7. Оптимальное проектирование с использованием сапр

Оптимальное проектирование предполагает создание технического объекта не только выполняющего заданные функции, но и отвечающие некоторым заранее установленным критериям качества.

Самый низкий уровень оптимального проектирования предполагает нахождение лучшего варианта конструкции, основанное на подборе нескольких, выполненных без использования вычислительной техники, математических моделей и соответствующих методов оптимизации вариантов.

При более высоком уровне задачи оптимального проектирования, сформулированные в виде математических моделей, решаются с применение соответствующих математических методов оптимизации и на базе ЭВМ. К высшему уровню относятся задачи оптимального проектирования, решаемые в рамках САПР.

В САПР задачи оптимизации могут решаться на всех этапах процесса проектирования.

В процессе разработки САПР проблема оптимального проектирования заключается в решении следующих основных вопросов:

• определение этапов процесса автоматизированного проектирования, сопровождаемых решением тех или иных задач оптимизации;

• построение математических моделей оптимизации и разработка машинных алгоритмов;

• создание или заимствование программного обеспечения решения задач оптимизации;

• разработка системы диалогового формирования и просмотра вариантов объекта проектирования с определением значений тех или иных показателей качества а также формирования математических моделей и управления процессом решения соответствующих задач.

Совершенствование конструкции при проектировании обеспечивается ее оптимизацией по одному или нескольким критериям. Для различных механизмов критериями эффективности конструкции могут быть приняты: высокая надежность, минимальное межосевое расстояние или масса, габаритные размеры и стоимость, наибольший КПД, высокая точность и т.д. При этом часто критерии могут быть противоречивыми.

При оптимизации по одному критерию задача решается наиболее просто. Например, решение можно получить перебором различных вариантов конструкции и выбором наилучшего. Решение многокритериальных задач более сложно. Многокритериальная оптимизация используется, когда одного критерия для оценки качества недостаточно.

В условиях развития САПР формализация процесса автоматизированного поиска технических решений и оптимизация параметров машиностроительных узлов вызывает значительные трудности и требует применение специальных эвристических методов принятия решений, численных методов оптимизации и больших ресурсов по времени и мощности ЭВМ.

Из изложенного следует, что конструирование - многовариантно. Оптимальным в общем случае следует считать вариант, который обеспечивает нужные показатели работы при минимальных затратах.

8. История развития систем автоматизации проектирования. Развитие инженерного мышления

С начала индустриальной революции вплоть до второй половины XX в. инженерное мышление развивалось под сильным влиянием двух установок – гигантизма и увеличения скоростей. Инженеры стремились создать паровые машины, локомотивы или корабли, работавшие и передвигавшиеся с максимальными скоростями. Они стремились построить здания более высокие, транспортные средства, способные перевозить все больше грузов и пассажиров, машины, делавшие все большее число оборотов в час, минуту или секунду. Гигантизм и увеличение скорости вызывались отнюдь не внутренними импульсами инженерного мышления. Однако с обнаружением и отчетливым выявлением начала экологической катастрофы, ограниченности людских, финансовых, технических и невосстановимых природных ресурсов в инженерном мышлении стала господствовать тенденция к оптимизации технических решений на основе сложного системного моделирования. Еще более важным фактором его модернизации стала гуманизация технических решений, связанная с тем, что очень многие максималистские проекты и конструкции оказались эргономически и экономически необоснованными, а в психологическом и гуманитарном здравоохранительном отношении даже вредными, снижающими производительность человека, ухудшающими его здоровье и психическое состояние. И стадия гигантизма, и стадия оптимизации, так же как и этап гуманизации инженерных решений, требуют постоянного использования всевозможных расчетов и вычислений в объемах, не встречающихся в других видах человеческой деятельности.

С возрастанием сложности технических устройств машин и механизмов, проектируемых инженерами, возможности чисто эмпирических решений, основанных на методе проб и ошибок, все более сужаются.

Развитие науки, техники и технологии подводит производительную деятельность к так называемым предельным значениям. Достигаются пределы физически и технически допустимых скоростей, размеров и объемов. Предельными становятся физиологические и психологические нагрузки на человека (шумы, скорости считываемой информации, вибрация, количество выполняемых операций и т. п.). Это требует точных расчетов, позволяющих добиваться эффективных решений в условиях «предельных ограничений». Мощным фактором расчетной революции становится необходимость учета, моделирования и минимизации негативных экологических, социальных, экономических последствий НТП.

Еще одно обстоятельство, инициирующее углубление и быстрое развитие расчетной революции связано с фактической ограниченностью природных, человеческих, энергетических, водных, экономических и продовольственных ресурсов.

Расширение масштабов инженерного мышления, растущая необходимость применения научных и технологических знаний для решения инженерных задач требуют использования гигантских вычислительных ресурсов, которые не могут быть созданы иным способом, кроме того, который создается компьютерной революцией. Автоматизация вычислительных процедур на основе современной быстродействующей вычислительной техники становится непременным условием не только дальнейшего развития, но и существования инженерного мышления.