Понятие САПР

Размещено на http://www.allbest.ru/

18

1.Что такое САПР

САПР ? организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации (отдела) и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования (КСАП).

Основная функция САПР - выполнение автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей.

САПР решает задачи автоматизации работ на стадиях проектирования и подготовки производства.

Основная цель применения САПР ? повышение эффективности труда инженеров, включая:

*сокращение трудоёмкости проектирования и планирования;

*сокращение сроков проектирования;

*сокращение себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию;

*повышение качества и технико-экономического уровня результатов

проектирования;

*сокращение затрат на натурное моделирование и испытания.

. Название САПР возникло в 70-х годах, САПР является эквивалентом английского CAD, и расшифровывается как проектирование работы человека и ЭВМ. Под проектированием мы подразумеваем работу в составлении технической документации и описания, ещё не существующего объекта с заданными условиями.

К системе автоматизированного проектирования относятся следующие типы программ: CAD (Computer Aided Drawing) - рисование, CAD (Computer Aided Drafting) - черчение и CAD (Computer Aided Design)- проектирование с помощью компьютерной технологии. Современное компьютерное проектирование и САПР, как его часть являют собой совокупность вычислительной геометрии и отображения на экране компьютера, модели разрабатываемого изделия. При помощи графического интерфейса вы создаёте и работаете с объектно-ориентированными аналитическими моделями.

CAD системы применяются в таких отраслях, как например военная, аэрокосмическая и автомобильная промышленность. Преимущества CAD системы -- это развитие компьютерного обеспечения, графики и геометрического моделирования. Развитие CAD продолжается на протяжении только последних 50 лет, и оно тесно связано и с развитием в области компьютерных технологий. Как и многие другие программы, САПР используется в черчении и традиционном проектировании, это помогает тем, кто только начал работать с инженерными программами. Пользователи сравнивают эту программу с теми навыками, где нет цифровых технологий. САПР - это программное обеспечение, находящееся в динамическом развитии.

Многие компании, выпуская программу САПР, ежегодно обновляют, изменяют и расширяют аппаратное обеспечение, и вычислительную геометрию. Машинная графика является одним из ключевых элементов фундаментальной науки, такими, как комбинированная и аналитическая геометрия, вычислительная математика и информационные технологии, геометрическая оптика. САПР воспринимается как проектирование. Такая система как САПР очень актуальна в наше время, так как развиваются и другие технологии информационные, мультимедийные, цифровая связь, связанные с этой системой. Программы САПР разработаны таким образом, что не требуют особых знаний и умения пользования компьютерной техникой, математического моделирования и программирования. Главная задача пользователя работающего с системой автоматизированного проектирования -- быть знатоком в этой области или иметь желания изучить эту программу. Главные характеристики САПР- визуализация и 3d моделирование, именно такие составляющие систем КОМПАС 3d,SolidWorks, Inventor, AutoCad и др.

2.Математическая модель

В автоматизированных проектных процедурах вместо еще не существующего проектируемого объекта оперируют некоторым квазиобъектом -- моделью, которая отражает некоторые интересующие исследователя свойства объекта. Модель может быть физическим объектом (макет, стенд) или спецификацией. Среди моделей-спецификаций различают функциональные, поведенческие, информационные, структурные модели (описания). Эти модели называют математическими моделями, если они формализованы средствами аппарата и языка математики.

В свою очередь, математические модели могут быть геометрическими, топологическими, динамическими, логическими и т.п., если они отражают соответствующие свойства объектов. Наряду с математическими моделями при проектировании используют функциональные модели, информационные модели в виде диаграмм сущность-отношение, геометрические модели (чертежи). В дальнейшем, если нет специальной оговорки, под словом "модель" будем подразумевать математическую модель.

Математическая функциональная модель в общем случае представляет собой алгоритм вычисления вектора выходных параметров при заданных векторах параметров элементов (внутренних параметров) и внешних параметров .

Математические модели могут быть символическими и численными. При использовании символических моделей оперируют не значениями величин, а их символическими обозначениями (идентификаторами). Численные модели могут быть аналитическими моделями, т.е. их можно представить в виде явно выраженных зависимостей выходных параметров от параметров внутренних и внешних , или алгоритмическими моделями, в которых связь , и задана неявно в виде алгоритма моделирования. Важнейший частный случай алгоритмических моделей -- имитационные модели, они отображают процессы в системе при наличии внешних воздействий на систему. Другими словами, имитационная модель -- это алгоритмическая поведенческая модель.

Классификацию математических моделей выполняют также по ряду других признаков.

Так, в зависимости от принадлежности к тому или иному иерархическому уровню выделяют модели уровней системного, функционально-логического, макроуровня (сосредоточенного) и микроуровня (распределенного).

По характеру используемого для описания математического аппарата различают модели лингвистические, теоретико-множественные, абстрактно-алгебраические, нечеткие, автоматные и т.п.

Например, на системном уровне преимущественно применяют модели систем массового обслуживания и сети Петри, на функционально-логическом уровне -- автоматные модели на основе аппарата передаточных функций или конечных автоматов, на макроуровне -- системы алгебро-дифференциальных уравнений, на микроуровне -- дифференциальные уравнения в частных производных. Особое место занимают геометрические модели, используемые в системах конструирования.

