Материал: САПР технологического оборудования. курс лекций. Новокщенов С.Л., Бойко А.Ю

Это не обеспечивает уровень формализации исходной задачи структрно-компоновочного синтеза, достаточный для использования рассмотренных алгоритмов компоновки. Решить эту задачу можно на основе структурно-параметрических моделей компоновок, которые используют для оценки вариантов компоновок функциональные критерии. Наиболее полно в настоящее время можно автоматизировать процесс проектирования узлов из унифицированных элементов и деталей. В этом случае сведения по унифицированным деталям и сборочным единицам хранятся в банке данных. ЭВМ по требуемым характеристикам может выбирать детали и целые сборочные узлы.

При этом значительно упрощается формирование массивов исходных данных и выполнение вспомогательных работ, связанных с подготовкой проектной документации.

Методика синтеза математических моделей кузнечно-штамповочного оборудования объединяет в себе возможности всех перечисленных выше алгоритмов и заключается в следующем. Объект моделирования расчленяют на элементы с учетом наличия соответствующих моделей в библиотеке моделей элементов. При расчленении объекта выявляют число и характер связей между элементами.

Число и характер связей для механических объектов определяется числом и видом независимых координат, по которым взаимодействуют элементы в месте расчленения. Структура объекта представляется в виде топологии, т.е. схемы, содержащей условные обозначения элементов и их связи.

Затем описание структуры в виде топологии превращается в описание структуры на применяющемся языке описания объекта выбранного программного комплекса, дополняется списками параметров элементов, в результате чего превращается в описание объекта достаточное для выполнения моделирования его работы.

2.3. Информационное и техническое обеспечение САПР конструкторских работ

Одной из составляющих систем автоматизированного проектирования является информационное обеспечение. Для эффективной работы САПР необходима объектно- и проблемно-ориентированная информационная среда – конструкторская и технологическая базы данных, содержащие в компьютерных файлах “золотой запас” достижений автоматизированного проектирования и производства, в данном случае, кузнечно-прес­совых машин. Современные требования к разработке и архитектуре конструкторской базы данных, системе управления, обработке транзакций и т.п. обобщены в работе.

Технологическая база данных интегрируется в единую систему с конструкторской, и включает всю информацию, необходимую для изготовления деталей, узлов и пресса в целом. Все данные должны быть представлены по возможности полностью в главном файле интегрированной системы и автоматически корректироваться в связи с изменениями конструкций или маршрутно-технологических карт.

В содержании банков данных можно выделить информацию, которая меняется незначительно, и переменную информацию. Постоянно хранимая информация содержит справочные данные, например, ГОСТы, нормали, параметры унифицированных узлов и элементов, типовые конструкторские решения и т.д. Эта часть информации обновляется лишь при изменении соответствующих справочных данных.

Переменная часть информации связана с оборудованием, находящимся в процессе проектирования. На каждом этапе проектирования данная информация обновляется, пополняется и уточняется, и на последнем этапе ее используют для подготовки проектной документации.

Отдельные банки данных для обеспечения согласованного взаимодействия программ автоматизированного проектирования объединяются в базу данных. Организация базы данных должна предусматривать одновременное использование банков данных в различных программах. В этом случае банки данных сопрягаются между собой с помощью специальных программных интерфейсов. Задачей таких интерфейсов является переработка информационных структур одного банка в форматы и структуры другого банка данных. При организации банков данных используют различные структуры. Основными типами структур являются последовательная, списковая, древовидная, сетевая и реляционная. Для каждого типа структуры данных разработаны методы поиска информации. Последовательные структуры данных (массивы) характеризуются тем, что логический порядок элементов информации в них совпадает с физическим порядком расположения элементов. Элементами последовательной структуры данных являются записи. Записи организуются в массивы и характеризуются ключевым признаком. Последовательные структуры данных могут быть упорядоченными и неупорядоченными по значению ключевого признака, имя которого одинаково для всех записей. Чтобы задать последовательную структуру данных, необходимо указать адрес первой записи, длину записи и адрес последней записи.

