Лекция 1 (ОПА) (Лекции по ОАП)

Лекция 1 (вводная)

Краткое содержание:

1. Понятие о процессе проектирования технических обьектов (ТО) в системе ЕСКД. Стадии и процедуры проектирования, блочно-иерархаический подход к проектированию ТО. Значение анализа и синтеза в процессах проектирования. Понятие о параметрах и критериях оценки ТО (выходные, внутренние и внешние параметры). Особенности формулировки задач при автоматизированном проектировании (АП). Понятие о математических моделях обьектов проектирования, типовая блок-схема процесса АП.

Основные определения:

1. Проектирование – процесс (комплекс работ), выполняемый с целью получения описаний нового или модернизированного технического объекта (ТО), достаточных для реализации или изготовления ТО в заданных условиях . Технический объект - это либо материальный объект (готовое изделие, оборудование, материалы и компоненты оборудования), либо технологический процесс создания материального объекта.

Результатом проектирования является описание ТО, которое в окончательном виде имеет отвечающей требованиям ГОСТ вид комплекта конструкторской или технологической документации.

1. Основные стадии проектирования для материальных объектов представлены на рис.1.1.(ксерокс): НИР (научно-исследовательская разработка ТО); ОКР (опытно-конструкторская разработка ТО); Техническое предложение -ТП; Эскизный проект; Технический проект; Рабочий проект; При необходимости для сложных ТО предусматривается этап изготовления образцов ТО..

2. Блочно-иерархический подход к процессу проектирования сложных ТО заключается в разделении проектирования на несколько соподчиненных между собой стадий.

В системе ЕСКД деление на иерархические стадии (уровни) осуществляется по

схеме: ТЗ  ТП  ЭП  ТП  РП.

1. На каждом уровне проектирования разрабатывается свой блок информации, при этом связь между (i) и (i+1)-м уровнями (например, ЭП и ТП) осуществляется через промежуточные технические задания (разработка ТЗ идет по нисходящей, от общих задач к частным).

Техническое задание (ТЗ) – это совокупность численных требований к выходным

параметрам ТО и внешней среде (запись в математической форме), а также

вербальное (словесное) описание технических ограничений и условий, не

поддающихся численной оценке (то же и для промежуточных ТЗ).

5. На каждом уровне процесса проектирования решаются две основных задачи:

синтез (структурный или параметрический) объекта в виде конечного

множества вариантов его исполнения; многократный анализ выходных

характеристик ТО с целью выбора его оптимального варианта (или

разрабатываемой на данном уровне части ТО) по известным критериям, а также

подготовка промежуточного ТЗ для проектирования на последующем уровне.

6. Работоспособность ТО определяется показателями эффективности:

производительностью, надежностью, стоимостью, массой, габаритами, точностью.

Эти показатели могут использоваться полностью и частично в качестве критериев

(выходных параметров) при анализе и синтезе ТО.

Выходные параметры ТО – это показатели качества, зависящие как от свойств и связей элементов, входящих в ТО, так и его общей структуры. Перечень показателей качества ( их аналог - показатели эффективности) задается промежуточным техническим заданием (ТЗ).

Внешние параметры ТО –это параметры внешней по отношению в обьекту среды, оказывающие влияние на его функционирование.

Внутренние параметры –это параметры элементов, входящих в ТО.

1. Автоматизированное проектирование (АП) - как современная форма проектирования, основана на моделировании ТО и процесса его работы

математическими методами. АП основано на принципе блочно-иерархического

построения (есть аналогия с ЕСКД). На каждом уровне используются свои

математические модели, а проектирование формально представляется как

процесс преобразования математических моделей.

1. Математической моделью ТО называется совокупность математических обьектов, таких как числа, графы, множества, скалярные и векторные переменные, матрицы и связывающие их отношения, вытекающие из основных физических законов, которые адекватно, с заданной точностью, отражают свойства моделируемых ТО.

В основе моделей используются основные законы физики: сохранения массы, количества движения, энергии и др. законов (Гука, Фурье, Кирхгофа),- они обеспечивают универсальность применения существующих математических моделей в разных приложениях при проектировании ТО.

1. Блочно-иерархический подход в АП отражается в иерархии математических моделей по уровню абстракции (микроуровень, макроуровень). Часто используется и классификация математических моделей по назначению:

• структурные, - отображают типы элементов ТО, их связи между собой;

применяются в сложных ТО и подразделяются на топологические;

каркасные; геометрические, кинематические и комбинированные;

• функциональные,- описывают физические и информационные процессы,

происходящие в объекте и устанавливают связь фазовых переменных с внешними, внутренними и выходными параметрами; разделяются на аналитические и алгоритмические (в том числе имитационные) модели. математических моделях для динамической характеристики физического или Фазовая переменная – внутренний параметр обьекта, который используется в информационного состояния материального объекта (в частности, может быть связан с переходными процессами энерго,-массообмена).

1. Типовая блок-схема АП на одном из нисходящих уровней, рис.1.2 (ксерокс):

Типовая процедура при АП:

- структурный синтез объекта по техническим требованиям ТТ = {tt₁; tt_{2 …} tt_k}

технического задания (ТЗ) с верхнего уровня, где TT- вектор технических

требований размерностью “к”;

• составление математической модели обьекта из модульных математических элементов и уравнений;

• назначение векторов внутренних ‹X› и внешних ‹Q› параметров обьекта и окружающей среды;

• анализ объекта проектирования (решение системы уравнений математической модели), расчет вектора выходных параметров Y = y₁ , y₂ …. y_n, п > к;

• оформление технической документации ТО и подготовка ТЗ на последующий уровень АП.

Принятые в блок-схеме обозначения (средства для выполнения процедуры):

Р – подготовка исходных данных вручную;

ПА – то же, полуавтоматически;

А – автоматический режим расчета.

Литература по курсу “Основы автоматизированного проектирования” (ОАП)

1. Норенков И.П., Маничев В.Б. “Основы теории и проектирования САПР”, 199 г.

2. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. “Теоретические основы САПР” – Учебник для технических Вузов. М., 199 г.

3. Норенков И.П. “Введение в автоматизированное проектирование технических

устройств и систем”. – М., “Высшая школа “, 1980г.

1. Жук Д.М., Маничев В.Б., Семенов В.И. и др. “Параметрическое моделирование машиностроительных конструкций в среде Microstation. – Мет.указания по проведению практических занятий. – МГТУ, 199 г.

2. Капустин Н.М., Васильев Г.Н. “Автоматизация конструкторского и технологического проектирования” – М., “Высшая школа” Сб. по САПР в 9 томах, под общ.ред.И.П.Норенкова, Том 6, 199 г.

3. Маничев В.Б., Уваров М.Ю., Князева С.Ю. “Моделирование динамики технических систем с помощью программы GPA7”. – М., МГТУ, каф.РК-6, 1986г.

Лекционный курс - “Основы автоматизированного проектирования (ОАП) ” является по существу введением в САПР и содержит четыре основных раздела: техническое обеспечение САПР, общие характеристики математических моделей, моделированиес и анализ ТО на распределенном уровне, синтез и оптимизация ТО.

Обьем курса, рассчитанный на один семестр: 34 лекционных часа и 17 часов лабораторных работ. Форма отчетности – экзамен.

На лабораторных занятиях осваиваются на ПК различные пакеты прикладных программ САПР, как-то: трехмерное моделирование в среде Microstation, моделирование и оптимизация с применением прикладных программ ANSYS, GPA7.

Введение.

Инженерная деятельность связана с разработкой новых технических обьектов, то есть с их проектированием. Прогресс техники приводит к появлению все более сложных технических обьектов, при этом сроки их проектирования увеличиваются.

В условиях рыночной экономики для ускорения создания новой техники используется автоматизированное проектирование, основанное на взаимодействии инженера-проектировщика с ЭВМ.

Автоматизированное проектирование осуществляется в рамках системы автоматизированного проектирования (САПР), состоящей из комплекса технических средств и пакетов прикладных программ, необходимых для математического моделирования различных технических обьектов.

Целью настоящего курса является дать представление о САПР как целостной системе проектирования, научить корректно ставить и решать задачи синтеза и анализа технических обьектов, используя при этом машинные методы расчета, оптимизации и проектирования.

Проектирование – это комплекс работ с целью получения описаний нового или модернизированного технического объекта (ТО), достаточных для реализации или изготовления ТО в заданных условия. Под техническим обьектом понимается либо материальный объект (готовое изделие, оборудование для его производства), либо технологический процесс, предназначенный для создания материального обьекта.

Описание ТО в окончательном виде имеет вид комплекта конструкторской или технологической документации, отвечающей требованиям ГОСТов, и может включать, помимо чертежей, схем и спецификаций, программное обеспечение для управляющих ЭВМ, входящих в состав ТО, методику испытаний, техническое описание и др.

Рассмотрим условно представленные на схеме (см рис.1.1) основные этапы проектирования ТО в действующей системе ЕСКД.

Подавляющее большинство ТО создается в соответствии с требованиями ГОСТа поэтапно. Каждый из этапов по содержанию и форме представления промежуточной отчетности подчиняется ГОСТам. ( а нарушение ГОСТа преследуется законом).

Техническое задание и техническое предложение (ТЗ и ТП) формируются на

стадии научно-исследовательских разработок ( стадия НИРа).

Эскизный и технический проекты, - на стадии опытно-конструкторских разработок (стадия ОКР).

На этапе НИР исследуется любая информация (патенты,техническая литература, аналоги, физические модели и т.п.) о будущей конструкции или изделии, рассматриваются принципы его создания, прогнозируются возможные значения выходных характеристик и параметров обьекта при том или ином построении.

Автоматизированные методы проектирования на этапе НИРа используются редко, чаще,- интуитивный метод поиска приемлемых решений, основанный на знании и опыте проектировщика. Зачастую разработанная новая конструкция оказывается далеко неоптимальной из-за отсутствия нужной информации о проектируемом обьекте, сложности учета всех фактров приоптимизации ее структуры.

Замечание. Следует отметить, что вопросам теории принятия обоснованных технических решений уделяется достаточно большое внимание в научных исследованиях

В качестве иллюстрации к этому вопросу можно ознакомиться примерами из книги английского ученого-изобретателя Хилла “Наука и искусство проектирования: методы проектирования, научное обоснование решений( см рис.1.1* ). Как видно из таблиц, ставится задача формализации поиска технического решения по набору неких критериев, а сам процесс проектирования рассматривается как последовательность решения взаимосвязанных задач.

Блочно-иерархический подход к проектированию ТО, свойственный существующим формам проектирования (ЕСКД, САПР), заключается в следующем:

• процесс проектирования расчленяется на уровни технического описания обьекта по принципу “от общего к частному”;(см Рис.1.1 схема: этапы

проектирования);

• на каждом новом (нисходящем) уровне степень подробности рассмотрения процесса проектирования возрастает;

• описание ТО на некотором “ i “ уровне может представлять собой сложную систему из отдельных элементов. Эти же элементы, будучи рассмотренными на “ i+1 “ уровне, могут, в свою очередь, оказаться весьма сложными блоками или системой, состоящей из набора уже иных элементов. Элементы нисшего уровня считаются компонентами или базовыми элементами ( с этой точки зрения все механизмы безусловно состоят из одинаковых базовых элементов –осей, шестерен,, корпусов и т.п.).

Например: иерархия изделий станкостроения: детали (валы, оси, корпуса, зубчатые колеса), – это базовые элементы; сборочные единицы (редуктор, коробка скоростей)– это более высокий уровень иерархии; далее, комплексы (станок) и комплекты (поточная линия из станков).