книга2 с254-338 (Часть полезной книги), страница 13

Под машинным проектированием металлоконструкций понима­ется автоматизированное и автоматическое выполнение с помощью ЭВМ и других технических средств основных процедур поэтапного проектирования изделия. Машинное проектирование, основанное на использовании ЭВМ, позволяет автоматизировать ряд звеньев процесса конструирования изделий, в том числе решение трудоем­ких и громоздких задач по нахождению оптимального варианта в условиях многокритериальности, больших массивов информации и разветвленных алгоритмов ее обработки. Это, в свою очередь, снижает сроки проектирования, повышает производительность тру­да проектировщиков и качество решений на основе возможно более полного использования потенциальных возможностей математиче­ских и других формализованных методов и автоматических средств переработки информации.

Задачи машинного проектирования не ограничиваются автома­тизацией трудоемких расчетов. При машинном проектировании комплексно автоматизируется весь процесс проектирования — от разработки технического задания до выдачи конструкторской до­кументации. Для разработки и внедрения машинного проектирова­ния в научно-исследовательских институтах необходимо провести большую работу по стабилизации номенклатуры, типизации и уни­фикации узлов объектов проектирования, по созданию единой тех­нологии проектирования.

Наряду с этим необходимо проводить работы по формализации (математическому описанию) всех проектных решений, другими словами — создавать математические модели проектных решений и представлять результаты моделирования на различных языках программирования с целью их ввода в ЭВМ.

Весь комплекс средств человеко-машинного проектирования образует систему автоматизированного проектиро­вания (САПР). Основными элементами САПР являются кол­лектив проектировщиков, а также технический, программный и информационный комплекс. Связь проектировщиков с ЭВМ, про­граммами и информацией осуществляется через технические сред­ства ввода и вывода, накопления и передачи алфавитно-цифровой и графической информации. Каждая САПР состоит из подсистем и включается в автоматизированную систему технической подго­товки производства — ведущую подсистему АСУ.

Разработка САПР в научном и практическом аспектах не до­стигла еще такого уровня, когда в науке устанавливается единая призванная всеми специалистами терминология. Но единая унифи­кация терминов необходима. Во многих организациях пользуются не унифицированными, а «рабочими» терминами. При описании САПР металлоконструкций воспользуемся терминологией, разра-

317

ботанной в институте «Проектстальконструкция» (ЦНИИПСК) [41]. Согласно этой терминологии, под САПР понимается система автоматизированного проектирования, обеспечивающая весь про­цесс проектирования и выпуска законченной проектной докумен­тации на основе единой структуры модели объекта и единой тех­нологии проектирования и основанная на использовании ЭВМ и ее внешних устройств как основных средств накопления, хранения и переработки информации о проектируемом объекте.

Под технологией проектирования понимается модель про­цесса проектирования. В модели с помощью определенных языковых средств представления информации должны быть пере­даны сведения о процедурах обработки информации, выполняемых при проектировании. В САПР введено понятие «компонент САПР»—минимальный (неделимый) в рамках данной САПР эле­мент. Совокупность однородных компонентов формирует средство обеспечения САПР. Полная совокупность средств обеспечения САПР в целом состоит из средств методического, программного, информационного, технического и организационного обеспечения. Каждое из них состоит из своих компонентов.

Компонент методического обеспечения — доку­мент, в котором изложены полностью (без отсылок к каким-либо другим материалам, но с указанием первоисточников) теория, ме­тоды, способы, математические модели, алгоритмы или другие дан­ные, раскрывающие существо способа выполнения какой-либо функции обработки информации в САПР. Компонент про­граммного обеспечения — программный модуль (мини­мальная в рамках САПР программа) с необходимой технической документацией, обеспечивающий возможность автоматического вы­полнения некоторой процедуры переработки информации в САПР. Компонент информационного обеспечения — неде­лимая в рамках данной САПР совокупность информации вместе с ее представлением на машинах или иных носителях с необходи­мой текстовой документацией, обеспечивающая процедуры перера­ботки информации или являющаяся независимой частью итоговой информации. Компонент технического обеспече­ния — неделимое сочетание устройств вычислительной либо дру­гой техники или отдельное устройство, обеспечивающее возмож­ность выполнения процедур переработки информации. Компо­нент организационного обеспечения — руководя­щий материал, положение, приказ, инструкция или другой доку­мент, регламентирующий состав, содержание, стадии, сроки работ, используемые' средства, распределение функции и т. д. при выпол­нении работ какими-либо подразделениями или отдельными ли­цами в процессе разработки, внедрения или эксплуатации САПР. Структурно в САПР можно выделить две крупные подсистемы: функциональную и обслуживающую. Функциональная подсистема САПР— самая крупная задача в иерархии задач данной САПР. Она делится, в свою очередь, на проблемную функциональную под­систему и объектную функциональную подсистему.

