------шпоры_ПССАПР. Понятие проектирования Техническая система

• Название: Понятие проектирования Техническая система
• Дата: 25.05.2022
• Размер: 203.32 Kb.
• Имя файла: ------шпоры_ПССАПР.docx
• Тип: Документы; #548903
• страница: 1 из 5

1. 
   Понятие проектирования
   

Техническая система – категория, под которой понимаются искусственно созданные объекты, предназначенные для удовлетворения определенной потребности, которым присущи возможность выполнения не менее одной функции, многоэлементность, иерархичность строения, множественность связей между элементами, многократность изменения и многообразие потребительских качеств. К техническим системам относятся отдельные машины, аппараты, приборы, сооружения, ручные орудия, их элементы в виде узлов, блоков, агрегатов и др. сборочных единиц, а также сложные комплексы взаимо­связанных машин, аппаратов, сооружений и т.п. В литературе наряду с понятием техническая система часто используется понятие технический объект. К техническим объектам наряду с техническими системами относятся конструкционные материалы и комплектующие изделия. Совокупность всех функционирующих и старых, недействующих технических объектов и всех продуктов их деятельности, возникших на Земле и в космосе образуют техносферу.

Основным содержанием проектирования является материализация, «овеществление» научно-технических идей и знаний, использование их при создании нового технического объекта, обладающего наилучшими или заранее обусловленными параметрами, свойствами и технико-экономическими показателями. Качественно новый технический объект обязательно включает в себя новое техническое решение, но на исчерпывается им. Создание нового объекта - это, прежде всего результат органического синтеза нового технического решения и элементов прежних решений в новом целом.

Потребности промышленности стимулируют интенсивное развитие теории конструирования, т.е. учения о правилах и приемах конструирования с использованием систематизированных сведений о технических объектах. Использование терминаметодическое конструированиеподчеркивает наличие определенной методики. Области приложения этой научной дисциплины постоянно расширяются, и становится очевидной ее принципиальная полезность для решения практических задач.

Проектирование(ГОСТ 2.103-68) — процесс создания нового изделия, предусматривает пять стадий: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект, разработка рабочей документации.

2. 
   Стадии проектирования
   

Техническое задание устанавливает основное назначение, технические характеристики, показатели качества, технико-экономические, а также специальные требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию.

Техническое предложение — совокупность конструкторских документов, содержащих технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки изделия на основании технического задания и различных вариантов возможных решений изделий, сравнительно оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также патент­ных материалов. После утверждения техническое предложение основанием для разработки эскизного проекта.

Эскизный проект (ГОСТ 2.119-73) — совокупность конструкторских документов, которые должны содержать принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие его назначение, основные параметры и габаритные размеры.

Эскизный проект разрабатывают обычно в нескольких вариантах с обстоятельным расчетным анализом, в результате которого отбирают вариант для последующей разработки.

Первые проектные расчеты на стадии эскизного проектирования выполняют, как правило, упрощенными и приближенными. Окончательный расчет является проверочным для данной (уже намеченной) конструкции изделия.

Многие размеры элементов детали при проектировании не рассчитывают, а принимают в соответствии с опытом проектирования подобных конструкций, обобщенным в стандартах и нормативно-справочных документах — учебниках, справочниках и пр.

Эскизный проект после утверждения служит основанием для разработки технического проекта или рабочей конструкторской документации.

Технический проект (ГОСТ 2.120-73) — совокупность конструкторских документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные данные разработки рабочей документации.

Технический проект после утверждения служит основанием для разработки рабочей документации.

Разработка рабочей документации — заключительная стадия проектирования, необходимая для изготовления всех ненормализованных деталей, а также для оформления заявки на приобретение стандартных изделий.

Документация, получаемая в результате проектирования, называется проектом.

3. 
   Типовые проектные процедуры: структурный синтез
   

В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, их проектирование, и аналогичную теории систем, чаще называют системотехникой. Предметом системотехники являются, во-первых, организация процесса создания, использования и развития технических систем, во-вторых, методы и принципы их проектирования и исследования.

Создать проект объекта (изделия или процесса) означает выбрать структуру объекта, определить значения всех его параметров и представить результаты в установленной форме.

