Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Автоматизированное проектирование технических систем: Учебное пособие.

Бельков В. Н., Ланшаков В. Л.,

ВВЕДЕНИЕ

Система автоматизированного проектирования (САПР) - организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование.

Под автоматизацией проектирования понимается такой способ проектирования, при котором все проектные операции и процедуры или их часть осуществляется взаимодействием человека и ЭВМ. Предметом автоматизации проектирования является формализация проектных процедур, структурирование и типизация процессов проектирования, постановки, модели, методы и алгоритмы решения проектных задач, а также способ построения технических средств, языков, программ, банков данных и вопросов их объединения в единую проектную систему.

Цели автоматизации проектирования - повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация тенденции к увеличению числа инженерно-технических работников, занятых проектированием, повышения производительности их труда.

Особенно стремительное развитие САПР получили в середине 80-х годов, и к числу основных достижений можно отметить следующие.

• 1. Эффективность САПР в различных областях: сроки проектирования и доводки самолетов сокращаются в 2-3 раза; в автомобильной промышленности на создание новой модели вместо 2-3 лет уходит 8-12 месяцев.
• 2. Улучшение технико-экономических показателей: уменьшение массы корпусных деталей в судостроении на 5-25%; повышение грузоподъемности транспортного оборудования на 20-30%; силовых конструкций летательных аппаратов - на 10-20%.

Технико-экономические исследования ракетных комплексов (РК), выполненные в отрасли лет пятнадцать назад, показали, что время, затрачиваемое на опытно-конструкторскую разработку, составляло 4-6 лет, то есть 30-50% времени эксплуатации этого комплекса. Вследствие указанного недостатка, задачи автоматизации не могли быть решены просто объединением программ. Требовались серьезные методические исследования, обосновывающие структуру построения, предметное наполнение систем автоматизированного проектирования и организационные решения.

Успешное выполнение работ в области ракетно-космической техники по созданию первых очередей САПР объяснялось следующими факторами:

• 1. был создан и функционировал координационно-методический центр в области САПР, разработавший единую методологию создания комплексной САПР;
• 2. исключен параллелизм в разработке отдельных подсистем;
• 3. реализованы и тиражированы типовые разработки САПР.

В области программного обеспечения основное внимание уделялось унификации и типизации структур и компонентов общесистемного программного обеспечения, совершенствованию технологии разработки прикладных программ.

В качестве основного элемента информационного обеспечения являлся автоматизированный банк данных, обеспечивающий централизованное накопление, обоснование, поддержание в рабочем состоянии и выдачу по различным запросам пользователей данных для последующей обработки.

В области методического и организационного обеспечения разработана типовая структура создания комплексной системы автоматизированного проектирования изделий новой техники, направленной на сквозную автоматизацию процессов проектирования, разработаны типовые технологические и рабочие проекты этих систем.

Внедрение одной из систем на головном предприятии отрасли позволило при создании изделия выбрать его оптимальные проектные параметры, что обеспечило повышение эффективности всего комплекса по сравнению с ранее разработанным прототипом на 6-7%, улучшение характеристик другого изделия на 20%. В целом, достигнутый уровень автоматизации способствовал сокращению сроков создания новых образцов в 1,6-2 раза и улучшению их тактико-технических характеристик на 7-10%. Внедрение второй очереди САПР позволило улучшить основные тактико-технические характеристики на 20-30%, снизить трудоемкость выполнения отдельных этапов проектно-конструкторских работ в 4-7 раз, сократить сроки создания новых изделий в 2-4 раза.

Нынешнее положение САПР в отрасли определяется двумя основными факторами. Во-первых, вследствие слабого финансирования и непопулярности оборонной тематики социально - экономическая ситуация в ракетно-космической технике определяется недостаточностью высококвалифицированного кадрового потенциала и средств для создания САПР РК, если учесть, что ее разработка - это крупная научно-техническая проблема и ее внедрение требует больших материальных затрат. По данным пятнадцатилетней давности: создание САПР для крупных предприятий требует затрат в пределах 3-5 млн. руб. на одну систему и привлечения 50-200 квалифицированных специалистов. Однако, с другой стороны, решение проблем САПР облегчается в большой степени бурным развитием в последние годы вычислительной техники и программным обеспечением к ней.

К числу современных прикладных программ, которые можно использовать при проектировании, следует отнести: MathCad, AutoCad, MATLAB, Mathematica, WinMachine, Cosmos/M, ANSYS, POWER SHAPE, PROi и другие. Например, в курсе «Детали машин» с помощью системы расчета и проектирования механических конструкций и оборудования в области машиностроения АРМ WinMachine можно решать задачи по расчету различных передач, деталей машин и их соединений. Вместе с тем, указанные программы, весьма полезные для решения частных задач проектирования РК, не могут охватить весь диапазон разнообразных процессов, возникающих при старте ракеты.

При их проектировании, как известно, эффективно применяются следующие основные аксиомы системного подхода, имеющие универсальный характер применения и в других отраслях техники:

• - декомпозиция общей задачи на совокупность локальных задач, упорядоченных многоуровневой параллельно-последовательной логической схемой;
• - прогнозирование исходных данных и ограничений в общей задаче и обмен проектными решениями между функциональными элементами системы;
• - организация итерационных циклов, которые определяют сходимость решающих процедур;
• - построение многоуровневого критерия оценки проектных решений.

Указанные аксиомы целесообразно использовать при разработке САПР РК, и системной подход проиллюстрирован на ряде примеров в учебном пособии, состоящем из трех глав.

В первой главе представлены общие понятия, состав и структура САПР. Поскольку этот материал основывается на сведениях из источников, перечисленных в библиографическом списке, то он предложен достаточно лаконично, но продемонстрирован примерами, связанными с ракетно-космической техникой.

Вторая глава содержит различные методы оптимизации, применимые при проектировании РК. Эти методы относятся к числу крупных научно - технических проблем и занимают в литературе значительное место, поэтому в рамках пособия рассмотрены, в основном, такие методы, которые при удовлетворительной точности обладают достаточным быстродействием. Кроме того, полученные аналитические формулы могут быть использованы для широкого класса подобных задач. Отдельные методы можно применить и в других отраслях экономики: например, линейное программирование успешно используется для решения организационно - экономических вопросов.

В третьей главе содержатся примеры использования методов и общесистемных принципов при проектировании РК и их элементов. Указанные примеры, выполненные авторами и заимствованные из литературных источников, демонстрируют возможность применения методов оптимизации для решения различных задач автоматизации проектирования.