Введення в автоматизоване проектування

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

з дисципліни	Основи САПР
для студентів	4 курсу
напрям підготовки	6.050503 - Машинобудування
за професійним спрямуванням	«Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів», «Обладнання переробних та харчових виробництв»
галузь знань	0505 – Машинобудування та матеріалообробка
факультету	Машинобудування

 

Херсон – 2009

 

Конспект лекцій з дисципліни «Основи САПР».

Укладач: к.т.н., доцент Русанов С.А., кількість сторінок – 63.

 

 

Рецензент: Солодовніченко В.М., доцент кафедри обладнання підприємств легкої промисловості та побутового обслуговування

 

Затверджено

на засіданні кафедри ОХВіПБМ

протокол № __ від _____2009 р.

Зав. кафедри К.В.Луняка

 

Відповідальний за випуск к.т.н., доцент Русанов С.А.

 

Введення в автоматизоване проектування

Поняття проектування

Проектування технічного об'єкта — створення, перетворення й подання в прийнятій формі образа цього ще не існуючого об'єкта. Образ об'єкта або його складових частин може створюватися в уяві людини в результаті творчого процесу або генеруватися відповідно до деяких алгоритмів у процесі взаємодії людини й ЕОМ. У кожному разі інженерне проектування починається при наявності вираженої потреби суспільства в деяких технічних об'єктах, якими можуть бути об'єкти будівництва, промислові вироби або процеси. Проектування містить у собі розробку технічної пропозиції та (або) технічного завдання (ТЗ), що відбивають ці потреби, і реалізацію ТЗ у вигляді проектної документації.

Найчастіше ТЗ представляють у вигляді деяких документів, і воно є вихідним (первинним) описом об'єкта. Результатом проектування, як правило, служить повний комплект документації, що містить достатні відомості для виготовлення об'єкта в заданих умовах. Ця документація і є проект, точніше остаточний опис об'єкта. Більш коротко, проектування – процес, що полягає в одержанні й перетворенні вихідного опису об'єкта в остаточний опис на основі виконання комплексу робіт дослідницького, розрахункового й конструкторського характеру.

Перетворення вихідного опису в остаточне породжує ряд проміжних описів, що підводять підсумки рішення деяких задач і використовуваних для обговорення й прийняття рішень для закінчення або продовження проектування. Такі проміжні описи називають проектними рішеннями.

Проектування, при якому всі проектні рішення або їхня частина одержуються шляхом взаємодії людини й ЕОМ, називають автоматизованим проектуванням, на відміну від ручного (без використання ЕОМ) або автоматичного (без участі людини на проміжних етапах). Система, що реалізує автоматизоване проектування, являє собою систему автоматизованого проектування (САПР, в англомовному написанні CAD System — Computer Aided Design System).

Автоматичне проектування можливо лише в окремих випадках для порівняно нескладних об'єктів. Переважаючим в цей час є автоматизоване проектування.

Проектування складних об'єктів засновано на застосуванні ідей і принципів, викладених у ряді теорій і підходів. Найбільш загальним підходом є системний підхід, ідеями якого пронизані різні методики проектування складних систем.

 

Принципи системного підходу

Проектування складних об'єктів засновано на застосуванні ідей і принципів, викладених у ряді теорій і підходів. Найбільш загальним підходом є системний підхід, ідеями якого пронизані різні методики проектування складних систем.

Для фахівця в області системотехніки ідеї й принципи системного підходу є очевидними й природними, однак їхнє дотримання й реалізація найчастіше сполучені з певними труднощами, що обумовлюються особливостями проектування. Як і більшість дорослих людей, що правильно використають рідну мову без залучення правил граматики, інженери використовують системний підхід без звертання до допомоги системного аналізу. Однак інтуїтивний підхід без застосування правил системного аналізу може виявитися недостатнім для рішення все більш ускладнюючихся задач інженерної діяльності.

Основний загальний принцип системного підходу полягає в розгляді частин досліджуваного явища або складної системи з урахуванням їх взаємодії. Системний підхід містить у собі виявлення структури системи, типізацію зв'язків, визначення атрибутів, аналіз впливу зовнішнього середовища, формування моделі системи, дослідження моделі й, можливо, оптимізацію її структури й функціонування.

