CC BY
38
№3(21)2009
Б. Н. Поляков
Особенности научной методологии автоматизированного проектирования в условиях интернетовской цивилизации
Светлой памяти Александра Филипповича Трусова — талантливого инженера и ученого, профессионала в области вычислительной техники, уникального специалиста-миниатюриста и просто замечательного человека
В статье формулируются и обосновываются принципы и структура научной методологии, основанные на достижениях информационной технологии, развитии математических методов и компьютерной техники применительно к автоматизированному проектированию сложных объектов тяжелого машиностроения и с учетом специфики, обусловленной особенностями эпохи Интернета.
Известно [1], что повышение надежности и долговечности в индивидуальном машиностроении и тем более управление показателями этих категорий на стадии проектирования — комплексная проблема, для решения которой требуется переход всей системы проектирования на качественно новый информационный уровень — современные индустриальные методы (математическое моделирование и системы автоматизации проектных работ, САПР) при максимуме использования вычислительной техники.
Для этого необходимо:
1) построить математические модели и провести классификацию нагруженности широкой гаммы оборудования (с учетом параметров технологических процессов), которые могут быть выполнены только с помощью современных информационно-измерительных систем на основе ЭВМ;
2) сформировать пакет прикладных программ для решения на ЭВМ в диалоговом режиме упругих, термоупругих и термоупругопласти-ческих статистических краевых задач в плоской и объемной постановках с целью оперативного получения оценок (в том числе, статистических) напряженного и деформированного состояний деталей и конструкций самых сложных конфигу-
раций и их последующей оптимизации при определении срока службы или вероятностей разрушения (решение задач САПР);
3) научиться управлять механическими и другими служебными свойствами материала и его структуры и в итоге создать материалы, обладающие заданными свойствами, с последующим формированием соответствующего банка данных по материаловедению в целях обоснованного (с позиции экономики) выбора материала и максимального использования его возможностей при заданном сроке службы.
Эти задачи могут быть успешно решены только при активном взаимодействии конструкторов, исследователей, математиков, специалистов по материаловедению и термической обработке, службы эксплуатации оборудования.
Решение проблемы надежности требует резкого повышения и более высокого уровня информационного обеспечения всех аспектов конструирования, в том числе квалификации специалистов и, конечно, повышения технологической дисциплины и культуры обслуживания и эксплуатации, а также введения элементов диагностики и мониторинга состояний технологий и оборудования и широкого применения автоматического программного управления на производстве.
\ 125
№3(21)2009
ПРИКЛАДНАЯ ÈHÔÎPMATÈKA
а
а »
а
3 Si
«о
a »
>a §
«о
о g
&
SI
a
5
«о
о *
«о
a §
«о
о
6
s
о &
о
s «
is
«о
0 &
3
1
I s
«о а a з
S §
»о
о g
€ >a о
if «
a
§
о «
о
Достичь поставленных целей можно, лишь руководствуясь единством двух методологий: традиционными методами расчета машин (которые можно назвать макроанализом) — на уровне интегральных, обобщенных оценок, интуитивно опирающихся на практику и опыт; и современными аналитическими методами, основанными на максимальном использовании вычислительной техники и численных методов, дающих дифференциальные характеристики (микроанализ) технологическим процессам и деталям, узлам и системам машин, приоритет и перспективность которых (особенно САПР) несомненны.
В настоящее время закономерности развития мировых технологий характеризуются значительным увеличением различных классов и повышением сложности технических систем, возрастанием затрат на проектирование и изготовление единицы массы конструкций, продолжительностью их разработки и рядом других показателей.
Возможности использования традиционных информационных технологий и средств проектирования весьма ограничены и недостаточны для решения сложных задач. Кроме того, увеличение количества разработчиков приводит к пропорциональному росту энтропии создаваемых систем, т. е. увеличению дефектов [2].
Вышеперечисленные факторы и ряд других, не менее значимых, особенно в новых эконо-мическихусловиях(когда прагматически изменяются критерии проектирования и их конкретизация), делают актуальным и целесообразным создание информационно-интегрирован-ныхСАПР.Такие системы должны обеспечивать последовательно сквозную автоматизацию проектирования: от замысла, изготовления и эксплуатации до экологически чистой утилизации, строящихся на основе современных средств вычислительной техники и строгих математических методов. Этот подход особенно значим при проектировании сложных и комплексных технических систем тяжелого машиностроения: прокатных станов, машин непрерывного литья заготовок, горного и бурового оборудования (не говоря уже о летательных
аппаратах и космических системах, требующих несравнимо большей живучести). Поэтому без фундаментального научного анализа проблем и разработки теории проектирования сложных технических систем на основе САПР дальнейшее развитие и повышение надежности этой техники, по нашему мнению, невозможны. Применение же известных и весьма совершенных локальных САПР не решит проблемы в целом, а компиляция «натуральных программных хозяйств» не даст существенного эффекта [3].
Для САПР, объединяющих все новейшие достижения фундаментальных наук и повышающих культуру проектирования, характерны следующие черты современной научной методологии:
• формирование математического и программного обеспечения для создания изделий, начиная с технического задания и кончая экологически чистой их утилизацией, — применением принципов технологии CALS (Continuous Acquisition and Life — Cycle Support1);
• использование методов системного анализа и исследования операций как следствия иерархической структуры задач проектирования; насыщенность строгими математическими методами (численными и аналитическими), в том числе оптимального управления — методами, повышающими точность и достоверность расчетных задач (например, метод конечных и суперэлементов) при целесообразной их статистической постановке (желательно в режиме случайных процессов); методами идентификации и верификации математических моделей функционирования технических систем (адекватность и повышение точности); широкое применение компьютерного моделирования и вычислительных экспериментов, статистических методов их планирования и анализа результатов;
• максимальное применение новейших достижений в материаловедении и высоких технологий (материалов с заданными свойствами, управлением на микроуровне, композитов);
• повсеместное использование в системе и подсистемах САПР диалоговых процедур, содержащих экспертные системы и элементы
http://navysgml.dt.navy.mil/
126
№3(21)2009
искусственного интеллекта, а также идеи и подходы системного программного обеспечения, что при проектировании сохраняет и обеспечивает главенствующую роль конструктора, способствует как широкому применению микропроцессоров в структуре приводов механизмов, так и созданию интегрированных систем машин и сложных автоматизированных комплексов;
• обязательное научное обобщение (формирование базы знаний) и применение предыдущего опыта проектирования за счет организации и использования при эксплуатации информационных и диагностических систем (в том числе, мониторинга и самодиагностики машин для управления надежностью и оптимизации технического обслуживания и обучения персонала) — математических моделей функционирующих объектов — аналогов и прототипов проектируемых, а также компьютеризированных испытательных стендов и полигонов;
• широкое применение всего комплекса современной вычислительной техники и информационных технологий, реализуемых только в сетевых системах.
Широчайшие возможности и достоинства всемирной сети Интернет также вносят свою специфику в развитие современных САПР.
В условиях объективно развивающейся мировой интернетовской цивилизации непрерывно растущая насыщенность промышленности и социальных общественных структур микропроцессорной техникой и информационными технологиями формируются уникальные возможности научной методологии автоматизированного проектирования новых технологических линий, машин и агрегатов. Например, нам представляется, что на основе сети Интернет — этого виртуального аналога функционирования человеческого сообщества в глобальном масштабе — в ближайшем будущем для машиностроения возможны:
• создание всемирной справочной системы нормативно-технической информации по автоматизированному проектированию и конструированию в машиностроении (банка стандартов);
• оперативный межрегиональный и межгосударственный обмен технической инфор-
мацией и конструкторской документацией, не- | обходимой для проектирования конкретного § объекта, а также базами знаний и методами проектирования между фирмами, решающими и£ подобные технические задачи и проблемы;
• создание и применение мировой унификации типовых деталей и узлов машин и оборудования;
• межрегиональная и межгосударственная кооперация в производстве комплектующих изделий и типовых узлов;
• объединение и совмещение технологий и машин, т. е. их агрегатирование на основе применения принципиально новых высоких технологий и микропроцессорных средств интеллектуального управления, предельно сокращенных по протяженности технологических линий за счет объединения технологических функций и максимального использования диагностических информационных систем;
• относительное и существенное снижение массы, упрощение структур и конструкций механических частей агрегатов за счет передачи микропроцессорным системам управления приводами (содержащими элементы искусственного интеллекта) кинематических функций механизмов, что создает условия формирования (в режиме реального времени) машинного агрегата с переменными кинематическими и динамическими свойствами, самодиагностикой и адаптацией к изменяющимся параметрам технологических процессов и условий эксплуатации.
Все вышеизложенное рекомендуется учитывать при организации САПР на машиностроительных и других предприятиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поляков Б. Н. Повышение качества технологий, несущей способности конструкций, долговечности оборудования и эффективности автоматических систем прокатных станов/Регистрация в Библиотеке Конгресса США 1№ТБ340.Р5 962 006. СПб.: Реноме, 2006.
2. Поляков Б. Н, Крепышев Г. Б. САПР в металлургии, машиностроении и приборостроении. Екатеринбург: Изд-во УрГПУ, 2000.
3. Поляков Б. Н. Повышение качества технологий и долговечности оборудования прокатных станов. Екатеринбург: Изд-во УГППУ, 1994.
127
