АИП. Автоматизации инженерного проектирования. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Астраханский государственный технический университет
 Скачать 428.08 Kb.
|
|
Ф  едеральное агентство по рыболовствуФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» Разработка и предоставление образовательных услуг в области среднего, высшего и дополнительного профессионального образования, послевузовского образования; воспитательная и научно-исследовательская работа сертифицированы DQS и ГОСТ Р по ISO 9001:2008 Р «Автоматизации инженерного проектирования – системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) и Системы автоматизированного проектирования (CAD). Автоматизации технологической подготовки производства – САМ-системы (Computer-aided manufacturing). Интеграция CAD, CAM, PDM систем и процесса производства на основе PLM системы»
Астрахань 2023 СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………………………………………………………….3 1.Автоматизация инженерного проектирования……………………………………………………3 2.Системы автоматизации инженерных расчетов(САЕ)……………………………………………9 3.Системы автоматизированного проектирования(САD)………………………………………….11 4.Автоматизация технологической подготовки производства. САМ-системы…………………..14 5.Интеграция САD, САМ, PDM систем и процесса производства на основе PLM системы……18 6.Заключение………………………………………………………………………………………….20 7.Контрольные вопросы……………………………………………………...………………………21 8.Тестовые задания…………………………………………………………………………………...22 Список использованной литературы………………………………………………………………..25 Введение Еще совсем недавно человечество ездило на лошадях, использовало для передвижения по воде деревянные лодки и даже не задумывалось о том, что когда-то человек сможет познать тайны космоса, сможет строить огромные небоскребы, тратя на проектирование всего этого не десятки лет, а значительно меньше. И буквально 70 лет назад человечество начало свой пусть в автоматизации инженерного проектирования. Это позволило людям быстрее и качественнее заниматься проектированием так нужных нам сейчас изделий, без которых мы не можем представить нашу жизнь. К ним можно отнести телефоны, машины, корабли, летательные аппараты и многое другое. Так что же представляет из себя автоматизация инженерного проектирования или как ее еще называют САПР? Автоматизация инженерного проектирования Если в настоящее время компании хотят добиться успеха в своем бизнесе, им необходимо пересмотреть существующие системы управления производством. В этом могут помочь последние достижения науки и техники. Современные разработки позволили автоматизировать производство. Люди освобождены от многих функций и предоставлены специализированным устройствам, оборудованию и информационным системам. В настоящее время имеется много конструктивных вопросов, которые от своего решения будут ускорять научно-технического прогресс (НТП) в нашем обществе. К ним можно отнести такие вопросы, как улучшение качества производимого товара, приведение сроков проектирования к минимуму, повышение производительности труда. Все эти вопросы непосредственно влияют на НТП. Прогресс систем автоматизированного проектирования будет строиться на так называемом «научно-техническом фундаменте». В этом фундаменте заложены основные элементы развития, к которым можно отнести компьютерные разработки, новейшие методы представления и обработки информации и многое другое. Без систем автоматизированного проектирования было бы невозможно проектирование сложных деталей или различных элементов. Поэтому данные системы позволяют усовершенствовать различные методы проектирования, стимулировать развитие различных математических теорий. Автоматизация инженерного проектирования начинает свой путь еще с 40-х годов прошлого столетия, когда человек уже сделал различные проекты в области ПО. Несколько из этих проектов включают в себя сервомоторы, компьютеры со встроенными операциями для автоматической координации преобразований для вычисления векторов, и графический математический процесс формирования формы с помощью цифрового станка. В начале 50-х годов САПР начали постепенно использоваться в машиностроении, в основу которых были заложены разнообразные математические модели. К ним относится теория В-сплайнов САПР представляет собой автоматизированную систему, с помощью которой появляется возможность выполнять функции проектирования различных моделей. На английский язык САПР переводится как CAD, что можно расшифровать как computer-aided design, что в ГОСТе 15971-90 означает как «автоматизированное проектирование». В нашей терминологии имеется разделение систем на определенные классы, которые можно отнести к автоматизации труда инженеров, проектировщиков и технологов. Все основные классы систем представлены на рисунке 1.  