Общие сведения о системах автоматизированного проектирования

Последние десятилетия характеризуются колоссаль­ным ростом производительных и созидательных возможностей техники (использование атомной энергии в мирных целях, освоение космического, пространства и т. д.)- Такой пора­зительный прогресс человеческого интеллекта явился результа­том содружества человека с электронной вычислительной ма­шиной (ЭВМ), которое, сочетая в себе лучшие качества каж­дого из «партнеров», изменило облик науки и техники и ныне оказывает на них все возрастающее влияние.

Сказанное относится в первую очередь к использованию электронных вычислительных систем для проектирования слож­ных объектов. Это позволит не только сократить сроки разработки и снизить трудоемкость проектирования, но и найти более выгодные технические и экономические решения.

Автоматизация проектирования началась с наиболее просто­го - с чертежных, графических работ, а также с выполнения на ЭВМ стандартных инженерных расчетов.

Хотя автоматизация этих операций и важна, но она не дала качественного улучшения и существенного ускорения всего процесса проектирования сложных конструкций.

Если мы проанализируем проект какой-нибудь машины или устройства, то увидим, что наиболее труден первый шаг — завязка проекта, исходный замысел, эскиз. Чтобы выб­рать лучший вариант, проектировщик должен представить себе будущий объект в целом, увидеть, как он функциони­рует, оценить его слабые и сильные стороны.

Раньше конструктор мог справиться с этим самостоя­тельно. По мере усложнения создаваемых изделий станови­лось все труднее оценивать конкретный вариант проекта, его соответствие исходным требованиям; увеличивалось и число вариантов проекта, которые необходимо анализировать. Но производительность конструктора осталась практически неиз­менной, а время проектирования возросло.

Выход из создавшегося положения дает изменение и упо­рядочение технологии проектирования. Усложнению конструк­ции и, как следствие, увеличению объема используемой кон­структором информации противопоставляют новые методы ее обработки, т. е. автоматизацию проектирования. В этом случае конструктор ставит задачу для ЭВМ и принимает окончательное решение, а машина обрабатывает весь объем информации и делает первичный отбор.

Для такого «общения» человека с машиной созданы и соз­даются системы автоматизированного проектирования (САПР), представляющие собой комплекс вычислительных устройств, средств связи, средств отображения, а также комплекс ма­тематических моделей, специальные языки программиро­вания и др.

Aвтоматизированное проектирование (computer – aided design – CAD)

Представляет собой технологию, состоящую в использовании компьютерных систем для облегчения создания, изменения, анализа и оптимизации проектов. Таким образом, любая программа, работающая с компьютерной графикой, так же как и любое приложение, используемое в инженерных расчетах, относится к системам автоматизированного проектирования. Другими словами, множество средств CAD простирается от геометрических прогpaмм для работы с формами до специализированных приложений для анализа и оптимизации. Между этими крайностями умещаются программы для анализа допусков, расчета масс инерционных свойств, моделирования методом конечных элементов и визуализации результатов анализа. Самая основная функция CAD – определение геометрии конструкции (детали механизма, архитектурные элементы, электронные схемы, планы зданий и т.п.), поскольку геометрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта. Для этой цели обычно используются системы разработки рабочих чертежей и геометрического моделирования. Вот почему эти системы обычно и считаются системами автоматизированного проектирования. Более того, геометрия, определенная в этих системах, может использоваться в качестве основы для дальнейших операций в системах САЕ и САМ. Это одно из наиболее значительных преимуществ CAD, позволяющее экономить время и сокращать количество ошибок, связанных с необходимостью определять геометрию конструкции с нуля каждый раз, когда она требуется в расчетах. Можно, следовательно, утверждать, что системы автоматизированной разработки рабочих чертежей и системы геометрического моделирования являются наиболее важными компонентами автоматизированного проектирования.

Автоматизированное проектирование позволяет инженеру:

а) быстро проверить гипотезу и соответствующую ей модель (теоретическое или аналитическое представление проекта);

б) увидеть и немедленно исправить любые грубые ошибки в чертеже или в исходных утверждениях;

в) оценить (путем сравнения с заданием) характеристики модели и модифици­ровать ее в многошаговом процессе совершенствования (оп­тимизации) конструкции;

г) принять решение в критических точках ветвления и выбрать путь, по которому ЭВМ продолжит решение;

д) управлять продвижением в решении задачи (окончить прогон, изменить входные данные и др.) и т. д.

Автоматизированное проектирование избавляет проектиров­щика от трудоемких расчетов, позволяет больше времени от­давать творчеству, отысканию новых инженерных и научных решений.

В результате автоматизированного проектирования создает­ся эскизный проект изделия, содержащий его основные па­раметры, характеристики, схему конструкции и математическую модель изделия.

