы прорисовываются, при этом происходит их разбиение на сборочные единицы и детали. Далее конструкторы прорисовывают детали, по известным нагрузкам производят расчёты деталей на прочность и устойчивость, изменяя форму и размеры деталей в соответствии с результатами расчётов. На основе полученных прорисовок деталей вновь прорисовываются сборочные единицы и узлы, происходит увязка и подгонка деталей в сборочных единицах и узлах. Специалисты из расчётных подразделений проводят укрупненные поверочные расчёты на прочность сборочных единиц, узлов и агрегатов, состоящих из прорисованных деталей.