Системы автоматизирован­ного проектирования (САПР) вагонов.

Вычислительные машины оказались мощным средством автоматизации проектирования вагонов и управления производственными процессами –их технического обслуживания и ремонта.

Прогресс науки и техники обуславливает необходимость выполнения проектно - конструкторских работ большого объема. Требования, предъявляемые к качеству проектов, срокам их выполнения, оказываются все более жесткими по мере увеличения сложности проектируемых объектов и повышения важности выполняемых ими функций. Удовлетворить эти требования с помощью простого возрастания численности проектировщиков нельзя, так как возможность параллельного проведения проектных работ ограничена, и численность инженерно-технических работников в проектных организациях не может быть заметно увеличена. Решить проблему можно только на основе автоматизации проектирования — за счёт широкого применения вычислительной техники.

Автоматизированное проектирование можно определить как технологию использования вычислительных систем для оказания помощи проектировщикам при выработке, модификации, анализе или оптимизации проектных решений.

Цель автоматизации проектирования — повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация тенденции к росту числа инженерно-технических работников, занятых проектированием, повышение производительности труда. Однако не всегда переход от традиционных неавтоматизированных методов проектирования к автоматизированным обеспечивает достижение указанной цели. Например, часто удается ускорить процесс проектирования без улучшения качества изделий, в отдельных случаях не наблюдается непосредственного снижения материальных затрат. Тем не менее важен сам эффект ускорения научно-технического прогресса в данной области техники.

Применение ЭВМ для решения отдельных проектных задач началось одновременно с их появлением. Однако оно было скорее эпизодическим, чем систематическим. Обычно в каждом конкретном случае инженер заново составлял программу решения, используя традиционные методы проектирования. Поскольку эти методы разрабатывались для неавтоматизированного проектирования, их копирование при автоматизированном проектировании не могло дать ожидаемого эффекта.

Необходим обоснованный выбор методов машинного решения задач, подразумевающий учет возможностей вычислительной математики и вычислительной техники для обеспечения приемлемого компромисса между требованиями высокой точности, степени универсальности, малых затрат машинного времени, памяти и труда инженеров-проектировщиков на сбор исходной информации.

Для автоматизированного проектирования характерно систематическое использование ЭВМ при рациональном распределении функций между человеком и ЭВМ. На ЭВМ решаются задачи, поддающиеся формализации, при условии, что их машинное решение более эффективно, чем ручное. К примеру, на ЭВМ не только решаются, но и автоматически составляются системы уравнений на основе лаконичного исходного описания объекта проектирования и имеющихся в памяти ЭВМ сведений.

Универсальность многих положений автоматизации проектирования имеет ту же природу, что и общность приемов математического исследования различных физических объектов и явлений. Следует отметить, что развитие автоматизации проектирования выражается, прежде всего, в совершенствовании и углублении именно математических приемов исследования, поэтому появление и развитие автоматизированного проектирования стимулирует создание общей теории инженерного проектирования.

Граница между автоматизированным и неавтоматизированным проектированием не может быть четкой. Она зависит от конкретных условий и должна изменяться по мере развития математики, вычислительной техники и теории проектирования. То, что сегодня представляется наилучшим распределением функций между человеком и ЭВМ и оптимальным методом решения, завтра может перестать быть наилучшим и оптимальным в связи с расширением знаний и технических возможностей.

Выделение автоматизации проектирования как самостоятельного научно-технического направления связано с тем, что постановка и методы решения проектных задач при автоматизированном и неавтоматизированном проектировании существенно различаются. Предметом автоматизации проектирования являются формализация проектных процедур, структурирование и типизация процессов проектирования, модели, методы и алгоритмы решения проектных задач, способы построения технических средств, создания языков, описания программ, банков данных, а также вопросы их объединения в единую проектирующую систему.

Наилучшая форма организации процесса проектирования достигается при применении САПР — комплекса средств автоматизации проектирования. В комплекс средств автоматизации проектирования наряду с техническим, математическим и другими видами обеспечения входит программное обеспечение. Важно отметить, что программы для САПР разрабатываются не инженерами-пользователями, которые при применении имеющихся программ могут не знать многих особенностей их построения и реализованных в них методов, а специалистами по САПР. Программы разрабатываются единожды, а применяются многократно в различных ситуациях, возникающих при проектировании многих объектов. Несмотря на это, инженеру-пользователю необходимо знать методы и алгоритмы, реализованные в программах САПР, что поможет избежать ошибок в формулировке задач, выборе исходных данных, интерпретации результатов и получить их с наименьшими затратами общего и машинного времени.