Разработка (или выбор) структуры объекта есть проектная процедура, называемая структурным синтезом, а расчет (или выбор) значений параметров его элементов — процедура параметрического синтеза.

Задача структурного синтеза формулируется в системотехнике как задача принятия решений (ЗПР). Ее суть заключается в определении цели, множества возможных решений и ограничивающих условий.

Классификацию ЗПР осуществляют по ряду признаков. По числу критериев различают задачи одно- и многокритериальные. По степени неопределенности различают ЗПР детерминированные, ЗПР в условиях риска — при наличии в формулировке задачи случайных параметров, ЗПР в условиях неопределенности, т.е. при неполноте или недостоверности исходной информации.

Одна из основных проблем постановки многокритериальных задач — установление правил предпочтения вариантов. Способы сведения многокритериальных задач к однокритериальным и последующие пути решения изучаются в дисциплинах, посвященных методам оптимизации и математическому программированию.

Наличие случайных факторов усложняет решение ЗПР. Основные подходы к решению ЗПР в условиях риска заключаются или в решении «для наихудшего случая», или в учете в целевой функции математического ожидания и дисперсии выходных параметров. В первом случае задачу решают как детерминированную при завышенных требованиях к качеству решения, что является главным недостатком подхода. Во втором случае достоверность результатов решения намного выше, но возникают трудности с оценкой целевой функции. Применение метода Монте-Карло в случае алгоритмических моделей становится единственной альтернативой и, следовательно, для решения требуются значительные вычислительные ресурсы.

Существуют две группы ЗПР в условиях неопределенности. Одна из них решается при наличии противодействия разумного противника. Такие задачи изучаются в теории игр, для задач проектирования в технике они не характерны. Во второй группе достижению цели противодействие оказывают силы природы. Для их решения полезно использовать теорию и методы нечетных множеств.

Конструирование, разработка технологических процессов, оформление проектной документации — частные случаи структурного синтеза.

4. 
   Типовые проектные процедуры: параметрический синтез
   

В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, их проектирование, и аналогичную теории систем, чаще называют системотехникой. Предметом системотехники являются, во-первых, организация процесса создания, использования и развития технических систем, во-вторых, методы и принципы их проектирования и исследования.

Создать проект объекта (изделия или процесса) означает выбрать структуру объекта, определить значения всех его параметров и представить результаты в установленной форме.

Разработка (или выбор) структуры объекта есть проектная процедура, называемая структурным синтезом, а расчет (или выбор) значений параметров его элементов — процедура параметрического синтеза.

Задачу параметрического синтеза называют параметрической оптимизации (или оптимизацией), если ее решают как задачу математического программирования

extr F(X), X ∈ Dx,

где F(X) — целевая функция; X — вектор управляемых (называемых также проектными или варьируемыми) параметров; Dx = {X| ϕ(X) < 0, ψ(X) = 0} — допустимая область; ϕ(X) и ψ(X) — функции-ограничения.

5. 
   Типовые проектные процедуры: процедура анализа
   

Следующая после синтеза группа проектных процедур — процедуры анализа. Цель анализа получение информации о характере функционирования и значениях выходных параметров Y при заданных структуре объекта, сведениях о внешних параметрах Q и параметрах элементов X. Если заданы фиксированные значения параметров X и Q, то имеет место процедура одновариантного анализа, которая сводится к решению уравнений математической модели и вычислению вектора выходных параметров Y. Если заданы статистические сведения о параметрах X и нужно получить оценки числовых характеристик распределений выходных параметров (например, оценки математических ожиданий и дисперсий), то это процедура статистического анализа. Если требуется рассчитать матрицы абсолютной А и (или) относительной В чувствительности, то имеет место задача анализа чувствительности.

Элемент А_ji матрицы А называют абсолютным коэффициентом чувствительности, он представляет собой частную производную j-го выходного параметра y_j по i-ому параметру x_i. Другими словами, А_ji является элементом вектора градиента j-го выходного параметра. На практике удобнее использовать безразмерные относительные коэффициенты чувствительности B_ji, характеризующие степень влияния изменений параметров элементов на изменения выходных параметров:

B_ji= A_ji x_iном / y_jном,

где x_iном и y_jном — номинальные значения параметров x_i и y_j соответственно.

