Структура автоматизированной системы проектирования ДВС.

Машинное проектирование ДВС отличается большим числом составляющих элементов и выполняемых операций, сложностью взаимосвязей и взаимодействий элементов между собой. Для изучения и организации проектирования такой сложной системы необходимо определить ее структуру.

Структуру САПР «ДВС» будем определять, опираясь на теорию сложных систем путем анализа материальной структуры объектов проектирования, взаимосвязи конструкторских работ между собой. При этом информационный аспект выставляется на первый план.

Прежде всего, решим задачу распределения и группировки задач проектирования по выделенным основным частям САПР «ДВС». В зависимости от точки зрения САПР «ДВС» можно расчленить на части разным образом. Например, с точки зрения структуры объекта проектирования систему можно разделить на части, соответствующие традиционному распределению двигателя на группы деталей, сборочные единицы, агрегаты, системы проектирования деталей остова, проектирования деталей движения, проектирования систем топливоподачи, наддува, вспомогательных устройств и др.

Однако такой объектный принцип разделения не охватывает всех задач, разрешимых при проектировании ДВС. В стороне остаются общие задачи, которые определяются не структурой самого двигателя, а проблемами проектирования двигателя в целом и распространяются на весь объем проектных работ.

При такой проблемной ориентации на специфику технологического процесса проектирования двигателе в САПР «ДВС» можно было бы выделить следующие части: конструирование, расчеты, эксперимент, унификация, стандартизация, обоснования экономической эффективности и др.

Вместе с тем следует отметить, что объектный и проблемный аспекты разделения системы на части не дают возможности отобразить и выделить информацию о типологических особенностях объектов проектирования, что весьма важно для тех случаев, когда в одном конструкторском отделе проектируется несколько типов двигателей, отличных тактностью быстроходностью, назначением, размерностью цилиндров и другими конструктивными особенностями.

С типологической точки зрения проектирующую систему можно разделить на части: проектирование двутактных и четырехтактовых двигателей, среднеоборотных и малооборотных, гражданского назначения и военного и т.д.

Для полноты анализа структурных элементов целесообразно рассмотреть функциональную и информационную стороны проектирования двигателей. С функциональной точки зрения последовательность решения проектных задач делится на части:

1) разработка технического задания,

2) эскизное,

3) техническое,

4) рабочее проектирование,

5) создание опытного отсека,

6) доведение двигателя.

С информационной точки зрения проектирование разделяется на разработку чертежей, составления спецификаций, сведений, извещений на изменение технической документации, оформления технических отчетов, записок объяснений, обработку нормативно-справочной информации и др.

До этого можно прибавить, что автоматизация на ЭВМ вводит в систему проектирования дополнительные структурные элементы:

1) технические средства обработки информации,

2) алгоритмы,

3) программы,

4) банк данных,

5) систему диалога человека и ЭВМ и др.

Из сказанного выше можно заметить, что если учесть все основания (точки зрения) раздела системы проектирования на составляя элементы, то структура САПР «ДВС» выходит плохо обзорной.

На наш взгляд, упорядочить структуру, сделать ее более компактной можно следующим путем. Прежде всего, все множество элементов системы проектирования разделим на два вида: подсистемы и компоненты.

Подсистемой САПР «ДВС» будем называть выделенную по некоторым признакам часть системы, что обеспечивает получение законченных проектных решений и соответствующей документации.

Компонентами САПР «ДВС» будем называть элементы, из которых состоит подсистема САПР и которые объединены общей для данной подсистемы целью.

Подсистемы САПР «ДВС подразделим на два типа: функциональные и обеспечивая. Функциональными будем называть те подсистемы, которые осуществляет собственное проектирование частей двигателя и выполнения связанных с этим других работ. К обеспечивающим будем относить подсистемы, какие инвариантные к проектируемым объектам, осуществляют в основном функции обработки информации и управления, объединяют элементы, которые применяются при решение задач в большинстве функциональных подсистем.

Предлагаемые для САПР «ДВС» функциональные и обеспечивая подсистемы показанные на схеме, приведенной на рис. 5.3. Схема отображает систему проектирования двигателя. Рис. 5.3 иллюстрирует состав подсистем САПР «ДВС». Поэтому функциональные подсистемы показаны здесь независимыми один от другого. В целое их объединяют обеспечивая подсистемы.

