Лекція 7. Будова багатоетапної САПР КЗ поршня дизельного двигуна.

З урахуванням відомих алгоритмів та підходів до розв’язання перелічених питань розробку конструкції поршня доцільно виконувати з використанням набору окремих багатоетапних САПР. Розглянемо будову багатоетапної САПР КЗ поршня дизельного двигуна.

рис.2.11. Бачимо, що в наданій багатоетапній САПР підлягають розв’язанню всі чотири задачі, які сформульовані в п.1.3. Так, опис геометричних та фізичних характеристик об’єкта проектування здійснюється в підсистемі синтезу геометричної моделі поршня (блок 1), опис його функціонування – в п’яти підсистемах аналізу (блоки 3 – 7), реалізація багатокритерійної оптимізації – в блоці 8, опис характеристик об’єкта проектування, які необхідні для його виробництва – в підсистемі синтезу конструкторської документації (блок 9). При цьому блок 2 передбачає наявність даних з певної моделі експлуатації. Останнє означає, що зміна моделі експлуатації з множини можливих експлуатаційних режимів роботи двигуна дозволяє знайти інше оптимальне значення вектора конструктивних параметрів

x , тобто вирішується завдання розподілу ринку.

Синтез геометричної моделі поршня в складі поданої багатоетапної САПР можна реалізувати в одноетапній підсистемі. Внутрішню структуру останньої наведено на рис. 2.12, де видно, що ця підсистема повинна здійснювати генерацію конструкції поршня як з типових, так і з оригінальних елементів. При цьому під оригінальними елементами об’єкта проектування (блок 5) розуміють ті, які на даному етапі розвитку системи не ввійшли до типового набору X . Саме використання оригінальних елементів конструкції поршня дозволяє віднести останній до об’єкта проектування класу ЦС II. Приклади синтезу геометричних моделей поршнів буде подано в п.7.4.

Обов’язковими складовими підсистеми синтезу геометрії певного вузла, деталі чи її складової частини є блоки перевірки обмежень знаходження значень вектора конструктивних параметрів ЦС в межах множини можливих варіантів конкуруючих конструкцій об’єкта проектування. Такі блоки можна легко знайти на рис.2.10 та 2.12.

підпрограми перевірки сукупності цих обмежень достатньо прості. Вони

містять алгоритми аналізу дотримання умови (2.4) (тут – угнуті функції). Водночас використання об’єктів проектування класу ЦС II і, відповідно, творчих здібностей конструктора неодмінно потребують можливості візуального контролю процесу синтезу.

Приклад застосування візуального контролю може бути задача з компонування привода електронного керування рейкою паливного насоса. Результат її розв’язання подано на рис.2.13. У даному випадку пошук рішення здійснюється шляхом автоматизованого опису довільних тривимірних елементів об’єкта проектування за командами конструктора. Надалі, після отримання віртуальної моделі складальної одиниці, конструктор безпосередньо на екрані монітора виконує візуальний контроль оригінального просторового розміщення синтезованих елементів та приймає рішення щодо подальшого редагування геометричної моделі. За цих умов поданий підхід є набагато ефективнішим, ніж використання методів двовимірного креслення з наступним аналізом останнього.

Внаслідок того, що інформація стосовно геометрії деталей є сполучною ланкою між конструкторським і зовнішнім функціональним описами двигуна, графічне подання результатів f в процесі аналізу й оптимізації проектних рішень також є обов’язковим. За приклади вказаного можна навести графічну інформацію щодо зовнішнього функціонального опису СТС, яку було подано на рис.1.9, б; 1.18; 1.19.

Заключним етапом роботи розвинутих багатоетапних САПР є синтез конструкторської документації (див., наприклад, рис.1.12, 1.13). Виконання останнього є також кінцевим завданням роботи інтегрованої системи.

Зрозуміло, що залучення підсистем машинної графіки є обов’язковою умовою автоматизованого виконання і цього етапу робіт.

Таким чином, видно, що візуалізація геометричної та генерація креслярсько-графічної інформації необхідна практично на кожному етапі процесу проектування. Це положення є характерним прикладом необхідності багаторазового використання в САПР типових підсистем обслуговування.

Рисунок 2.12 – Структурна схема підсистеми синтезу

геометричної моделі поршня

Повернемось до розгляду рис.2.11 та нагадаємо, що система аналізу

конструкції поршня тут є достатньо складною. Її утворено з п’яти одноетапних САПР. Це блоки 3 – 7. При цьому блоки 3, 4, 7 (аналізу робочого процесу, токсичності викидів, тривалої міцності) є об’єктно-орієнтованими спеціалізованими) системами. Відповідно до рис.2.1 їх основу складають елементи об’єктно-залежного модуля САПР. Водночас до систем блоків 5 і 6 слід залучати об’єкно-незалежну (типову) підсистему аналізу температурного та напружено-деформованого стану деталей, що входить до складу об’єктно-незалежного одуля.

На завершення підкреслимо, що поєднання роботи усіх складових певної функціональної підсистеми САПР в єдиному комплексі регламентується відповідним МЗ на основі використання структурної схеми розрахункового блоку системи, встановлення рівнів та напрямків розв’язання часткових задач проектування (див. рис.2.4). Останнє означає, що сполучення фрагментів проектування, які на рис.2.8 відповідають умовному рівню k , слід здійснювати за комбінованим маршрутом, загальну схему якого подано на рис.2.5, в. В даному випадку кожен блок маршруту рис.2.5, в слід розглядати як багатоетапну САПР. Разом з цим повинно бути ясно, що в загальному випадку робота багатоетапної САПР завершується вирішальною операцією. На рис.2.11 такою операцією закінчується робота блоку синтезу конструкторської документації (блок 9). Тут перехід до роботи наступної за маршрутом проектування багатоетапної САПР буде здійснено тільки тоді, коли отриманий конструкторський опис задовольняє ТЗ.

2.4. Зміна складу, ієрархії підсистем та внутрішніх зв’язків в багатоетапній САПР за адаптивною стратегією проектування. Ефективність кожної операції, що входить до маршруту проектування, визначається часом та ресурсами, які на неї витрачаються. Водночас отримане значення критерію якості двигуна f також є свідченням ефективності обраної стратегії. Саме за комплексом цих показників оцінюють ефективність обраної стратегії проектування в цілому.

Розробка альтернативних адаптивних стратегій проектування повинна передбачати розв’язання двох задач:

1. Формулювання можливих наукових, технічних, економічних, організаційних проблем, що виникають при проектуванні ЦС.

2. Пошук варіантів розв’язання сформульованих проблем та виконання описів вирішальних правил.

Формулювання можливих проблем проектування здійснюється на основі досвіду виконавців і експертів проекту шляхом аналізу отриманих результатів для однотипних задач, аналізу існуючих математичних методів, недоліків їх використання тощо.

За приклад розглянемо проблему розробки альтернативних адаптивних стратегій проектування КЗ поршня швидкохідного дизеля. На сьогодні в світовій практиці можна виділити два основних підходи до проектування КЗ. Перший з них є загальним та передбачає виконання синтезу, аналізу, оптимізації конструкції з урахуванням впливу температури стінок камери на показники ефективності робочого процесу двигуна і токсичності його викидів, на ресурс особливо термонавантажених зон поршня. Вітчизняним інтегрованим прикладом робіт з цього напрямку є дослідження вчених кафедри двигунів внутрішнього згоряння НТУ “ХПІ” під керівництвом проф. А.Ф.Шеховцова. Ними виконано комплекс експериментально-розрахункових та теоретичних робіт для широкого класу дизельних двигунів. Щодо швидкохідного дизеля 4ЧН12/14 експериментальні роботи проведено в інтервалі змін температури кромки КЗ 270 ºС – 710 ºС. При цьому вибраних математичних моделей за впливом температури стінок КЗ на значення часткових критеріїв ефективності конструкції. Тут пошук компромісного рішення між критеріями паливної економічності по залежності (2.1), токсичності викидів двигуна по залежності (2.2), а також відносного ресурсу кромки КЗ його поршня по залежності (2.3) може бути виконано з використанням загальної схеми і загальної адаптивної стратегії проходження проекту, яку подано на рис.2.11.