Кроме того, введены понятия полных моделей и макромоделей, моделей статических и динамических, детерминированных и стохастических, аналоговых и дискретных, символических и численных.

Полная модель объекта в отличие от макромодели описывает не только процессы на внешних выводах моделируемого объекта, но и внутренние для объекта процессы.

Статические модели описывают статические состояния, в них не присутствует время в качестве независимой переменной. Динамические модели отражают поведение системы, т.е. в них обязательно используется время.

Стохастические и детерминированные модели различаются в зависимости от учета или неучета случайных факторов.

Информационные модели относятся к информационной страте автоматизированных систем, их используют прежде всего при инфологическом проектировании баз данных (БД) для описания связей между единицами информации.

Наибольшие трудности возникают при создании моделей слабоструктурированных систем, что характерно прежде всего для системного уровня проектирования. Здесь значительное внимание уделяется экспертным методам. В теории систем сформулированы общие рекомендации по подбору экспертов при разработке модели, организации экспертизы, по обработке полученных результатов. Достаточно общий подход к построению моделей сложных слабоструктурированных систем выражен в методиках IDEF.

Обычно в имитационных моделях фигурируют величины, характеризующие состояние моделируемой системы и называемые фазовыми переменными. Так, на макроуровне имитационные модели представляют собой системы алгебро-дифференциальных уравнений

	(1)

где -- вектор фазовых переменных; -- время; -- вектор начальных условий. К фазовым переменным можно отнести токи и напряжения в электрических системах, силы и скорости -- в механических, давления и расходы -- в гидравлических.

В аналоговых моделях фазовые переменные -- непрерывные величины, в дискретных моделях-- дискретные, в частном случае дискретные модели являются логическими (булевыми), в них состояние системы и ее элементов описывается булевыми величинами. В ряде случаев полезно применение смешанных моделей, в которых одна часть подсистем характеризуется аналоговыми моделями, другая -- логическими.

Выходные параметры систем могут быть двух типов. Во-первых, это параметры-функционалы, т.е. функционалы зависимостей в случае использования (1). Примеры таких параметров: амплитуды сигналов, временные задержки, мощности рассеивания и т.п. Во-вторых, это параметры, характеризующие способность проектируемого объекта работать при определенных внешних условиях. Эти выходные параметры являются граничными значениями диапазонов внешних переменных, в которых сохраняется работоспособность объекта.

3.Основные положения метода конечных элементов

1. Собственная размерность. Конечные элементы могут описываться одной, двумя или тремя пространственными координатами в зависимости от размерности задачи, для решения которой они предназначены. Соответствующее число внутренних или локальных координат называется собственной размерностью элемента. В динамическом анализе время рассматривается как дополнительная размерность. Отметим, что в расчетах используются также специальные элементы с нулевой размерностью, такие как, точечные массы или сосредоточенные упругие элементы (пружины).

2. Узловые точки. Каждый элемент описывается множеством характерных точек, называемых узловыми точками или узлами для краткости. Узлы предназначены для описания геометрии элемента и для задания физических степеней свободы (числа неизвестных функций). Узлы обычно находятся в угловых или крайних точках элемента, но могут быть также расположены между угловыми узлами и внутри элемента. Данное различие связано с порядком аппроксимации, который обеспечивает данный конечный элемент. Элементы, имеющие только угловые узлы, называются линейными и обеспечивают линейную интерполяцию геометрии и функций. Элементы, имеющие дополнительные узлы на своих границах между угловыми точками, могут обеспечивать квадратичную или даже кубичную интерполяцию. В первом случае такие элементы называются квадратичными. Отметим также, что существуют элементы, имеющие внутренние узлы. Теоретически такие элементы обеспечивают более точное описание геометрии тела и искомых функций, однако широкого распространения данный тип элементов не получил. При наличии современных автоматических генераторов конечно-элементных сеток часто бывает проще и удобнее разбить конструкцию на большое число линейных элементов простой формы, чем использовать элементы высокого порядка, требующие для построения сетки значительной работы вручную. Элементы, не имеющие внутренних узлов, относятся к так называемому серендипову семейству.

3. Геометрия элемента. Геометрия элемента определяется расположением узловых точек. Большинство элементов, используемых в расчетах, имеют достаточно простую геометрическую форму. Например, в одномерном случае элементы обычно представляют собой прямолинейные отрезки или сегменты кривых линий; в двумерном случае элементы имеют трехстороннюю или четырехстороннюю форму; в трехмерных задачах наиболее распространены такие геометрические фигуры, как тетраэдры, призмы и гексаэдры.