В действительности же функциональные подсистемы в структуре САПР «ДВЗ» имеют иерархическую взаимосвязь. Пример такой иерархической структуры показан на рис. 5.4. Эта схема отображает последовательность основных этапов создания нового типа двигателя, которая достаточно часто применяется в конструкторских организациях.

Иерархическая связь подсистем может быть разной. Она зависит от технического задания на проектирование ДВС, от новизны проектируемого двигателя, от структурной организации конструкторского отдела и других факторов, что сложилась.

Приведенные схемы разделения САПР «ДВС» на подсистемы являются весьма относительными и открытыми для дополнений и изменений в зависимости от назначения системы проектирования. Структура должна развиваться в соответствии с развитием САПР «ДВС».

1. Подсистема проектирования остова включает программы расчетов тепловых и механических напряжений цилиндровых крышек и втулок, прочности корпусных деталей, алгоритмы и программы проектирования фундаментной рамы, блока цилиндров, крышек цилиндров, картера поддонов и других деталей остова.

2. Подсистема проектирования кривошипный - механизма шатуна. Компонентами подсистемы являются программы расчета тепловых и механических напряжений поршня, расчетов на
прочность коленчатого вала и шатуна, расчетов крутильных колебаний валопровода, алгоритмы и программы проектирования,
конструкций коленвала, поршня, шатуна, маховика, демпфера,
антивибратора и других деталей группы движения.

3. Подсистема проектирования механизма распределения. В число компонентов входят программы расчетов динамики
клапанного механизма, прочности пружин клапанов и распределительных валов, а также алгоритмы и программы конструирования вышеупомянутых деталей.

4. Подсистема проектирования системы подачи топлива включает программы моделирования процесса впрыскивания и распиловки топлива, расчетов прочности, сноса и долговечности деталей топливной аппаратуры, а также алгоритмы и программы конструирования топливного насоса высокого давления, форсунок, насосов топливоподающих, трубопроводов, фильтров и других деталей топливной аппаратуры двигателей.

5. Подсистема проектирования системы впускания и выпуска. Компонентами подсистемы являются программы моделирования процесса газообмена двигателя, термодинамических, газодинамических процессов в агрегатах наддува и топливоснабжения, определения размеров органов газораспределения, динамических и прочностних расчетов деталей нагнетателей и турбин, а также алгоритмы и программы конструирования продувных насосов и нагнетателей, газовых турбин, выпускных и наддувочних коллекторов, охладителей воздуха, воздухоочистителей, глушителей и других деталей системы продувки и наддува цилиндров двигателя.

6. Подсистема проектирований системы масла включает программы моделирования процессов, масла трутся детали двигателя, а также алгоритмы и программы конструирования масляных насосов, фильтров, охладителей масла и других деталей системы масла двигателя.

7. Подсистема проектирования системы охлаждения в качестве компонентов содержит программы моделирования процессов охлаждения термически напряженных деталей ДВС и программы конструирования насосов, вентиляторов, радиаторов и трубопроводов.

8. Подсистема проектирования системы пуска двигателя включает программы моделирования процессов пуска и конструирования пусковых клапанов, воздухораспределители и другие программы.

9. Подсистема проектирования системы регуляции и контроля. Компонентами этой подсистемы являются алгоритмы и программы, которые обеспечивают проектирование регуляторов и исполнительных механизмов систем регуляции мощности, частоты вращения, систем управления пуском, реверсированием, а также средств контроля.

10. Подсистема проектирования систем автоматизации, приборов содержит алгоритмы и программы, которые обеспечивают проектирование систем дистанционного автоматического управления, автоматической диагностики, щитов управления, датчиков и приборов специального назначения.

11. Подсистема проектирования механизмов отбора мощности включает программы расчетов и конструирования редукторов, реверсивных муфт, муфт сцепления, валов отбора мощности и др.

12. Подсистема проектирования вспомогательных устройств и инструментов содержит программы расчетов и конструирования поводов вспомогательных агрегатов, специального инструмента, тары и др.

