Норенков

И.П. Норенков

Основы

автоматизированного

проектирования

Издание четвертое, переработанное и дополненное

Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Информатика и вычислительная техника»

Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана

2009

1

ÓÄÊ 681.31(075.8) ÁÁÊ 32.97

Í82

Рецензенты:

кафедра «Прикладная математика» Московского энергетического института

(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.П. Кутепов); кафедра САПР Воронежского государственного университета

(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Я.Е. Львович)

Норенков И. П.

Н82 Основы автоматизированного проектирования : учеб. для вузов / И. П. Норенков. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. – 430, [2] с.: ил. – («Информатика в техническом университете»).

ISBN 978-5-7038-3275-2

В четвертом издании учебника даны сведения по различным аспектам и видам обеспечения систем автоматизированного проектирования, необходимые квалифицированным пользователям САПР в различных областях техники. Значительное внимание уделено математическому обеспечению процедур анализа и синтеза проектных решений, используемых на различных этапах проектирования. Рассмотрены состав и функции технического обеспечения САПР, методики концептуального проектирования сложных систем, технологии информационной поддержки изделий (CALS-технологии), а также вопросы интеграции САПР с автоматизированными системами управления в промышленности.

Содержание учебника соответствует курсу лекций, который автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Для студентов высших технических учебных заведений. Может быть полезен аспирантам и работникам промышленности, использующим методы и средства САПР в своей работе.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

5

Оглавление

стеке TCP/IP (78). Дополнительные протоколы в стеке TCP/IP (80). Территориальные сети (82). Сети АТМ (85).

Математический аппарат в моделях разных иерархических уровней (91). Требования к математическим моделям и численным методам в САПР (93). Место процедур формирования моделей в маршрутах проектирования (94).

Исходные уравнения моделей (95). Примеры компонентных и топологических уравнений (96). Представление топологических уравнений (102). Особенности эквивалентных схем механических объектов (103). Характеристика методов формирования ММС (104). Узловой метод (106).

Выбор методов анализа во временной области (109). Алгоритм численного интегрирования СОДУ (113). Методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений (114). Методы решения систем линейных алгебраических уравнений (116). Анализ в частотной области (118). Многовариантный анализ (119). Организация вычислительного процесса в универсальных программах анализа на макроуровне (121).

Математические модели на микроуровне (124). Методы анализа на микроуровне (125). МКЭ в программах анализа механической прочности (128).

Моделирование и анализ аналоговых устройств (131). Математические модели дискретных устройств (133). Методы логического моделирования (137).

Основные сведения из теории массового обслуживания (139). Аналитические модели СМО (142). Пример аналитической модели (144). Имитационное моделирование СМО (146). Событийный метод моделирования (148). Сети Петри (149). Анализ сетей Петри (152).

Общие сведения (154). Генерация и ликвидация заявок (157). Описание устройств, накопителей, очередей и задержек (159). Организация моделирования (160). Реализация произвольных законов распределения (162). Переходы (163). Использование параметров транзактов (165). Синхронизация движения транзактов (167). Вычислительные операторы и табулирование результатов (168).

3.8. Средства машинной графики и геометрического моделирования... 171

Компоненты математического обеспечения (171). Построение геометрических моделей (172). Поверхностные модели (174). Методы и алгоритмы машинной графики

6

Оглавление

(подготовки к визуализации) (177). Программно-аппаратная реализация графических систем (180).

Место процедур синтеза в проектировании (187). Критерии оптимальности (188). Задачи оптимизации с учетом допусков (191).

Классификация методов математического программирования (192). Методы одномерной оптимизации (193). Методы безусловной оптимизации (195). Необходимые условия экстремума (200). Методы поиска условных экстремумов (202).

Процедуры синтеза проектных решений (207). Задача принятия решений (208). Представление множества альтернатив (210). Морфологические таблицы (211). Альтернативные графы (212). Исчисления (214). Планирование процессов и распределение ресурсов (214).

Метод ветвей и границ (216). Элементы теории сложности (217). Методы локальной оптимизации и поиска с запретами (219). Методы распространения ограничений (220). Интеллектуальные системы структурного синтеза и принятия проектных решений (221). Эволюционные методы (225). Разновидности генетических операторов (230). Генетический метод комбинирования эвристик (233). Примеры применения метода комбинирования эвристик (235).

Типы CASE-систем (242). Спецификации проектов программных систем (245). Методики IDEF0 и IDEF3 (248). Методика IDEF1X (253). Язык Unified Modeling Language (257).

5.2. Системы автоматизированного проектирования в машиностроении 262

История развития САПР в машиностроении (262). Основные функции и проектные процедуры, реализуемые в ПО САПР (268). Программное обеспечение (271).

5.3. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике 275

Автоматизация проектирования СБИС и радиоэлектронной аппаратуры (275). Проектные процедуры (280). Проектирование печатных плат (288). Язык VHDL (289).