Для изменения данных можно производить следующие операции: добавление, исключение и замена. Для вставки новой информации необходим сдвиг записей. Исключение может производиться без сдвига записей, но тогда появляются свободные участки памяти. Замена осуществляется при переорганизации массива. Списковые структуры данных строятся по следующим правилам: элементом списка более сложной структуры является список более простой структуры, являющийся подсписком исходного списка. Для задания списковой структуры необходимо задать указатель списка, в котором содержится адрес расположения первого элемента списка и указатели элементов. Основными преимуществами списковой структуры данных является гибкость и высокая производительность изменения данных. Древовидные структуры данных организуются по следующим правилам: на первом уровне расположена только одна запись (корень дерева), к любой записи каждого уровня ведет адрес связи только от одной записи предыдущего уровня. Если эти условия нарушаются, получается сетевая структура данных. Записи последующего уровня, адресованные записями предыдущего уровня, образуют группу. Максимальное число записей в группе называют порядком дерева.

База данных САПР механических прессов. База данных рассматриваемой САПР обеспечивает подготовку и хранение информации о механических свойствах применяемых конструкционных материалов. Основной для создания конструкций узлов кузнечно-штамповочного оборудования, является конструктивная преемственность, т.е. использование предшествующего опыта. Каждая современная машина в той или иной степени является результатом работы конструкторов нескольких поколений. Основой формирования проектных гипотез обычно служит базовая модель, т.е. действующий образец конструкции машины или ее отдельного узла, данные о которых хранятся в специализированной базе данных.

Все данные структурированы и хранятся в отдельном файле «База данных.xls». База данных содержит следующую информацию:

1. механические свойства наиболее применяемых для изготовления деталей различных типов механических прессов марок конструкционных сталей, стального, чугунного и бронзового литья:

- предел прочности при растяжении _b;

- предел текучести при растяжении _T;

- предел выносливости

- при изгибе _;

- при кручении _;

- при растяжении–сжатии _-1p;

2. коэффициент пульсирующего цикла

- при изгибе _

- при кручении _

3. величины суммарных коэффициентов влияния на предел выносливости;

4. эффективные коэффициенты напряжений,

5. коэффициенты влияния абсолютных размеров поперечного сечения и состояния поверхности на выносливость и характеристики, необходимые для расчета деталей прессов на прочность и выносливость.

Кроме этого, база данных так же содержит следующие характеристики:

1. модуль упругости;

2. коэффициент Пуассона;

3. модуль сдвига;

4. плотность;

5. коэффициент температурного расширения;

6. коэффициент теплопроводности;

7. удельная теплоемкость.

Для изготовления деталей механических прессов используются углеродистые стали по ГОСТ 380-71, углеродистые качественные стали по ГОСТ 1050-60, легированные конструкционные стали по ГОСТ 4543-71, стали для отливок по ГОСТ 977-65 и ГОСТ 7832-65 и рессорно-пружинные стали по ГОСТ 14959-69. Величины перечисленных характеристик играют определяющую роль при выполнении расчетов на прочность по допускаемым значениям, на основании чего автоматически делается вывод о работоспособности спроектированной сборочной единицы. Внутренней базой данных в Excel являются списки. Списки практически ничем не отличаются от того, с чем пользователь обычно имеет дело, работая в Excel: здесь информация также сохраняется в строках и столбцах.Согласно терминологии, принятой в базах данных, понятие поле эквивалентно принятому в Excel понятию столбец.

Процедура доступа к данным, хранящихся в базе данных осуществляется с помощью стандартной процедуры табличного процессора Microsoft Excel – ВЫБОР, которая с помощью элемента управления «Поле со списком» панели «Формы». При осуществлении фильтрации списка согласно установленному критерию или правилам часть его данных оказываются “спрятанными” (на экране их не видно). Для организации данных можно воспользоваться имеющимися в Excel инструментами сортировки. В зависимости от типа данных, Excel может задать ряд вопросов с тем, чтобы определить, по какому принципу необходимо сортировать эти данные. В отличии от фильтрации данных, операция сортировки не приводит к скрытию данных. Можно видеть те же данные, но в другом порядке.

Вопросы для самоподготовки:

1. В чем заключаются задачи конструкторского проектирования

2. На каких принципах основан компоновочный синтез кузнечно-штамповочного оборудования и его узлов?

3. Опишите информационное и техническое обеспечение САПР конструкторских работ?

Лекция №3 Структура программ инженерных расчетов

Теоретические вопросы:

3.1. Расчеты на ЭВМ

3.2. Структура программ

3.1. Расчеты на ЭВМ

В настоящее время выделяют восемь уровней автоматизации проектирования:

1) автоматизированный расчет;

2) машинное моделирование;

3) машинные испытания;

4) автоматизированное оптимальное проектирование;

5) машинная графика;

6) автоматизированное конструирование;

7) автоматизированное проектирование;

8) автоматическое проектирование.

Автоматизированные расчеты на ЭВМ в настоящее время широко применяют в повседневной инженерной практике. При конструировании и эксплуатации машин в большинстве случаев возникает необходимость в разрешении противоречивых требований, предъявляемых к кузнечно-прессовому оборудованию (повышение энергоемкости и производительности, повышение точности и улучшение качества штампуемых поковок при одновременном снижении энергетических затрат, динамических и ударных нагрузок в элементах конструкции КШМ). И к числу новых возможностей, обеспечиваемых при проектировании с помощью ЭВМ, можно отнести следующее:

1) возможности оптимизации;

2) автоматизацию проектирования;

3) возможность получения решения с любой требуемой точностью;

4) возможность проведения расчетов в условиях весьма ограниченного времени счета.

Расчеты на ЭВМ, особенно по комплексным программам, не проводят под постоянным контролем человека. Поэтому для возможности проведения расчетов деталей кузнечно-прессовых машин на ЭВМ должна быть обеспечена формализация задачи; должны быть учтены критерии работоспобности, расчетные условия, а при необходимости оптимизации – так же критерии оптимизации и ограничения.

Эффективное конструктивное решение достигается лишь при разработке нескольких вариантов конструкции, их всестороннем анализе и выборе наиболее рационального из них. Обычно этот вариант не является наилучшим во всех отношениях, а обладает либо средними значениями всех характеристик, либо высокими значениями наиболее важных характеристик.

САПР МП. Для выполнения проектировочных и проверочных расчетов используется табличный процессор Microsoft Excel, в связи с чем, не возникает необходимости в разработке специализированного интерфейса, в качестве которого используется оболочка табличного процессора.

Создавались программы с учетом следующих классических этапов подготовки к решению задачи на ЭВМ:

1. математическая формулировка задачи;

2. разработка алгоритма решения (включая выбор метода вычислений и разработку схемы алгоритма);

3. составление программы средствами табличного процессора Microsoft Excel.

Создавались программы с учетом следующих классических этапов подготовки к решению задачи на ЭВМ:

4. математическая формулировка задачи;

5. разработка алгоритма решения (включая выбор метода вычислений и разработку схемы алгоритма);

6. составление программы средствами табличного процессора Microsoft Excel.

Последовательность работы при проектировании с применением расчетных модулей предлагаемой САПР можно представить в виде блок-схемы, представленной на рис. 4.

Полученные результаты вычислений с необходимыми выводами можно вывести на печать простым щелчком по специальной кнопке «Печать», расположенной на рабочем листе «Отчет».

Математическое обеспечение САПР представляется унифицированными расчетными моделями сборочных единиц механических прессов, созданных на основе выполненной классификации базовых конструктивных решений по применяемым на Воронежском ОАО «Тяжмехпресс» при проектировании руководящим материалам.