13. Подсистема эксперимента и испытания двигателя состоит из программ оптимального планирования экспериментов, математической обработки и логического анализа экспериментальной информации, программ управления испытаниями двигателей и их подсистем.

14. Подсистема оценки качества двигателей состоит из алгоритмов и программ вычисления показателей качества двигателей на основе использования данных, которые хранятся в банке данных САПР «ДВС» и централизованном нормативном хозяйстве АСУП.

Рассмотрим теперь обеспечение подсистемы.

1. Подсистема технического обеспечения. Компонентами этой подсистемы являются электронно-вычислительные машины, устройства диалога конструктора и ЭВМ, чертежно-графические автоматы, счетно-перфорационная техника, организационная техника, средства связи и передачи данных, обеспечивая работу подсистем САПР.

2. Подсистема программного обеспечения включает программы общесистемного обеспечения (операционные системы, трансляторы из алгоритмических языков и др.), пакеты прикладных программ общего назначения (поиска оптимальных решений, методов идентификации, обеспечения систем графического отображения и др.) и библиотеки стандартных программ вычислительной математики и обработки массивов информации.

3. Подсистема информационного обеспечения состоит из архива технической документации на машинных носителях информации (перфокартах, перфолентах, магнитных лентах, дисках, барабанах), информационно-поисковой системы, банка данных, включающего базу данных, программ управления базой данных и языковых средств работы с банком данных. Кроме того, информационное обеспечение включает информационные модели процессов проектирования, полученные на стадии предпроектного обследования, типичные проектные решения, типичные элементы конструкций (модули), описания комплектующих изделий, материалов, классификаторы и шифраторы конструкторской информации.

4. Подсистема методического обеспечения содержит документы, в которых изложенная теория САПР «ДВС», математические модели процессов конструирования, описание формальных языков машинного проектирования, терминологию, нормативы, стандарты и другие данные, которые обеспечивают методологию САПР «ДВС».

5. Подсистема организационного обеспечения включает методические и руководящие материалы по создании САПР, положение и должностные инструкции для персонала, что проектирует и эксплуатирует САПР, приказы, организующие роботу из создания САПР, штатные расписания, кружеве графики создания САПР, систему управления машинным проектированием и другие организационные документы.

Математическое обеспечение САПР «ДВС»

Структура системы математического обеспечения САПР «ДВС». Математическое обеспечение САПР «ДВС» является совокупностью всех программ, используемых для автоматизированного проектирования двигателей. Сюда входят не только программы моделирования процессов и расчетов по определению конструктивных параметров ДВС, но и программы организации вычислений на ЭВМ.

При переходе от простой механизации расчетов к САПР «ДВС» вместе с разработкой алгоритмов и программ решения конкретных задач проектирования на первый план начинают выступать вопросы, связанные с организацией вычислительного процесса в таких системах. Это связано с тем, что общее число программ, используемых в САПР, превышает несколько сотен, и непосредственная работа с ними с учетом сложных массивов данных уже затруднена и нуждается в специальной организации и управлении.

В связи с этим, в математическом обеспечении САПР кроме прикладных программ, предназначенных для решения конкретных задач проектирования, выделяется класс системных программ предназначенных для координации работы разных устройств ЭВМ, организации диалога оператора ЭВМ для облегчения работы программистов при разработке и отладке программ и выполнения многих других функций.

Как показано на схеме (рис. 5.5), в САПР «ДВС» можно выделить следующие типы пакетов прикладных программ:

1) библиотеки стандартных программ решения математических задач, которыми оснащается практически какая-нибудь ЭВМ второго и третьего поколения (вычисление элементарных функций, численные методы анализа, методы решения задач математической физики, статистики и др);

2) программы управления банком данных, расширяя функции операционной системы по организации данных, их поиска, выделение необходимых элементов из записи данных и др.;

3) пакеты программ общего назначения, предназначенные для решения типичных научных и инженерных задач, например пакеты для решения задач линейного программирования, пакет программ украшенного узором планирования и управления, пакет математической обработки наблюдений и т. п.;

4) функциональные пакеты программ проектирования ДВС, которые реализуют систему математических моделей ДВС. Они включает прикладные программы моделирования процессов и решения на ЭВМ разных задач при проектировании ДВС. С точки зрения организационной структуры функциональные пакеты будем подразделять на пакеты с простой структурой и пакеты со сложной структурой.