Рисунок 1 – Классы систем автоматизированного проектирования. САПР постепенно начало развиваться в таких отраслях как военная промышленность, машиностроение, авиастроение, кораблестроение, протезирование и многие другие отрасли жизни. Дисциплина жизненного цикла продукции является одной из главных задач на производстве. Для нее используются САПР, которые выполняют несколько важных задач на стадии проектирования и подготовки производства к запуску. Важные задачи для создания САПР приведены на рисунке 2.  Рисунок 2 – Основные цели создания САПР. Чтобы достигнуть данные задачи необходимо выполнить большое количество заданий, к ним можно отнести: подготовку документов с помощью автоматизации; использовать параллельное проектирование; использовать многократное повторение уже имеющихся проектов, данных и наработок; возможность повышения качества управления проектированием; использовать многообразные варианты проектирования и оптимизации; возможность привести объемы испытаний к минимуму и доведение опытных образцов к идеалу с помощью повышения уровня достоверности проектных решений и сокращение времени на данные затраты. С какого же момента начинается создание продукции, для которой были использованы системы автоматического проектирования? Все начинается с проектирования изделия. Это, пожалуй, является первым этапом при создании товара. Проектирование включает в себя такие действия, как описание исходного объекта в окончательный продукт за счет получения и преобразования большого количества работ, исследования, расчета и конструктивного проектирования. Проектирование, с использованием знаний человека, возможностей ЭВМ и комплекса различных средств автоматизации, принято называть автоматизированным. В настоящее время системы автоматизированного проектирования являются одним из тяжелый искусственных систем. Все основные этапы не могут быть реализованы без системного подхода. Это ведет к тому, что идеи системотехники будут занимать большую часть дисциплин. Все эти идеи занимаются анализом новых автоматизированных систем, а также реализации использования этих систем. К примеру, при использовании системного подхода при создании модели появляется возможность повторного использования уже имеющихся данных, что позволяет дорабатывать сложные изделия. Системный подход можно разделить на несколько подходов, к числу которых можно отнести структурные, блочно-иерархические и объективно-ориентированные подходы. В этих трех подходах заложены все основные функции системного подхода. При структурном подходе надо соединять компоненты или же блоки, с помощью которых строятся различные варианты систем, и затем оценить варианты при переборе этих компонентов. Блочно-иерархический подход включает в себя идеи разбиения сложных описаний объекта на более легкие составляющие, и за счет этого устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней, что значительно упрощает работу с моделями. Блочно-иерархический подход показан на рисунке 3.  Рисунок 3 – Иерархические уровни описания объектов проектирования. Объективно-ориентированный подход в большей мере применяется при создании информационных систем и в первую очередь их программного обеспечения. Данный подход имеет несколько важных достоинств, при решении проблем управления сложностью и внедрению ПО, а именно: придает структурную определенность модели приложения, разделяя данные и процессы, представленные в приложении, на классы объектов; сокращает количество спецификаций за счет введения иерархий объектов и изучения взаимосвязей между свойствами объектов на разных иерархических уровнях описания; ограничивает доступ к определенным классам данных в объекте, за счет снижения вероятности повреждения данных из-за неправильных действий. Объяснение в каждом классе, допустимые объективные ссылки на них и формат полученных сообщений облегчают координацию и интеграцию ПО. Принцип объективно-ориентированного подхода показан на рисунке 4.  