Тема 2.3 Задачи и оптимизация задач проектирования и конструирования с помощью САПР
4.1.6. Методы решения задач оптимизации.
Применяются два основных типа методов оптимизации: классические (метод дифференциального исчисления, метод множителей Лагранжа, вариационное исчисление) и методы математического программирования, которые включают линейное и нелинейное программирование, динамическое программирование и др.
Задачи поиска экстремума могут решаться методами дифференциального исчисления (производная в точке экстремума = 0). Для решения таких задач можно использовать метод множителей Лагранжа. Преимущество этого метода в том, что нет необходимости выражать одни переменные через другие, а также учитывать, все ли переменные независимы. Вариационное исчисление устанавливает условия, при которых функционалы достигают экстремума, и основная его цель – получение общих методов поиска экстремумов для задач с большим числом переменных.
Для многих задач оптимизации не удается подобрать аналитические методы решений. В таких случаях применяются так называемые итерационные методы (последовательного приближения) поиска экстремума. Методы математического программирования предназначены для решения многовариантных задач, связанных с выбором наилучших решений из числа многих возможных.
Задачи линейного программирования характеризуются тем, что соответствующая им модель может быть составлена с помощью линейных уравнений и неравенств, представляющих условия задачи и целевую функцию в линейной форме. Наиболее распространенным методом линейного программирования является симплекс-метод и его модификации. В специальной литературе описаны и методы нелинейного программирования, например, динамическое программирование.
|
|
Анализ (инженерный) и оптимизация должны проводиться после принятия каждого решения, которое влияет на результат проектирования.
Тема 3.1 Стадии и этапы проектирования
Стадии проектно-конструкторского процесса и его операционная последовательность: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочий проект.
Стадии разработки конструкторской документации и этапы работ установлены ГОСТ 2.103 – 68. Он обобщает опыт, накопленный в передовых странах по проектированию машин, приборов и аппаратов [1].
Техническое задание (ТЗ) – первая стадия разработки. Является исходным документом для разработки изделия и документации на него. Составляется на основе технических требований заказчика (заказа-заявки), а также результатов научно-исследовательских и экспериментальных работ, научного прогнозирования, анализа передовых достижений и технического уровня отечественной и зарубежной техники, изучения патентной документации [2].
ТЗ в общем случае содержит: -наименование и область применения изделия, основание для разработки; -цель и назначение разработки; -источники разработки; -технические требования; -экономические показатели; -стадии и этапы разработки; -порядок контроля и приемки.
В разделе «Наименование и область применения» дается наименование и условное обозначение изделия, его классификация (классификационные признаки) и краткая характеристика области применения. В разделе «Основание для разработки» указываются полное наименование документов, на основании которых разрабатывается изделие; организация, утвердившая документ, и дата утверждения. В разделе «Цель и назначение разработки» определяется эксплуатационное и функциональное назначение, перспективность разрабатываемого изделия. В разделе «Источники разработки» дается перечень работ, каталогов, проспектов, патентов, экспериментальных разработок и конструкторских докуметов, используемых в качестве исходного материала. Раздел «Технические требования» содержит технические требования и нормы, определяющие эксплуатационные характеристики изделия и его показатели качества, сблюдение которых при проектировании обязательно.
|
|
В ТЗ включаются, как правило, прогнозируемые показатели технического уровня и качества, а для продукции на экспорт – показатели патентной чистоты и патентоспособности. В ТЗ должны содержаться необходимые для проектирования сведения, но нельзя ограничивать проектировщика в выборе путей достижения заданных показателей, за исключением случаев, когда ограничение диктуется требованиями взаимозамозаменяемости, технологичности, возможностями получения комплектующих изделий и другими обоснованными причинами.