Поскольку функциональные пакеты программ составляют основную важнейшую часть САПР «ДВС», рассмотрим их детальнее.

Функциональный пакет простой структуры является набором независимых или взаимосвязанных программ. В случае независимых программ пакет простой структуры строится по типу стандартной библиотеки программ, которая непрерывно пополняется. В случае взаимосвязанных программ пакет строится в виде последовательности программ, выполнение которых производится в заранее установленном порядке.

Как пример пакета простой структуры кратко рассмотрим пакет прикладных программ для расчета теплонапряженных деталей цилиндро-поршневой группы судовых дизелей.

Пакет состоит из трех комплексов программ:

1) комплекс программ расчета на ЭВМ механических и температурных напряжений в поршнях методом тонких оболочек, который включает следующие программные модули:

а) расчет поршня с выпуклым днищем;

б) расчет поршня с вогнутым днищем;

в) расчет поршня с плоским днищем;

г) расчет поршня с плоским днищем с ребром;

2) комплекс программ расчета на ЭВМ механических и температурных напряжений в крышках цилиндров методом тонких оболочек, который включает следующие программные модули:

а) расчет крышки с конической формой огненного днища;

б) расчет крышки с сферической формой огненного днища;

в) расчет крышки с седлообразной формой огненного днища;

3) комплекс программ расчета на ЭВМ осесимметричных деталей ЦПГ методом конечных элементов, который включает следующие программные модули:

а) расчет температурных полей методом Гаусса при предельных условиях первого рода;

б) расчет температурных полей методом связанных градиентов при предельных условиях первого, второго и третьего рода;

в) решение задач теории упругости методом Гаусса;

г) расчет механических напряжений методом связанных градиентов;

д) расчет термонапяжений методом Гаусса;

е) расчет температурных напряжение методом связанных градиентов.

Функциональный пакет сложной структуры является программной системой с высокой степенью автоматизации процесса решения задач путем автоматического создания рабочей программы по запросу. С помощью такой программной системы можно решать большое количество связанных между собой прикладных задач.

Пакет сложной структуры в общем случае состоит из следующих частей:

а) набор программных модулей, которые составляют тело пакета;

б) управляющая программа;

в) описание входного языка пакета;

г) транслятор из входного языка пакета;

д) набор обслуживающих программ.

Тело пакета состоит из программных модулей, каждый из которых является логически законченной программой, что реализовывает конкретный вычислительный или логический алгоритм или часть более сложного алгоритма. Программные модули в пакете организуются в виде библиотеки модулей. Информационные массивы с начальными данными хранятся и организуются в памяти ЭВМ отдельно от программных модулей.

Управляющая программа управляет общим ходом работы программ пакета при выполнении определенного задания. Она определяет порядок работы программ пакета, осуществляет привязку начальных данных к модулям, формирует рабочую программу, готовит информацию, необходимую операционной системе для решения задач на ЭВМ и др. Транслятор служит для перевода задания из входного языка на внутренний язык операционной системы ЭВМ. Набор обслуживающих программ служит для изменения тела пакета, генерации библиотеки модулей, обеспечения удобства отладки программ и диагностики ошибок.

Управляющая программа анализирует полученное задание и выбирает из библиотеки те программные модули, которые необходимы для решения поставленной задачи. Потом она образует из выбранных модулей последовательность, названую рабочей программой. Рабочая программа может создаваться как перед выполнением обработки данных, так и динамически в ходе решения комплексной задачи проектирования дизеля.

В пакетах сложной структуры применяются следующие два уровня входного языка.

1. Язык управления заданиями операционной системы. Описание задания на этом языке можно рассматривать как управляющую программу пакета, обеспечивая ту или другую обработку данных, которые вводятся. При этом с помощью языка управления заданиями можно описать последовательность решения задачи не только на случай нормальной работы программы, но могут быть описаны действия, которые необходимо выполнить операционной системе при появлении тех или других ошибок в работе программы или в данных, которые вводятся.