Автоматизированное конструирование осуществляет опти­мальный синтез конструктивных элементов с помощью ЭВМ.

Автоматическое конструирование (computer – aided engineering – САЕ) – это технология, состоящая в использовании компьютерных систем для анализа геометрии CAD, моделирования и изучения поведения продукта для усовершенствования и оптимизации eгo конструкции. Средства САЕ могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Программы для кинематических pacчетов, например, способны определять траектории движения и скорости звеньев в механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениями могут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составных устройствах типа автомобилей. Прогpаммы верификации и анализа логики и синхронизации имитируют работу сложных электронных цепей.

По всей видимости, из всех методов компьютерного анализа наиболее широко в конструировании используется метод конечных элементов (finite element method – FЕМ). С eгo помощью рассчитываются напряжения, деформации, теплообмен, распределение магнитного поля, потоки жидкостей и другие задачи с непрерывными средами, решать которые каким-либо иным методом оказывается просто непрактично. В методе конечных элементов аналитическая модель структуры представляет собой соединение элементов, благодаря чему она разбивается на отдельные части, которые уже могут обрабатываться компьютером.

Как отмечалось ранее, для использования метода конечных элементов нужна абстрактная модель подходящего уровня, а не сама конструкция. Абстрактная модель отличается от конструкции тем, что она формируется путем исключения несущественных деталей и редуцирования размерностей. Например, трёхмерный объект небольшой толщины может быть представлен в виде двумерной оболочки. Модель создается либо в интерактивном режиме, либо автоматически. Готовая абстрактная модель разбивается на конечные элементы, образующие аналитическую модель. Программные средства, позволяющие конструировать абстрактную модель и разбивать ее на конечные элементы, называются пpeпpoцессорами (preprocessors). Проанализировав каждый элемент, компьютер собирает результаты воедино и представляет их в визуальном формате. Например, области с высоким напряжением могут быть выделены красным цветом. Программные средства, обеспечивающие визуализацию, называются пocтпpoцeccoрами (postprocessors). Существует множество программных средств для оптимизации конструкций.

Хотя средства оптимизации могут быть отнесены к классу САЕ, обычно их pacсматривают отдельно. Ведутся исследования возможности автоматического определения формы конструкции путем объединения оптимизации и анализа.

В этих подходах исходная форма конструкции предполагается простой, как, например, у прямоугольного двумерного объекта, состоящего из небольших элементов различной плотности. Затем выполняется процедура оптимизации, позволяющая определить конкретные значения плотности, позволяющие достичь определенной цели с учетом ограничений на напряжения. Целью часто является минимизация веса. После определения оптимальных значений плотности рассчитывается оптимальная форма объекта. Она получается отбрасыванием элементов с низкими значениями плотности.

Замечательное достоинство методов анализа и оптимизации конструкций заключается в том, что они позволяют конструктору увидеть поведение конечного продукта и выявить возможные ошибки до создания и тестирования реальных прототипов, избежав определенных затрат. Поскольку стоимость конструирования на последних стадиях разработки и производства продукта экспоненциально возрастает, ранняя оптимизация и усовершенствование (возможные только благодаря аналитическим средствам САЕ) окупаются значительным снижением сроков и стоимости разработки.

Таким образом, технологии CAD, САМ и САЕ заключаются в автоматизации и повышении эффективности конкретных стадий жизненного цикла продукта. Развиваясь независимо, эти системы еще не до конца реализовали потенциал интеграции проектирования и производства. Для решения этой проблемы была предложена новая технология, получившая название компьютеризированного интегрированного производства (computer – integrated manufacturing – СIМ). CIM пытается соединить «островки автоматизации» вместе и превратить их в бесперебойно и эффективно работающую систему. CIM подразумевает использование компьютерной базы данных для более эффективного управления всем предприятием, в частности бухгалтерией, планированием, доставкой и другими задачами, а не только проектированием и производством, которые охватывались системами CAD, САМ и САЕ. CIM часто называют философией бизнеса, а не компьютерной системой.

В результате автоматизированного конструирования выпускается техническая документация, необходимая для технологи­ческой подготовки производства, которая содержит чертежи и технические условия (условия сбор­ки, контроля и т. п.). Вместе с тем в производство передается «машинный образ» конструкции, содержащий программы для станков с ЧПУ (числовым программным управлением) для изготовления элементов конструкции.

Таким образом, новая технология проектирования — это система, которая начинается от замысла и кончается вы­дачей проектной документации или опытного образца.

Необходимо отметить, что широкое применение ЭВМ при изготовлении и испытании изделий приводит со временем к автоматизированному производству, включающему в себя и первые его стадии: автоматизированное проектирование и автоматизированное конструирование.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: