Понятие проектирования как процесса

Понятие проектирования как процесса

Что такое проектирование

В большинстве промышленно развитых стран литература о методах про­ектирования начинает появляться в 50-60 годах XIX века. До этого време­ни было достаточно знать, что проек­тирования - это то, чем занимаются архитекторы, инженеры, художники-прикладники и другие, когда создают чертежи для своих клиентов и для целей производства.

Теперь положение изме­нилось. Имеется много профес­сиональных проектировщиков, подвер­гающих сомнению методы, которым их обучили, и появилось множество новых приемов, призванных сменить традиционные процедуры.

Чтобы найти более надежную основу для рассуждений, попытаемся дать определение проектирования, исходя не из течения самого процесса, а из его результатов. Для этого достаточно рассмотреть конец той цепочки событии, ко­торая начинается с пожеланий заказчи­ка, включает в себя проектирование, производство, сбыт, потребление и за­канчивается влиянием вновь спроекти­рованного объекта на мир в целом. Единственное, что можно утверждать с уверенностью, - это то, что общество (мир) стало после этого иным, чем оно было до появления данного объекта. Если проект был удачным, он вызвал именно такие изменения, на которые рассчитывал заказчик. Если проект ока­зался неудачным (что, вообще говоря, случается чаще), его конечное влияние может быть весьма далеким от расчетов заказчика и прогнозов проектировщика, и все же он и в этом случае вызовет из­менение того или иного характера.

В любом случае мы можем, следователь­но, заключить, что цель проектирова­ния - положить начало изменениям в ок­ружающей человека искусственной сре­де. Эту простую, но универсальную фор­мулировку можно принять хотя бы в качестве рабочего определения того рас­ширяющегося процесса, который ког­да-то протекал за чертежной доской, а сегодня включает в себя "научные ис­следования и опытно-конструкторские разработки", снабжение, разработку тех­нологии, подготовку производства, сбыт, системное проектирование и многое другое.

Из определения видно, что оно охватывает деятельность не только конструкторов, архитекторов и других "профессиональных" проектировщиков, но также плановиков и экономистов, законодателей, администраторов, пуб­лицистов, ученых, всех тех, кто стремится осуществить изменения в форме и содержании изделий, рынков сбыта, городов, систем бытового обслуживания, общественного мнения, законов и т.п.

Задачи проектировщика

Цель проектировщика традиционного типа заключалась в том, чтобы разработать чертежи, ко­торые могли бы получить одобрение клиента и дать необходимые указания изготовителю. Из нашего определения проектирования как процесса, который вызывает изменения в искус­ственной среде, следует, что должны существовать какие-то другие цели, дос­тижимые до окончания и даже до на­чала разработки чертежей. Проектирование оказывается все мень­ше направленным на сам разрабатываемый объект и все больше - на те изменения, которые должны претерпеть производство, сбыт, потребитель и общество в целом в ходе освоения и ис­пользования нового объекта.

Процесс внесения изменений в искус­ственную среду представляется как ряд событий, который начинается с поступления материалов и комплектующих изделий на завод-изготовитель и за­канчивается эволюционными измене­ниями в обществе под воздействием системы, в которую входит новое из­делие.

Каждое из этих событий пред­ставляет собой особый этап в сущест­вовании изделия и зависит от предшест­вующего события. Ни заказчики, ни проектировщики не могут непосредственно влиять на всю последующую историю изделия, оно выходит из-под их контроля еще до поступления в производство.

Заказчик дает проекти­ровщику ориентировочные указания о том, какого будущего состояния внеш­него мира он хотел бы добиться. Если заказчику необходимо новое зда­ние, в его заказе будут указаны располо­жение и размеры помещений, необхо­димых для размещаемой системы, т.е. будут определены системные требования. В соответствии с полученными зада­ниями проектировщик должен подгото­вить свои предложения. От него тре­буется тем или иным способом пред­сказать свойства объекта и реакцию на них на каждом этапе его существования. Для этого он на каких-то моделях прово­дит экстраполяцию от известных харак­теристик аналогичных конструкций в прошлом к поведению объекта в буду­щем, в новой среде.

