4.1.4. Оптимизация задач проектирования и конструирования с помощью САПР – выбор математической модели проекта и общая задача оптимизации.

Выбор наиболее подходящего варианта из нескольких анализируемых или усовершенствование объекта , устранение выявленных в процессе анализа недостатков в инженерном проектировании принято называть оптимизацией[2].

Подготовка этих вариантов – задача САПР, позволяющей оперативно изменять исходные данные и получать новые описания объекта.

Поставленной цели оптимизации – улучшению конструкции – могут соответствовать несколько моделей, дополняющих друг друга или конкурирующих. Для оценки возможности использования тех или иных решений необходимо выявить их достоинства или недостатки, произвести сравнение предполагаемых решений, т.е. накопить минимально необходимую информацию для собственно анализа, интерпретировать эти данные и выдать рекомендации по дальнейшему использованию решений. Анализ модели ведут в таком порядке:

-определяют показатели, например, работоспособность изделия, экономичность процесса при использовании данного решения;

-оценивают достоинства и недостатки;

-выделяют доминирующие факторы, влияющие на результат;

-определяют пути оптимизации модели и самого решения изделия (процесса).

Экспериментальные и комбинированные модели в ряде случаев могут быть описаны формально. Следовательно, они поддаются оптимизации наряду с чисто аналитическими моделями, для чего могут использоваться математические методы оптимизации. Как правило, эти методы сводятся к поиску экстремума целевой функции.

Математической моделью называют совокупность уравнений, условий и ограничений, описывающих функционирование элемента, узла или машины в целом [1].

Общая модель должна отражать следующие основные факторы:

-работоспособность (взаимодействие с внешней средой и другими элементами, например, уравнение контактной прочности зубьев, уравнение равновесия и т.д.);

-энергетический баланс, коэффициенты полезного действия;

-надежность (запасы прочности, долговечность);

-экономическую эффективность (технологичность, стоимость производства и эксплуатации).

В процессе проектирования создается большое число математических моделей отдельных процессов, элементов, узлов и т.п.

Модели условно делят на классы и уровни. Класс модели определяется ее объемом (класс А – модель изделия, класс Б – модель узла, класс В – модель детали). Уровень модели характеризует глубину и полноту отображения связей, существующих между параметрами входа и выхода. Для формирования моделей нулевого и первого уровней используются предшествующий опыт эксплуатации или простейшие теории (сопромат и др.). Модели более высоких уровней формируются на основе точных теорий (теории упругости, пластичности и др.).

В САПР целесообразно использовать модели нескольких уровней: более простые модели для предварительного отбора вариантов, более сложные – для формирования окончательной математической модели.

4.1.5. Одно- и многокритериальная оптимизация.

[6]-103 Трудность заключается не только в том, какие принципы положить в основу оптимального проектирования конструкций, но и в том, как формализовать их сущность на математической основе, то есть задать критерий оптимальности на языке, понятном ЭВМ. В теории оптимизации такой критерий принято называть целевой функцией. Тогда условие оптимальности варианта можно записать в виде условия экстремума некоторой целевой функции. В простейшем случае качество системы характеризуется одним параметром. Это однокритериальная оптимизация.

Тема 2.3 Задачи и оптимизация задач проектирования и конструирования с помощью сапр

4.1.6. Методы решения задач оптимизации.

Применяются два основных типа методов оптимизации: классические (метод дифференциального исчисления, метод множителей Лагранжа, вариационное исчисление) и методы математического программирования, которые включают линейное и нелинейное программирование, динамическое программирование и др.

Задачи поиска экстремума могут решаться методами дифференциального исчисления (производная в точке экстремума = 0). Для решения таких задач можно использовать метод множителей Лагранжа. Преимущество этого метода в том, что нет необходимости выражать одни переменные через другие, а также учитывать, все ли переменные независимы. Вариационное исчисление устанавливает условия , при которых функционалы достигают экстремума, и основная его цель – получение общих методов поиска экстремумов для задач с большим числом переменных.

Для многих задач оптимизации не удается подобрать аналитические методы решений. В таких случаях применяются так называемые итерационные методы (последовательного приближения) поиска экстремума. Методы математического программирования предназначены для решения многовариантных задач, связанных с выбором наилучших решений из числа многих возможных.

Задачи линейного программирования характеризуются тем, что соответствующая им модель может быть составлена с помощью линейных уравнений и неравенств, представляющих условия задачи и целевую функцию в линейной форме. Наиболее распространенным методом линейного программирования является симплекс-метод и его модификации. В специальной литературе описаны и методы нелинейного программирования, например, динамическое программирование.

Анализ (инженерный) и оптимизация должны проводиться после принятия каждого решения, которое влияет на результат проектирования.

Тема 3.1 Стадии и этапы проектирования

Стадии проектно-конструкторского процесса и его операционная последовательность: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочий проект.

Стадии разработки конструкторской документации и этапы работ установлены ГОСТ 2.103 – 68. Он обобщает опыт, накопленный в передовых странах по проектированию машин, приборов и аппаратов [1].

Техническое задание (ТЗ) – первая стадия разработки. Является исходным документом для разработки изделия и документации на него. Составляется на основе технических требований заказчика (заказа-заявки), а также результатов научно-исследовательских и экспериментальных работ, научного прогнозирования, анализа передовых достижений и технического уровня отечественной и зарубежной техники, изучения патентной документации [2].

ТЗ в общем случае содержит: -наименование и область применения изделия, основание для разработки; -цель и назначение разработки; -источники разработки; -технические требования; -экономические показатели; -стадии и этапы разработки; -порядок контроля и приемки.

В разделе «Наименование и область применения» дается наименование и условное обозначение изделия, его классификация (классификационные признаки) и краткая характеристика области применения. В разделе «Основание для разработки» указываются полное наименование документов, на основании которых разрабатывается изделие; организация, утвердившая документ, и дата утверждения. В разделе «Цель и назначение разработки» определяется эксплуатационное и функциональное назначение, перспективность разрабатываемого изделия. В разделе «Источники разработки» дается перечень работ, каталогов, проспектов, патентов, экспериментальных разработок и конструкторских докуметов, используемых в качестве исходного материала. Раздел «Технические требования» содержит технические требования и нормы, определяющие эксплуатационные характеристики изделия и его показатели качества, сблюдение которых при проектировании обязательно.

В ТЗ включаются, как правило, прогнозируемые показатели технического уровня и качества, а для продукции на экспорт – показатели патентной чистоты и патентоспособности. В ТЗ должны содержаться необходимые для проектирования сведения, но нельзя ограничивать проектировщика в выборе путей достижения заданных показателей, за исключением случаев, когда ограничение диктуется требованиями взаимозамозаменяемости, технологичности, возможностями получения комплектующих изделий и другими обоснованными причинами.

В разделе «Экономические показатели» указывают лимитную цену изделия, ориетировочную экономическую эффективность, срок окупаемости затрат, предполагаемую годовую потребность на изделие, а также экономические преимущества изделия по сравнению с аналогами или прототипами. В разделе «Стадии и этапы разработки» указывают этапы разработки, а также перечень документов, подлежащих разработке и сроки их выполннения. В разделе «Порядок контроля и приемки» дается перечень документов, подлежащих согласованию и утверждению на отдельных стадиях проектирования, требования к приемке работы, изготовлению и испытанию опытных образцов.

Вторая стадия – разработка технического предложения. Это, в соответствии с ГОСТ 2.118 –73, совокупность конструкторских документов, обосновывающих техническую и технико-экономическую целесообразность разработки изделия на основе предложений в ТЗ, рассмотрения вариантов возможных решений с учетом достижений науки и техники в стране и за рубежом, патентных материалов, возможностей машиностроительных заводов отрасли и смежных отраслей. Техническое предложение включает, как правило, разработку функциональной схемы изделия, схемы процесса или перечня основного оборудования и схемы его расположения. Техническое предложение утверждается заказчиком и генеральным подрядчиком. Разработанным на этой стадии конструкторским документам присваивается литера «П»[1].

Третья стадия – разработка эскизного проекта . В соответствии с ГОСТ 2.119 – 73 он включает совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальные конструкторские решения и разработки общих видов (компоновок), дающих представление об устройстве разработанного изделия, принципе его действия, габаритах и основных параметрах. На этом этапе производятся основные расчеты работоспособности и надежности разработанной конструкции, выбираются или рассчитываются параметры проектируемых процессов, увязываются отдельные элементы конструкции или процесса. Кострукторским документам присваивается литера «Э».

Четвертая стадия – технический проект разрабатываемого изделия. Выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 2.120 – 73 и содержит: принципиальные кинематические, метрологические, электрические, оптические и другие схемы, если их выполнение необходимо для разработки проектируемого изделия; чертежи общих видов изделия и его составных частей; пояснительную записку (ПЗ) к техническому проекту; карту технического уровня и качества изделия; ведомость технического проекта.

Поснительные записки составляют при разработке технических предложений, эскизных и технических проектов. Объем и состав ПЗ для каждой стадии проектирования опр-ся полнотой и глубиной проработок, законченностью НИР и ОКР, а также детализацией графического материала. ПЗ к техническому проекту включает: выбор и обоснование конструкции проектируемого изделия; описание работы разработанного изделия; расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность разработанного изделия (кинематический и силовой расчеты; расчеты на точность, прочность, жесткость, долговечность, оптические, электрические, гидравлические и другие расчеты, выполнение которых необходимо для разработки проектируемого изделия и предусмотрено заданием); расчет показателей качества спроектированного изделия (уровень стандартизации и унификации, показатели эргономичности и эстетичности, показатели патентной чистоты или патентоспособности и др.); описание работ с применением проектируемого изделия или инструкцию по его эксплуатации; другие разделы, предусмотренные ТЗ.

Ведомости технического предложения (ПТ), эскизного проекта (ЭП) и технического проекта (ТП) составляют согласно ГОСТ 2.102–68.

Пятая стадия – разработка рабочей документации. Она выполняется по ГОСТ 2.102 – 68, ГОСТ 2.108 –68 и ГОСТ 2.109 – 73 в виде: чертежей деталей, входящих в проектируемое изделие; сборочных чертежей; спецификаций проектируемого изделия или его составных частей. На этой стадии разрабатываюется конструкции деталей, оптимальные по показателям надежности, технологичности и экономичности.

Широкое использование ЭВМ на всех стадиях проектирования необходимо, чтобы избавить конструктора от выполнения трудоемких расчетов, многофакторного анализа и большого объема гафических работ.

Этапы проектирования и выпускаемая документация

Последовательность прохождения этапов разработки изделия, цели и задачи, стоящие перед проектировщиками на отдельных этапах, состав проектной документации и требования к ней регламентированы соответствующими ГОСТами.

Кратко охарактеризуем основные этапы проектирования.

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП.

Основная задача - изучение назначения изделия, условий эксплуатации и производств, на которых предполагается его изготовление. Цель этапа - разработка технического задания (ТЗ), в котором содержится информация о назначении , основных технических характеристиках, условиях эксплуатации, транспортировки и хранения.

ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ.

Основная задача - определение возможности разработки изделия в соответствии требованиям ТЗ. При этом определяют техническую основу изделия (физические элементы и детали), ориентировочную оценку состава и количества оборудования, разрабатывают структуру, определяют технические характеристики изделия и устройств, входящих в его состав.

При этом может выявиться невозможность построения изделия, отвечающего требованиям ТЗ. В этом случае требуется корректировка ТЗ с последующим его утверждением заказчиком, либо дальнейшая разработка прекращается.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Задачи :

- подробная разработка принципа работы изделия и всех его составных блоков;

- уточнение технических характеристик;

- разработка конструкции блоков, узлов и всего изделия;

- получение конструкторских характеристик;

- согласование взаимодействия всех составных частей изделия;

- разработка технологии их изготовления;

- определение технологии сборки и наладки, методики и программных испытаний.

В результате должно быть подготовлено производство опытного образца.

РАБОЧЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Основная задача - разработка технологической оснастки и оборудования для серийного выпуска изделия.

Внедрение систем автоматизированного проектирования (САПР) не изменяет сути процесса проектирования. Тем не менее, характер деятельности разработчика с внедрением САПР существенно меняется, так как разработка изделия в автоматизированном варианте предполагает согласованное взаимодействие оператора и ЭВМ. Это обеспечивает существенное повышение производительности труда и повышение качества проекта.

В процессе автоматизированного проектирования на оператора возлагаются творческие функции. Как правило, это связано с выбором варианта решения, определения структуры, метода расчета и др. Эти функции трудно формализовать. Здесь опыт и талант конструктора, инженера определяют конечный результат.

ЭВМ поручают рутинную работу. Перечислим ее основные виды:

- хранение и накопление в машинном архиве сведений, необходимых разработчику;

- поиск и выдача информационных справок по запросам пользователя (типовые решения, характеристики узлов, рекомендации по применению, сведения об уровне запасов комплектующих материалов и др.);

- обеспечение редактирования текстовой конструкторской документации, создаваемой инженером;

- автоматическое вычерчивание графической документации (чертежи деталей, схемы электрические и др.);

- решение некоторых частных, хорошо алгоритмизированных задач, которые характерны для автоматизированного проектирования определенного класса изделий. Примененительно к разработке радиоэлектронной аппаратуры хорошо алгоритмизированными задачами являются следующие:

- моделирование поведения того или иного узла по описанию его принципиальной электрической схемы при заданном входном воздействии,

- трассировка соединений на этапе конструирования платы печатного монтажа,

- расчет тепловых режимов узлов аппаратуры,

- построение последовательности обхода точек сверления платы и др.