Системний підхід є базою для узагальнюючої дисципліни "теорія систем" (інша використовувана назва — "системний аналіз"). Теорія систем — дисципліна, у якій конкретизуються положення системного підходу; вона присвячена дослідженню й проектуванню складних економічних, соціальних, технічних систем, найчастіше слабкоструктурованих. Характерними прикладами таких систем є виробничі системи. При проектуванні систем мета досягається в багатокрокових процесах прийняття рішень. Методи прийняття рішень часто виділяють у самостійну дисципліну, що має назву "Теорія прийняття рішень".

В техніці дисципліну, у якій досліджуються складні технічні системи, їхнє проектування, і аналогічну теорії систем, частіше називають системотехнікою. Предметом системотехніки є, по-перше, організація процесу створення, використання й розвитку технічних систем, по-друге, методи й принципи їхнього проектування й дослідження. У системотехніку важливо вміти сформулювати цілі системи й організувати її розгляд з позицій поставлених цілей. Тоді можна відкинути зайві й малозначимі частини при проектуванні й моделюванні, перейти до постановки оптимізаційних задач.

Системи автоматизованого проектування й керування відносяться до числа найбільш складних сучасних систем. Їхнє проектування й використання неможливі без системного підходу. Тому ідеї й положення системотехніки входять складовою частиною в дисципліни, присвячені вивченню сучасних автоматизованих систем і технологій їхнього створення й застосування.

Інтерпретація й конкретизація системного підходу мають місце в ряді відомих підходів з іншими назвами, які також можна розглядати як компоненти системотехніки. Такими є структурні, блочно-ієрархічні, об'єктно-орієнтовані підходи.

При структурному підході, як різновиду системного, потрібно синтезувати варіанти системи з компонентів (блоків) і оцінювати варіанти при їхньому частковому переборі з попереднім прогнозуванням характеристик компонентів.

Блочно-ієрархічний підхід до проектування використовує ідеї декомпозиції складних описів об'єктів і відповідно засобів їхнього створення на ієрархічні рівні й аспекти, вводить поняття стилю проектування (висхідне й спадне), встановлює зв'язок між параметрами сусідніх ієрархічних рівнів.

Ряд важливих структурних принципів, використовуємих при розробці інформаційних систем і, насамперед, їх програмного забезпечення (ПЗ), виражений у підході, що має назву об’єктно-орієнтованим проектуванням (ООП). Такий підхід має наступні переваги в рішенні проблем керування складністю й інтеграції ПЗ:

· вносить у моделі програм більшу структурну визначеність, розподіляючи представлені в програмі дані й процедури між класами об'єктів;

· скорочує об'єм специфікацій, завдяки введенню в описи ієрархії об'єктів і відносин наслідування між властивостями об'єктів різних рівнів ієрархії;

· зменшує ймовірність перекручування даних внаслідок помилкових дій за рахунок обмеження доступу до певних категорій даних в об'єктах.

Опис у кожному класі об'єктів припустимих звертань до них і прийнятих форматів повідомлень полегшує узгодження й інтеграцію ПЗ.

Для всіх підходів до проектування складних систем характерні також наступні особливості:

1. Структуризація процесу проектування, що виражає декомпозицією проектних задач і документації, виділенням стадій, етапів, проектних процедур. Ця структуризація є сутністю блочно-ієрархічного підходу до проектування.

2. Ітераційний характер проектування.

3. Типізація й уніфікація проектних рішень і засобів проектування.

У теорії систем і системотехніці уведений ряд термінів, серед них до базових потрібно віднести наступні поняття:

· Система — множина елементів, що перебувають у відносинах і зв'язках між собою.

· Елемент — така частина системи, уявлення про яку недоцільно піддавати при проектуванні подальшому членуванню.

· Складна система — система, що характеризується більшим числом елементів і, що найбільш важливо, більшим числом взаємозв'язків елементів. Складність системи визначається також видом взаємозв'язків елементів, властивостями цілеспрямованості, цілісності, членимості, ієрархічності, багатоаспектності. Очевидно, що сучасні автоматизовані інформаційні системи й, зокрема, системи автоматизованого проектування, є складними в силу наявності в них перерахованих властивостей і ознак.

· Підсистема — частина системи (підмножина елементів і їхніх взаємозв'язків), що має властивості системи.

· Надсистема — система, стосовно якої розглянута система є підсистемою.

· Структура — відображення сукупності елементів системи і їхніх взаємозв'язків; поняття структури відрізняється від поняття самої системи також тим, що при описі структури беруть до уваги лише типи елементів і зв'язків без конкретизації значень їхніх параметрів.

· Параметр — величина, що виражає властивість або системи, або її частини, або середовища, що впливає на систему. Звичайно в моделях систем як параметри розглядають величини, що не змінюються в процесі дослідження системи. Параметри підрозділяють на зовнішні, внутрішні й вихідні, що виражають властивості елементів системи, самої системи, зовнішнього середовища відповідно. Вектори внутрішніх параметрів, вихідних параметрів і зовнішніх параметрів позначаються відповідно.

· Фазова змінна — величина, що характеризує енергетичне або інформаційне наповнення елемента або підсистеми.

· Стан — сукупність значень фазових змінних, зафіксованих в одній тимчасовій точці процесу функціонування.

· Поводження (динаміка) системи — зміна стану системи в процесі функціонування.

· Система без післядії — її поводження при визначається завданням стану в момент і вектором зовнішніх впливів . У системах з післядією, крім того, потрібно знати передісторію поводження, тобто стану системи в моменти, що передують .

· Вектор змінних , що характеризують стан (вектор змінних стану) — ненадлишкова множина фазових змінних, завдання значень яких у деякий момент часу повністю визначає поводження системи надалі (в автономних системах без післядії).

· Простір станів — множина можливих значень вектора змінних стану.

· Фазова траєкторія — подання процесу (залежності ) у вигляді послідовності точок у просторі станів.

До характеристик складних систем часто відносять наступні поняття:

· Цілеспрямованість — властивість штучної системи, що виражає призначення системи. Ця властивість необхідна для оцінки ефективності варіантів системи.

· Цілісність — властивість системи, що характеризує взаємозв'язок елементів і наявність залежності вихідних параметрів від параметрів елементів, при цьому більшість вихідних параметрів не є простим повторенням або сумою параметрів елементів.

· Ієрархічність — властивість складної системи, що виражає можливість і доцільність її ієрархічного опису, тобто подання у вигляді декількох рівнів, між компонентами яких є відносини ціле—частина.

Складовими частинами системотехніки є наступні основні розділи:

· ієрархічна структура систем, організація їхнього проектування;

· аналіз і моделювання систем;

· синтез і оптимізація систем.

Моделювання має дві чітко помітні задачі:

1. створення моделей складних систем (в англомовному написанні — modeling);

2. аналіз властивостей систем на основі дослідження їхніх моделей (simulation).

Синтез також підрозділяють на дві задачі:

1. синтез структури проектованих систем (структурний синтез);

2. вибір чисельних значень параметрів елементів систем (параметричний синтез).

Ці задачі відносяться до області прийняття проектних рішень.

Моделювання й оптимізацію бажано виконувати з урахуванням статистичної природи систем. Детермінованість – лише окремий випадок. При проектуванні характерна недостача достовірних вихідних даних, невизначеність умов прийняття рішень. Врахування статистичного характеру даних при моделюванні значною мірою заснований на методі статистичних випробувань (методі Монте-Карло), а прийняття рішень – на використанні нечітких множин, експертних систем, еволюційних обчислень.

Приклад 1

Комп'ютер є складною системою в силу наявності в нього великої кількості елементів, різноманітних зв'язків між елементами й підсистемами, властивостей цілеспрямованості, цілісності, ієрархічності. До підсистем комп'ютера відносяться процесор (процесори), оперативна пам'ять, кеш-пам'ять, шини, пристрої вводу-виводу. Як надсистема можуть виступати обчислювальна мережа, автоматизована й (або) організаційна система, до яких належить комп'ютер. Внутрішні параметри – час виконання арифметичних операцій, зчитування (запису) у накопичувачах, пропускна здатність шин та ін. Вихідні параметри – продуктивність комп'ютера, ємність оперативної й зовнішньої пам'яті, собівартість, час наробітку на відмову й ін. Зовнішні параметри – напруга живлення мережі і її стабільність, температура навколишнього середовища й ін.

Приклад 2

Для двигуна внутрішнього згоряння підсистемами є колінчатий вал, механізм газорозподілу, поршнева група, система змащення й охолодження. Внутрішні параметри – число циліндрів, об'єм камери згоряння й ін. Вихідні параметри – потужність двигуна, ККД, витрата палива й ін. Зовнішні параметри – характеристики палива, температура повітря, навантаження на вихідному валу.

 

Рівні проектування

При використанні блочно-ієрархічного підходу до проектування уявлення про проектовану систему розчленовують на ієрархічні рівні. На верхньому рівні використовують найменш деталізоване уявлення, що відбиває тільки найбільш загальні риси й особливості проектованої системи. На наступних рівнях ступінь подробиць опису зростає, при цьому розглядають вже окремі блоки системи, але з урахуванням впливів на кожний його сусідів. Такий підхід дозволяє на кожному ієрархічному рівні формулювати задачі прийнятної складності, що піддаються рішенню за допомогою наявних засобів проектування. Розбивка на рівні повинна бути такою, щоб документація на блок будь-якого рівня була доступна для огляду й сприймана однією людиною.

Інакше кажучи, блочно-ієрархічний підхід є декомпозиційним підходом, що заснований на розбивці складної задачі великої розмірності на послідовно та (або) паралельно розв'язувані групи задач малої розмірності, що істотно скорочує вимоги до використовуваних обчислювальних ресурсів або до часу рішення задач.

Можна говорити не тільки про ієрархічні рівні специфікацій, але й про ієрархічні рівні проектування, розуміючи під кожним з них сукупність специфікацій деякого ієрархічного рівня разом з постановками задач, методами одержання описів і рішення виникаючих проектних задач.

Список ієрархічних рівнів для кожного застосування може бути специфічним, але для більшості застосувань характерно наступне найбільш велике виділення рівнів:

· системний рівень, на якому вирішують найбільш загальні задачі проектування систем, машин і процесів; результати проектування представляють у вигляді структурних схем, генеральних планів, схем розміщення устаткування, діаграм потоків даних і т.п.;

· макрорівень, на якому проектують окремі пристрої, вузли машин і приладів; результати представляють у вигляді функціональних, принципових і кінематичних схем, складальних креслень і т.п.;

· мікрорівень, на якому проектують окремі деталі й елементи машин і приладів.

Для кожного застосування число виділюваних рівнів і їхніх найменувань можуть бути різними. Так, у радіоелектроніці мікрорівень часто називають компонентним, макрорівень — схемотехнічним рівнем. Між схемотехнічним і системним рівнями вводять рівень, що маж назву функціонально-логічного рівня. В обчислювальній техніці системний рівень підрозділяють на рівні проектування ЕОМ (обчислювальних систем) і обчислювальних мереж. У машинобудуванні є рівні деталей, вузлів, машин, комплексів.

Залежно від послідовності рішення задач ієрархічних рівнів розрізняють спадне, висхідне й змішане проектування (стилі проектування). Послідовність рішення задач від нижніх рівнів до верхнього характеризує висхідне проектування, зворотна послідовність приводить до спадного проектування, у змішаному стилі є елементи як висхідного, так і спадного проектування. У більшості випадків для складних систем віддають перевагу спадному проектуванню. Відзначимо однак, що при наявності заздалегідь спроектованих складених блоків (пристроїв) можна говорити про змішане проектування.

Невизначеність і нечіткість вихідних даних при спадному проектуванні (ще не спроектовані компоненти) або вихідних вимог при висхідному проектуванні (оскільки ТЗ є на всю систему, а не на її частині) обумовлюють необхідність прогнозування відсутніх даних з наступним їхнім уточненням, тобто послідовного наближення до остаточного рішення (ітераційність проектування).

Поряд з декомпозицією описів на ієрархічні рівні застосовують поділ уявлень про проектовані об'єкти на аспекти.

Аспект опису — опис системи або її частин з деякої обговореної точки зору, обумовленої функціональним, фізичними або іншим типом відносин між властивостями й елементами.

Розрізняють аспекти функціональний, інформаційний, структурний і поведінковий (процесний). Функціональний опис відносять до функцій системи й найчастіше представляють його функціональними схемами. Одержання функціональних описів часто називають функціональним проектуванням.

Інформаційний опис містить у собі основні поняття предметної області (сутності), словесне пояснення або числові значення характеристик (атрибутів) використовуваних об'єктів, а також опис зв'язків між цими поняттями й характеристиками. Інформаційні моделі можна представляти графічно (графи, діаграми сутність-відношення), у вигляді таблиць або списків. Одержання інформаційних описів часто називають інформаційним проектуванням або стосовно до створення баз даних – інфологічним проектуванням.

