CC BY
52
ГРНТИ 67.01.85
Тулеубаева Асем Нурболатовна
магистрант, кафедра «Промышленное, гражданское и транспортное строительство», Архитекту рно-строител ь н ы й фа ку л ьтст.
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: a sema_tuleubaeva@mail. ru
ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРИНЯТИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ
В статье обобщен новый материал по исследуемой теме. Рассматриваются ключевые этапы, касающиеся проблем автоматизации проектирования, решения основных вопросов разработки проблем оптимального проектирования САПР. Основное внимание в работе автор акцентирует на решениы основных вопросов оптимального проектирования разработки САПР. Выделяются и описываются характерные особенности проектных операции: синтез и анализ. В данной статье предпринята попытка раскрыть основные причины термина «принятие проектного решения». Моделирование или создание модели объекта проектирования является проектной операцией, связанной с каждой из двух других проектных операций: синтезом и анализом. Поэтому далее моделирование или создание модели объекта будет рассмотрено подробно. Произведен анализ задач, подходов и технических средств, их решения позволяют выделить три этана развития автоматизац иипроект ирова ни я технологи и.
Ключевые слова: автоматизация, проектирование, оптимизация, проектные решения, синтез, анализ, САПР - система автоматизированного проектирования, моделирование.
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы автоматизации проектирования технических устройств в последние годы привлекают внимание все большего числа проектировщиков и исследователей. Развитие методологии, численных методов и алгоритмов оптимального проектирования оказывает решающее влияние на особенности систем автоматизированного проектирования (САПР), внедряемых на предприятиях.
Поэтому в учебные планы по подготовке студентов различных специальностей - будущих специалистов, использующих САПР в своей инженерной деятельности, введена специальная дисциплина по основам принятия оптимальных решений с помощью ЭВМ [1 ].
Общим для задач принятия оптимальных решений, которые возникают на разных этапах проектирования, является то, что они могут быть сформулированы математически как задача нелинейной оптимизации: для заданной математической модели проектируемого устройства требуется подобрать такие значения варьируемых параметров, чтобы они обеспечивали экстремальное значение (максимум или минимум) одной из наиболее важных технико-экономических характеристик при условии, что другие характеристики удовлетворяют заданной совокупности технических требований.
К сожалению, среди численных методов поиска оптимальных решений, которые получили название методов оптимального проектирования (методов оптимизации, методов поиска), не существует универсального, который позволял бы эффективно решать любую задачу нелинейной оптимизации. В настоящее время решение каждой задачи оптимального проектирования требует индивидуального подхода и связано с применением нескольких методов поиска оптимального решения, и даже в этом случае успех во многом будет зависеть от квалификации и опыта проектировщика. В связи с этим в разрабатываемых системах автоматизированного проектирования большое внимание отводится вопросам принятия оптимальных решений в интерактивном режиме, когда пользователь имеет возможность оперативно взаимодействовать с ЭВМ на любом этапе решения своей задачи. При этом в результате диалога «человек-машина» он может менять как число, так и тип варьируемых переменных, выбирать наиболее эффективный в сложившейся ситуации метод поиска, подстраивать численные параметры методов к конкретным особенностям оптимизируемой функции и т. д. Такой подход к решению задач оптимального проектирования позволяет осуществлять адаптацию методов поиска к особенностям и трудностям конкретной задачи, но для этого разработчик должен понимать, в каких случаях и какие методы оптимального проектирования необходимо применять для того или иного класса экстремальных задач, возникающих на разных этапах проектирования [3-8].
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
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.
САПР -организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования (КСАП) [3].
В САПР задачи оптимизации могут решаться на всех этапах процесса проектирования. Так, на этапе эскизной проработки задача оптимального проектирования может состоять в определении рациональных значений необходимого числа основных параметров проекта, определяющих будущий облик технического объекта. На этапах технического и рабочего проектирования задачи оптимизации могут носить более глубокий характер, охватывающий вопросы определения оптимальных значений основных параметров как объекта в целом, так и отдельных узлов, и деталей.
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. Его можно разделить на следующие проектные решения:
- Оптимальное проектное решение - описание объекта, наилучшим образом выполняющего требуемые функции или проектное решение, наилучшим образом отвечающее требованиям ТЗ. Оптимальным в общем случае следует считать вариант, который обеспечивает нужные показатели работы при минимальных затратах.
