Раздел 5. Компьютерные технологии и моделирование в сапр

Основанные на широчайшем применении геометрического

моделирования и компьютерной графики, средства и техноло­

гии «виртуальной реальности» позволяют всесторонне оценить

и «опробовать» компьютерный (виртуальный) проект еще до из­

готовления изделия. При необходимости на основе ЗD-модели

могут быть разработаны высокоэффективные эксплуатацион­

ные документы и учебные материалы.

Таким образом, геометрически-центрированные системы

автоматизированного проектирования занимают особое поло­

жение среди других компьютерных приложений и определяют

ведущее направление автоматизации в машиностроении, а по­

лученные в САПР компьютерные модели являются свидетель­

ством достижений и высокого научного уровня проектирования

и производства.

5.3. Ретроспективный обзор развития

автоматизированных систем

промышленного назначения

Чтобы понять современные тенденции компьютеризации

промышленности, необходимо представить и оценить путь,

пройденный системами автоматизации за последние десятиле­

тия. Очень точно и эмоционально об этом высказался один из

ведущих российских специалистов в области САПР профессор

МГТУ И . П . Норенков: «По своей сложности изделия вычисли­

тельной техники, будь то операционная система, микропроцес­

сор или продукт САПР, лидируют в мире техники. Удивляет не

только сложность сама по себе, поражает скорость, с какой эта

сложность нарастает. Не всегда удается своевременно выполнить

обоснование и обобщение новых идей, методов и технологий,

дать им должную оценку. В этих условиях знание истории может

стать полезным ориентиром в осмыслении новых направлений

развития вычислительной техники и информационных техноло­

гий, помочь в принятии правильных решений, уберечь от лож­

ных путей достижения поставленных целей» [37].

Автоматизация проектирования и производства зародилась

в радиоэлектронной промышленности (ECAD) в конце 1950-х -

266

5 3. Ретроспективный обзор развития автоматизированных систем

чале 1960-х годов XX века, практически одновременно с появ-

лением первых серийных электронно-вычислительных машин

(развернутый и иллюстрированный обзор развития ECAD можно

почерпнуть в [37]).

Обоснование практической ценности САПР для машино­

строительного конструирования (MCAD) связывают с появле­

нием и совершенствованием возможностей технических средств

интерактивной машинной графики в середине 1960-х. Первая

графическая станция Sketchpad с использованием дисплея и све­

тового пера была представлена И. Сазерлендом в 1963 г. [79].

Важность проекта Sketchpad трудно переоценить, так как имен­

но в нем была впервые продемонстрирована возможность фор­

мирования изображения на экране дисплея и манипулирования

им в реальном масштабе времени [13].

В эти же годы появились первые программы для расчетов

и компьютерного моделирования технологических процессов

(САМ). Среди первых работ по автоматизации проектирования

технологических процессов нужно отметить создание языка APT

(Automatic Programming Tools) в 1961 г. в Массачусетском техноло­

гическом институте США под руководством Д.Т. Росса [78]. APT

позволял в символьном виде описывать геометрические элементы

деталей и моделировать движение обрабатывающего инструмента.

Этот язык стал родоначальником многих других языков програм­

мирования для оборудования с числовым программным управле­

нием [13]. Следует обратить внимание, что в этой работе уже был

использован термин «Computer Aided Design", ставший общепри­

нятым обозначением САПР в мировом научном сообществе.

Необходимой предпосылкой автоматизации сложных инже­

нерных расчетов стало появление ориентированного на при­

менение ЭВМ математического обеспечения для анализа си­

ловых конструкций. Метод конечных элементов (МКЭ) был

Разработан в 1950 годах специалистами, работавшими в обла­

стях строительной механики и теории упругости. Сам термин

«конечные элементы» был введен в 1960 г. Клафом (R. Clough)

[76].

Исчерпывающий анализ ранних этапов развития МКЭ и

его применения для решения инженерных задач дан Дж. Оденом

В [40]. Там же приведен систематизированный и самый широ­

кий список литературных источников, состоящий более чем из

267

5.3. Ретроспективный обзор развития автоматизированн ых систем

зывают его отцом САПР) основал компанию Manufacturing and

400 наименований. Хотя в 1950-х компьютерной графики еще не

Consulting Services (MCS), ставшую одной из первых профес­

существовало, для моделирования рассчитываемой с помощь

сиональных фирм-разработчиков CAD-систем, которые выпу-

МКЭ конструкции совершенно необходима была геометриче-

скались под названием ANVIL. В том же году появились пер-

екая информация. Топологические данные и координаты узлов

вые системы фирмы Computervision, состоявшие из 16-битовой

конечноэлементной сети представляют собой не что иное, как

ЭВM планшета для ввода графической информации и графо-

сеточную (ячеистую) геометрическую модель. Правда, рисо­

строителя (программно-методический комплекс CADDS в

вать модель надо было карандашом на бумаге, а вводить много­

настояшее время принадлежит фирме РТС) [147]. «Родствен­

тысячные массивы цифр приходилось с помощью перфокарт

ные» связи фирм-разработчиков САПР с ведущими промыш­

и перфолент. Реализация МКЭ не была столь жестко привяза­

ленными концернами и высшими техническими учебными за­

на к аппаратным средствам машинной графики, как автомати­

ведениями - достаточно важная закономерность. Подавляющее

зация конструирования, поэтому достаточно быстро появились

большинство современных коммерческих САПР имеют научно-

многочисленные расчетные программные пакеты, которые и по­

производственные корни.

служили прообразом современных систем инженерного анализа

Уже в 1970-е годы выдвигаются идеи создания интегриро­

ванных САПР, предусматривающих переход от использования

отдельных, не связанных друг с другом программ, решающих

Как важный вклад в развитие методов автоматизированного

проектирования, следует рассматривать разработку ориентиро­

ванного на инженерные вычисления высокоуровневого алгорит­

мического языка программирования «Фортран» [77]. На «Фор­

тране» были написаны первые программные компоненты САПР,

в том числе и одна из известнейших CAE-систем NASTRAN

(NAsa STRucturalANalysis). Национальное космическое агентство

США (NASA) в 1965 г. для поддержки своих инновационных

проектов, связанных с космическими исследованиями, поста­

вило задачу разработки расчетного программного пакета, первая

версия которого начала эксплуатироваться в 1970 г.

К концу 1960-х целый ряд крупных промышленных концер­

нов самым активным образом включился в создание систем ав­

томатизированного проектирования. Впоследствии многие из

этих проектов послужили основой для современных программ­

ных комплексов. Например, на базе разработок McDonnel-

Douglas появилась система CADD (впоследствии породившая

Unigraphics), в Lockheed была разработана система CADAM

(исторический предшественник CATIA). В шестидесятые в ком­

пании General Motors была разработана первая интерактивная

графическая система для подготовки производства, названная

DAC-1, которая считается первой машиностроительной САПР

[74]. В 1971 г. ее создатель доктор Патрик Хэнретти (многие на-

268

частные проектные задачи, к применению интегрированной

совокупности программно-методических комплексов. Роль

интегрирующего компонента в 70-е гг. отводилась единой базе

данных САПР. Однако попытки использовать имевшиеся в то

время СУБД не привели к удовлетворительным результатам

в силу разнообразия типов проектных данных, распределенного

и параллельного характера процессов проектирования, с одной

стороны, и недостаточной развитости технологии баз данных,

с другой стороны [38].

В 1980-е годы разнородность и большой объем информации,

используемой при проектировании, необходимость поддержа­

ния целостности данных, их достоверности и полноты, а также

нарастающая сложность управления проектами привели инте­

граторов автоматизированных систем к концепции применения

в составе САПР специальных средств, для управления проект­

ными данными (PDM — Product Data Management).

Начиная с середины 1990-х годов разворачиваются работы

по созданию специализированных PDM-систем для машино­

строительных САПР. Расширение функций программ управле-

ния проектными данными и их использование на большинстве

важнейших этапов жизненного цикла изделий, позволяет созда­

вать на базе современных PDM автоматизированные системы

269

5.4. История автоматизации машиностроения в России

управления жизненным циклом продукции предприятия или

корпорации (PLM — Product Lifecycle Management).

Таким образом, уже в последнем десятилетии уходящего XX

века САПР изделий машиностроения обрели состав и структуру

прикладных подсистем, которые существуют и сейчас. Справед­

ливости ради следует отметить, что многие теоретические основы

САПР, сформированные в те годы, не потеряли своей актуаль­

ности и в XXI веке. Например, подтвердили свою методическую

важность и правильность определение САПР, системный подход

к компьютеризации промышленности. Достаточно давно появи­

лась идея комплексной автоматизации и введен термин «инте­

грированная САПР».