Структурний опис ставиться до морфології системи, характеризує складові частини системи і їх з’єднання й може бути представлено структурними схемами, а також різного роду конструкторською документацією. Одержання конструкторської документації, тобто опис геометричних форм виробів, складу компонентів і їхнього просторового розміщення, називають конструкторським проектуванням.

Поведінковий опис характеризує процеси функціонування (алгоритми) системи й (або) технологічні процеси створення системи. Розробка алгоритмів і програмного забезпечення систем є предметом алгоритмічного проектування, а розробка технологічних процесів виготовлення виробів — предметом технологічного проектування.

Іноді аспекти описів зв'язують із підсистемами, функціонування яких засновано на різних фізичних процесах.

Відзначимо, що в загальному випадку виділення аспектів опису може бути неоднозначним. Так, крім зазначеного підходу, очевидна доцільність виділення таких аспектів, як функціональне (розробка принципів дії, структурних, функціональних, принципових схем), конструкторське (визначення форм і просторового розташування компонентів виробів), алгоритмічне (розробка алгоритмів і програмного забезпечення) і технологічне (розробка технологічних процесів) проектування систем. Прикладами аспектів опису у випадку САПР можуть служити також розглянуті далі види забезпечення автоматизованого проектування.

 

Стадії проектування

Стадії проектування — найбільш великі частини проектування, як процесу, що розвивається в часі. У загальному випадку виділяють стадії науково-дослідних робіт (НДР), ескізного проекту або дослідно-конструкторських робіт (ДКР), технічного, робочого проектів, випробувань дослідних зразків або дослідних партій. Стадію НДР іноді називають передпроектними дослідженнями або стадією технічної пропозиції. Очевидно, що в міру переходу від стадії до стадії ступінь подробиць й глибина пророблення проекту зростають, і робочий проект вже повинен бути цілком достатнім для виготовлення дослідних або серійних зразків. Близьким до визначення стадії, але менш чітко обговореним поняттям, є поняття етапу проектування. Проектування на початкових етапах, у процесі якого приймаються принципові проектні рішення по вигляду й принципам дії проектованих пристроїв і систем, називають концептуальним проектуванням.

Стадії (етапи) проектування підрозділяють на складові частини, що мають назву проектних процедур. Прикладами проектних процедур можуть служити підготовка деталіровочних креслень, аналіз кінематики, моделювання перехідного процесу, оптимізація параметрів і інші проектні задачі. У свою чергу, проектні процедури можна розчленувати на більш дрібні компоненти, що мають назву проектних операцій, наприклад, при аналізі міцності деталі сітковими методами операціями можуть бути побудова сітки, вибір або розрахунок зовнішніх впливів, моделювання полів напруг і деформацій, подання результатів моделювання в графічній і текстовій формах. Проектування зводиться до виконання деяких послідовностей проектних процедур — маршрутів проектування.

Прагнення скоротити тимчасові витрати на проектування привело до розробки методик паралельного проектування (сполученого проектування), при якому паралельно в часі вирішуються задачі, зв'язані одна з одною по вхідним і вихідним даним таким чином, що для рішення однієї з них потребується знання результатів рішення іншої задачі. Оскільки ці результати до початку процедури паралельного проектування ще не отримані, у методиці паралельного проектування повинні бути зазначені способи завдання ще не визначених значень параметрів. Іноді розробку технічного завдання на проектування називають зовнішнім проектуванням, а реалізацію ТЗ — внутрішнім проектуванням.

У ТЗ на проектування об'єкта вказують, принаймні, наступні дані:

1. Призначення об'єкта;

2. Умови експлуатації. Поряд з якісними характеристиками (представленими у вербальній формі) є числові параметри, що мають назву зовнішніх параметрів, для яких зазначені області припустимих значень. Приклади зовнішніх параметрів: температура навколишнього середовища, зовнішні сили, електричні напруги, навантаження й т.п.;

3. Вимоги до вихідних параметрів, тобто до величин, що характеризують властивості об'єкта, що цікавлять споживача. Ці вимоги виражені у вигляді умов працездатності: , де — -й вихідний параметр, — вид відносини; — норма -го вихідного параметра. У випадку, якщо — відношення рівності, потрібно задати необхідну точність виконання рівності.

Проектні процедури

Створити проект об'єкта (виробу або процесу) означає вибрати структуру об'єкта, визначити значення всіх його параметрів і представити результати у встановленій формі. Результати (проектна документація) можуть бути виражені у вигляді креслень, схем, пояснювальних записок, програм для програмно-керованого технологічного устаткування й інших документів на папері або на машинних носіях інформації.

