Лекция 3 - 4 (Материалы к лекциям)
Описание файла
Файл "Лекция 3 - 4" внутри архива находится в папке "Материалы к лекциям". Документ из архива "Материалы к лекциям", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "модели и методы анализа проектных решений" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве МАИ. Не смотря на прямую связь этого архива с МАИ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "модели и методы анализа проектных решений" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Лекция 3 - 4"
Текст из документа "Лекция 3 - 4"
Столярчук В.А. Материалы к курсу лекций. «Модели и методы анализа проектных решений»
Лекция № 3 – 4
Лекция № 3 – 4
Проектирование (Projecting) и конструирование (Design) в САПР
Содержание
Формализация процессов проектирования и конструирования 3
Проектирование силовых конструкций 7
Этап синтеза проектных и конструктивных решений 9
Метод силового анализа 11
Этап анализа и методы расчета 14
Метод конечных разностей (МКР) 17
Метод конечных элементов (МКЭ) 19
Этап оптимизации и понятие оптимального проектирования 21
Общие положения 22
Последовательность решения задач оптимального проектирования 26
Основные функционалы и критерии оптимизации 34
Понятие многокритериальной оптимизации 37
Методы условной оптимизации 38
Модифицированный метод Хука – Дживса 40
Метод штрафной функции 41
Градиентный метод 42
Этап оценки 44
Список литературы 46
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.
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:
-
производить ли изменения (логики) только что оцененного фазового объекта или
-
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 проблема проектирования силовых конструкций.
Проектирование силовых конструкций
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.