Отмечая специфичность САПР конкретных отраслей, необходимо подчеркнуть, что для многих областей техники ряд основополагающих положений теории и практики САПР носит достаточно общий характер, например принципы построения общего и специального программного обеспечения, формирование типовых последовательностей задач и программ, организация взаимодействия инженера и ЭВМ, подходы к получению математических моделей проектируемых объектов и т.д.

Прежде чем начать рассмотрение различных аспектов автоматизации проектирования, целесообразно дать понятие конструирования и проанализировать процесс проектирования как таковой.

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 как конструирование.

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 или 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.

Замечания, полученные в результате увязок и поверочных расчётов, учитываются конструкторами при следующих прорисовках деталей, также как и замечания, полученные во время консультации с технологами. В случае удовлетворения этих замечаний проводится окончательная увязка конструкции и выпускается конструкторская документация на детали и сборочные единицы (детальные чертежи, сборочные чертежи и спецификации узлов, агрегатов и изделия в целом. Полученная таким образом документация передаётся технологам на технологическую проработку и далее, - в производство. Замечания, возникающие в процессе технологической проработки, производства и эксплуатации, передаются конструкторам и они вносят изменения в чертежную документацию на детали, сборочные единицы, узлы, агрегаты и изделие.

Итак, мы видим, что проектирование - это творческая реализация технического замысла изделия, определение его функциональной структуры и технологии изготовления. Конструирование включает процедуры обдумывания и отображения, выбор материалов и технологии изготовления, детальные расчёты и анализ полученных результатов.

Последовательность действий, производимых проектантами в процессе работы над проектом, называют технологией проектирования. Последняя характеризуется как итеративная процедура, имеющая шесть четко различимых этапов, или фаз, изображенных на левой половине следующей схемы:

Стрелки свидетельствуют об итеративном характере процедур.

Выявление потребностей предполагает установление кем-либо самого факта существования проблемы, в соответствии с которой должно быть предпринято то или иное корректирующее воздействие. Такой проблемой могло бы быть выявление некоторого дефекта в конструкции эксплуатируемой машины инженером или определение агентом по сбыту возможности выпуска на рынок нового изделия.

Постановка задачи включает в себя детальное описание изделия, подлежащего проектированию. Это описание должно содержать информацию о физических и функциональных характеристиках объектов проектирования, его стоимости, качестве и рабочих параметрах.

Этапы синтеза и анализа тесно связаны друг с другом и многократно повторяются в процессе проектирования. Итеративный характер этих этапов проявляется в том, что вначале проектировщик определяет концептуальную основу конкретного компонента или узла создаваемой системы, затем эта концепция подвергается анализу, усовершенствованию по результатам анализа и повторному воплощению в проектное решение. Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет получено решение, оптимальное в условиях проектных ограничений, учитываемых разработчиком. Спроектированные компоненты и подсистемы синтезируются затем в рамках окончательного проектного решения по всей системе в целом с использованием аналогичных итеративных методов.

Этап оценки связан с измерением проектных характеристик конкретного варианта и сопоставлением их с требованиями, установленными на этапе постановки задачи. Для проведения такой оценки часто бывает необходимо изготовить и испытать опытный образец-прототип в целях получения реальных рабочих характеристик, параметров качества, надежности и др.

Представление результатов - заключительная фаза процесса проектирования, которая предполагает документирование проекта с помощью чертежей, спецификаций материалов, сборочных листов и т.п. Естественно, что для подготовки такой документации необходимо иметь надлежащую базу данных по всему проекту: геометрические размеры, спецификации используемых материалов и т.п.

В каждой такой инженерной дисциплине традиционный подход состоял в ручной разработке технического проекта изделия и последующем анализе проектных решений тем или иным способом. Для проведения анализа могут требоваться сложные инженерные расчеты, либо он может основываться на крайне субъективных суждениях об эстетических достоинствах конструкции. В результате анализа выявляются конкретные усовершенствования, которые можно внести в проектируемый объект. Как уже отмечалось выше, весь процесс проектирования носит итеративный характер, и на каждой итерации происходит улучшение первоначальных проектных решений, однако неудобство состоит в том, что при отсутствии автоматизации каждый цикл анализа занимает очень много времени и для завершения всего проекта необходим большой объем трудозатрат.

Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую проблему, а ее внедрение требует значительных капиталовложений.

Накопленный опыт позволяет выделить следующие основные особенности их построения:

САПР — человеко-машинная система. Все созданные и создаваемые с помощью ЭВМ системы проектирования являются автоматизированными. Важную роль в них играет человек — инженер, разрабатывающий проект технического средства. В настоящее время и, по крайней мере, в ближайшие годы создание САПР “не угрожает” монополии человека при принятии узловых решений в процессе проектирования. Человек должен решать в САПР, во-первых, задачи, формализация которых не достигнута, и, во-вторых, задачи, которые решаются человеком на основе эвристических способностей более эффективно, чем на ЭВМ. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования — один из принципов построения и эксплуатации САПР.

