Классификация методов моделирования и их использование в практике проектирования вагонов

При разработке вагонов широко применяют­ся различные весьма многочисленные методы моделирования (рис. I).

Ранее в традиционном про­цессе разработки вагонов было широко распространено материальное моделиро­вание (оно, кстати, не потеряло полностью своего значения и с развитием автоматизации). В связи с этим кратко укажем на основ­ные особенности методов материального моделирования.

При материальном моделировании (натурном или макетном) объект замещается, как уже отмечалось, другим материальным объектом, причем должно обеспечиваться подобие между их физической природой, геометрией и другими физическими свойствами.

Натурное моделирование как разновидность материального характеризуется тем, что моделью служит реальный объект (или объекты) по результатам исследований которого судят о характеристиках всего объекта или совокупности аналогичных объектов. Примерами такого моделирования могут также служить испытания выбо­рок из потока готовой продукции при массовом производстве (напри­мер, подшипников, электронных компонентов и т.д.), испытания опытного самолета или опытной партии самолетов.

При макетном моделировании обеспечивается подобие ряда свойств объекта и модели, существенных для задач исследования. Так, масштабное моделирование предполагает подобие геометрии объекта и модели, например, вагона и стенда для его испытаний. Другим видом макетного моделирования является структурное моделирование, когда в качестве модели выступает структурный ма­кет, состав и функциональные связи элементов которого соответст­вуют составу и связям элементов моделируемого объекта. Таким об­разом, в этом виде моделирования обеспечивается подобие структур модели и объекта. В том случае, когда некоторый физический объект функциониру­ет таким образом, что его поведение адекватно поведению исследуе­мого объекта, имеет место функциональное моделирование. Функцио­нальная модель может быть далека от оригинала по внешней геомет­рии или внутренней структуре

Важнейший класс методов моделирования, используемых в прак­тике разработки вагонов, составляют знаковое моделирование, к которо­му относятся наглядно-образное, лингвистиче­ское и математическое моделирование.

Наглядно-образное моделирование реализуется путем создания графических образов, отображающих в наглядной форме внешний вид, структуру, поведение объекта. К этим моделям относятся, например, чертежи элементов конструкции, блок-схемы систем, графики, изо­бражающие траектории движения и т.д.

Лингвистическое моделирование представляет собой составле­ние описания объекта моделирования на естественном языке. Приме­ром лингвистической модели может служить, например, техническое задание на разработку нового объекта, содержащее описание его основных свойств, которое позволяет конструктору целенаправленно форми­ровать различные варианты необходимых для получения этих свойств технических решений по принципу функционирования, структуре, кон­структивному выполнению отдельных элементов и т.д.,

Наконец, третьим видом знакового моделирования является математическое моделирование.

Под математическим моделированием понимается способ исследования различных процессов путем изуче­ния явлений, имеющих различное физическое содержание, но описыва­емых одинаковыми математическими соотношениями. Такое исследование предполагает наличие математического описания процесса или объекта или, иначе, математической модели.

В сложном процессе разработки вагонов находится место практиче­ски для всех приведенных на схеме методов моделирования. Так, идеи, зародившиеся у конструктора, сформированные в его созна­нии первые представления о возможном облике нового объекта явля­ются некоторой «мысленной концептуальной моделью» этого объекта, Для проведения динамических, прочностных расчетов в ходе проектирования применяются различные математические моде­ли и методы моделирования. Чертежи объекта есть ни что иное как наглядно-образные модели, с различной степенью детализации пред­ставляющие создаваемый объект - от внешних очертаний объекта в це­лом до отдельных конструктивных элементов. Для различных испытаний и экспериментов находят применения материальные модели - макеты объекта, его агрегатов и узлов. Наконец, в практике со­здания и эксплуатации особо сложных объектов, например, вагонов высокоскоростных электропоездов, используют комплексную модель-аналог объекта. В таком аналоге с помощью взаимосвязанных математи­ческих и материальных моделей, а также реальных элементов объек­та может быть воспроизведено большинство ситуаций с моделируемым объектом в процессе движения по рельсовой колее для анализа и прогнози­рования его поведения.

В целом разработка вагона есть ни что иное, как процесс постро­ения различных моделей разрабатываемого вагона и его компонентов и оперирования этими моделями. При этом «удельный вес» отдельных методов моделирования со временем меняется.

В последние десятилетия исключительно важное значение при­обрело математическое моделирование объектов и процессов. Это обусловлено, прежде всего, ограниченностью сферы применения ма­териального моделирования, которое широко использовалось в тра­диционном (не автоматизированном) процессе проектирования. С резким усложнением объектов проектирования и тех условий, в которых они должны функционировать, столь же резко возросла стоимость соответствующих моделей, время их изготовления, цена (в широком понимании этого термина) изменений исследуемых в ходе моделирова­ния параметров. В целом же ряде случаев применить материальное моделирование оказалось просто невозможным - например, для моде­лирования процессов раз­личных аварийных ситуаций. Широкому внедрению математического моделирования в практику разработки сложных объектов способствовал ряд факторов. Во-первых, отсутствие ог­раничений, отмеченных выше. Во-вторых, появление ЭВМ с соответ­ствующими периферийными устройствами и программным обеспечением, быстрое и непрерывное совершенствование их возможностей. В-третьих, разработка новых методов математического моделирования, основанных на использовании ЭВМ и отвечающих требовани­ям инженерной практики.

Математическое моделирование при решении инженерных задач является важнейшим компонентом процесса автоматизированного про­ектирования.

ЛЕКЦИЯ№5. Математическое моделирование.