- Эффективное проектное решение - описание объекта, принципиально выполняющего требуемые функции или проектное решение, принципиально отвечающее требованиям ТЗ.
Существуют следующие проектные операции.
Синтез - конкретизация облика или параметров проектируемого объекта; определение состава и взаимосвязей элементов объекта или конкретизация технических решений, определяющих вариант проекта.
Моделирование или создание модели объекта проектирования - создание абстрактной (математической, графической, текстовой) или физической (макетный, опытный, серийный образец) модели объекта.
Анализ - исследование свойств синтезированного варианта проекта с применением абстрактных и (или) физических моделей или исследование объект проектирования с использованием моделей.
Принятие проектного решения - выбор варианта проекта из имеющихся альтернативных вариантов по результатам анализа или выбор варианта проекта с учётом требований ТЗ на основе результатов анализа.
Термин «принятие проектного решения» имеет и другой смысл: часто под ним понимают общий процесс определения множества вариантов проекта, задания принципа оптимальности и выбор лучшего варианта.
Моделирование или создание модели объекта проектирования является проектной операцией, связанной с каждой из двух других проектных операций: синтезом и анализом. Поэтому далее моделирование или создание модели объекта будет рассмотрено подробно.
Процесс получения проектного решения имеет явно выраженный итерационный характер, иллюстрируемый блок-схемой на рисунке 1.
Обратная связь в блок-схеме начинает работать, если ранее синтезированный вариант проекта даёт неудовлетворительные результаты, то есть не отвечает поставленным требованиям, а также, если необходимо получить вариант проекта, имеющий лучшие показатели. В последнем случае нужно получить несколько допустимых вариантов проекта, то есть вариантов, для которых выполняются ограничения, и выбрать среди них лучший. Для выбора требуется знать или сформулировать правило сравнительной оценки вариантов или критерий оптимальности [2].
Рисунок 1 - Итерационный процесс получения проектного решения
Анализ задач, подходов и технических средств их решения позволяют выделить три этапа развития автоматизации проектирования технологии.
Первый этап характеризуется решением отдельных задач конструкторско-технологического проектирования: разрабатываются отдельные формализованные языки описания конструкции и технологии; решаются задачи описания графического изображения чертежей и ввода их в ЭВМ, преобразования чертежей в текстовое описание на алгоритмических языках; построения сечений машиностроительных деталей с помощью ЭВМ, вычисления площадей и объемов; минимизации исходной геометрической информации.
Для второго этапа характерно решение групп задач проектирования. Программные комплексы объединяют ряд систем проектирования технологических процессов механической обработки, оснастки и т. п. Посредством этих комплексов решаются задачи проектирования для отдельных типов деталей относительно простой конфигурации.
На третьем этапе ведутся работы по созданию интегрированных систем проектирования технологии. Системы такого рода являются комплексными; в них входят системы различного технологического назначения, обеспечивающие работу различных технологических служб [9].
Создаваемые организационно-технические системы, ориентированные на комплексную автоматизацию проектных работ в сфере технологической подготовки производства на различных предприятиях, могут существенно отличаться друг от друга и в первую очередь по уровню автоматизации. При этом выделяют три уровня автоматизации, связанных с созданием и использованием САПР технологических процессов (ТП) [10-11].
ВЫВОДЫ
В этой статье представлены исследования автоматизированных проектных решений.
В результате исследований, был произведен сравнительный анализ возможностей и ограничений САПР, выявлены характерные особенности проблемной области проектирования. Показана возможность применения стандартных решении задач оптимизации.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Муканов, Р., Быков, П. О. Проблемы подготовки специалистов в области систем автоматизированного проектирования // Наука и техника Казахстана. - 2005. - № 4. - С. 107-111.
2 https://all4stiidy.ru/proektirovanie/osiiovnye-ponyatiya-proektirovaniya-os-iioviiye-proektiiye-operacii-i-ix-vzaiiiiosvyazi-stadii-i-etapy-proektirovaniya.html.
3 ГОСТ 23501.101-87. «Системы автоматизированного проектирования. Основные положения» (с Изменением N 1), п. 1.1.
