CC BY
79
9
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
УДК 694.4: 658.52.011.56
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЛАСТИНАХ М.Н. Павленко, А.Б. Шмидт
Рассматриваются проблемы автоматизированного проектирования деревянных ферм на металлических зубчатых пластинах. Предложен новый подход к созданию систем проектирования ферм и узловых решений, позволяющий провести расчеты наиболее часто используемых конструкций. Внедрены компоненты интерактивной помощи и контроля действий пользователя - бегущая строка сообщений и окно динамических подсказок. Проведено тестирование готового продукта. Система предназначена для проектировщиков конструкций, а также может быть применена в учебном процессе.
Ключевые слова: деревянная ферма, металлические зубчатые пластины, узловые решения.
В мировой практике жилищного домостроения весьма популярен один из современных видов соединений деревянных ферм - металлические зубчатые пластины (МЗП) (рис. 1). Наибольшее применение такие соединения нашли в США, Канаде, Швейцарии, Финляндии. В России повышенный спрос на МЗП связан с задачами жилищного строительства. Выбор в пользу этих соединений обусловлен высокими экономическими и технологическими показателями [1].
Рис. 1. Металлическая зубчатая пластина: внешний вид МЗП (а); узел (соединение) на МЗП (б)
В зарубежной практике производства и применения МЗП наиболее известна североамериканская компания MiTek [2], которая проектирует, производит и реализует разнообразные строения с использованием МЗП. Компанией разработано собственное программное обеспечение по проектированию таких соединений, ориентированное на использование своих платин МЗП. При этом методика расчета и проектирования соединений на МЗП закрыта для проектировщика и не может использоваться для разработки новых видов соединений на МЗП.
В России исследованиями МЗП в 80-х годах прошлого столетия занимался Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК) им. В. А. Кучеренко. В результате были разработаны пластины МЗП 1.2 и МЗП 2 толщиной 1,2 мм и 2,0 мм и подготовлены «Рекомендации по проектированию конструкций с соединениями на МЗП» [3]. В дальнейшем эти рекомендации использовались в разработке нормативных документов по расчету деревянных конструкций [4, 5]. Одним из последних был составлен свод правил [6].
В основе расчета несущей способности МЗП лежит подбор рабочей площади пластины. Рабочей площадью принято считать площадь пластины на элементе без краевых полос шириной 10 мм (рис. 2) [4]. Однако вручную такой расчет достаточно трудоемок, если учесть большое число узлов на МЗП в решетчатой конструкции. Как правило, это приводит к чрезмерному увеличению запаса прочности.
Среди отечественных разработок по расчету деревянных ферм на МЗП известен продукт APM Wood, который, по утверждениям разработчиков [7], соответствует СТО 36554501-002-2006. Но методика расчета МЗП не раскрывается, и проектировщику трудно найти рациональное проектное решение, что снижает положительный эффект применения программы. Кроме того, в упомянутом программном обеспечении рассматриваются узлы только с одной пластиной, что в некоторых типах узла приводит к перерасходу пластин. В примере, приведенном на рис. 3, а, около 40% площади МЗП не задействовано в работу и не учитывается в расчетах. В таком узле целесообразнее устанавливать несколько пластин (рис. 3, б). Расход МЗП на конструкцию в целом снижается до 30%.
Введение. Постановка задачи
а
б
Элемент (стойка) Рабочая площадь стойки
Субконтр стойки
Рабочая площадь раскоса
Элемент 'Р/^// (раскос)
Субконтр нижнего пояса
(пояс)
\ Рабочая площадь \МЗП нижнего пояса
Рис. 2. Рабочая площадь МЗП
а б
Рис. 3. Варианты размещения пластины в узле: узел с одной пластиной МЗП (а); узел с двумя пластинами МЗП (б)
Вопросы интерактивного определения рабочих площадей пластин МЗП, эффективного их позиционирования, а также снижения трудоемкости работ при проведении вычислений побуждают совершенствовать вычислительные процессы и создавать новые алгоритмы. Целью данной работы является создание автоматизированной системы проектирования деревянных ферм на МЗП с эффективным алгоритмом расчета и конструирования узлов, включая определение рабочих площадей и рациональное размещение МЗП в узле.
Алгоритм определения рабочих площадей пластины
Для автоматизации расчета МЗП, разработанных ЦНИИСК, создана система проектирования деревянных ферм на МЗП «УИИК-Ферма», входящая в состав учебно-информационного исследовательского комплекса (УИИК). В УИИК разработана серия программ по расчету и конструированию деревянных конструкций.
Основными достоинствами «УИИК-Ферма» являются определение рабочих площадей пластины, средства оптимизации расстановки МЗП в узле, мгновенная подсказка в ходе работы с разъяснениями, интуитивно понятный интерфейс, а также новые компоненты помощи и контроля процесса проектирования. Все это позволяет находить рациональное решение по проектированию и исследовать работу узла.
Для решения этих задач разработана библиотека численных методов работы с полигонами, полуплоскостями и точками, а также создан детерминированный алгоритм определения рабочих площадей.
Ставится задача параметрической оптимизации - определения наиболее подходящих параметров пластины, которые задаются следующим образом:
X = {р1 =< й, I, а, йх, йу > 0 < й, I < 100,0 < а < 2л, -50 < йх, йу < 50, Лр1 > 50],
где й - ширина пластины, см; I - длина пластины, см; а - угол поворота пластины, рад; йх - смещение центра пластины по оси ОХ, см; йу - смещение центра пластины по оси ОУ, см; Лр1 = ^Лгеа(Ро1у(р1) пРо1у10(е)) - рабочая площадь МЗП (рис. 4, а).
е
а б
Рис. 4. Схема узла: геометрические параметры МЗП (а); исходный полигон МЗП (б)
Алгоритм определения рабочих площадей пластины представлен ниже.
В качестве исходного полигона используется полигон пластины - АВСБ X = {р1 =< ё,I, а, ёх, ёу >} (рис. 4, б).
1. Для нахождения рабочей площади одного элемента в узловом соединении полигон раскоса Х1 уменьшается на полосу шириной 10 мм, параллельную грани стержня:
Хю = Х1 п Ро1ую(е).
2. От полигона Х отсекаются полуплоскости, проходящие через границы полигона Х10:
Хе = Х п РаЬ п Рсё п Рёе п Реа ,
где Раъ, Рсё, Рёе, Реа - полуплоскости со сторонами аЬ, сё, ёе, еа соответственно (рис. 5).
Рис. 5. Полигоны пересечений
3. Разбивая получившийся полигон Хе на треугольники, вычисляется его площадь по формуле Герона, которая и является искомой рабочей площадью МЗП:
Apl = £ Area( X'e).
e
С помощью описанного алгоритма можно моделировать любые узлы на МЗП. Окно компоновки и расчета узла представлено на рис. 6.
Для более рационального расхода пластин разработан функционал размещения двух и более МЗП в узле. Рабочие площади в этом случае вычисляются для всех пластин.
Каждый элемент и МЗП в узле должны быть связаны. С этой целью разработана проверка связанности конструкции, реализованная с помощью алгоритма Флойда-Уоршелла на графе. Вершинами графа являются элементы, входящие в узел, а ребрами - пластины. Определяются стержни, для которых выполняется условие минимальных площадей, и соответствующие им вершины в графе соединяются ребром. Если граф связан, условие минимальных площадей и связанности узла выполняется.
Для точного и быстрого отображения модели фермы используется интерактивный способ взаимодействия с программой по технологии WYSIWYG (What You See Is What You Get).
Система рассчитана как на опытного проектировщика, так и на слабо подготовленного пользователя. Для этого разработаны и внедрены новые компоненты, направляющие и контролирующие действия проектировщика: окно динамических сообщений, бегущая строка, специализированные поля ввода числовых значений и др.
При нарушении рекомендаций или норм в бегущей строке выдается краткое сообщение с описанием ошибки. Для получения быстрой справки достаточно навести курсор мыши на нужный параметр, и в окне динамических подсказок появится его описание. Для развернутой помощи подготовлено пособие-программа по проблемной части, в которое включены СНиПы, карты районирования, атлас деревянных конструкций и другие справочные материалы.
h
Рис. 6. Окно компоновки и расчета узла
Указанные компоненты, технология WYSIWYG, интерактивный режим взаимодействия с системой являются основополагающими составляющими для всех программ, входящих в УИИК. Графический интерфейс всех систем разработан на языке программирования Object Pascal в среде Delphi. Этот язык позволяет быстро и качественно реализовать интерфейс, не отвлекаясь на детали его реализации и API-функции операционной системы. Создание программного продукта в Delphi выполнено в интегрированной среде разработки IDE (Integrated Development Environment). IDE служит для организации взаимодействия с программистом и включает систему программных средств, содержащих управляющие элементы, с помощью которых можно проектировать интерфейсную часть приложения, писать программный код и связывать его с управляющими элементами.
Данная среда программирования ориентирована на «быструю разработку» программного обеспечения (ПО) - технологию RAD (Rapid Application Development). Это позволяет значительно сократить время разработки диалоговых окон и реализовать поставленную задачу за счет:
- объектно-ориентированного подхода к разработке приложений [8];
- удобного интерфейса работы с базами данных;
- визуальных средств создания диалоговых окон.
Графическая часть реализована в среде AutoCAD компании Autodesk. Для автоматизации вывода чертежей создаются программы на языке Visual Lisp, которые сохраняются в отдельных файлах в виде проектов и загружаются в среде AutoCAD.
Преимуществами предложенного ПО перед продуктами-аналогами являются:
- разделение процесса проектирования на шаги и последовательное их выполнение;
- контроль ошибок ввода информации и быстрая подсказка по их редактированию;
- внедрение новых компонентов интерактивной помощи;
- динамическая визуализация графических элементов;
- развернутый протокол расчета в форме пояснительной записки с необходимыми ссылками и иллюстрациями;
- выполнение графической документации (рабочих чертежей на 60%);
- поддержка нормативно-справочной информации по предмету проектирования;
- составление «Истории расчета» с анализом проведенных сеансов расчета;
- наличие экспертной системы.
Заключение
Разработана автоматизированная система проектирования деревянных ферм на металлических зубчатых пластинах. Программа позволяет выполнять прочностной расчет узлов с помощью разработанного алгоритма определения рабочих площадей и рационально размещать металлические зубчатые пластины в узле.
СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ .
В системе «УИИК-Ферма» можно провести расчет нескольких ферм одновременно, сравнить их и выбрать подходящий вариант, отвечающий техническим и экономическим критериям. Система позволяет повысить качество проектной документации и может быть полезна проектировщикам деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах, а также при обучении студентов и в переподготовке специалистов строительных специальностей.
Литература
1. Арленинов Д.К., Буслаев Ю.Н. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. для техн. вузов. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - 280 с.
2. МИек: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mitek.ru/tech-mitek/istoriya-mitek.html/, св. Яз. рус. (дата обращения 25.11.2011).
3. Рекомендации по проектированию и изготовлению дощатых конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинах / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1983. - 40 с.
4. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП 11-25-80) / ЦНИИСК им. Кучеренко. -М.: Стройиздат, 1986. - 216 с.
5. СНиП 11-25-80. Деревянные конструкции / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2002. - 30 с.
6. СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. - М.: ОАО «ЦПП», 2011. - 87 с.
7. НПЦ АПМ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.apm.rU/rus/civil/#wood/, св. Яз. рус. (дата обращения 25.11.2011).
8. Боб Е.Б., Латников А.В. Эволюция методов и технологий программирования // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2008. - № 48. - С. 191-198.
Павленко Мария Николаевна - Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, аспирант, mariya.pavlenko@gmail.com Шмидт Александр Борисович - Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой, ukf@bk.ru
УДК 004.896
СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ДОКУМЕНТИРОВАНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Н.В. Агаркова, Г.О. Артемова, Н.Ф. Гусарова
Работа посвящена оптимизации проектных решений в сфере систем автоматизированного проектирования технологической подготовки производства, в частности в подготовке производственных структур документирования научно-технической информации.
Ключевые слова: САПР, научно-техническая информация, распределение работ, автоматизация, документирование, СППР.
Введение
В настоящее время развитие промышленного производства во всем мире и в России, в частности, проходит в условиях постоянно меняющейся номенклатуры продукции. Для сохранения конкурентоспособности предприятия вынуждены ускорять процесс выпуска продукции, для чего иногда приходится полностью перестраивать технологическую подготовку производства. При этом трудоемкий и ресурсо-затратный процесс подготовки документации становится узким местом и требует отдельного внимания в рамках комплексной автоматизации производства.
Кроме технологической документации, в информационном обеспечении приборостроения как наукоемкой отрасли промышленности особое место занимают научно-технические документы - статьи, технические отчеты и описания, буклеты, проспекты, презентации и т.д., которые играют важную роль при взаимодействии с заказчиками и научным сообществом. Процесс создания таких документов - документирование первичного потока научно-технической информации - достаточно редко рассматривается при комплексной автоматизации предприятия, так как ориентирован на малые тиражи (плоть до единичных экземпляров).
В настоящее время на большинстве предприятий приборостроения производство ведется с использованием современных ОАЭ-систем и автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП), что обеспечивает достаточный уровень подготовки конструкторской документации в электронном виде. Широкое распространение получили также РЭМ-системы (ProductDataManagement -управление данными об изделии). Использование в приборостроении РЭМ-систем, ОАЭ-систем и АСТПП позволяет эффективно решать задачи создания конструкторско-технологической базы данных и эффективного хранения документации.