4. Степени свободы. Степени свободы определяют физическое состояние элемента, т.е. физическое поле, которое описывает данный элемент. Благодаря общим степеням свободы в соседних элементах осуществляется сборка модели и формирование глобальной системы конечно-элементных уравнений. В качестве степеней свободы могут фигурировать как узловые значения неизвестной функции, так и ее производные по пространственным координатам в узлах. В первом случае элементы относятся к типу лагранжевых элементов; во втором случае - типу эрмитовых элементов. Например, в простейшей задаче о растяжении стержня неизвестной функцией является продольное перемещение стержня. Соответственно в качестве степеней свободы выступают узловые значения данной функции и, следовательно, конечный элемент относится к лагранжевому типу. Наоборот, в задаче об изгибе стержня неизвестной функцией является поперечное перемещение центральной оси стержня, а в качестве степеней свободы используются как узловые значения самой функции, так и ее производной по продольной координате. Физический смысл этой производной - угол поворота поперечного сечения стержня. Таким образом, конечный элемент, применяемый в расчетах стержня на изгиб, относится к типу эрмитовых элементов. Заметим также, что данные обозначения происходят от названия полиномов Лагранжа и Эрмита, широко используемых в прикладной математике для интерполяции функций по узловым значениям.

5. Узловые силы. Система узловых сил полностью соответствует степеням свободы элемента и выражается с помощью глобального вектора узловых сил.

6. Определяющие соотношения. Для конечных элементов, используемых в механических расчетах, определяющее соотношение задает поведение материала, из которого изготовлена конструкция. Например, в качестве такого соотношения во многих случаях используется обобщенный закон Гука, связывающий тензор деформаций и тензор напряжений в точке. Для линейного упругого стержневого элемента достаточно задать один модуль Юнга Е и один коэффициент температурного расширения.

7. Свойства сечения. К свойствам сечения относятся площади и моменты инерции одномерных и двумерных конечных элементов, таких как балки, стержни, пластины. В эту группу также входит толщина пластин и оболочек. При построении конечного элемента свойства сечений считаются заданными и входят в результирующую матрицу жесткости элемента.

Применение метода конечных элементов в расчете конструкций

Посмотрим вначале, как метод конечных элементов соотносится с другими методами инженерного анализа, которые могут быть разделены на две категории классических и численных методов.

С помощью классических методов задачи распределения полей решаются напрямую, используя системы дифференциальных уравнений построенные на основании фундаментальных физических принципов. Точное решение возможно только для простейших случаев геометрии, нагрузок и граничных условий.

Приближенными методами может быть решен более широкий круг классических задач. Результаты в этом случае имеют форму рядов, в которых после исследования сходимости отбрасываются младшие члены.

Приближенные методы также требуют регулярной геометрической формы, простых граничных условий и удобного приложения нагрузок.

Принципиальное преимущество классических методов состоит в том, что они обеспечивают глубокое понимание исследуемой проблемы.

Энергетические методы отыскивают минимум выражения для полной потенциальной энергии

конструкции на всей заданной области. Этот подход хорошо работает только для определенных задач.

В методе граничных элементов размерность задачи понижается за счет того, что элементы представляют только границы моделируемой области. Однако применение этого метода требует знания фундаментального решения системы уравнений, которое бывает трудно получить.

Метод конечных разностей преобразует систему дифференциальных уравнений и граничных условий в соответствующую систему алгебраических уравнений. Этот метод позволяет решать довольно нерегулярные задачи со сложной геометрией, граничными условиями и нагрузками. Однако метод конечных разностей часто оказывается слишком медленным из-за того, что требование регулярной сетки на всей исследуемой области приводит к системам уравнений очень больших порядков.

Метод конечных элементов может быть обобщен практически на неограниченный класс задач благодаря тому, что позволяет использовать элементы различных форм для получения сеточных разбиений любых нерегулярных областей. Размеры конечных элементов в разбиении могут различаться в десятки раз. Нагрузки и граничные условия могут иметь произвольный вид. Основной проблемой становится увеличение издержек на понимание результата. За общность решения приходится платить потерей интуиции, поскольку конечно элементное решение - это по существу куча чисел, которые применимы только к конкретной задаче. Изменение любого существенного аспекта в модели обычно требует повторного решения задачи. Однако это несущественная цена, поскольку метод конечных элементов часто является единственно возможным способом решения. Метод применим ко всем классам проблем распределения полей, которые включают в себя анализ конструкций, перенос тепла, течение жидкости и электромагнетизм.

Краткие основы и алгоритмы метода конечных элементов

Метод конечных элементов является численным методом решения дифференциальных уравнений. В этом качестве он является и методом построения математической модели и методом её исследования.

Основная идея метода состоит в том, что непрерывная величина на рассматриваемой области аппроксимируется множеством кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей.

Непрерывная величина может быть скалярной функцией координат, например, температурой, или векторной функцией, например перемещением точек деформируемого тела.

Рассмотрим упругое тело, находящееся в равновесии под действием внешних нагрузок. Пусть v - произвольное поле возможных перемещений, удовлетворяющее граничным условиям. Полная потенциальная энергия системы запишется так:

Р (v) =U (v) ?W (v) (1.1)

где U - потенциальная энергия деформации, W - потенциал внешних нагрузок.

Из принципа возможных работ следует, что в состоянии равновесия полная потенциальная энергия системы минимальна. Следовательно, для нахождения решения выражение (1.1) нужно минимизировать на множестве всех функций v, удовлетворяющих граничным условиям, и та функция, которая доставляет минимум, будет искомым полем перемещений w.

