CC BY
92
Пакет моделирования ЛСК создан на базе инструментального комплекса Orlando Tools [3], предназначенного для разработки пакетов прикладных программ, обеспечивающих возможность параллельной обработки структур данных в процессе проведения многовариантных расчетов при решении прикладных задач математического моделирования на однородных UNIX-кластерах.
Описание предметных областей пакетов, создаваемых с помощью Orlando Tools, осуществляется на основе объектно-ориентированной модели данных и поддерживается на программном уровне встроенной библиотекой классов объектов предметной области. Объектно-ориентированная система управления базой знаний Orlando Tools позволяет проводить комплексирование по данным для всех пакетов прикладных программ, разрабатываемых с помощью этого инструментального комплекса. Тем самым обеспечивается возможность использования в процессе создания нового пакета фрагментов описания предметных областей, функциональных программных модулей, исходных данных и результатов вычислений, имеющихся в других пакетах. В результате сокращаются сроки разработки пакетов прикладных программ и проведения вычислительных экспериментов. В частности, рассматриваемый пакет моделирования создан на основе комплексирова-ния с пакетом R-SIM [4] для моделирования экономических показателей процесса реорганизации объектов коммерческой недвижимости предприятия.
В таблице представлены сравнительные результаты времени решения ряда задач на персональном компьютере и на вычислительном кластере МВС-1000/16 Института динамики систем и теории управления СО РАН (г. Иркутск), узлы которого имеют характеристики вычислительных ресурсов, аналогичные характеристикам персонального компьютера. Очевидно, что с повышением сложности задачи время расчетов на персо-
нальном компьютере существенно увеличивается, и поэтому требуется применение других, более производительных вычислительных средств.
Задача моделирования Время решения задачи
на ПЭВМ на кластере (16 узлов)
Расчет планируемых финансовых показателей работы ЛСК 1-2 мин. 1 мин.
Определение оптимального варианта сдачи в аренду объектов ЛСК 15-30 мин. 1-2 мин.
Планирование расписания обслуживания клиентов с учетом потока случайных заявок 1 ч.-3 сут. 5 мин.-5 ч.
В данной статье показан опыт применения высокоуровневых инструментальных средств разработки интеллектуальных пакетов для моделирования ЛСК, накопленный в лаборатории методов автоматизации научных исследований и учебного процесса Международного института экономики и лингвистики Иркутского государственного университета. Архитектура, принципы работы, способы и средства реализации инструментального комплекса Orlando Tools обеспечивают широкий спектр функциональных возможностей для моделирования других экономических объектов в самых различных сферах деятельности.
Литература
1. Fujimoto R.M. Parallel and Distributed Simulation Systems. NY: John Wiley & Sons, 2000.
2. Кононенко О., Маханько О. Анализ финансовой отчетности. Харьков: Фактор, 2006. 200 с.
3. Инструментальный комплекс ORLANDO TOOLS / Г А. Опарин [и др.] // Программные продукты и системы. 2007. № 4. С. 63-65.
4. Горский С.А., Феоктистов А.Г. Создание пакетов программ в инструментальном комплексе ORLANDO TOOLS // Управление большими системами: сб. тр. II шк.-сем. молод. ученых. Воронеж: Научная книга, 2007. Т. 2. C. 33-39.
УДК 004.92:62-82
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ САПР ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МАШИН И АППАРАТОВ
В.С. Крутиков, к.т.н.; К.А. Лиходед; В.В. Копица
(Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), klikh@mail.ru, vadimnpi@mail.ru)
Изложены принципы построения САПР, обеспечивающей комплексное решение задачи создания новых машин и аппаратов.
Ключевые слова: гидравлические машины и аппараты, система автоматизированного проектирования, комплексное решение задач.
С восьмидесятых годов прошлого века на высокотехнологичных предприятиях, выпускающих
сложную наукоемкую продукцию, интенсивно внедряется информационная поддержка изделия
на всех этапах жизненного цикла (CALS -Continuous Acquisition and Life-cycle Support). Жизненный цикл изделия - перечень этапов, через которые проходит изделие за весь период своего существования. Термин CALS предполагает организацию единого информационного пространства, объединяющего автоматизированные системы. В интегрированной информационной среде, в которой осуществляется безбумажное информационное взаимодействие между всеми участниками жизненного цикла изделия, действуют стандартные правила хранения, обновления, поиска и передачи информации.
Одним из наиболее важных является этап проектирования, осуществляемого САПР. Принято выделять системы функционального проектирования - CAE (Computer Aided Engineering), конструкторского - CAD (Computer Aided Design) и технологического - CAM (Computer Aided Manufacturing).
С помощью интегрированной совокупности CAE/CAD/CAM создаются машины и аппараты, соответствующие современному уровню, при этом решается ряд взаимосвязанных задач:
- расчет системы гидропривода машины и определение параметров нового аппарата;
- расчет размеров деталей нового аппарата;
- анализ динамических характеристик аппарата, проверка его работы в гидроприводе машины и в случае необходимости корректировка размеров деталей;
- разработка конструкторской документации;
- разработка технологического процесса (ТП) изготовления деталей аппарата и программ для станков с ЧПУ
Возможности современной вычислительной техники позволяют проектировщику создавать новый аппарат путем разработки единой САПР, состоящей из подсистем решения отдельных вышеперечисленных задач. В разрабатываемой САПР все вопросы должны решаться программно с минимумом диалоговых режимов работы, за исключением тех случаев, когда программное решение затруднительно или недостаточно информации. Все подсистемы САПР включают необходимые
банки данных и знаний, оформленные в виде подпрограмм, обмен информацией между подсистемами осуществляется автоматически.
В этом заключается принципиальное отличие предлагаемого подхода от идеологии САПР, создаваемых в «Компас» и Solid Works, в основу которых положен принцип диалогового режима работы, не позволяющий в дальнейшем переходить от автоматизированного к полностью автоматическому проектированию.
В общем случае разрабатываемая САПР имеет структурную схему, состоящую из пяти подсистем: расчета гидропривода и выбора гидрооборудования - РП, гидропривода - Д, расчета размеров деталей - РА, автоматизированного получения конструкторской документации - КД, автоматизированного проектирования технологического процесса - ТП (рис. 1).
САПР РП состоит из программы rasgp.pas, написанной на языке Object Pascal и работающей в среде Delphi, базирующейся на ПО, содержащем банки данных по стандартному гидрооборудованию [1]. Эта подсистема создает текстовый файл xarob.txt, содержащий характеристику всего выбранного стандартного гидрооборудования, и файл parga.dat параметров нового гидроаппарата для автоматической передачи информации в САПР РА.
САПР РА нового аппарата должна начинаться с создания его расчетной схемы. Разработка САПР схемного решения подробно описана в работе [2]. Расчетная схема принимается по аналогии с существующими подобными аппаратами или создается проектировщиком вне рамок данной системы.
САПР РА состоит из программы rasga.pas, которая базируется на ПО, содержащем базовое ПО по механике жидкости [3], ПО по деталям машин, ГОСТы, математические и геометрические зависимости.
Программа rasga.pas составляется таким образом, что внутри ее создается единое, функционально связанное информационное пространство. В результате изменение любого размера в одной детали приводит к автоматическому пересчету размеров всех функционально связанных деталей, выбору из подключенных банков данных других
САПР ГА
ПО
САПР РП
rasgp.pas
ПО
xarob.dat
parga. dat
xargob.dat
САПР Д
dingap.pas
Графики
ПО
САПР РА
rasga.pas
pargad. dat
ПО
САПР КД ... Isp
.dat t.dat
... .dwg
Рис. 1. Структурная схема САПР гидравлического аппарата
САПР ТП
Программы станков с ЧПУ
стандартных деталей и новой информации о требованиях к поверхностям. Эта подсистема создает: файл parga_d.dat для передачи информации в подсистему анализа динамических характеристик проектируемого гидроаппарата в составе САПР Д; файл .dat, содержащий всю информацию о размерах, допусках, шероховатостях для каждой детали; файл t.dat текстовой информации для автоматического заполнения основной надписи чертежа. Эти файлы передаются в САПР КД. Просмотрев рабочие чертежи, полученные в результате работы САПР КД, проектировщик в случае необходимости может вернуться в подсистему САПР РА, внести необходимую корректировку в расчет размеров какой-либо детали, запустив на выполнение программу rasga.pas, получить файлы измененных размеров всех деталей, по которым подсистема САПР КД в автоматическом режиме создаст рабочие чертежи нового варианта аппарата. В программе rasga.pas можно предусмотреть различные варианты отдельных узлов расчетной схемы. Этим создается возможность проведения экспертной или параметрической оптимизации разрабатываемого аппарата.
Подсистема САПР КД включает функции на языке AutoLISP, работающие в системе AutoCAD и в автоматическом режиме создающие чертежи деталей. Одновременно эти функции создают контуры деталей, которые будут входить в общий вид аппарата. Функция получения общего вида собирает его из готовых блоков деталей, устанавливая их в нужное место чертежа. При необходимости блоки деталей масштабируются и поворачиваются. Такой метод получения общего вида прост в реализации и является удобным и эффективным способом контроля правильности расчета размеров взаимосвязанных деталей и обмена информацией между подсистемами. ПО САПР КД состоит из функций вычерчивания типовых элементов гидравлических аппаратов и элементов чертежа, что значительно упрощает процесс написания функции получения чертежа деталей. Результатом работы САПР КД являются файлы чертежей .dwg и файлы .dat, содержащие координаты характерных точек детали и все технические требования к поверхностям, предназначенные для последующей передачи информации в САПР ТП, которая будет создавать программы работы станков с ЧПУ
Подсистема анализа динамических характеристик аппарата и привода САПР Д состоит из программы dingap.pas, включающей динамическую модель проектируемого аппарата. Разработанное ПО статических и динамических программных моделей типовых аппаратов упрощает написание программы. Анализ получаемых графиков переходных процессов позволяет оценить динамические характеристики проектируемого аппарата. Если результаты не удовлетворяют проектировщика, он возвращается в САПР РА, изменяет разме-
ры, получает новый файл parga_d.dat и снова запускает программу dingap.pas.
Отметим удобство использования программного комплекса моделирования гидроприводов машин различного назначения HydroCAD при разработке САПР Д [4]. Пользовательский интерфейс системы адаптирован для специалистов по гидроприводу. В HydroCAD использован подход, избавляющий проектировщика от системного программирования, автоматизирующий процесс проработки интерфейсов передачи данных и формирования списков формальных параметров вызова подпрограмм. Создаваемая в HydroCAD компьютерная модель исследуемого гидропривода представляет собой программную реализацию структурно-функциональной математической модели на макроуровне. Эта модель отображает происходящие в гидроприводе физические процессы и позволяет детально смоделировать его устройство и связи между составляющими элементами. Помимо вывода на экран переходных процессов всех необходимых выходных параметров непосредственно во время прогона модели, в HydroCAD реализованы поддержка двух- и трехмерной анимации и режим синхронизации модельного и реального времени.
Основой для создания САПР является наличие ПО решения всех задач проектирования. Специалисты в области каждой задачи, используя принцип декомпозиции сложной задачи и системный подход, могут выполнять разработку сложного и трудоемкого ПО. Примером послужит созданное ПО, которое позволяет полностью автоматизировать решение всех задач расчета, выбора и получения конструкторской документации цилиндрических пружин сжатия, применяемых практически в каждом гидроаппарате.
Разработанное ПО позволило создать САПР предохранительного клапана непрямого действия, гидропневмоаккумулятора с датчиком наличия жидкости, гидроцилиндра с торможением и без торможения, блока дистанционного управления, центробежных насосов (консольных, секционных и с двухсторонним подводом жидкости) [5].
Рисунок 2 представляет общий вид предохранительного клапана типа 510, а рисунок 3 - графики переходных процессов при работе клапана.
Достоинства создаваемой по таким принципам системы проявились при работе САПР центробежных секционных насосов. Система позволяет практически в автоматическом режиме проектировать насос на различные параметры и с различным
Рис. 2. Общий вид клапана 510
в
Рис. 3. Динамика работы клапана: а) перемещение клапана управления, мм; б) перемещение основного клапана, мм; в) давление перед клапаном, МПа
числом ступеней. В подсистемах САПР РА и КД реализовано разветвление вариантов конструкции узла фиксации подшипника на валу насоса и вариантов уплотнений крышки, которое позволяет назначать любое их сочетание.
При различных вариантах конструкции система автоматически меняет размеры, набор и форму деталей подшипникового узла. Выбор варианта конструкции узла по запросу системы определяет проектировщик.
Авторы работают над составлением программы функционально-стоимостного анализа вариантов фиксации подшипника на валу, которая определит оптимальный для различных параметров насоса, а подсистема КД в автоматическом режиме выдаст конструкторскую документацию. Запрограммировать проведение такого анализа можно только при совместной работе подсистем РА, КД и ТП, что и реализуется в созданной по изложенным принципам комплексной САПР центробежного секционного насоса.
Подсистема САПР КД, основанная на программированном черчении, позволяет легко собрать общие виды аппарата в разных режимах работы для проверки его нормального функционирования. Это является дополнительным методом проверки правильности расчета размеров деталей.
Следует отметить, что работа САПР РА при расчете аппарата для различных параметров не сводится к простому пропорциональному изменению размеров деталей, они принимаются из нормального ряда согласно ГОСТ, из банка данных автоматически получается информация о других значениях допусков, шероховатостей и прочего для новых параметров аппарата.
На примере САПР гидроцилиндра (ГЦ) подтверждена возможность проектирования аппарата не только для различных параметров, но и разной конструкции [6].
Подсистема САПР КД может создавать чертежи сложных конструкций. На рисунке 4 показан
общий вид центробежного насоса с двухсторонним подводом жидкости, полученный в результате работы САПР НД.
Приведенные примеры показывают, что разработанная по таким принципам САПР
- дает комплексное решение всех задач создания аппаратов;
- сокращает время разработки за счет параллельного выполнения работ по созданию подсистем РА, КД и ТП;
- позволяет по мере развития переходить от автоматизированного проектирования к автоматическому;
- полностью реализует идеологию безбумажного проектирования: вся информация находится на электронных носителях и передается автоматически файлами в подсистемы САПР, что минимизирует возможность ошибок, связанных с человеческим фактором.
Разработанное ПО делает задачу создания САПР посильной для любого проектировщика и дает ему эффективный инструмент проведения оптимизации разрабатываемого объекта.
Результаты работы созданных для ряда гидравлических машин и аппаратов САПР подтвердили правильность принятых принципов их построения.
Литература
1. Крутиков В.С. Разработка САПР гидросистем объемного гидропривода // Гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика: тез. докл. Междунар. науч.-технич. конф. М.: МЭИ, 1996. С. 112.
2. Даршт Я.А. Методы и модели автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода. Автореф. дисс... д.т.н. Ковров, 2005.
3. Крутиков В.С., Лиходед К.А. Базовое программное обеспечение компьютерного моделирования гидравлических машин и аппаратов // Изв. вузов, Сев.-Кав. регион. 2010. № 3. С. 15-19 (Технич. науки).
4. Анисимов А.В., Лиходед К.А. Программный комплекс моделирования гидроприводов различного назначения HydroCAD // Изв. вузов, Сев.-Кав. регион. 2010. № 4. С. 21-27 (Технические науки).
5. Крутиков В.С. САПР центробежных насосов общепромышленного назначения. Новые технологии управления движением технических объектов. Вып. 5: сб. стат. по матер. 7-й Междунар. конф. Новочеркасск, 2004. С. 119-122.
6. Крутиков В.С. САПР гидроцилиндра с торможением в начале и конце хода // Гидропневмоавтоматика и гидропривод-2005: сб. науч. тр. Т. 1. Ковров. 2006. С. 234-238.