В процедурах многовариантного анализа определяется влияние внешних параметров, разброса и нестабильности параметров элементов на выходные параметры. Процедуры статистического анализа и анализа чувствительности — характерные примеры процедур многовариантного анализа.

6. 
   Цели создания САПР
   

Развитие техники сопровождается усложнением всех систем машин и технологического оборудования. Возрастает трудоемкость их создания при одновременном повышении требований к качеству и эффективности конструкции, что находится в противоречии с необходимостью сокращения сроков ее разработки и промышленного освоения. Ликвидация указанного противоречия наиболее полно реализуется при широком внедрении в проектирование вычислительной техники. Основное направление при этом — создание систем автоматизированного проектирования (САПР).

Целями создания САПР как организационно-технической (человеко-машинной) системы являются:

1. Повышение качества проектирования вследствие увеличения, анализируемые конструкторских решений и более детального анализа каждого из них.

2. Сокращение срока разработки конструкции за счет автоматизации выполнения чертежных работ и расчетов, обработки исходной и полученной информации.

3. Уменьшение стоимости проектных работ путем сокращения их части, выполняемой без использования ЭВМ.

Эти цели достигаются применением совершенных математических методов и вычислительной техники, разработкой эффективных математи­ческих моделей, методов многовариантного проектирования и оптимиза­ции, автоматизацией проведения расчетов и оформления графической документации.

7. 
   Оптимальное проектирование с использованием САПР
   

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.

В САПР задачи оптимизации могут решаться на всех этапах процесса проектирования.

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. Оптимальным в общем случае следует считать вариант, который обеспечивает нужные показатели работы при минимальных затратах.

8. 
   История развития систем автоматизации проектирования. Развитие инженерного мышления
   

С начала индустриальной революции вплоть до второй половины XX в. инженерное мышление развивалось под сильным влиянием двух установок – гигантизма и увеличения скоростей. Инженеры стремились создать паровые машины, локомотивы или корабли, работавшие и передвигавшиеся с максимальными скоростями. Они стремились построить здания более высокие, транспортные средства, способные перевозить все больше грузов и пассажиров, машины, делавшие все большее число оборотов в час, минуту или секунду. Гигантизм и увеличение скорости вызывались отнюдь не внутренними импульсами инженерного мышления. Однако с обнаружением и отчетливым выявлением начала экологической катастрофы, ограниченности людских, финансовых, технических и невосстановимых природных ресурсов в инженерном мышлении стала господствовать тенденция к оптимизации технических решений на основе сложного системного моделирования. Еще более важным фактором его модернизации стала гуманизация технических решений, связанная с тем, что очень многие максималистские проекты и конструкции оказались эргономически и экономически необоснованными, а в психологическом и гуманитарном здравоохранительном отношении даже вредными, снижающими производительность человека, ухудшающими его здоровье и психическое состояние. И стадия гигантизма, и стадия оптимизации, так же как и этап гуманизации инженерных решений, требуют постоянного использования всевозможных расчетов и вычислений в объемах, не встречающихся в других видах человеческой деятельности.

С возрастанием сложности технических устройств машин и механизмов, проектируемых инженерами, возможности чисто эмпирических решений, основанных на методе проб и ошибок, все более сужаются.

Развитие науки, техники и технологии подводит производительную деятельность к так называемым предельным значениям. Достигаются пределы физически и технически допустимых скоростей, размеров и объемов. Предельными становятся физиологические и психологические нагрузки на человека (шумы, скорости считываемой информации, вибрация, количество выполняемых операций и т. п.). Это требует точных расчетов, позволяющих добиваться эффективных решений в условиях «предельных ограничений». Мощным фактором расчетной революции становится необходимость учета, моделирования и минимизации негативных экологических, социальных, экономических последствий НТП.

Еще одно обстоятельство, инициирующее углубление и быстрое развитие расчетной революции связано с фактической ограниченностью природных, человеческих, энергетических, водных, экономических и продовольственных ресурсов.

Расширение масштабов инженерного мышления, растущая необходимость применения научных и технологических знаний для решения инженерных задач требуют использования гигантских вычислительных ресурсов, которые не могут быть созданы иным способом, кроме того, который создается компьютерной революцией. Автоматизация вычислительных процедур на основе современной быстродействующей вычислительной техники становится непременным условием не только дальнейшего развития, но и существования инженерного мышления.