В разделе «Экономические показатели» указывают лимитную цену изделия, ориетировочную экономическую эффективность, срок окупаемости затрат, предполагаемую годовую потребность на изделие, а также экономические преимущества изделия по сравнению с аналогами или прототипами. В разделе «Стадии и этапы разработки» указывают этапы разработки, а также перечень документов, подлежащих разработке и сроки их выполннения. В разделе «Порядок контроля и приемки» дается перечень документов, подлежащих согласованию и утверждению на отдельных стадиях проектирования, требования к приемке работы, изготовлению и испытанию опытных образцов.
|
|
Вторая стадия – разработка технического предложения. Это, в соответствии с ГОСТ 2.118 –73, совокупность конструкторских документов, обосновывающих техническую и технико-экономическую целесообразность разработки изделия на основе предложений в ТЗ, рассмотрения вариантов возможных решений с учетом достижений науки и техники в стране и за рубежом, патентных материалов, возможностей машиностроительных заводов отрасли и смежных отраслей. Техническое предложение включает, как правило, разработку функциональной схемы изделия, схемы процесса или перечня основного оборудования и схемы его расположения. Техническое предложение утверждается заказчиком и генеральным подрядчиком. Разработанным на этой стадии конструкторским документам присваивается литера «П»[1].
Третья стадия – разработка эскизного проекта. В соответствии с ГОСТ 2.119 – 73 он включает совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальные конструкторские решения и разработки общих видов (компоновок), дающих представление об устройстве разработанного изделия, принципе его действия, габаритах и основных параметрах. На этом этапе производятся основные расчеты работоспособности и надежности разработанной конструкции, выбираются или рассчитываются параметры проектируемых процессов, увязываются отдельные элементы конструкции или процесса. Кострукторским документам присваивается литера «Э».
Четвертая стадия – технический проект разрабатываемого изделия. Выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 2.120 – 73 и содержит: принципиальные кинематические, метрологические, электрические, оптические и другие схемы, если их выполнение необходимо для разработки проектируемого изделия; чертежи общих видов изделия и его составных частей; пояснительную записку (ПЗ) к техническому проекту; карту технического уровня и качества изделия; ведомость технического проекта.
Поснительные записки составляют при разработке технических предложений, эскизных и технических проектов. Объем и состав ПЗ для каждой стадии проектирования опр-ся полнотой и глубиной проработок, законченностью НИР и ОКР, а также детализацией графического материала. ПЗ к техническому проекту включает: выбор и обоснование конструкции проектируемого изделия; описание работы разработанного изделия; расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность разработанного изделия (кинематический и силовой расчеты; расчеты на точность, прочность, жесткость, долговечность, оптические, электрические, гидравлические и другие расчеты, выполнение которых необходимо для разработки проектируемого изделия и предусмотрено заданием); расчет показателей качества спроектированного изделия (уровень стандартизации и унификации, показатели эргономичности и эстетичности, показатели патентной чистоты или патентоспособности и др.); описание работ с применением проектируемого изделия или инструкцию по его эксплуатации; другие разделы, предусмотренные ТЗ.
Ведомости технического предложения (ПТ), эскизного проекта (ЭП) и технического проекта (ТП) составляют согласно ГОСТ 2.102–68.
Пятая стадия – разработка рабочей документации. Она выполняется по ГОСТ 2.102 – 68, ГОСТ 2.108 –68 и ГОСТ 2.109 – 73 в виде: чертежей деталей, входящих в проектируемое изделие; сборочных чертежей; спецификаций проектируемого изделия или его составных частей. На этой стадии разрабатываюется конструкции деталей, оптимальные по показателям надежности, технологичности и экономичности.
Широкое использование ЭВМ на всех стадиях проектирования необходимо, чтобы избавить конструктора от выполнения трудоемких расчетов, многофакторного анализа и большого объема гафических работ.
Этапы проектирования и выпускаемая документация
Последовательность прохождения этапов разработки изделия, цели и задачи, стоящие перед проектировщиками на отдельных этапах, состав проектной документации и требования к ней регламентированы соответствующими ГОСТами.
Кратко охарактеризуем основные этапы проектирования.
ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП.
Основная задача - изучение назначения изделия, условий эксплуатации и производств, на которых предполагается его изготовление. Цель этапа - разработка технического задания (ТЗ), в котором содержится информация о назначении, основных технических характеристиках, условиях эксплуатации, транспортировки и хранения.