Предмет ОСАП. Его задачи и место в подготовке специалиста.

Основы систем автоматизированного проектирования

Проектирование – это процесс создания окончательных описаний технического объекта (нового, или модернизируемого), достаточных для изготовления, или реализации этого объекта в заданных условиях (упрощенное понимание).

Под техническим объектом, понимается изделие (механизм, машина), или процесс (производства, ремонта, модернизации).

Более научное определение, понятию проектирование дает ГОСТ «Система автоматизированного проектирования. Основные положения». Проектирование – это процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще несуществующего объекта, на основе первичного описания этого объекта и/или алгоритма его функционирования с оптимизацией заданных характеристик объекта, устранением некорректности первичного описания и последующим представлением описания на различных языках (заданном языке).

По степени новизны проектируемых изделий различают следующие задачи проектирования:

1. Частичная модернизация существующего изделия (изменение его параметров, структуры и конструкции), обеспечивающая сравнительно не большое (несколько десятков процентов), улучшение одного, или нескольких показателей качества, для оптимального решения, тех же, или новых задач.

2. Существенная модернизация, которое предполагает, значительное улучшение (в несколько раз) показателей качества

3. Создание новых изделий, основанных на новых принципах действия, конструирования и производства, для резкого увеличения (на несколько порядков), показателей качества при решении тех же, или существенно новых задач

Проектирование является сложным многоэтапным процессом, в котором могут принимать участие большие коллективы специалистов, целые институты и научно - производственные объединения, а также организации заказчиков, которым предстоит эксплуатировать разработанную аппаратуру.

С точки зрения последовательности выполнения различают основные стадии проектирования:

1. Предварительное проектирование, результатом которого являются технические предложения (аван-проект). Эта стадия в наибольшей степени насыщена элементами научного поиска, теоритическими расчетами, экспериментальными исследованиями. Они завершаются обычно созданием лабораторных макетов.

2. Эскизное проектирование, результатом которого является эскизный проект. На этой стадии усилия разработчика во многом направленны на поиски эффективных конструкторских решений. Она также связанна с большим объемом теоретических изысканий, сложных расчетов и заканчивается созданием экспериментального образца проектируемого изделия и его тщательными экспериментальными исследованиями.

3. Техническое проектирование, при котором выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений. На стадии технического проектирования создается техническая документация на разрабатываемую аппаратуру и процессы его производства. Итогом является технический проект, содержащий необходимую документацию, и опытный образец изделий, прошедший всестороннее испытание в реальных условиях эксплуатации.

Конструирование – процесс придания техническим объектам (изделиям) и их элементам конкретных геометрических форм и размеров, наиболее эффективно обеспечивающих их изготовление, взаимодействие (сопряжение) и реализацию функционального назначения.

Конструирование включает процедуры обдумывания и отображения, выбора материалов и технологии изготовления; оно должно обеспечивать возможность экономически целесообразного материального воплощения общей концепции объекта и его элементов.

Различают новое конструирование, конструирование на основе аналогов и вариантное конструирование.

Традиционно и проектированием, и конструированием в машиностроении занимается один специалист, называемый конструктором. Задача конструктора – создавать машины, отвечающие требованиям заказчика, дающие наибольший экономический эффект и обладающие наиболее высокими технико – экономическими и эксплуатационными показателями.

Окончательное описание – комплект конструкторской и технологической документации в виде чертежей, пояснительных записок, расчетов, схем, спецификаций (документы, предусмотренные ЕСКД), программ для ЭВМ и т.п). Промежуточное описание – это разного рода тексты, эскизы и др. Главное в описании – содержание, отражающее характеристики и свойства объекта.

В ходе проектирования определяются основные параметры технических систем (технических изделий) или их элементов, которые, будучи записанными в той или иной форме, позволяют оценивать их конструктивные, технологические и эксплуатационные характеристики. Проектирование в самом общем случае предполагает выполнение комплекса работ, включающего: теоритические и экспериментальные исследования, расчеты (анализ, моделирование, конструкторскую работу.