Найбільш складною процедурою при цьому є багатокритерійна оптимізація конструкції в блоці 8.

Інший підхід до розробки конструкції КЗ базується на першочерговому врахуванні тільки значень показників економічності й токсичності двигуна. Відповідну схему проходження проекту в САПР подано на рис.2.14. У цьому випадку забезпечення потрібного рівня тривалої міцності поршня (блок 9) здійснюється тільки після визначення геометрії КЗ, що є оптимальною з точки зору якості робочого процесу (блок 5). Рівень складності задач оптимізації при цьому знижується, а схема проектування КЗ спрощується. Вона буде альтернативною до загальної схеми рис.2.11. При цьому особливість використання альтернативної схеми полягає в тому, що робота блоку оптимізації 9 передбачає зміни лише тих конструктивних параметрів конструкції, які не впливають на значення критеріїв ефективності робочого процесу.

Наведемо приклад перевірки можливості використання схеми рис.2.14. Цю перевірку виконано для поршня з відкритою КЗ дизеля 6ЧН12/14 (СМД31.15). Рівень форсування двигуна – 20 кВт/л. Розрахунки робочого процесу та оцінку емісії оксидів азоту реалізовано за методиками наукової школи проф. Н.Ф.Разлейцева. На першому етапі робіт визначено вплив температури стінок КЗ поршня на питому ефективну витрату палива та на індекс емісії оксидів азоту . Температура стінок КЗ в зоні взаємодії паливного факела з останніми в чисельному експерименті змінювалась в широкому діапазоні: 150 °С – 700 °С.

Результати розрахунків наведено в табл.2.1. Вони ще раз підтверджують, що в загальному випадку температура стінок КЗ є фактором, що впливає на основні показники роботи дизеля. Це означає, що у разі прийняття радикальних рішень щодо проектування поршня слід користуватись першим з розглянутих підходів, тобто забезпечувати обов’язкове врахування впливу температури стінок КЗ на робочий процес.

Лекція 8.ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ САПР ДВЗ

Структура програмного забезпечення САПР

Програмне забезпечення є обов’язковою сполучною ланкою між

проблемним середовищем і технічними засобами комп’ютерної технології

проектування – реалізує потенційні можливості обчислювальної техніки

щодо її призначення. Саме тому ПЗ займає особливе місце в процесах розробки, використання, модернізації САПР та визначає функціональну повноту, ефективність, вартість автоматизованої системи в цілому. На сьогодні загальні витрати людства на розробку ПЗ обчислюються сотнями мільярдів доларів США та продовжують зростати. Цю тенденцію подано на рис.3.1, звідки видно, що тільки за останнє десятиліття ХХ ст. ці витрати зросли більше ніж у 3 рази.

Нагадаємо, що в основу ПЗ покладено поняття алгоритму як попередньо наданої послідовності інструкцій (команд, дій), виконання яких приводить до результату розв’язання певної задачі. При цьому програмою зветься алгоритм, який записано мовою програмування.

Програмне забезпечення об’єднує програми та програмну документацію, що є необхідною для експлуатації програм.

Програмна документація (ПД) потрібна для розробки, використання,

модернізації програм. У загальному випадку до ПД залучають:

1) специфікацію;

2) опис області застосування і призначення програми;

3) опис функціонування програми;

4) схему алгоритму і пояснення до неї;

5) текст програми мовою програмування з неодхідними коментарями;

6) відомості щодо забезпечення кваліфікованої експлуатації програми;

7) методики випробування програми.

ПЗ САПР призначене для виконання двох наступних груп функцій:

1. Функцій забезпечення, котрі здійснюють структурне та функціональне об’єднання системи, її працездатність і розвиток.

2. Функцій користування, за допомогою яких безпосередньо здійснюється процес проектування.

З урахуванням цих груп функцій в структурі ПЗ САПР відповідно до рис. 3.2 виділяють:

- базове (системне) програмне забезпечення засобів обчислювальної техніки (БПЗ ЗОТ);

- базове загальносистемне програмне забезпечення САПР (БПЗ САПР);

- спеціалізоване (прикладне) програмне забезпечення САПР (ППЗ САПР).

До базового ПЗ ЗОТ залучають операційні системи (ОС), системи програмування, сервісні програми.

Операційні системи займають найважливіше місце в сукупності системних програмних засобів.

ОС керує комп’ютером, запускає програми на виконання, забезпечує

розміщення, зберігання, захист даних, керує обміном інформацією із зовнішнім середовищем, виконує інші різноманітні операції за запитами і командами користувача та програм. З цього приводу ОС знаходиться в основі організації обчислювального процесу, визначає якість використання апаратних компонентів АС, ефективність розв’язання проектних задач, продуктивність інженерного персоналу проектної організації.

Системи програмування призначені для автоматизованого створення

програм і складаються з трансляторів (компіляторів або інтерпретаторів) та інших програмних засобів, що забезпечують розробку, редагування та перетворення текстів програм, які написані мовою програмування, в машинний код. Саме цей код утворює інструкції, що зрозумілі процесору, та які призначені для покрокового автоматичного викСервісні програми повинні забезпечити різноманітні допоміжні функції загальносистемного призначення, наприклад підвищення ефективності керування ОС, створення архівів даних і програм, діагностики роботи технічних пристроїв тощо.

В цілому БПЗ ЗОТ є інваріантним до об’єкту проектування і виконує функції забезпечення автоматизованого процесу проектування. Таким чином, БПЗ ЗОТ утворює операційне середовище, в якому функціонує БПЗ САПР та ППЗ САПР.

До базового програмного забезпечення САПР залучають програми і програмні комплекси міжгалузевого використання, призначенням яких є виконання типових САПР-орієнтованих функцій обслуговування процесу проектування.

Пояснимо вказане на прикладі. В процесі конструювання ДВЗ вини-

кає потреба у виконанні креслярської документації елементів двигуна і

двигуна в цілому. Тут особливості подання конструкторського опису

об’єкту проектування не залежать від особливостей СТС, а визначаються

нормами ЄСКД. Графічну систему реалізації цих норм слід відносити до

підсистем обслуговування САПР і відповідно до БПЗ САПР. Таким чином,

програми БПЗ САПР входять до моделі оптимального проектування ДВЗ

як компоненти модуля обслуговування (див. рис.2.1).

Рисунок 3.2 – Структурна схема ПЗ САПР

Відповідно до рис. 3.2 БПЗ САПР складають системи підготовки текстової і графічної документації, СКБД, мережне ПЗ тощо. Усі види БПЗ САПР мають свою особисту класифікацію і місце в процесі обслуговування процесу роектування.

Прикладне програмне забезпечення САПР призначене для виконання зовнішнього функціонального опису ЦС, отримання проектних рішень.

В основу ППЗ САПР покладено методи наукових дисциплін, що потребують використання в процесі проектування. Склад ППЗ САПР завжди є індивідуальним і залежить від об’єкта проектування, обсягу задач, що вирішує надана САПР, рівня досконалості цієї САПР.

Часто для отримання проектного рішення використовується не одна програма, а пакет прикладних програм (ППП), що утворює програмний комплекс. За змістом певних задач проектування ці програми і комплекси онання задач.

поділяють на проблемно-орієнтоване ПЗ (ПО ПЗ) і об’єктно-орієнтоване ПЗ .

ПО ПЗ використовують для виконання типових проектних процедур,

що не залежать від особливостей об’єкта проектування. Цей вид ПЗ повинен допускати отримання рішень для об’єктів різного функціонального призначення. Наприклад, проблемно-орієнтована система розрахунку температурного стану деталей повинна розв’язувати задачу теплопровідності для головки циліндрів, поршня, клапана, гільзи циліндрів, розпилювача форсунки тощо. Усі ці деталі мають суттєво відмінну конфігурацію і значно відмінні граничні умови теплообміну.

Таким чином, в межах розробленої САПР ДВЗ проблемно-орієнтоване ПЗ обслуговує групу однотипних задач проектування різноманітних елементів двигунів. Склад цього виду забезпечення відповідає складу об’єктно-незалежного модуля моделі оптимального проектування.

Залучення до САПР проблемно-орієнтованого ПЗ, яке реалізує типові проектні процедури, суттєво зменшує витрати на створення ПЗ в цілому.

Об’єктно-орієнтоване ПЗ призначене для безпосереднього проектування ЦС наданої САПР. Цей вид ПЗ є повністю спеціалізованим. Тут навіть для розв’язання однотипних задач, але на різних етапах проектування двигунів, використовують різне ОО ПЗ. Це визначається особливостями загального низхідного процесу проектування СТС. Так, наприклад, на початкових стадіях проектування, коли відомі лише загальні конструктивні рішення, розрахунок робочого процесу здійснюють за спрощеними математичними моделями. Але після уточнення конфігурації деталей КЗ, газоповітряних трактів, параметрів повітря- та паливопостачання, умов теплообміну використовують уточнені моделі. Ясно, що склад ОО ПЗ відповідає об’єктно-залежному модулю моделі оптимального проектування ДВЗ. ОО ПЗ може бути створено лише за участю спеціалістів прикладної сфери та повинно постійно оновлюватись у процесі удосконалення внутрішнього функціонального опису СТС. Саме тому спеціалісти-проекту-

вальники двигунів внутрішнього згоряння повинні розуміти вимоги, що

ставляться до ПЗ САПР. Ці вимоги повністю базуються на принципах будови та відповідають цілям використання САПР ДВЗ. До вказаних вимог віднесено:

1. Розвиток – можливість доповнення ПЗ САПР новими програмами і ППП, що розширюють можливості системи.

2. Адаптованість – можливість функціонування розробленого ПЗ у складі з іншим ПЗ САПР.

3. Мобільність –можливість функціонування ПЗ САПР з використанням різної ОТ.

4. Гнучкість – можливість введення до програм змін і доповнень при збереженні незмінними інших компонентів системи.

5. Надійність – забезпечення достовірних результатів проектування.

6. Реактивність – забезпечення швидкого розв’язання задачі з урахуванням її орієнтації на використання спеціалістом-проектувальником.

7. Компактність – використання мінімальних ресурсів ЕОМ (пам’яті, часу роботи процесора і зовнішніх пристроїв).

Забезпечення цих вимог дозволяє зберігати ефективність системи в процесі її експлуатації з урахуванням об’єктивної появи нових знань в теорії ДВЗ та в суміжних областях. З цього приводу удосконалення ПЗ САПР в процесі експлуатації системи є одним з головних факторів створення зразків техніки, що перевищують кращі світові аналоги за вибраним комплексом критеріїв її якості f .

Слід відрізняти класифікацію ПЗ за основними функціями та класифікацією підсистем САПР за функціональним призначенням. Ці відміни подані в табл.3.1. Видно, що БПЗ ЗОТ не залучається до підсистем САПР та несе функції абезпечення процесу проектування. Водночас БПЗ САПР виконує функції користування в процесі проектування та залучається до підсистем обслуговування. І, нарешті, ППЗ САПР реалізує функції користування та є програмним компонентом підсистем проектування.