 

Трудности проектирования

Обратимся теперь к различным организациям, куда в период своего существования попадает новое изделие, и рассмотрим межпрофессиональные и межличностные препятствия, возникающие при необходимости проведения проектных работ одновременно на уровне систем и на уровне изделий.

Заказчики. В основе всех затруднений лежит тот факт, что заказчики, финансирующие разработку новых систем, чаще всего имеют слишком узко направленную ма­териальную заинтересованность и обла­дают недостаточным влиянием на других операторов систем, с которыми им при­ходится сотрудничать. Чаще всего брига­да проектировщиков получает краткое техническое задание, отражающее инте­ресы заказчиков на данный момент. В ответ проектировщики могут выдви­нуть встречные предложения, которые, как они справедливо считают, позволят существенно, а не только поверхностно повысить эксплуатационные характери­стики системы.

Если в этих встречных предложениях будут обрисованы принци­пиально новые виды изделий, необхо­димые для осуществления этих предло­жений, то заказчики едва ли распознают в проекте важный элемент их собственного буду­щего. Такой холодный прием еще более вероятен, если возросшие размеры систе­мы потребуют в будущем дополнительного финансирования.

Бригада проектировщиков. Если бригада проектировщиков пред­ставляет собой работоспособную группу людей, объединенных об­щими интересами своего предприятия, то ее членам могут оказаться по плечу самые глубокие преобразования, какие только можно осуществить в пределах данной организации.

Если же для реше­ния задачи необходимо изменить грани­цы организации, группе придется учиты­вать новые интересы и включить представителей новых специальностей, которые до сих пор в ней не работали и не имели времени ознакомиться с пози­цией и способностями каждого члена группы.

Некоторые из них по своему опыту и знаниям будут слишком тесно связаны с теми компонентами существу­ющей системы, которые сдерживают прогресс, и может оказаться, что ни один из них не обнаружит достаточного пони­мания и опыта для того, чтобы быстро оценить возможности реализации всех или некоторых новых элементов, необхо­димых для совершенствования системы.

Кроме того, проектировщики будут часто не учитывать тот факт, что элементы существующей системы, ко­торые войдут в новую систему, будут работать в ней в изменившихся усло­виях, так что на сохранение их показа­телей и их надежность уже нельзя пола­гаться без новых, тщательно проведен­ных испытаний.

Так, например, раньше при разработке грузоподъемных кранов несущая металлоконструкция проектировалась без учета установки на ней аппаратуры управления, приборов безопасности, из-за чего возникали существенные сложности между инженерами-электриками и инженерами-механиками.

Поставщики. Поставщики материалов и комплекту­ющих изделий легко могут переоценить имеющиеся у них возможности удовле­творить требования, предъявляемые к ра­дикально новым изделием, и не заметить многочисленных препятствий, которые им придется преодолеть при детальном приспособлении своего производства к требованиям новой конструкции. Одна­ко им зачастую может быть безразлична форма существующего изделия, их мо­жет интересовать лишь объем и регуляр­ность заказов, которые они рассчиты­вают получить.

Поэтому контакты с потенциальными поставщиками на ран­них этапах разработки крупного проекта могут помочь преодолеть многие факторы, оказывающие сопротивление всякому изменению существующего положения.

Изготовители. Основная трудность здесь не в том, что изготовители (инженеры-технологи) про­тивятся изменениям, а в том, что им не удается точно прогнози­ровать стоимость предлагаемых измене­ний в проекте до того, как будет разра­ботана подробная технология, т. е. когда такие прогнозы в значительной мере уже потеряют свою ценность для бригады проектировщиков. Дело в том, что уже весьма незначительные изменения конст­рукции могут сильно повлиять на издержки производства изделия. Таким обра­зом, одним из следствий реорганизации системы является лишение проектиров­щиков точных стоимостных оценок, без которых не может быть уверенности в целесообразности предлагаемых круп­ных изменений.

Работники сбыта. Каналы сбыта, наверное, самый ста­бильный элемент во всей этой картине. Их создание и изменение требуют наи­больших затрат, поскольку они строятся на трудно приобретаемом опыте и до­верии тех людей, которым удалось со­гласовать существующую продукцию с широко варьирующимися взглядами оптовиков, работников рекламы, аген­тов по распространению и розничных торговцев, каждый из которых по-свое­му понимает интересы потребителя.

Сбы­товики не всегда материально заинтере­сованы в сохранении существующей конструкции изделия; нередко они вы­сказывают свое недовольство фирмой, которая не поспевает за происходящи­ми, по их мнению, изменениями спроса. Им, однако, свойствен тот недостаток, что они неизбежно смотрят на потенци­альный спрос глазами покупателя, с ко­торым они встречаются, а такой взгляд по самой своей природе направлен лишь на небольшие отклонения от существу­ющего, поскольку у покупателя ника­кого иного опыта нет. Таким образом, проекты радикального улучшения тех­нических характеристик изделия встре­тят поддержку сбытовиков лишь в той мере, в какой потребитель уже начал требовать таких изменений.

Покупатели. Иногда покупатель и потребитель соеди­нены в одном лице, иногда же это разные люди. В любом случае их, однако, надо рассматривать по отдельности из-за оче­видного различия между реакцией чело­века на изделие, которое он никогда ра­нее не видел, и его же реакцией на него после того, как он приобрел опыт поль­зования этим изделием и приспособился к нему. Больше всего препятствуют переменам, во-первых, неумение поку­пателя заранее определить свою или чу­жую способность приспособиться к но­вому изделию и, во-вторых - "выставоч­ный эффект", благодаря которому новое изделие обладает или не обладает непо­средственной силой воздействия на поку­пателя, позволяющей ему преодолеть его природную нерешительность. Здесь снова конечный результат будет не в поль­зу радикально новой конструкции, пото­му что заявления об ее эксплуатацион­ных преимуществах покупателю прихо­дится принимать на веру и потому что потенциальный покупатель обычно стре­мится приобрести такое новое изделие, которое придавало бы ему самому жела­тельные для него черты в глазах окружа­ющих.

Потребители. Потребитель очень чувствителен к небольшим, но имеющим значение раз­личиям в стиле, цвете или рисунке, но может быть совершенно равнодушен к подлинно новым формам, которые не приобрели еще широкого признания или социальной значимости. Эта особенность отношений — сильный аргу­мент против того, чтобы базировать но­вые конструкции на результатах опросов потребителей и выявлении их предпоч­тений. Потребители очень медленно приспосабливаются к измене­ниям в конструкции изделий и не могут заранее определить свою реакцию на них.

Операторы систем. Здесь идет речь о том, что при проектировании системы неизбежно разбиение ее на ряд подсистем, в каждой из которых руководитель (как правило, менеджер) выступает в роли оператора.

Когда речь идет об исключительном случае создания принципиально новой системы, ответственность за которую еще никто на себя не взял, интересы и взгляды операторов существующих систем лишь частично будут отражать преимущества и недостатки разрабатывае­мой системы.

Общество. На дальнем конце цепи событий, из ко­торых складывается история создания и существования изделия, лежит та единственная сфера, в которой отра­жаются все радикальные изменения, вне­сенные при разработке новой или реорга­низации старой системы. Политические действия и общественный протест зачастую - единственные каналы, через которые удается оказывать влияние на основные аспекты социально-технических изменений.

Глав­ная трудность заключается в том, что проектировщик должен на основании современных данных прогнозировать не­которое будущее состояние, которое возникнет только в том случае, если его прогнозы верны. Предположения о конечном результате проектирования приходится делать еще до того, как исследованы средства для его достиже­ния. Проектировщик вынужден просле­живать события в обратном порядке, от следствий к причинам, от ожидае­мого влияния данной разработки на мир - к началу той цепочки событий, в результате которой и возникнет это влияние.

Моделирование

Моделирование - это исследование объекта путем создания его модели (квазиобъекта) и оперирования ею с целью получения полезной информации о физическом объекте. Иногда термин "моделирование" используют в узком смысле применительно к созданию модели, а оперирование моделью называют анализом или верификацией, иногда – как процесс установления соответствия между физическим объектом и некоторой конструкцией (моделью).

Основная задача моделирования – выбор достаточной степени подобия реальному объекту (при выполнении разумных упрощений модели). На рисунке 1.5 представлена иерархическая структура моделирования, в которой наиболее полно показаны виды и способы моделирования.

В САПР машиностроения используемые при моделировании физические объекты, как правило, задаются в виде некоторых описаний, таких, как чертежи, схемы осевых контуров, описываемые геометрическими параметрами (геометрические объекты), связанные математическими зависимостями и т.п.

 

		Рис. 1.5. Иерархическая структура способов моделирования

 

Исследование заключается в выполнении проектных процедур анализа, которые в свою очередь могут быть вложены в процедуры синтеза и оптимизации. При этом говорят, что анализ выполнен методом математического моделирования.

Примерами представления геометрических объектов могут быть:

1) а н а л и т и ч е с к а я форма – модель состоит из готовых геометрических объектов, задаваемых известными аналитическими зависимостями (точка, прямая, отрезок, плоскость, окружность, тор, шар и т.д.);

2) п р о е ц и р о в а н и е – трехмерная модель представляется как совокупность видов: главного, вида сверху и вида слева;

3) к а р к а с н ы е модели – объект представляется в виде узлов, соединенных между собой отрезками-связями. Такие модели как правило используются при исследования объекта методом конечных элементов; и т.д.

 

Имитационное моделирование

В имитационной модели (ИМ) поведение компонент сложной системы (СС) описывается набором алгорит­мов, которые затем реализуют ситуации, возникающие в реальной системе. Моделирующие алгоритмы позво­ляют по исходным данным, содержащим сведения о на­чальном состоянии СС, и фактическим значениям пара­метров системы отобразить реальные явления в системе и получить сведения о возможном поведении СС в конкретной ситуации. На основании этой инфор­мации исследователь может принять соответствующие решения. Следует отметить, что предсказательные воз­можности имитационного моделирования значительно меньше, чем у аналитических моделей.

Имитационную модель сложной системы можно использовать при решении задач в следующих слу­чаях:

1) если не существует законченной постановки задачи исследования и идет процесс познания объекта модели­рования. Имитационная модель служит средством изуче­ния явления;

2) если аналитические методы имеются, но матема­тические процедуры столь сложны и трудоемки, что имитационное моделирование дает более простой способ решения задачи;

3) когда кроме оценки влияния параметров СС жела­тельно наблюдение за поведением компонент СС в тече­ние определенного периода;

4) если имитационное моделирование оказывается единственным способом исследования сложной системы из-за невозможности наблюдения явлений в реальных условиях;

5) когда необходимо контролировать протекание процессов в СС путем замедления или ускорения явлений в ходе имитации;

6) при подготовке специалистов и освоении новой техники, когда на имитационной модели обеспечивается возможность приобретения необходимых навыков эк­сплуатации новой техники;

7) когда изучаются новые ситуации в СС, о которых мало известно или неизвестно ничего. В этом случае имитация служит для предварительной проверки новых стратегий и правил принятия решений перед проведением экспериментов на реальной системе;

8) когда особое значение имеет последовательность событий в проектируемой СС и модель используется для предсказания малоизученных мест в функционировании системы и других трудностей, появляющихся в поведении СС при введении в нее новых компонент.

Однако ИМ имеют ряд существенных недостатков. Разработка хорошей ИМ часто обходится дороже созда­ния аналитической модели и требует больших времен­ных затрат. Кроме того, ИМ не может точно отражать процессы, происходящие в сложных системах. Таким об­разом, невозможно построить ИМ, полностью адекват­ную сложной системе, и нельзя априорно изме­рить степень расхождения ИМ и СС. Тем не менее, ИМ является одним из наиболее широко используемых методов при решении задач синтеза и анализа СС. Преимущества имитационного метода: возможность описания поведения компонент СС на высоком уровне детализации, отсутст­вие ограничений на вид зависимостей между параметра­ми ИМ и состоянием внешней среды СС, возможность исследования динамики взаимодействия компонент во времени и пространстве параметров системы.

Имитация представляет собой численный метод прове­дения вычислительных экспериментов с математическими моде­лями, описывающими поведение СС в течение заданного или формируемого периода времени. Поведение компо­нент СС и их взаимодействие в ИМ чаще всего описы­ваются набором алгоритмов, реализуемых на некотором языке моделирования. Все эти описания представляют собой программную ИМ, которую необходимо вначале отладить и испытать, а затем использовать для постанов­ки ее на компьютере. Поэтому под процессом имитации на компьютере понимаются и конструирование модели, и ее испы­тание, и применение модели для изучения некоторого явления или проблемы.

При построении ИМ исследователя интересует прежде всего возможность вычисления некоторого функционала, заданного на множестве реализации процесса функцио­нирования изучаемой СС и характеризующего поведение объекта имитации. Наиболее важным для исследователя функционалом является показатель эффективности систе­мы. Имитируя различные реальные ситуации на ИМ, ис­следователь получает возможность решения таких задач, как оценка эффективности различных принципов управ­ления системой, сравнение вариантов структуры системы, определение степени слияния изменений параметров системы и начальных условий имитации ее поведения на показатель эффективности системы.

Существует множество толкований в определении таких понятий, как модели, компоненты и параметры моде­ли, функциональные зависимости, ограничения, целевые функции моделирования. Ниже приведены определения, получившие широкое распространение.

1. Модель представляет собой некоторую комбинацию таких сос­тавляющих, как компоненты, переменные, параметры, функциональ­ные зависимости, ограничения, целевые функции.

2. Под компонентами понимают составные части, которые при соот­ветствующем объединении образуют систему. Иногда компонентами считают также элементы системы или ее подсистемы. Система опре­деляется как группа или совокупность объектов, объединенных неко­торой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции.

3. Параметрами являются величины, которые исследователь может выбирать произвольно, в отличие от переменных модели, которые могут принимать только значения, определяемые видом данной функ­ции. В модели системы различают переменные двух видов — экзоген­ные и эндогенные. Экзогенные переменные называются также входны­ми, так как они порождаются вне системы или являются результатом взаимодействия внешних причин. Эндогенными переменными называют­ся переменные, возникающие в системе в результате воздействия внут­ренних причин. Когда эндогенные переменные характе­ризуют состояние или условие, их называют переменными состояниями. Если необходимо описать входы и выходы системы, то используют входные и выходные переменные.

4. Функциональные зависимости описывают поведение переменных и параметров в пределах компоненты или же выражают соотношения между компонентами системы. Эти соотношения по своей природе являются либо детерминированными, либо стохастическими. Оба типа соотношений обычно выражаются в виде алгоритмов, устанавливают зависимость между переменными состояниями и экзогенными пе­ременными.

5. Ограничения представляют собой устанавливаемые пределы изменения значений переменных или ограничивающие условия их из­менений. Они могут вводиться либо разработчиком, либо устанавли­ваться самой системой вследствие присущих ей свойств.

6. Целевая функция (функция критерия) представляет собой точ­ное отображение целей или задач системы и необходимых правил оценки их выполнения. Выражение для целевой функции должно быть однозначным определением целей и задач, с которыми должны соиз­меряться принимаемые решения.

Задача конструирования

Под конструированием условимся понимать разработку конструкции по пред­варительным расчетам, реализованную в конструкторскую документацию, котораяявляется одной из важных и наиболее трудоемких в САПР. Ее решение осуществляется с помощью графической подсистемы автоматизации раз­работки и выполнения конструкторской документации (АКД) или в виде автономной (локальной) системы АКД со структурой и принципами по­строения. аналогичными САПР. Локальные системы АКД часто исполь­зуются в производственной практике на начальной стадии внедрения САПР, когда ее создание опережает разработку САПР или когда систе­ма АКД инвариантна, т.е. применима ко многим САПР, а также в других случаях.