Цель проектирования (вообще) – преобразование исходного описания (Технического задания – ТЗ) в окончательное описание. Нельзя проектировать по принципу: пойди туда – не зная куда, спроектируй то – не зная что. Поэтому исходным пунктом, основой любого проектирования является ТЗ, содержащее параметры проектируемого объекта, которые безусловно должны быть обеспечены в результате проектирования. Цель конкретного проектирования – решение конкретной инженерной задачи.

Проектирование может быть функциональным и конструкторским.

Функциональное проектирование – совокупность проектных процедур, связанных с получением и преобразованием описаний функционального аспекте (уровень функциональных схем).

Конструкторское проектирование (собственно проектирование) – совокупность проектных процедур, направленных на получение описаний конструкции объекта (формы, элементов объекта, значений параметров).

Математическое модель – совокупность математических объектов (чисел, переменных, матриц, множеств, точек и т.д.) и отношений между ними, отражающая свойства моделируемого объекта.

Спецификой используемых при проектировании технических изделий математических моделей являются то, что они, как правило, создаются для отдельных элементов изделия и отражают взаимосвязь внешней нагрузки и таких свойств объекта как размеры, механические характеристики материалы (анализ прочности), а также (если объект – механизм) взаимосвязь между параметрами движения ведущего и ведомого звеньев. Создание всеобъемлющей математической модели для всего изделия в целом нецелесообразно из – за его громоздкости, обусловленной спецификой функционирования элементов изделия и разнородностью критериев оценки качества их проектирования.

Входные параметры – это внутренний, или внешний параметр, или это величины воспринимаемые проектируемым объектом со стороны внешней среды, или сопряженного объекта и обеспечивающие функционирование проектируемого объекта.

Выходные параметры – величины характеризующие свойства проектируемого объекта, а также являющийся результатом преобразования входных параметров.

Основа конструкторского проектирования – анализ объекта.

Анализ – это проектная процедура использования математической модели, выполняемая для получения информации о свойствах проектируемого объекта. Цель анализа – определение внутренних параметров объекта (материалов (если они не заданы ТЗ), наиболее существенных параметров и размеров – модуль зацепления, катет сварного шва, диаметр резьбы).

Одновариантный анализ – однократное обращение к математической модели (то, что в технической литературе называется расчетом). Многоквартирный анализ сводится к многократному выполнению одновариантного анализа при варьировании значений внутренних и (или) внешних параметров с целью оптимизации внутренних параметров объекта.

Анализ, по существу, предполагает обязательное выполнение (в явном или неявном виде) следующих этапов:

· Предварительное определение на основе использования математической модели значения размера или параметра объекта;

· Привидение полученного значения размера или параметра в соответствие с нормативными документами;

· Определение в соответствии с заложенными в математической модели уравнениями прочности действующих напряжений и сравнение их с допускаемыми напряжениями.

Использование ЭВМ позволяет выполнять все три этапа анализа одновременно. В технической литературе первые два этапа называются проектным (проектировочным) расчетом, а последний этап - проверочным расчетом.

Критериями оценки принятых значений внутренних параметров являются выходные параметры объекта (или один из них) – габариты, массоинерционные характеристики, КПД, погрешность передаточного отношения.

Оптимальные значения показателей качества (а это один из выходных параметров) достигается за счет изменения управляемых параметров – внутренних параметров. При этом на управляемые параметры могут быть наложены ограничения: прямые и функциональные. Прямые ограничения: например, габариты, масса. Функциональные ограничения: величина действующих напряжений, числа зубьев зубчатых колес, величина катета сварного шва, выполняемого ручной сваркой.

Таким образом, процесс конструкторского проектирования может быть изображен схемой приведенной на рис.1

Рис.1. Схема конструкторского проектирования

В соответствии со стандартом по степени применения технических средств различают проектирование:

· Неавтоматизированное – если все описания объекта или алгоритмов его функционирования осуществляет человек;

· Автоматизированное – результат взаимодействия человека и ЭВМ;

· Автоматическое – когда все операции проектирования происходят без участия человека.