Точное нахождение минимума Р (v) эквивалентно решению дифференциального уравнения теории упругости и является бесконечномерной задачей. Идея сеточных методов состоит в замене бесконечномерной задачи n-мерной, т.е. в переходе к дискретной модели. В методе конечных элементов такой переход осуществляется следующим образом:

1. В рассматриваемой области упругого тела фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узлами. Далее, не теряя общности, будем полагать, что неизвестная функция в узле определяется одним значением.

2. Значение непрерывной функции v в каждом узле считается переменной, которая должна быть определена.

3. Область разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узлы и в совокупности аппроксимируют форму упругого тела.

4. На каждом элементе непрерывная функция v аппроксимируется полиномиальными функциями k, i, называемыми функциями формы, значения которых внутри элемента и на его границах определяются через значения функции в узлах. Здесь индекс k относится к элементу, а индекс i - к узлу. Для каждого элемента назначаются свои полиномы, но они подбираются так, чтобы выполнялись некоторые условия относительно функций k, i при переходе через границы элементов. В классической реализации метода конечных элементов функции при переходе через границы элементов должны оставаться непрерывными.



4. Текстовые редакторы

Текстовые процессоры, или текстовые редакторы -- это прикладные программные системы, позволяющие создавать текстовые документы различного назначения.

Термины текстовый редактор и графический редактор соответствуют особым технологическим приемам управления экраном электронно-лучевых мониторов первых компьютеров (90-е гг.XX в.), которые называли персональными электронно-вычислительными машинами (ПЭВМ).

Классификация и области применения текстовых редакторов

Текстовые редакторы предназначены для создания и редактирования текстовых документов. Эти прикладные программы занимают лидирующее положение у пользователей прикладного программного обеспечения. В настоящее время существуют сотни текстовых редакторов, которые по своему назначению можно разделить на следующие группы:

* текстовые редакторы для разработки деловой документации, в том числе документационного обеспечения деятельности любого предприятия;

* издательские системы;

* текстовые редакторы для разработки Web-документов;

* непрофессиональные текстовые редакторы.

Текстовые редакторы для разработки деловой документации. Под термином деловая документация будем понимать документы, разрабатываемые предприятиями и фирмами как для внутреннего пользования, так и для делового общения между организациями.

В любой организации каждый сотрудник должен принимать оптимальные решения. Для принятия оптимального решения необходима достоверная информация, представленная в форме, облегчающей ее восприятие человеком.

Достоверность информации и качество ее представления являются важнейшими требованиями к деловой документации. При оформлении деловых документов и работе с ними все организации руководствуются соответствующими нормативными актами Российской Федерации. Так, например, в сфере управления существуют определенные требования к разработке организационно-распорядительской документации (ОРД) [17].

Необходимо также отметить еще одно очень важное свойство делового документа -- его юридическую значимость. Документы во многих случаях являются главными аргументами в спорных ситуациях между партнерами. Иногда термин документ определяют как способ доказательства [7]. Совершенно очевидно, что выполнение всех названных требований к созданию деловых документов определяет необходимость применения современных информационных технологий, т. е. текстовые документы необходимо разрабатывать с применением текстовых редакторов.

На сегодняшний день для разработки деловых документов наиболее распространенными текстовыми редакторами являются: иностранные Microsoft Word, WordPerfect, WordStar 2000 и российский Лексикон.

Современные текстовые редакторы правильнее было бы называть текстово-графическими, так как они позволяют работать не только с текстом, но и создавать и редактировать иллюстративные материалы: рисунки, схемы, графики, которые могут быть в деловых документах.

Издательские системы. Кроме подготовки исходной информации задачей издательских систем является выполнение верстки, т. е. размещение текста по страницам документа. К издательским текстовым редакторам можно отнести такие системы, как Adobe Acrobat, Aldus, PageMaker. Следует отметить, что технология первичного создания текста в этих системах сложнее, чем в текстовых редакторах. Поэтому чаще всего текстовые документы для издательской деятельности подготавливают в два этапа: текст набирают с помощью текстового редактора (например, Microsoft Word), а верстку и окончательную подготовку документа выполняют в издательской системе.

Текстовые редакторы для разработки Web-документов. Назначение этой группы редакторов -- разработка Web-страниц и сопровождения WWW-узлов в сети Internet. Во всех редакторах данной группы (Web-редакторах) используется специальный язык форматирования документа -- HTML (Hyper Text Markup Language -гипертекстовый язык разметки).

Следует отметить, что при создании Office 97 фирма Microsoft использовала средства преобразования документов, разработанных с помощью Access, PowerPoint, Excel и Word, в формат HTML. Однако возможностей этих средств преобразования для создания Web-сайтов, а тем более для создания и управления WWW-узлами явно недостаточно. К этой группе редакторов относится, например FrontPage.

Непрофессиональные текстовые редакторы. Это многочисленные программные продукты, иногда называемые домашними текстовыми редакторами. Такие редакторы просты в обращении и занимают значительно меньше памяти. С их помощью можно создавать различные текстовые документы без особых соблюдений нормативно-технических требований к оформлению. Так, например, содержащиеся в Microsoft Office редакторы NotePad и WordPad занимают объем памяти порядка 4 Кбайт каждый, в то время как редактор Word 97 требует для нормального функционирования примерно 35 Мбайт памяти на жестком диске.