2. Специальный язык пакета, как элементы которого используются разные знаки, специальные символы, константы, переменные операторы. При этом управляющая программа разрабатывается как отдельная программа. Каждый пакет имеет свой язык. Общие правила построения входного языка пакета, организации самого пакета пока не установлены, поэтому ограничимся только перечнем основных требований, которые должны предъявляться к пакетам программ проектирования ДВС, что разрабатываются.

Для обеспечения высокой эффективности функциональный пакет сложной структуры, предназначенный для решения задач проектирования ДВС, должен удовлетворять следующим требованиям.

1. Пакет должен иметь модульную структуру, что допускает независимую замену отдельных модулей и их последующее развитие. Для совместимости модулей, которые включаются в тело пакета, должны быть произведены стандартные соглашения о том, как оформить вход и выход модуля, как передавать данные от модуля к модулю, возможное использование ли общих областей для передачи значений переменных и массивов между модулями или допускается их передача как параметры подпрограмм и др.

2. Главным фактором оформления какой-то процедуры или какой-то задачи как модуль является возможность многократного ее использования в составе разных программ. Если появляется достоверность хотя бы вторичного применения какой-то процедуры, то есть все основания для оформления ее как самостоятельный программный модуль.

3. Программный модуль должен иметь единственный вход и выход. Допускается обращение модуля к другому модулю как к подпрограмме.

4. Программный модуль не должен быть очень большим и должен реализоваться в оперативной памяти. В теле модуля должны быть отсутствующим операторы введения— вывода, модуль нужно строить независимым от внешних устройств (магнитных лент, дисков и т. п.).

5. Пакеты должны удовлетворять стандартным требованиям, которые предъявляются операционными системами (под управлением которых они работают) к программам пользователя.

6. Входной язык пакета должен учитывать специфику разрешимых задач, быть доступным и удобным для пользователя.

7. Пакет должен сопровождаться комплектом соответствующей документации, необходимой для его эксплуатации.

Как пример пакета сложной структуры рассмотрим пакет прикладных программ расчетов на ЭВМ впрыскивания топлива.

Пакет является программной системой, предназначенной для численного моделирования рабочих процессов, которые происходят в разных элементах топливной аппаратуры дизелей. Пакет состоит из набора программных модулей, управляющей программы и отдельного массива начальных данных.

Программная система позволяет производить математическое моделирование процесса впрыскивания топлива в следующих модификациях топливной аппаратуры система привычного типа, что состоит из насоса высокого давления, нагнетательного трубопровода и форсунки; система управляемого впрыскивания, в которой две насосные пары (насоса) подают топливо в одну форсунку (для девяти самых разнообразных схем); разветвленная система впрыскивания, когда топливо одним насосом подается до двух или большему количеству форсунок.

Разработанные программы позволяют моделировать процессы в насосах как клапанного, так и золотникового типов с каким-нибудь расположением нагнетательного клапана: в насосе, трубопроводе или форсунке.

Тело пакета состоит из 24 программных модулей, каждый из которых является логически законченной подпрограммой:

1) расчет перемещения плунжера;

2) расчет проходного пересечения окон плунжерной втулки;

3) вычисление проходного пересечения клапанов;

4) расчет характеристик топлива;

5) расчет процесса топливоподачи в насосе без нагнетательного клапана;

6) расчет процесса топливоподачи в насосе с нагнетательным клапаном;

7) расчет скорости движения топлива в трубопроводах и канале форсунки;

8) расчет процесса топливоподачи в форсунке и др.

Конструкция пакета позволяет легко исключать, заменять или добавлять программные модули, создавая тем самым возможность расчета разных модификацией компоновки топливной аппаратуры дизелей.

Программная система является открытой для последующего развития. Например, в разработанных модулях пока приняты постоянными коэффициенты затраты топлива в окнах плунжерной втулки и клапанах, а также давление газов в рабочем цилиндре. Однако структура программной системы позволяет ввести соответствующие модули, которые рассчитывают эти величины, которые потом заносятся в общие области, используемые другими расчетными модулями. Незначительными будут изменения программной системы и в случае, например, расчета движения топлива в трубопроводах не по телеграфному, а по волновому или гиперболическому уравнению.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: