Среди языков проектирования выделяют

· входные;

· выходные;

· сопровождения;

· управления;

· промежуточные;

· внутренние.

Входные языки. Входные языки служат для задания исходной информации об объектах и задачах проектирования и включают в себя языки описания объектов (ЯОО) и языки описания заданий (ЯОЗ). Первые служат для описания свойств проектируемых объектов, а вторые - для описания заданий на выполнение проектных операций и процедур. ЯОО в свою очередь делятся на языки схемные, графические и моделирования.

Схемные языки широко применяют для описания принципиальных электрических и функциональных схем. Графические языки – основа лингвистического обеспечения в подсистемах машинной графики и геометрического моделирования. Языки моделирования развиты в подсистемах имитационного моделирования.

Выходные языки используются для выражения результатов проектных процедур на ЭВМ.

Языки сопровождения применяют для корректировки и редактирования данных при выполнении проектных процедур.

Языки управления служат для представления управляющей информации для программно-управляемого исполнительного оборудования, например для устройств документирования.

Промежуточные и внутренние языки предназначены для представления информации на определенных стадиях ее переработки в ЭВМ.

Недостаток промежуточных узкоспециализированных языков - в необходимости существенной перестройки связанной с ними программной системы при изменении условий проектирования. Недостаток универсальных языков связан с их громоздкостью и, следовательно, с неудобствами применения конечным пользователем.

Устранение указанных выше недостатков осуществляется с помощью транслирующих программ- конверторов. Здесь пользователь составляет описание на входном языке, это описание переводится конвертором на промежуточный (специализированный) язык и далее работает основной транслятор, который переводит описание задачи с промежуточного языка в объектную программу (пример, GEMMA-> APT->УП).

Языки процедурные и непроцедурные. Языки проектирования, предназначенные для описания развивающихся во времени процессов называют процедурными, а языки, предназначенные для описания статических структур проектируемых объектов называют непроцедурными.

Диалоговые языки. Различают пассивный и активный диалоговый режим работы оператора с ЭВМ и соответственно этому активные и пассивные диалоговые языки.

В пассивном диалоговом режиме инициатива диалога принадлежит ЭВМ. Прерывание вычислительного процесса и обращение к пользователю в нужных местах осуществляется с помощью диалоговых программных средств включенных в мониторную систему САПР или монитор ППП. Обращение ЭВМ к пользователю в этом случае может быть в виде запроса (исходных данных по шаблону или варианта дальнейшего проектирования по меню), информационного сообщения (для вывода промежуточных или окончательных результатов решения) или подсказки (сообщения об ошибках).

В активном диалоговом режиме инициатива начала диалога может быть двусторонней – возможности прерывания процесса имеются и к ЭВМ и у пользователя. Активные диалоговые языки, как правило, близки к естественному человеческому, но с ограниченным набором слов. Очевидно, что для реализации активного диалогового режима требуется более сложное ПО.

Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на функции двумер­ного и трехмерного проектирования. К функциям 2D относят черчение, оформ­ление конструкторской документации; к функциям 3D – получение трех­мерных геометрических моделей, метрические расчеты, реалистичную визуализацию, взаимное преобразование 2D- и 3 D -моделей. В ряде систем предусмотрено также выполнение процедур, называемых процедурами пози­ционирования, к ним относят компоновку и размещение оборудования, прове­дение соединительных трасс.

К важным характеристикам CAD-систем относятся параметризация и ас­социативность. Параметризация подразумевает использование геометричес­ких моделей в параметрической форме, т. е. при представлении части или всех параметров объекта не константами, а переменными. Параметрическая мо­дель, находящаяся в базе данных, легко адаптируется к разным конкретным реализациям и потому может использоваться во многих конкретных проектах. При этом появляется возможность включения параметрической модели дета­ли в модель сборочного узла с автоматическим определением размеров дета­ли, диктуемых пространственными ограничениями. Эти ограничения в виде математических зависимостей между частью параметров сборки отражают ассоциативность моделей. Параметризация и ассоциативность играют важную роль при проектирова­нии конструкций узлов и блоков, состоящих из большого числа деталей. Дей­ствительно, изменение размеров одних деталей оказывает влияние на размеры и расположение других. Благодаря параметризации и ассоциативности измене­ния, сделанные конструктором в одной части сборки, автоматически перено­сятся в другие части, вызывая изменения соответствующих геометрических параметров в этих частях.

Основные функции САМ-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с ЧПУ, моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий от­носительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, гене­рация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ, расчет норм времени обработки.

Функции CAE-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектны­ми процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных CAE-систем прежде всего включают програм­мы для выполнения следующих процедур:

• моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ;

• расчет состояний моделируемых объектов и переходных процессов в них средствами макроуровня;

• имитационное моделирование сложных производственных систем на ос­нове моделей массового обслуживания и сетей Петри.

Основными частями программ анализа с помощью МКЭ являются библио­теки конечных элементов, препроцессор, решатель и постпроцессор.

Библиотеки конечных элементов содержат их модели – матрицы жесткос­ти. Очевидно, что модели конечных элементов будут различными для разных задач (анализ упругих или пластических деформаций, моделирование полей температур, электрических потенциалов и т. п.), разных форм конечных эле­ментов (например, в двумерном случае – треугольные или четырехугольные элементы), разных наборов координатных функций.

Исходные данные для препроцессора – геометрическая модель объекта, чаще всего получаемая из подсистемы конструирования. Основная функция препроцессора – представление исследуемой среды (детали) в сеточном виде, т. е. в виде множества конечных элементов.

Решатель – программа, которая ассемблирует (собирает) модели отдель­ных конечных элементов в общую систему алгебраических уравнений и решает эту систему одним из методов разреженных матриц.

Постпроцессор служит для визуализации результатов решения в удобной для пользователя форме. В машиностроительных САПР это графическая фор­ма. Пользователь может видеть исходную (до нагружения) и деформирован­ную формы детали, поля напряжений, температур, потенциалов и т. п. в виде цветных изображений, в которых палитра цветов или интенсивность свечения характеризуют значения фазовой переменной. Программно-методические комплексы (ПМК) одного уровня по своим функциональ­ным возможностям приблизительно равноценны, новые достижения, появив­шиеся в одном из ПМК, в скором времени реализуются в новых версиях дру­гих комплексов.

Базовые модули конструкторского проектирования предназначены для твер­дотельного и поверхностного моделирования, синтеза конструкций из базовых элементов формы, поддержки параметризации и ассоциативности, проекцион­ного черчения и разработки чертежей с простановкой размеров и допусков. Пользователь может пополнять библиотеку БЭФ оригинальными моделями. Синтез трехмерных моделей сложной формы возможен вытягиванием плоско­го контура по нормали к его плоскости, его протягиванием вдоль произвольной пространственной кривой, вращением контура вокруг заданной оси, натягива­нием между несколькими заданными сечениями. Синтез сборок выполняется вызовом или ссылкой на библиотечные элементы, их модификацией, разработ­кой новых деталей. Детали сборки можно нужным образом ориентировать в пространстве. Далее следует ввести ассоциативные (сопрягающие) связи.

Модули функционального моделирования используют как препроцессоры и постпроцессоры в программах конечно-элементного анализа (нанесение сетки конечных элементов, визуализация результатов анализа), для анализа теплово­го состояния конструкций, оценки виброустойчивости и др.

Модули обмена данными (конверторы форматов данных) должны обеспе­чивать возможности импорта и экспорта данных в другие CAE/CAD/CAM-системы.

Примеры программ. К числу мировых лидеров в области CAD/CAM/CAE-систем верхнего уров­ня относятся системы Unigraphics (компания EDS), CATIA (Dessault Systemes), Pro/Engineer (PTC).

Система Unigraphics – универсальная система геометрического моделирования и конструкторско-технологического проектирования, в том числе разработки больших сборок, прочностных расчетов и подготовки конструкторской документации. Система многомодульная. В конструкторской части (подсистема CAD) имеются средства для твер­дотельного конструирования, геометрического моделирования на основе сплайновых моделей поверхностей, создания чертежей по 3D-модели, проектирования сборок (в том числе с сотнями и тысячами компонентов) с учетом ассоциативности, анализа допусков и др. В технологической части (подсистема САМ) предусмотрены разработка управляю­щих программ для токарной и электроэрозионной обработки, синтез и анализ траекто­рий инструмента при фрезерной трех- и пятикоординатной обработке, при проектиро­вании пресс-форм, штампов и др. Для инженерного анализа (подсистема CAE) в систему включены модули прочностного анализа с использованием МКЭ с соответствующими пре- и постпроцессорами, кинематического и динамического анализа механизмов с оп­ределением сил, скоростей и ускорений, анализа литьевых процессов пластических масс.

Линия современных программных систем конструкторского проектирова­ния фирмы Autodesk включает ряд систем, среди которых наиболее развитыми следует считать системы AutoCAD Mechanical Desktop и Inventor.

Система Mechanical Desktop (MDT) предназначена для параметрического 3D-моделирования, ассоциативного конструирования, распределенного проектирования в сети Internet, оформления 2D- документации. Построена на графическом ядре ACIS. Имеется управляющая программа CAD-менеджер со средствами настройки, конфигурирования и управления рабочими группами.

Система Inventor предназначена для твердотельного параметрического проектиро­вания, ориентирована на разработку больших сборок с сотнями и тысячами деталей, имеет развитую библиотеку стандартных элементов. В основе системы также лежит гра­фическое ядро ACIS. Поддерживается коллективная работа над проектом, в том числе в пре­делах одной и той же сборки. Предусмотрена автоматическая проверка кинематики, размеров детали с учетом положения соседних деталей в сборке. Значительные удобства работы конструкторов обусловлены тем, что ассоциативные связи задаются не путем описания операций с параметрами и уравнений, а непосредственно определением фор­мы и положения компонентов.

Среди САПР среднего уровня, наряду с продуктами зарубежных фирм, неплохо за­рекомендовали себя системы отечественных разработчиков – это прежде всего системы КОМПАС (компания АСКОН) и T-Flex CAD (Топ Системы). В системе КОМПАС для трехмерного твердотельного моделирования используется оригинальное графическое ядро. Синтез конструкций выполняется с помощью булевых операций над объемными примитивами, модели деталей формируются путем выдавли­вания или вращения контуров, построением по заданным сечениям. Возможно задание зависимостей между параметрами конструкции, расчет масс-инерционных характерис­тик. Разработка проектно-конструкторской документации, в том числе различных спе­цификаций, выполняется подсистемой Компас-График. Имеются библиотеки с данны­ми о типовых деталях и графическими изображениями, а также программы специального назначения (проектирование тел вращения, пружин, металлоконструкций, трубопро­водной арматуры, штамповой оснастки, выбора подшипников качения, раскроя листо­вого материала и др.). Проектирование технологических процессов выполняется с помо­щью подсистемы КОМПАС-Автопроект, программирование объемной обработки на станках с ЧПУ – с помощью подсистемы ГЕММА-3D. Ряд необходимых функций уп­равления проектными данными возложено на подсистему Компас-Менеджер.

Мировые лидеры среди программ конечно-элементного анализа являются программ­но-методические комплексы Nastran и Patran (компания MSC Software Corporation) и Ansys (компания Ansys Inc.).

Литература 1 осн. [218-234], 2 доп. [86-91]

Контрольные вопросы

1. Какие ОС используемые в ЭВМ и вычислительных системах относят к общесистемным?

2. Что представляет собой лингвистическое обеспечение САПР?

3. Что представляют собой языки проектирования?

4. Перечислите основные функции сетевой ОС?

5. На каком режим основаны системы распределенных вычислений?

6. Что подразумевается под параметризацией САD-систем?

7. Какие программы входят в состав машиностроительных CAE-систем?

8. Для чего предназначена система Mechanical Desktop?