5. Базы данных и СУБД

Принимать оптимальные решения с первого раза, а не устранять результаты и последствия неправильных технических решений -- вот девиз управленческой деятельности современных предприятий.

СУБД -- это успех в управлении.

Процесс принятия оптимального решения в любых сферах деятельности связан прежде всего с необходимостью предварительного анализа больших объемов информации, т.е. с тем, чтобы сначала найти область допустимых решений, а затем в ограниченной области выбрать одно единственно оптимальное решение.

Как показала практика, принятие нерациональных решений во многом определяется отсутствием у специалиста необходимой информации.

Базы данных и системы управления базами данных в этом случае можно рассматривать как стратегические средства в совершенствовании управления производством, так как эти программные продукты позволяют создавать информационные системы, необходимые для принятия оптимальных решений.

Итак, что же такое база данных (БД) и система управления базами данных (СУБД) К сожалению, в этом направлении информационных технологий не существует достаточно четких определений. Рассмотрим некоторые из них.

1. База данных -- именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

Система управления базами данных -- совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

2. База данных -- это совокупность сведений (о реальных объектах, процессах, событиях или явлениях), относящихся к определенной теме или задаче, организованная таким образом, чтобы обеспечить удобное представление этой совокупности как в целом, так и любой ее части.

Основные функции системы управления базами данных -- это определение данных (описание структуры базы данных), обработка данных и управление данными.

Обратим внимание на существенное отличие второго определения БД, а именно на характеристику особой организации информации в БД.

В наибольшей степени, по нашему мнению, сущность понятий БД и СУБД раскрыта в толковом словаре по вычислительным системам.

База данных -- это файл данных, для определения и обращения к которому используются соответствующие средства управления. Это означает, во-первых, что этот файл определен посредством схемы, не зависящей от программ, которые к нему обращаются, и, во-вторых, что он реализован в виде запоминающего устройства с прямым доступом.

В этом определении полужирным шрифтом выделено принципиальное отличие понятия файла базы данных от любого текстового файла, а именно возможность получения информации (данных) о конкретном объекте (конкретной записи) из этого файла.

Таким образом, учитывая приведенные определения, можно сказать, что база данных -- это файл, организованный как файл с прямым доступом.

Система управления базой данных -- это система программного обеспечения, имеющая средства обработки на языке базы данных, позволяющая обрабатывать обращения к базе данных, которые поступают от прикладных программ и (или) конечных пользователей, и поддерживать целостность базы данных.

Различают три класса СУБД, обеспечивающих работу иерархических, сетевых и реляционных систем баз данных.

В настоящее время для разработки информационных систем предприятий и фирм наибольшее распространение получили реляционные базы данных. Алгоритмы обработки информации в таких БД основаны на элементах реляционной алгебры. По своей сути реляционная БД -- это информация (данные) об объектах, представленная в виде двумерных массивов -- таблиц. Число таблиц в одном файле БД зависит, во-первых, от задач, решаемых информационной системой, и, во-вторых, от необходимости оптимального разделения информации на отдельные, связанные между собой таблицы. Критериями оптимальности реляционной БД являются число шагов поиска информации и объем памяти, необходимый для размещения данных.

Итак, реляционная база данных представляет собой некоторое множество таблиц, связанных между собой определенными отношениями. Однако база данных может состоять и из одной таблицы.

Для создания автоматизированной информационной системы, предназначенной для предоставления пользователю определенных данных из таблиц БД, необходимы программы, обеспечивающие:

* поиск информации в таблицах;

* вывод информации в требуемом виде;

* удобный диалоговый режим работы.

Таким образом, разработав таблицы БД и соответствующие программы, мы получим информационную систему управления реляционными базами данных или реляционную СУБД.

6. Табличные процессоры

Табличные процессоры (иногда их называют электронные таблицы) представляют собой целое направление прикладных программных систем, предназначенных для автоматизации расчетно-аналитических задач. Широкое применение нашли такие программные системы, как SuperCalk, Lotus 1-2-3, Quatro Pro, Excel for Windows. Область применения табличных процессоров чрезвычайно широка: от расчета заработной платы до использования в научных исследованиях.

Принцип работы табличного процессора основан на использовании методов алгебраического представления математических действий и способов компьютерной обработки информации.

Рассмотрим простой пример. Пусть требуется рассчитать сумму трех переменных величин, т. е. D = А+ В + С. Здесь значение переменной D будет меняться при изменении хотя бы одной переменной из правой части выражения.

Составим алгоритм этого вычислительного процесса. Пусть имеется таблица, состоящая из столбцов и строк. Строки в этой таблице пронумерованы, начиная от единицы, а столбцы обозначены буквами латинского алфавита от А до Z. (Аналогичные таблицы рассматривались при изучении способов расчета в таблицах редактора Word.)

В этом случае процесс вычисления можно представить в виде следующих действий:

· поместить значение первой переменной А в ячейку А1;

· поместить значение второй переменной В в ячейку В1;

· поместить значение третьей переменной С в ячейку С1;

· результат расчета поместить в ячейку D1=A1 + B1 + C1.

Из данного примера видно, что в электронных таблицах все математические действия выполняются над ячейками, т. е. при изменении значения переменной, находящейся, например, в ячейке А1, автоматически изменится значение переменной, находящейся в ячейке D1. На таком принципе автоматизации вычислений построены все табличные процессоры, начиная с VisiCalk, разработанного еще в 1979 г.

Рассмотрим для примера принцип работы табличного процессора Excel, входящего в состав всех версий Microsoft Office. Прежде чем приступать к изучению технологии работы с электронным процессором рассмотрим основные элементы системы Excel:

книга -- документ, или файл, содержащий результаты работы с программой Excel (аналогичен документу, формируемому при работе с программой Word);

лист -- по сути это таблица, которая в книге имеет свое название или номер. По умолчанию при открытии программы книга содержит три листа. Размер одного листа (одной таблицы) в книге Excel 2000 составляет 65 536 строк и 256 столбцов. Число листов (таблиц) в одной книге ограничивается только ресурсом компьютера;

ячейка -- часть таблицы, формируемая на пересечении столбца со строкой. Ячейка каждого листа имеет имя, состоящее из буквы и цифры. Буквой обозначен столбец, а цифрой -- строка.

В связи с тем, что таблица состоит из 256 столбцов, а букв в латинском алфавите всего 26, начиная с 27 столбца, используется двойное обозначение, т.е. АА, АВ, АС и т.д.

В ячейках таблицы могут размещаться как текстовые (символьные), так и числовые данные в виде числа или формулы. При этом формулы представляют собой отношения над ячейками, например (= А1 + В2) или = (А1 + В2)/31. В ячейке перед формулой обязательно должен стоять знак равенства (=), в противном случае введенная формула будет распознаваться программой как обычный текст.

7. Системы автоматизации инженерных расчетов

инженерный сапр программный

Электронные таблицы используются при автоматизации выполнения различных инженерных расчетов. Особенно эффективно применение табличного процессора Excel в сочетании с текстовым редактором Word. Например, при составлении технических отчетов или методик расчета каких-либо технических характеристик изделия для указанной в тексте расчетной формулы составляют расчетную таблицу в среде Excel. Для перехода из текста к расчетной таблице можно использовать технологию гиперссылок.

Для примера рассмотрим фрагмент методики расчета шарикоподшипников.

Допустимую статическую нагрузку определяют по приближенным формулам, приведенным на рис. 13.1, а.

Для выполнения расчета по любой из приведенных в таблице на рис. 13.1, а формул достаточно установить на нее курсор и щелкнуть правой кнопкой мыши. В результате откроется таблицаExcel, с помощью которой можно выполнить соответствующий расчет. На рис. 13.1, б показана схема выполнения такого расчета.



Приведенная схема выполнения расчета может использоваться при решении любых инженерных задач.

Статистическая обработка данных

Одним из важнейших этапов научно-исследовательских работ является статистическая обработка проведенных экспериментальных исследований.

Электронный процессор Excel содержит достаточное число функций для выполнения такой обработки.

Рассмотрим применение функции КОРРЕЛ для оценки корреляционной связи -- расчета коэффициента корреляции между исследуемыми параметрами.

Например, требуется выяснить влияние термообработки, которая проводилась при Т= 120 °С в течение 24 ч, на обратный ток I_обр p--n-перехода интегральных схем.

Для эксперимента [5] было выбрано 25 интегральных схем. В табл. 13.1 приведены результаты этого эксперимента.

Таблица 13.1

Изменение обратного тока р--n-перехода после термообработки

В приведенном примере определение наличия корреляционной зависимости предлагается проводить с помощью метода медиан, основанного на традиционных «ручных» методах обработки статистического материала.

Сущность этого метода состоит в следующем:

на основе результатов эксперимента строят график -- диаграмму разброса данных по точкам;

на диаграмме проводят вертикальную и горизонтальную линии медиан;

в каждом из четырех квадратов, образовавшихся в результате разделения диаграммы, отдельно складывают положительные и отрицательные точки;

по специальной таблице делают заключение о наличии корреляции.

Для определения корреляционной зависимости и коэффициента корреляции с помощью функции КОРРЕЛ, необходимо выполнить следующие действия:

оформить результаты эксперимента в системе Excel, как сказано в табл. 13.2;

· выделить ячейку для расчета коэффициента корреляции;

· вызвать мастер функций (рис. 13.2);

· в окне мастера функций указать диапазоны ячеек параметров X и Y.

Полученное значение коэффициента корреляции (свыше 0,85) указывает на наличие взаимосвязи между температурой термообработки и обратным током p --n-перехода (см. рис. 13.2).

Запись результатов экспериментальных данных в таблицу Excel

На основе данных табл. 13.2 можно построить графики зависимости обратного тока р -- л-перехода от температуры нагрева микросхемы (рис. 13.3).

Применение функции КОРЕЛ значительно упрощает процесс нахождения корреляционных связей между исследуемыми величинами. По аналогичной схеме могут проводиться вычисления значений всех математических и статистических функций, встроенных в электронный процессор Excel.

8. Программы для разработки конструкторской документации

Учитывая, что практически все автоматизированные системы конструкторского проектирования разрабатываются на основе международных и отечественных стандартов типа ЕСКД, применяемые при этом методы рассмотрим на примере отечественной системы T-FLEX-CAD.

T-FLEX-CAD представляет собой комплекс программных средств для автоматизированного проектирования конструкторской документации. В состав комплекса входят:

* система автоматизированного черчения T-FLEX-CAD LT;

* система автоматизированного проектирования T-FLEX-CAD 2D;

* система трехмерного моделирования T-FLEX-CAD 3D;

* система подготовки чертежей по трехмерным моделям T-FLEX-CAD 3D SE.

Комплекс T-FLEX-CAD обеспечивает:

* разработку конструкторской документации (чертежей, спецификаций и т.д.) на изделия различного типа (в том числе технологической оснастки для изготовления изделия);

* автоматизацию инженерных расчетов (на прочность, динамического анализа и др.) в процессе проектирования;

* разработку управляющих программ для станков с ЧПУ с имитацией процесса обработки детали на станке.

Можно выделить следующие свойства программных средств T-FLEX, которые отвечают требованиям российских предприятий.

1. Все системы, входящие в комплекс, полностью интегрированы между собой, т. е. передача информации от одной системы к другой осуществляется за счет внутренней связи между модулями. Исключение составляют системы, необходимые для анализа конструкции изделий (инженерных расчетов, расчетов на прочность и др.), в которые информация передается через файлы стандартных форматов.

2. Использование в комплексе российских разработок в соответствующих областях автоматизированного проектирования, которые учитывают специфику российского производства (стандарты, технические условия, оборудование и т.д.).

3. Каждая система может работать в комплексе в любой комбинации или автономно, что позволяет гибко подходить к задачам автоматизации подготовки производства любого предприятия.

Система автоматизированного черчения. Система Т-FLEX-CAD LT, предназначенная для быстрого создания чертежей в полном соответствии с требованиями ЕСКД, содержит следующий набор элементов для формирования чертежей: отрезки прямых линий (произвольные, параллельные, перпендикулярные, касательные и др.); различные варианты дуг (через три точки, через две точки с заданием радиуса, с центром в точке, касательные и т.п.); полные окружности; осевые линии; фаски; скругления и др.

При построении дуг автоматически фиксируются углы 90, 180, 270°, а также совпадение центра дуги с курсором по горизонтали и вертикали.

Система T-FLEX-CAD LT включает в себя следующие функции черчения:

* формирование различных типов линий в соответствии с ЕСКД (обеспечивает возможность создания новых типов линий);

* выполнение ассоциативных штриховок, заливок, штриховок по образцу. (Обеспечивает возможность создания своих типов штриховок.) Имеющаяся в системе функция автоматического поиска замкнутого контура значительно упрощает процесс задания контура штриховки. Она автоматически объединяет замкнутые контуры при их выборе по общим ребрам и автоматически отслеживает внутренние замкнутые области (острова). В результате формируется ассоциативный контур штриховки, который изменяется при изменении положения линий изображения, к которым он привязывается;

* простановку размеров линейных, на окружности, угловых (включая автоматический расчет предельных отклонений по номиналу размера и полю допуска) и поддержку двойных размеров (мм/дюймы);

* простановку на чертежах допусков формы и расположения поверхностей, значений шероховатости, надписей и текста. При этом шероховатость можно выбирать из таблиц стандартных значений, а допуски формы и расположения поверхностей автоматически рассчитывать в зависимости от требуемых размера детали и точности обработки.

Система T-FLEX-CAD LT содержит также следующие функции: копирование, симметрия, линейный массив, массив вращения.

При копировании можно задать масштаб и угол поворота копируемых элементов. При создании круговых и линейных массивов предусмотрена возможность задания переменного числа копий изображений. Линейный массив может создаваться сразу в двух направлениях: по строкам и столбцам.

Новые возможности копирования элементов позволяют пользователям создавать обобщенные чертежи с переменным числом тех или иных элементов.

Система T-FLEX-CAD LT выполняет следующие специальные конструкторские элементы оформления чертежей:

* нанесение основной надписи;

* формирование текста технических требований;

* создание обозначения неуказанной шероховатости;

* автоматический подбор формата для вывода чертежа на плоттер или принтер.

В системе имеется также возможность введения текстовой информации непосредственно на поле чертежа в реальном режиме отображения (Wysiwyg). Имеющийся встроенный текстовый редактор поддерживает форматирование абзацев текста (выравнивание, отступы, интервалы и т.д.), различное выделение слов, использование разных шрифтов, размеров, стилей, цвета для фрагментов одного текста. Обеспечена возможность введения в тексты индексов, дробей, элементов оформления чертежа, отдельных фрагментов, т.е. в данной системе можно свободно без каких-либо дополнительных установок и ограничений создавать как графические, так и текстовые документы.

Для автоматизации ввода часто повторяющихся текстовых строк в системе разработана функция их выбора из словаря.