Розробка (або вибір) структури об'єкта є проектна процедура, що має назву структурного синтезу, а розрахунок (або вибір) значень параметрів елементів — процедура параметричного синтезу.

Задача структурного синтезу формулюється в системотехніці як задача прийняття рішень (ЗПР). Її суть полягає у визначенні мети, множини можливих рішень і обмежуючих умов.

Класифікацію ЗПР здійснюють по ряду ознак. По числу критеріїв розрізняють задачі одно- і многокритеріальні. По ступені невизначеності розрізняють ЗПР детерміновані, ЗПР в умовах ризику – при наявності у формулюванні задачі випадкових параметрів, ЗПР в умовах невизначеності, тобто при неповноті або невірогідності вихідної інформації.

Реальні задачі проектування, як правило, є багатокритеріальними. Одна з основних проблем постановки багатокритеріальних задач – встановлення правил переваги варіантів. Способи зведення багатокритеріальних задач до однокритеріальних і наступні шляхи рішення вивчаються в дисциплінах, присвячених методам оптимізації й математичному програмуванню.

Наявність випадкових факторів ускладнює рішення ЗПР. Основні підходи до рішення ЗПР в умовах ризику полягають або в рішенні "для найгіршого випадку", або в урахуванні в цільовій функції математичного очікування й дисперсії вихідних параметрів. У першому випадку задачу вирішують як детерміновану при завищених вимогах до якості рішення, що є головним недоліком підходу. У другому випадку вірогідність результатів рішення набагато вище, але виникають труднощі з оцінкою цільової функції. Застосування методу Монте-Карло у випадку алгоритмічних моделей стає єдиною альтернативою й, отже, для рішення потрібні значні обчислювальні ресурси.

Існують дві групи ЗПР в умовах невизначеності. Одна з них вирішується при наявності протидії розумного супротивника. Такі задачі вивчаються в теорії ігор, для задач проектування в техніці вони не характерні. У другій групі досягненню мети протидію створюють сили природи. Для їхнього рішення корисно використати теорію й методи нечітких множин.

При синтезі структури автоматизованої системи постановка задачі повинна включати в якості вихідних даних наступні відомості:

· множина функцій, що виконуються системою (інакше кажучи, множина робіт, кожна з яких може складатися з однієї або більше операцій); можливо, що в цій множині є часткова впорядкованість робіт, що може бути представлене у вигляді орієнтованого графа, у якому вершини відповідають роботам, а дуги - відносинам порядку;

· типи припустимих для використання серверів (машин), що виконують функції системи;

· множина зовнішніх джерел і споживачів інформації;

· у багатьох випадках задається також деяка вихідна структура системи у вигляді взаємозалежної сукупності серверів певних типів; ця структура може розглядатися як узагальнена надлишкова або як варіант першого наближення;

· різного роду обмеження, зокрема, обмеження на витрати матеріальних ресурсів і (або) на часи виконання функцій системи.

Задача полягає в синтезі (або корекції) структури, визначенні типів серверів (програмно-апаратних засобів), розподілі функцій по серверах таким чином, щоб досягався екстремум цільової функції при виконанні заданих обмежень.

Конструювання, розробка технологічних процесів, оформлення проектної документації – окремі випадки структурного синтезу.

Задачу параметричного синтезу називають параметричною оптимізацією (або оптимізацією), якщо її вирішують як задачу математичного програмування, тобто

де — цільова функція; — вектор керованих параметрів (що мають назву також проектними або вар’юємими); — припустима область; і — функції-обмеження.

 

Наступна після синтезу група проектних процедур — процедури аналізу. Ціль аналізу — одержання інформації про характер функціонування й значення вихідних параметрів при заданих структурі об'єкта, відомостях про зовнішні параметри й параметри елементів . Якщо задані фіксовані значення параметрів і , то має місце процедура одноваріантного аналізу. Одноваріантний аналіз часто виконується за допомогою моделювання.

Моделювання складається з етапів формування моделі (modeling) і дослідження моделі (рішення, simulation). У свою чергу, формування моделі включає дві процедури: по-перше, розробку моделей окремих компонентів, по-друге, формування моделі системи з моделей компонентів.