Рисунок 4 - Принцип объективно-ориентированного анализа. Когда разрабатывается какой-либо объект, то для его функционирования создается не только проект, но и функционирующая модель. Это говорит нам, что проектирование и создание работающей модели являются взаимосвязанными процессами. Они не могут работать друг без друга. Под проектированием мы понимаем создание общей схемы объекта, то есть в ней представлены все аппараты, агрегаты, все узлы и их используемые системы. В то же время, создание функционирующей модели предполагает детального изучения создаваемого объекта. В ней возможно определить все недостатки созданного проекта и исправление их в дальнейшем. Если рассматривать нефтегазовую промышленность, то все используемые абсорберы, сепараторы, теплообменники и т.д. – это все является оборудованием, а конкретное место определенной детали, конкретное расположение узлов будет определять назначение этих самых оборудований. С помощью дизайна имеется возможность выбрать метод соединения, а взаимодействие компонентов и материалов позволяет уже заняться проектированием. В свою очередь все остальные детали и компоненты производятся по определенным стандартам и определенным исполнениям. Все эти действия составляют этап проектирования, в котором определяются все технические и экономические варианты решений. В конечной стадии проектирования у нас уже имеется проект нашей установки. Процесс создания модели изделия показан на рисунке 5.  Рисунок 5 – Процесс создания модели изделия. Распишем, что относится к основным элементам при проектировании изделия и т.п. Под основными элементами проектирования мы понимаем этапы проектирования, с помощью которых происходит постепенное преобразование задуманной модели в реальность. В настоящее время имеется много различных этапов, к которым относятся научно-исследовательские работы (НИР), опытно-конструкторские работы (ОКР), технический и рабочий проект. Научно-исследовательскую работу можно также называть предпроектной. С ходом времени наступает все новый и новый этап проектирования и уже становится отчетливо видно, как создаваемый проект переходит от стадии задумки к стадии опытного образца. Разберем, что же относят к основным этапам проектирования. Под основными этапами обычно понимают четыре основных элемента. К ним можно отнести: Техническое задание, в ходе которого задаются нужные параметры создаваемого проекта; Техническое предложение, в ходе которого проверяется возможность усовершенствовать модель; Эскизный проект, в ходе которого происходит доработка недочетов имеющегося проекта; Технический проект, в ходе которого заканчивается создание проектируемой модели. Разберем каждый этап по-отдельности. Чтобы создать какой-либо объект или какую-либо деталь нужно определиться, что мы будем проектировать, каких размеров, из каких материалов и т.д. Все эти вопросы заложены в техническом задании (ТЗ). То есть в ТЗ прописываются все характеристики, которые присуще создаваемой модели. Обычно техническое задание создается по последним достижениям в различных сферах. Следующим этапом проектирования является техническое предложение. В ходе данного этапа происходит проверка, по итогу которой определяется совместимость требований технического задания с последующей возможностью произвести так называемый «апгрейд». Обычно в техническом предложении представлены различные варианты технических решений из которых выбирается самый оптимальный. После технического предложения у нас наступает этап эскизного проекта. В ходе данного этапа производится исправление ошибок, который не были учтены в техническом предложении. Также при создании эскизного проекта появляется уже модель нашего проекта, которую в дальнейшем будут создавать. И заключительным этапом проектирования является технический проект. В нем уже имеется готовая модель, с помощью которой можно более точно определить все характеристики и сравнить их с характеристиками в техническом задании. Если в ходе проверки появляются какие-то вопросы или появляется несоответствие с заданными характеристиками, то именно на этапе технического проекта стараются исправить все эти недочеты. В конце данного этапа появляется уже готовая модель, которую можно изготавливать и собирать. Все стадии проектирования можно представить одной большой схемой, показанной на рисунке 6.  Рисунок 6 - Схема процесса проектирования. Проектирование какой-либо модели занимает определенное время. Все этапы, все действия, связанные с проектирование можно представить в таблице 1, где показано, сколько процентов от общего времени проектирования занимает тот или иной этап. Таблица 1. Временные затраты (в %), связанные с проектированием.
Не сложно заметить, что большая часть времени, затрачиваемая на проектирование модели, тратится на вычерчивание детали, что составляет третью часть от всего времени. Системы автоматизации инженерных расчетов(CAE). В данном разделе разберемся, что-же представляют из себя системы автоматизации инженерных расчет и для чего они применяются. Говоря простыми словами, CAE-системы применяются в тех случаях, где необходимо производить какие-либо инженерные расчеты, анализировать и визуализировать физические процессы. САЕ-системы также поддерживают возможность производить моделирование процессов динамики, а также улучшать проектируемое изделие. В основном CAE-системы проверяют уже готовые изделия, которые спроектированы в системах CAD, то есть уже готовые геометрические модели. С помощью довольно развитых CAE-систем изделия, которые собираются уже непосредственно на предприятиях, выходят из конвейера в надлежащем виде и качестве и в дальнейшем доходят до заказчика в указанный срок. Огромное множество САЕ-систем имеют возможность производить решения систем уравнений с дифференциалами в частных производных, используя метод конечных элементов. Основные функции САЕ-систем имеют очень большое разнообразие. Например, в машиностроительных САЕ-системах выполняются такие функции, как: анализ кинематики и динамики изделия путем определения траектории движения подвижных частей и сил, которые приложены к изделию в рабочем процессе; процесс моделирования физических свойств, которые проводятся методом конечных элементов; расчет состояния и временных процессов на макроуровне; моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри. На рисунке 7 можно увидеть небольшую часть отраслей, где используются САЕ-системы.  Рисунок 7 – Отрасли использования САЕ-систем. В настоящее время уже нереально представить какое-либо производство без САЕ-систем. В связи с чем САЕ-системы обширно развиваются в различных направлениях. Несколько таких направлений представлены на рисунке 8.  Рисунок 8 – Направления развития САЕ-систем. При проведении инженерных исследований в системе САЕ создается компьютерная модель, которая называется анализом. Она описывает поведение объекта при определенных условиях. Эта компьютерная модель содержит геометрическую трехмерную модель детали или узла и набор условий, которые ограничивают нагрузку и движение исследуемого элемента. Как правильно, прототип задачи механического анализа определяется следующим образом и представляется уравнением в частных дифференциальных уравнениях вместе с начальными условиями и граничными условиями. Условно решения дифференциальных уравнений разделяют на две основные категории. К ним относятся аналитические методы и численные методы. Благодаря аналитическому методу нужное нам решение будет являться уравнение, с помощью которого можно будет найти значения нужной нам функции, за счет использования определенных значений аргументов. Про такое решение говорят, что оно получено в аналитической форме. Многие инженерные задачи, связанные с изучением напряженно-деформированного состояния твердых тел, могут быть решены с помощью аналитических методов, таких как теория упругости и пластичности, теории пластин и оболочек. Например, если задача определения напряжений, перемещений и собственной частоты конструкции простой геометрии может быть сведена к решению алгебраических, тригонометрических и элементарных дифференциальных уравнений, известных из лекций по механике материалов и теоретической механике, то решение может быть получено аналитическими методами. Преимущество аналитического метода заключается в том, что точные результаты могут быть получены за короткое время. Решения получаются путем подстановки, функциональных преобразований и строгого обоснования определенных предположений. Из-за грубости модели физическая точность метода невысока, и в большинстве случаев он может лишь оценить количество цифр. Для более точных и сложных моделей аналитические решения встречаются относительно редко. Многие важные технические проблемы не могут быть решены аналитически из-за сложности геометрии конструкции и граничных условий. Численные вычисления- это метод подхода к решению математических задач, обычно путем выполнения ряда арифметических операций над числовыми значениями. Численные расчеты позволяют получать результаты с числовой неопределенностью, которая зависит от проблемы. В этом отличие от аналитических методов. Численные методы дают только приблизительные решения. Аналитические методы дают приблизительное решение проблемы. Численные расчеты позволяют получить решение задачи при конкретных значениях параметров и исходных данных. Для того, чтобы провести анализ, который позволит нам определить зависимость нашего решения от некоторых параметров и заданных начальных условиях, просто необходимо произвести серию вычислений. Когда дифференциальное уравнение решают численным методом неизвестная величина будет являться переменная в конечном значении исходного поля. В таком случае дифференциальное уравнение будет дискретизироваться. |