7

Оглавление

Типы производства и стратегии позиционирования изделий (307). Системы ERP (308). Логистические системы (310). Подсистемы ERP (313). Процесс внедрения систем ERP (318). Автоматизация управления технологическими процессами (320). Автоматизированные системы делопроизводства (324).

Эффективность интеграции данных о промышленных изделиях (328). Системные среды САПР (330). Обзор CALS-стандартов (331). Стандарты управления качеством промышленной продукции (339).

Структура стандартов STEP (342). Методы описания (344). Методы реализации (345). Прикладные протоколы (346). Типовые фрагменты информационных моделей (351).

6.3. Лингвистическое и программное обеспечение СALS-технологий 353

Состав лингвистического обеспечения (353). Язык SGML (353). Язык HTML (354). Язык XML (358). XML-схемы и пространства имен (361). Средства создания интерактивных Web-страниц (365). Язык 3D XML (366). Язык Express (367). Примеры моделей на языке Express (378). Организация информационных обменов в соответствии со стандартом STEP (382). Программное обеспечение CALS-технологий

(385).

6.4. Технологии построения корпоративных информационных систем ... 387

Архитектуры автоматизированных систем (387). Технологии клиент-серверного взаимодействия (392). Технологии распределенной обработки данных (395). Интеграция

автоматизированных систем (399). Системы PDM (405). Защита информации в корпоративных системах (409). Электронная структура, модель и макет изделия (420)

8

ПРЕДИСЛОВИЕ

Человечество вступило в XXI в. Придется решать ряд сложных проблем, связанных с экологией, поиском новых источников энергии, материалов, технологий, соответствующих постиндустриальному обществу. Определяющая роль в решении названных проблем отводится информационным технологиям.

Среди информационных технологий автоматизация проектирования занимает особое место. Во-первых, автоматизация проектирования – синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции, есть примеры применения мейнфреймов. Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows, языках программирования С, С++, Java и других современных CASE-технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.

Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуются практически любому инженеру-разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными вследствие как больших материальных и временных затрат на проектирование, так и невысокого качества проектов.

Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в нашей стране относится к началу 60-х годов прошлого века. Тогда были созданы программы для решения задач строительной механики, анализа

9

Предисловие

электронных схем, проектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств компьютерной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта. Одной из главных тенденций развития стала информационная интеграция САПР с другими промышленными автоматизированными системами в русле CALSтехнологий.

К настоящему времени создано большое число программно-методических комплексов для САПР с различной степенью специализации и прикладной ориентацией. В результате автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноценным специалистом.

Âчетвертое издание (3-е изд. – в 2006 г.) учебника внесены изменения в соответствии с последними достижениями в информационных технологиях и учтены пожелания читателей.

Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизированного проектирования входят в программу курса, посвященного основам САПР, детальное изучение тех методов и программ, которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в профильных дисциплинах.

Данный учебник ориентирован на базовую подготовку студентов различных инженерных специальностей в области САПР.

Гл. 1 является вводной. Здесь даны начальные сведения о процессе проектирования технических объектов, изложены основные понятия системотехники, пояснены структура САПР и ее место в ряду других промышленных автоматизированных систем.

Гл. 2 посвящена техническому обеспечению САПР, основное внимание уделено локальным и корпоративным вычислительным сетям. Рассмотрены наиболее распространенные типы вычислительных систем, используемых в САПР, локальных сетей, методы доступа, протоколы и характеристики каналов передачи данных в вычислительных сетях.

Âгл. 3 содержатся сведения о моделях и методах, используемых для анализа проектных решений на различных иерархических уровнях, начиная с метода конечных элементов для анализа полей физических величин и кончая основами имитационного моделирования систем массового обслуживания. Кратко изложены подходы к геометрическому моделированию и обработке графической информации для ее визуализации.

Методы параметрического и структурного синтеза проектных решений изложены в гл. 4. Дан обзор критериев оптимальности и методов математи-

10

Предисловие

ческого программирования для расчета оптимальных значений проектных параметров. Пояснены трудности формализации структурного синтеза и охарактеризованы перспективные методы его выполнения.

В гл. 5 представлены сведения о методическом и программном обеспече- нии автоматизированных систем. Дано описание типичных последовательностей проектных процедур и поддерживающих их программ в САПР машиностроения и радиоэлектроники, рассмотрены особенности методик и программного обеспечения концептуального проектирования сложных изделий.

Гл. 6 знакомит читателя с CALS-технологиями − подходами и средствами информационной поддержки всех этапов жизненного цикла промышленных изделий, дано описание соответствующих стандартов и языка Express.

11

1. ВВЕДЕНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1.1. Системный подход к проектированию

Понятие инженерного проектирования

Проектирование технического объекта – создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. В любом случае инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты строительства, промышленные изделия или процессы. Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее, окончательное описание объекта. Более коротко, проектирование – процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд промежуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач и используемых при обсуждении и принятии проектных решений для окончания или продолжения проектирования.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным в отличие от ручного (без использования ЭВМ) или автоматического (без

12