Перша із цих процедур виконується попередньо стосовно типових компонентів поза маршрутом проектування конкретних об'єктів. Як правило, моделі компонентів розробляються фахівцями в прикладних областях, причому знаючих вимоги до моделей і форм їхнього подання в САПР. Звичайно в допомогу розроблювачеві моделей у САПР пропонуються методики й допоміжні засоби, наприклад, у вигляді програм аналізу для експериментального відпрацьовування моделей. Створені моделі включаються в бібліотеки моделей прикладних програм аналізу.

На маршруті проектування кожного нового об'єкта виконується друга процедура (Рис. 1) — формування моделі системи з використанням бібліотечних моделей компонентів. Як правило, ця процедура виконується автоматично по алгоритмах, включених у заздалегідь розроблені програми аналізу. Приклади таких програм є в різних додатках і насамперед у галузях загального машинобудування й радіоелектроніки.

Рис. 1. Формування моделі системи

 

При застосуванні цих програм користувач описує досліджуваний об'єкт вхідною мовою програми аналізу не у вигляді системи рівнянь, що буде отримана автоматично, а у вигляді списку елементів структури, еквівалентної схеми, ескізу або кресленню конструкції.

Друга процедура моделювання — simulation — зводиться до рішення рівнянь математичної моделі, наприклад, системи диференціальних рівнянь, і обчисленню вектора вихідних параметрів .

Якщо задані статистичні відомості про параметри й потрібно одержати оцінки числових характеристик розподілів вихідних параметрів (наприклад, оцінки математичних очікувань і дисперсій), то це процедура статистичного аналізу. Якщо потрібно розрахувати матриці абсолютної й (або) відносної чутливості, то має місце задача аналізу чутливості.

Елемент матриці називають абсолютним коефіцієнтом чутливості, він являє собою частинну похідну -го вихідного параметра по -ому параметру . Інакше кажучи, є елементом вектора градієнта -го вихідного параметра. На практиці зручніше використовувати безрозмірні відносні коефіцієнти чутливості , що характеризують ступінь впливу змін параметрів елементів на зміни вихідних параметрів:

де й — номінальні значення параметрів і відповідно.

У процедурах багатоваріантного аналізу визначається вплив зовнішніх параметрів, розкиду й нестабільності параметрів елементів на вихідні параметри. Процедури статистичного аналізу й аналізу чутливості — характерні приклади процедур багатоваріантного аналізу.

Виконання аналізу й зіставлення отриманих результатів з бажаними значеннями називають процедурою верифікації.

 

Життєвий цикл виробів

Життєвий цикл промислових виробів (ЖЦВ) включає ряд етапів, починаючи від зародження ідеї нового продукту до його утилізації по закінченні строку використання. До них відносяться етапи проектування, технологічної підготовки виробництва (ТПВ), виробництва, реалізації продукції, експлуатації й, нарешті, утилізації (у число етапів життєвого циклу можуть також входити маркетинг, закупівля матеріалів і комплектуючих, надання послуг, упакування й зберігання, монтаж і введення в експлуатацію).

Розглянемо зміст основних етапів ЖЦВ для виробів машинобудування.

На етапі проектування виконуються проектні процедури — формування принципового рішення, розробка геометричних моделей і креслень, розрахунки, моделювання процесів, оптимізація й т.п.

На етапі підготовки виробництва розробляються маршрутна й операційна технології виготовлення деталей, реалізовані в програмах для верстатів ЧПК; технологія зборки й монтажу виробів; технологія контролю й випробувань.

На етапі виробництва здійснюються: календарне й оперативне планування; придбання матеріалів і комплектуючих з їхнім вхідним контролем; механообробки й інших необхідні види обробки; контроль результатів обробки; зборка; випробування й підсумковий контроль.

На поствиробничих етапах виконуються консервація, упакування, транспортування; монтаж у споживача; експлуатація, обслуговування, ремонт; утилізація.

На всіх етапах життєвого циклу є свої цільові настанови. При цьому учасники життєвого циклу прагнуть досягти поставлених цілей з максимальною ефективністю. На етапах проектування, ТПВ і виробництва потрібно забезпечити виконання вимог, пропонованих до продукту, при заданому ступені надійності виробу й мінімізації матеріальних і тимчасових витрат, що необхідно для досягнення успіху в конкурентній боротьбі в умовах ринкової економіки. Поняття ефективності охоплює не тільки зниження собівартості продукції й скорочення строків проектування й виробництва, але й забезпечення зручності освоєння й зниження витрат на майбутню експлуатацію виробів.