САПР — иерархическая система. Она реализует комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования. Блочно-иерархический подход к проектированию должен быть сохранен при применении САПР. Иерархия уровней проектирования отражается в структуре специального ПО САПР в виде иерархии подсистем. Следует особо подчеркнуть целесообразность обеспечения комплексного характера САПР, так как автоматизация проектирования на одном из уровней при сохранении старых форм проектирования на соседних уровнях оказывается значительно менее эффективной, чем полная автоматизация всех уровней. Иерархическое построение относится не только к специальному программному обеспечению, но и к техническим средствам САПР, разделяемых на центральный вычислительный комплекс и автоматизированные рабочие места проектировщиков.

САПР — совокупность информационно согласованных подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство последовательностей задач проектирования обслуживаются информационно согласованными программами. Две программы являются информационно согласованными, если все те данные, которые представляют собой объект переработки в обеих программах, входят в числовые массивы, не требующие изменений при переходе от одной программы к другой. Так, информационные связи могут проявляться в том, что результаты решения одной задачи будут исходными данными для другой задачи. Если для согласования программ требуется существенная переработка общего массива данных с участием человека, который добавляет недостающие параметры, вручную перекомпоновывает массив данных или изменяет значения отдельных параметров, то это значит, что программы информационно плохо согласованы. Ручная перекомпоновка массива ведет к существенным временным задержкам, росту числа ошибок и поэтому снижает эффективность работы САПР. Плохая информационная согласованность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом из-за не учета в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижается качество проектных решений.

Принцип информационной согласованности подсистем часто представляют близким по смыслу принципу оптимальности связей человека с ЭВМ внутри САПР. При этом подчеркивается сторона автоматизированного проектирования, требующая рационального распределения функций между человеком и ЭВМ.

Элементами оптимальности связей между человеком и ЭВМ являются автоматическая связь программ без ручной перекомпоновки массивов данных, а также техническое обеспечение оперативной связи человека с ЭВМ посредством дисплея (монитора).

Близким по смыслу, но не полностью совпадающим с рассмотренными является принцип оптимальности связей между САПР и внешней средой. Если каждый раз при проектировании очередного объекта заново вводятся в систему не только действительно специфические новые исходные данные, но и сведения справочного характера (например, параметры унифицированных элементов), то имеет место нерациональная организация связей САПР с окружающей средой. Очевидно, что все данные, используемые многократно при проектировании разных объектов, должны храниться системой в банках данных (базах данных).

САПР — открытая и развивающаяся система. Существуют, по крайней мере, две причины, по которым САПР должна быть изменяющейся во времени системой. Во-первых, разработка столь сложного объекта, как САПР занимает продолжительное время и экономически выгодно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Во-вторых, постоянный прогресс вычислительной техники и вычислительной математики приводит к появлению новых, более совершенных математических моделей и программ, которые должны заменять старые, менее удачные аналоги. Поэтому САПР должна быть открытой системой, т.е. обладать свойством удобства включения новых методов и средств.

САПР — специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей.

Требования высокой эффективности и универсальности, как правило, противоречивы. Высокой эффективности САПР, выражаемой прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, добиваются за счет специализации систем. Очевидно, число различных САПР при этом растет. Чтобы снизить расходы на разработку многих специализированных САПР целесообразно строить их на основе максимального использования унифицированных составных частей. Необходимое условие унификации — поиск общих положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов.

Интегрированная САПР должна охватывать операции проектирования, конструирования и технологической подготовки производства и непосредственно взаимодействовать с системами производства и испытаний создаваемого ЛА, а также системой управления предприятием. В подобных системах различные конструкторско-технологические задачи решаются с использованием единой информационной модели ЛА при тесной координации усилий различных подразделений предприятия на основе общих принципов организации процесса разработки и использования средств автоматизации этого процесса

Не следует считать, что функции развитой САПР на предприятии ограничатся лишь автоматизацией научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. В конечном счете, САПР, являясь системой, реализующей наиболее важные этапы разработки ТС, должна выступить в роли качественно новой основы объединения всей системы служб и подразделений, участвующих в создании объекта. В масштабах предприятия подобное объединение на основе средств автоматизации проектирования, управления, производства обеспечит упорядочение информационных связей между подразделениями, оперативную обработку разноплановой информации, своевременную выдачу исходных данных для проведения всех видов работ (от проектирования до изготовления и испытания ЛА), предоставление руководителям предприятия объективной и полной информации о ходе выполнения работ. Все это позволит ощутимо повысить общую производительность труда предприятия и получить наибольший эффект от автоматизации производства.

ЛЕКЦИЯ№ 3.Моделирование.