В связи с этим алгоритмы предлагаемой САПР образуют модульную иерархическую структуру и разделяются на алгоритмы универсальных, унифицированных и специализированных проектных операций и процедур, работа которых удовлетворяет основной цели выполнения проверочных расчетов размеров и анализе критических значений механических характеристик материалов спроектированных сборочных единиц по условиям работоспособности.

Расчетные алгоритмы, для получения значений рассчитываемых величин используют итерационные алгоритмы, что обуславливается цикличностью происходящих в механических прессах процессов под действием технологической нагрузки.

Все результаты расчета промежуточных величин хранятся в отдельном файле «Результаты.xls», данные которого используются для дальнейшей регенерации моделей спроектированных сборочных единиц в CAD-системе SolidWorks.

Рис. 4. Последовательность работы с

элементами программного комплекса

В связи с этим, файл «Результаты.xls» имеет строго определенную структуру хранения информации:

1. Тип пресса, который определяется значением переменной TYPPRESS;

2. Конструктивные особенности привода проектируемого пресса (число ступеней, тип зубчатых колес) определяется значением переменной KOLST и KINDOFWHEEL;

3. Вычисленные значения размеров базовых смежных деталей и сборочных единиц.

На основе хранящейся в файле «Результаты.xls» данных выполняется выбор и генерация моделей базовых деталей.

3.2. Структура программ

Решение задачи проведения инженерных расчетов на ЭВМ – представляет собой процесс автоматического преобразования исходных данных в искомый результат в соответствии с заданным алгоритмом.

Основным в процессе реализации сформулированной задачи на ЭВМ является разработка алгоритма, однако перед этим необходимо выполнить следующие этапы:

1. постановка задачи;

2. построение математической модели;

3. алгоритмизация. Алгоритмизация - это техника составления алгоритмов и программ для решения задач на компьютере;

4. решение задачи на ЭВМ.

Укрупнено можно выделить следующие этапы подготовки задачи к решению на ЭВМ:

1. математическая формулировка задачи;

2. разработка алгоритма решения, включающая:

а) выбор метода вычислений;

б) разработку схемы алгоритма;

3. составление программы на алгоритмическом языке.

Алгоритмом (применительно к ЭВМ) называется совокупность указаний-правил, определяющих последовательность арифметических и логических действий над исходными и промежуточными данными, приводящих к решению задачи и получению результатов вычислений.

Алгоритмы должны удовлетворять таким требованиям: точному установлению порядка действий; возможности с помощью одного алгоритма решать не только индивидуальную задачу, но и серию однотипных задач; формальности, т.е. возможности правильно составить программу, не вникая в физический смысл задачи.

При составлении алгоритма необходимо также учитывать ограничения, игнорирование которых приводит к срыву работы программы:

1) невозможность деления на нуль;

2) невозможность представления логарифмов нуля и отрицательных чисел;

3) отсутствие смысла при вычислении arcsin x и arcos x для |x| > 1; 

4) невозможность извлечения квадратного корня из отрицательного числа и т.д.

Алгоритм может быть представлен:

1) в виде последовательности формул;

2) в виде схемы алгоритма;

3) в виде программы на алгоритмическом языке.

Наиболее наглядным способом описания алгоритма является схема алгоритма, представляющая собой последовательность графических изображений (символов), соединенных линиями со стрелками, указывающими направление вычислительного процесса. За основное направление принято направление «сверху вниз» и «слева направо».

Внутри символов словами или с помощью формул указывают выполняемую функцию (ввод исходных данных, вычисление расчетных параметров, условие, изменяющее направление выполнения алгоритма).

Большинство физических задач естественным образом с

водятся к решению линейных уравнений. Эти уравнения объединяются в одну большую линейную систему, которая может быть решена, если нужно вычислить неизвестные силы, действующие на различные детали КШМ.