4 Kasenov, A. Zh., Zhanbulatova, L. D., Aidarkhanov, D. A. Applications in engineering // Наука и техника Казахстана. - 2016. - № 3-4. - С. 75-81
5 Мак-Гоуэн, К., Марка, Д. Методология структурного анализа и проектирования. -М. : «Метатехнология», 1993. -240 с.
6 Вылегжанина, А. О. Информационно-технологическое и программное обеспечение управления проектом : Учебное пособие.
7 ГОСТ 34.003-90. «Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения»
8 РД 250-680-88. «Методические указания. Автоматизированные системы. Основные положения».
9 ГОСТ 23501.108-85. «Системы автоматизированного проектирования. Классификация и обозначение».
10 Норенков, И. П. Основы автоматизированного проектирования: учеб. для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М. : Изд-во МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2009. - 430 с. - ISBN 978-5-7038-3275-2.
11. Аверченков, В. И., Казаков, Ю. М. Автоматизация проектных технологических процессов : Учебное пособие. - С. 6.
Материал поступил в редакцию 21.09.18.
Тулеубаева Эсем Нурболапщызы
магистрант, «ОнеркэЫппк, азаматтьщ жэне келж курылысы» кафедрасы, Сэулет-курылыс факультету С.Торайгыров атындагы Павлодар мемлекетпк университету Павлодар к;., 140008, Казахстан Республикасы, e-mail: asem a tul eubaeva@mai 1 .ru. Материал баспага 21.09.18 тусть
Оцтайлы К¥РЫЛЫМДЬ1К шецимдерд1 кабылдау ушш жобалаудыц автоматтандырылган эдктерш колдану
Мацалада зерттелепи'н тщырып бойынию жаца материалдар жинацталган. Жобалауды автоматтандыру проблемаларына цатысты нег'тл кезецдерд1 карастырамыз, компьютерлЫ дизайнныц оцтайлы дизайнын жасау меселелерт шешудщ негЬгi мэселелерт шешешз. Автор автоматтандырылган жобалау жуйеЫнщ оцтайлы дизайнын жасаудыц негЬгл мэселелерт шешуге басты назар аударады. Конструкторлыц операциялар сипаттамалары аныкталды жэне сипатталды: синтездеу жене талдау. Бул мацала «жобалык шегмм кабылдау» термин i нщ негЬг! себептерт аныктауга тырысады. Модельдеу немеее дизайн пысаныныц улгнЧн жасау-бул ек1баска дизайнерлт операциячардыц эрцайсысымен байланысты жобалау жумысы: синтездеу жене талдау. Сондьщпан объектЫ одан api модельдеу немеее моделъдi щуру егжей-тегжешп' карастырылады. Оларды шешуге арналган Mindemmepdi, mociidepdi жоне техникалъщ цуралдарды талдау автоматтандырудыц технологиялыц дизайнын дамытудыц уш кезец 'т ажыратуга мумюндт беред\.
Küimmi евздер: автоматтандыру, дизайн, оцтайландыру, дизайн шегшмдерi, синтез, талдау, CAD - компьютерщик дизайн, модельдеу.
Tuleubaeva Assent Nurbolatovna
undergraduate student, Department of «Industrial, Civil and Transport Construction», Faculty of Architecture and Construction, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, The Republic of Kazakhstan, e-mail: [email protected]. Material received on 21.09.18.
Application of automotive design methods for making optimal construction
solutions
The article summarizes (he new material on the topic under study. We consider the key stages relating to the problems of design automation. solving the main issues of developing problems of optima! design computer-aided design. The author focuses the main attention on the solution of the main issues of the optimal design development of the computer-aided design system. Characteristic features of project operations are distinguished and described: synthesis and analysis. This article attempts to uncover the main reasons for the term «project decision making». Modeling or creating a design object model is a design operation associated with each of two other design operations: synthesis and analysis. Therefore, further modeling or creating a model of the object will be considered in detail. The analysis of tasks, approaches and technical means to solve them allows us to distinguish three stages in the development of automation technology design.
Keywords: automation, design, optimization, design solutions, synthesis, analysis, CAD — computer aided design, modeling.