Средства реализации систем АКД предоставляет компьютерная графи­ка, обеспечивающая создание, хранение и обработку моделей геометри­ческих объектов (ГО) и их графических изображений (ГИ) с помощью компьютера. Использование компьютера в конструкторской деятельнос­ти как электронного кульмана значительно облегчает подготовку конст­рукторских и других графических документов, связанных с изготовлением изделий, сокращает сроки их разработки с улучшением качества. Особен­но это эффективно при конструировании устройств на базе параметри­чески управляемых унифицированных и типовых элементов конструкций, обеспечивающих их многовариантность.

Автоматизация процесса конструирования и подготовки производства изделия на основе создания трехмерных геометрических моделей проек­тируемых изделий включает прочностные и кинематические расчеты, ком­поновку и технологические процессы сборки изделий, изготовления деталей и т.д. Таким образом, модель ГО, содержащая информацию о гео­метрии объекта, используется как для получения двумерной геометричес­кой модели, так и для расчета различных характеристик объекта и технологических параметров его изготовления. Из этого следует, что геометрическое моделирование является ядром автоматизированного конст­руирования и технологической подготовки производства.

Подходы к конструированию

Можно выделитьдва подхода к конструированию на основе компьютерных технологий.

Первый подход базируется на двумерной геометрической модели - графическом изображении (ГИ) и использовании компьютера как электронного кульмана, позволяющего значительно ускорить процесс конструирования и улучшить качество оформления КД. Центральное место в этом подходе к конструированию занимает чер­теж, который служит средством представления изделия, содержащего информацию для решения графических задач, а также для изготовления изделия (рис. 1.6)..

 

 

При таком подходе получение графического изображения за компью­тером будет рациональным и достаточно эффективным, если созданное ГИ используется многократно

В основе второго подхода лежит пространственная геометрическая модель (ПГМ) изделия (рис. 1.7), которая является более наглядным спо­собом представления оригинала и более мощным и удобным инструмен­том для решения геометрических задач. Чертеж в этих условиях играет вспомогательную роль, а способы его создания основаны на методах компьютерной графики, методах отобра­жения пространственной модели.

При первом подходе (традиционный процесс конструирования) обмен информацией осуществляется на основе конструкторской, нормативно-справочной и технологической документации; при втором - на основе внутримашинного представления ГО, общей базы данных, что способ­ствует эффективному функционированию программного обеспечения САПР конкретного изделия.

 

		Рис. 1.7. Схема новой технологии конструирования

Список литературы

 

1. Автоматизация моделирования строительных и дорожных ма­шин (система МАРС)/ Е. М. Кудрявцев, В. М. Дмитриев, Е. А. Арайс, В. Г. Ананин/ Минвуз, МИСИ. М., 1985. 95 с.

2. Арайс Е. А., Дмитриев В. М. Автоматизация моделирования много­связных механических систем. М.: Машиностроение, 1987. 240 с.

3. Баяковский Ю. М., Галактионов В. А., Михайлов Т. Н. Графор. Гра­фическое расширение фортрана. М.: Наука, 1985. 288 с.

4. Быков В.П. Методика проектирования объектов новой техники: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1990. 168 с.

5. Гардан И., Люка М. Машинная графика и автоматизация конструиро­вания: Пер. с франц. М.: Мир, 1987. 272 с.

6. Джонс Дж. К. Методы проектирования/ Пер. с англ. 2-е изд., доп. М.: Мир, 1986. 326 с.

7. Длоугий В.В., Быков В.П., Нураков С. Основы проектирования строительных машин. Алма-Ата: Ана тiлi, 1992. 156 с.

8. Математика и САПР: В 2 кн. Кн.2. Пер. с франц./ П.Жермен-Лакур, П.Л.Жорж, Ф.Пистр, П. Безье. М.: Мир, 1989. 264 с.

9. Елшин Ю. М., Назаретова Н. А. Создание графической и текстовой до­кументации в диалоге с ЭВМ. М.: Машиностроение, 1988. 144 с.

10. Игнатьев М. Б., Ильевский В. 3., Клауз Л. П. Моделирование систем машин. Л.: Машиностроение, 1986. 304 с.

11. Керимов 3. Г., Багиров С. А. Автоматизированное проектирование конструкций. М.: Машиностроение, 1985. 224 с.

12. Корячко В. П., Курейчик В. М., Норенков Н. П. Теоретические основы САПР: Учеб. для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 400 с.

13. Котов Ю. В. Как рисует машина. М.: Наука, 1988. 224 с.

14. Кудрявцев Е. М. Имитационное моделирование производственных процессов: Учеб. пособие/ Минвуз, МИСИ. М., 1985. 89 с.

15. Кудрявцев Е.М. Основы автоматизации проектирования машин: Учеб. для студентов вузов по спец. "Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование". М.: Машиностроение, 1993. 336 с.

16. Норенков И. П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учеб. для втузов по спец. "Вычислительные маш., компл., сист. и сети".М.: Высш.шк., 1990. 335 с.

17. Норенков И. П. Разработка систем автоматизированного проектирования. Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. 207 с.

18. Половинкин А. И. Основы инженерного творчества: Учеб. пособие для студентов втузов. М.: Машиностроение, 1988. 368 с.

19. Прохоров А. Ф. Конструктор и ЭВМ. М.: Машиностроение, 1987. 272 с.

20. Плотников А. С., Пантелеенко А. Б. Автоматизация проектирования СДМ: Учеб. пособие/ ХПИ. Хабаровск, 1987. 84 с.

21. Разработка САПР. В 10 кн. Кн. 9. Имитационное моделирование: Практ. пособие/ В.М. Черненький; Под ред. А.В. Петрова. М.: Высш. шк., 1990. 112 с.

22. САПР и автоматизация производства: Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 528 с.

23. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.4. Математические модели технических объектов: Учеб. пособие для втузов/ В. А. Трудоношин, Н. В. Пивоварова; Под ред. И. П. Норенкова. М.: Высш. шк., 1986. 160 с.

24. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.5. Автоматизация функционального проектирования: Учеб. пособие для втузов/ П. К. Кузьмик, В. Б. Маничев; Под ред. И. П. Норенкова. М.: Высш. шк., 1986. 114 с.

25. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.6. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования: Учеб. пособие для втузов/ Н. М. Капустин, Г. Н. Васильев; Под ред. И. П. Норенкова. М.: Высш. шк., 1986. 191 с.

26. Системы автоматизированного проектирования: В 9 кн. Кн.9. Иллюстрированный словарь: Учеб. пособие для втузов/ Д. М. Жук, П. К. Кузьмик, В. Б. Маничев и др.; Под ред. И. П. Норенкова. М.: Высш. шк., 1986. 159 с.

27. Система автоматизированного проектирования деталей и сборочных единиц PolyCAD-2. Ч 1. Формирование и редактирование конструкторской документации. Параметрические модели чертежей: Учеб. пособие/ Я. А. Сироткин. СПб: Изд-во СПбГТУ, 1997. 146 с.

 

 

Введение

 

Для решения стоящих перед современным машиностроением задач повышения надежности и производительности необходимо широкое внедрение методов и результатов научных исследований в практику проектно-конструкторских работ. Одно из важнейших мест при этом принадлежит научным методам оптимизации параметров машин, направленным на получение объектов с наилучшими свойствами.

Теория оптимизации находит сегодня эффективное применение во всех направлениях инженерной деятельности. Это, в первую очередь, проектирование систем и их составных частей, планирование и анализ функционирования существующих систем, инженерный анализ и обработка информации, управление динамическими системами.

Решение инженерных задач оптимизации в приемлемые сроки в большинстве случаев невозможно без применения компьютера, т.е. без автоматизации проектирования. Для автоматизированного проектирования характерны рациональное распределение функций между человеком и компьютером и обоснованный выбор моделей и методов для автоматизированных процедур.

Для многих объектов подъемно-транспортного машиностроения (например, для стреловых систем грузоподъемных кранов, металлических конструкций и т.д.) сегодня решены задачи следующего этапа автоматизации проектирования, связанные с выводом графической информации (например, получение графических изображений схем стреловых устройств и чертежей металлических конструкций стрел).

 

Критерии качества

 

К р и т е р и й к а ч е с т в а - это функция параметров, характеризующая определенное существенное свойство объекта оптимизации. Применительно к любому варианту, фигурирующему в процессе поиска оптимального решения, необходимо уметь вычислять значения критериев качества и тем самым “измерять” качество вариантов в определенном смысле.

Критерии качества могут быть заданы либо аналитическим выражением, либо замкнутым алгоритмом определения.

Состав одновременно учитываемых требований к подъемно-транспортным машинам и их узлам весьма обширен и разнообразен, поэтому задачи оптимального проектирования в подъемно-транспортном машиностроении - это, как правило, многокритериальные задачи. Например, при выборе варианта схемы шарнирно-сочлененного стрелового устройства портального крана необходимо учитывать следующие показатели: геометрические (например, отклонение траектории груза от горизонтали при изменении вылета); кинематические (ускорение конца хобота при установившемся движении механизма изменения вылета); нагрузочные (характерные значения грузового неуравновешенного момента); показатели массы (масса показателей стрелового устройства и стрелового устройства в целом); энергетические (затраты энергии при работе механизма изменения вылета); стоимостные (себестоимость изготовления); экономические (приведенные затраты в сфере изготовления и в сфере эксплуатации).

В некоторых случаях в аналитические выражения для критериев качества входят накладываемые ограничения на параметры.

Найти решение, оптимальное одновременно по всем показателям, в большинстве случаев невозможно. Решение, обращающее в минимум (максимум) один какой-то показатель, как правило, не обращает в минимум (максимум) другие. Поэтому приходится выбирать какой-то один критерий качества, являющийся для нас важнейшим. Такой критерий качества, характеризующий важнейшее свойство объекта, принимают за целевую функцию при оптимизации. Цель оптимизации – найти параметры объекта, доставляющие экстремум целевой функции q, т.е. найти

Х» max q или (4.1)

Х» min q. (4.2)

Характер экстремума зависит от постановки задачи: например, форма (4.1) относится к оптимизации параметров загрузочного устройства из условия максимума зачерпывающей способности, а форма (4.2) – к оптимизации параметров конструкции из условия минимума ее массы.

В современных условиях решающая роль принадлежит экономическим требованиям, поэтому за целевую функцию при наиболее полной постановке задачи следует принимать экономический критерий качества. В условиях, когда одни и те же требования могут быть достигнуты с помощью различных вариантов научно-технических решений, обусловливающих разные затраты общественного труда, решающим для оценки их целесообразности становится экономический эффект, оцениваемый в наиболее полной постановке по стоимости совокупной конечной общественной продукции за определенный период времени.

Отметим, что в иерархии требований к объектам и соответствующих критериев качества выше экономических стоят социальные требования.

Египетская пирамида считалась оптимальной не при минимуме, а при максимуме затрат материалов и человеческого (рабского) труда на возведение этого символа величия фараона. Лестницы на подъемных сооружениях прокладывают не по кратчайшей, а по наиболее удобной и безопасной трассе, что отнюдь не всегда должным образом учитывается на кранах западных фирм.

Экономический критерий качества целесообразно принимать за целевую функцию в двух случаях:

1) когда экономические показатели объекта не могут быть определены с достаточной точностью из-за отсутствия необходимых данных; это часто имеет место на стадии эскизного и технического проектирования, когда для новых машин и должны определяться их оптимальные структура и параметры;

2) если у составляемых при оптимизации вариантов объектов значения экономического критерия качества различают в пределах точности их определения.

Существует два способа разрешения таких противоречий.

Первый способ состоит в том, чтобы принять за целевую фу