318

Проблемная функциональная подсистема позволяет автоматизи­ровать часть процесса проектирования, она инвариантна для не­которой группы разнородных объектов. Объектная функциональ­ная подсистема позволяет автоматизировать часть или весь про­цесс проектирования некоторой однородной группы объектов. Под объектом проектирования понимаются конструкция, сооружение, технологический процесс, производство или их совокупность, вы­полняющие какие-либо функции в сфере народного хозяйства. Объектная функциональная подсистема может быть создана в ви­де технологической линии проектирования.

Рис. 23.3. Основные подсистемы САПР ЦНИИПСКа

Обслуживающая подсистема САПР — совокупность компонен­тов математического, информационного, организационного и техни­ческого обеспечения, реализующих возможность нормальной работы всей функциональной подсистемы. Понятие «обслуживающая под­система» шире, чем соответствующее понятие «средство обеспече­ния». В обслуживающую подсистему входят все компоненты соот­ветствующего средства обеспечения и некоторые компоненты других средств. Например, в обслуживающую подсистему техниче­ского обеспечения входят все компоненты средств технического обеспечения, некоторые компоненты программного обеспечения (тестовые программы), некоторые компоненты организационного обеспечения (например, инструкции дежурному инженеру-разра­ботчику) .

Рассмотрим коротко назначение и особенности каждой подси­стемы САПР металлоконструкций, разработанной ЦНИИПСКом *, в общем процессе проектирования изделия (рис. 23.3).

Трудоемкость этапов проектирования, связанных с расчетами на прочность основных и вспомогательных конструкций проектируе-

* На схеме не приведены функциональные подсистемы комплексной авто­матизации проектирования металлических конструкций зданий, сооружений и заводов.

319

мого объекта, составляет не менее 50% общей трудоемкости. В то же время эти этапы являются наиболее формализованными. Большинство из них имеет достаточно полное методическое обеспе­чение, под которым подразумевается механическая и математиче­ская постановка задачи расчета. Все это позволяет разработать подсистему расчетов на прочность металлических конструкций, дающую определенный экономический эффект благодаря опти­мальности применяемых конструктивных решений, экономии мате­риала, повышения производительности труда проектировщиков и сокращения сроков проектирования объектов.

Оптимальность принимаемых конструктивных решений достига­ется возможностью быстрого сопоставления различных вариантов конструктивного исполнения проектируемого объекта. Металл эко­номят благодаря принятию более обоснованных расчетных схем. Повышение производительности труда связано с автоматизацией наиболее трудоемких операций проектирования, что, в свою оче­редь, обеспечивает сокращение сроков проектирования объектов. Подсистема расчетов металлоконструкций на прочность предпола­гает использование ЭВМ для автоматизации расчетов конструк­ций, представляющих собой произвольную композицию из стерж­ней и пластинчатых элементов, на действие статических и динами­ческих нагрузок, определение расчетных комбинаций усилий и под­бор сечений стержневых элементов. Она представляет собой на­бор трех связанных между собой процедур (подпрограмм), кото­рые по своим признакам могут быть объединены в пакеты:

• пакет процедур математического обеспечения;

• пакет проблемно-ориентированных процедур расчета;

• пакет объектно-ориентированных процедур расчета.

Под процедурой математического обеспечения понимается ре­шение частной математической задачи, которая составляет часть более общей задачи строительной механики. Примерами могут служить процедуры решения задач матричной алгебры и матема­тической физики, разложения внешних нагрузок в ряды Фурье и т. д.

Под проблемно-ориентированной процедурой расчета металли­ческих конструкций понимается процедура, ориентированная на решение какой-либо проблемы. Примером могут служить процеду­ры расчета стержневых и оболочковых конструкций. Другими сло­вами, проблемно-ориентированная процедура должна представлять собой универсальное средство для решения целого ряда задач рас­чета металлоконструкций разнообразного вида, обеспечивающее большую свободу в выборе геометрических и механических харак­теристик элементов конструкции, в описании внешних силовых и температурных факторов, условий закрепления и т. д.

В отличие от проблемно-ориентированных процедур объектно-ориентированная процедура расчета относится к конкретной конст­руктивной форме, характеризующей какой-либо достаточно узкий класс объектов (фермы, плоские ортогональные рамы, балки). Объектно-ориентированная процедура расчета требует минималь-

320

ного количества исходных данных, поскольку некоторые сведения храняется непосредственно в ЭВМ. Подготавливаемые для расчета исходные данные касаются только некоторой ограниченной инфор­мации о данной конструкции (высота фермы, длина панели, балки).

В единой подсистеме расчетов на прочность все три процедуры функционально связаны. Обращение к конкретной процедуре в ходе решения задачи в САПР может быть обеспечено в автоном­ном и системном режимах. При автономном режиме запуск подсистемы инициируется проектировщиком и к нему же поступают результаты. В этом режиме подготовку исходных данных ведут сотрудники проектного отдела, имеющие представление о програм­мировании. Счет на ЭВМ выполняют операторы, а разработчиков системы привлекают лишь для консультаций в отдельных случаях. Для решения задачи в таком режиме необходимо программное обеспечение элементов технологии.

В системном режиме запуск подсистемы инициируется дру­гой подсистемой и результаты работы поступают в распоряжение этой подсистемы. Информационная стыковка при обращении к под­системе расчетов на прочность или ее фрагментам со стороны дру-гих подсистем обеспечивается автоматически с помощью специаль­но формируемых таблиц входных документов.

Подсистема оптимального проектирования конструкций пред­назначена для оптимизации проектных решений с учетом оптими­зации параметров основных конструктивных элементов (высоты балки, ширины и толщины поясов, толщины стенок, размеров се­чений, ребер жесткости). Оптимизация выполняется на дискретном множестве размеров. В качестве целевой функции может быть принята стоимость конструкций и трудоемкость изготовления. За­дача оптимизации формулируется в терминах ■ математической теории оптимального управления и решается с использованием принципов вариационного исчисления, принципа максимума Пон-трягина, методами динамического программирования (см. § 2). Решение задачи проводится в условиях ограничений на основные параметры конструкции. Для решения задачи в машине содержит­ся универсальный пакет программ, предназначенный для поиска минимума целевой функции в заданной области. Работа с пакетом проводится в интерактивном режиме с использованием дисплеев, с помощью которых обеспечивается просмотр информации и управ­ление ходом решения задачи. Целевая функция (масса, стоимость или другой качественный показатель конструкции) записывается в аналитическом виде или в виде алгоритма. Аргументами ее явля­ются искомые параметры конструкции.

При решении задачи ограничения формулируются в виде нера­венств. Например, напряжения в конструкции не должны превы­шать расчетных сопротивлений материала, прогибы не должны превышать допускаемых значений и т. д. Функции, присутствую­щие в неравенствах, также должны быть выражены в виде формул или алгоритмов. Далее программируется процедура вычисления

321

задачи на машине, отлаживается программа и включается в уни­версальный оптимизирующий пакет. В ходе решения задачи анали­зируется ряд вариантов конструкции, все они могут быть выведены на печать. По усмотрению проектировщика выбирается лучший вариант решения.

Подсистема технико-экономических расчетов металлоконструк­ций предназначена для уточненного расчета технико-экономических показателей (расхода материалов, заводской себестомости, приве­денной стоимости, народнохозяйственных затрат) проектов метал­лических конструкций. Ее используют с целью повышения качест­ва проектных решений благодаря возможности подробного учета на этапе проектирования затрат на изготовление, монтаж и экс­плуатацию. При разработке технической документации расчет стоимостных показателей металлических конструкций возможен по действующим оптовым прейскурантам. Прейскурант основывается на усредненных ценах, относящихся к отрасли в целом. К сожа­лению, пользуясь такой методикой, невозможно анализировать влияние конструктивных особенностей конкретного изделия на тру­доемкость и другие технико-экономические показатели при сравне­нии вариантов проектных решений.

В ЦНИИПСКе разработаны специальные методики для расчета технико-экономических показателей в условиях вариантного проек­тирования. Эти методики положены в основу автоматизированной системы расчета технико-экономических показателей. Методика основана на статистической обработке большого объема фактиче­ских данных о трудоемкости металлических конструкций, с кото­рой стоимостные показатели находятся в пропорциональной зави­симости. Установлены доминирующие факторы трудоемкости и получены эмпирические формулы ее зависимости от параметров конструкции. На основе этих формул построены удобные в пользо­вании таблицы. Для оценки конструктивных особенностей изделий в методике предложена статистическая оценка трудоемкости по отдельным операциям. С помощью расчетов они учитываются при подсчете общей трудоемкости проектируемого изделия.

Подсистема технико-экономических расчетов подразделяется на ряд задач, выполняющих определенные функции:

1. Кодирование информации о металлических конструкциях и расчет трудоемкости, т. е. кодирование информации, содержащейся в чертежах, преобразование ее для хранения на машинном носи­теле памяти, хранение в упорядоченном виде информации о нормах трудоемкости технологических операций, поддержание норматив­ной информации, расчет трудоемкости металлических конст­рукций.

2. Расчет заводской себестоимости металлических конструкций по вышеописанной методике.

3. Расчет комплексных технико-экономических показателей ме­таллических конструкций и расчет их составляющих, не входящих в заводскую себестоимость (транспортные затраты, затраты на монтаж и т. д.).

322

Таким образом подсистема позволяет определить технико-эко­номические показатели при многовариантном анализе металличе­ских конструкций с учетом конкретной технологии изготовления и конкретного состава оборудования.