При заполнении основной надписи чертежа пользователи работают прямо на чертеже в соответствующих текстовых полях. При этом возможен выбор текстовых значений из заранее подготовленных списков.

Система T-FLEX-CAD LT обладает возможностью создания любых таблиц, задания и изменения размеров полей, объединения ячеек, определения граничных линий и т.д., а также позволяет работать с многостраничными текстовыми документами-чертежами. Например, многостраничная спецификация на изделие может находиться в одном документе системы, причем вместе со сборочным чертежом.

Необходимо отметить также, что через буфер обмена Windows системы T-FLEX-CAD LT возможен обмен текстовыми данными с Word и многими другими приложениями.

Таким образом, T-FLEX-CAD LT является полнофункциональной системой для подготовки конструкторско-технической документации, включающей в себя все функции оформления.

Системы автоматизированного проектирования. Принцип автоматизированного проектирования конструкторской документации основан на так называемом методе параметрического черчения.

Т-FLEX-CAD 2D -- это система параметрического черчения, рекомендуемая для использования при проектировании типовых конструкций, в которых достаточно высокая степень повторяемости и унификации деталей, и содержащая все функции системы T-FLEX-CAD LT.

Основная отличительная особенность T-FLEX-CAD 2D от T-FLEX-CAD LT состоит в том, что все параметры чертежа в ней могут быть выражены с помощью переменных, рассчитаны с помощью формул и выбраны из баз данных.

В системе T-FLEX-CAD 2D реализован следующий подход к проектированию: сначала чертеж строится в тонких линиях, а затем обводится основными линиями. При выполнении построения с помощью вспомогательных линий (линий построения) автоматически формируются отношения между линиями (параллельность, перпендикулярность, касания и т.д.) и фиксируются параметры этих отношений (расстояние, радиус, угол и др.), т.е. при выполнении обычных чертежных операций автоматически выполняется параметризация чертежа. Все элементы оформления чертежа (размеры, штриховки, допуски, обозначения шероховатостей, тексты и т. п.) при нанесении на чертеже автоматически привязываются к вспомогательным построениям.

Такой метод выполнения чертежей позволяет весьма значительно (до нескольких минут) сократить сроки проектирования конструкций, отличающихся от аналога размерами (параметрами) отдельных элементов.

Параметры любых элементов чертежа: толщина линий изображения, размеры стрелок, значения шероховатости поверхностей, содержание текста и другие могут быть заданы переменными.

Система T-FLEX-CAD 2D предоставляет проектировщику возможность просмотра разработанной конструкции в движении, т. е. изменяя значения переменных параметров от начального значения до конечного с определенным шагом или задавая законы изменения переменных с помощью математических функций. При этом каждый раз происходит обновление чертежа в соответствии с заданными параметрическими связями.

Можно создать чертеж таким образом, чтобы три вида детали были взаимосвязаны друг с другом. В этом случае изменение параметров на одном виде приведет к соответствующим изменениям на двух других видах. Можно также создавать чертежи с переменным числом элементов.

Еще одной отличительной особенностью T-FLEX-CAD 2D является возможность создания параметрических сборочных чертежей с использованием параметрических чертежей отдельных деталей, т.е. связывая отдельные параметры деталей на чертежах (например, диаметр вала и диаметр подшипника), можно получить параметрический сборочный чертеж. При создании сборочных чертежей в системе обеспечивается возможность удаления невидимых линий при перекрывании одних деталей другими. Изменение параметров сборочного чертежа приводит к изменению параметров всех его составных частей, причем получение нового чертежа конструкции занимает считанные секунды.

Использование параметрических сборочных чертежей в системе T-FLEX-CAD позволяет быстро и эффективно получать требуемые модификации сборки, а также проектировать сборочный чертеж так, чтобы при различных условиях в него входили разные детали. Задав требуемые параметры сборки, можно мгновенно получить готовые рабочие чертежи отдельных деталей и спецификацию, оформленную в соответствии с ЕСКД. При изменении параметров сборки автоматически изменяются данные в спецификации и других документах.

Создание трехмерных твердотельных моделей изделий. Для создания трехмерной модели проектируемого изделия фирма «Топ Системы» предлагает систему параметрического трехмерного твердотельного моделирования T-FLEX-CAD 3D, которая является закономерным развитием системы T-FLEX-CAD 2D и включает в себя все ее возможности. Функциональные возможности этой системы позволяют сравнивать ее с лучшими иностранными системами трехмерного моделирования. Помимо достаточной функциональности в области трехмерного моделирования система содержит в себе полный набор средств для двухмерного проектирования и оформления чертежной документации.

Система T-FLEX-CAD 3D построена на геометрическом ядре Parasolid фирмы Unigraphics Solutions, которое используется в ведущих системах подобного моделирования. Моделирование в T-FLEX-CAD 3D может осуществляться как непосредственно в трехмерном пространстве, так и на основе данных двухмерного чертежа.

Проектировщик может выбрать любой из следующих способов работы в системе T-FLEX-CAD 3D или их комбинацию:

* непосредственное создание модели в трехмерном пространстве по принципу рабочая плоскость--эскиз --твердое тело;

* использование существующего двухмерного чертежа для создания трехмерной модели.

Для создания базовых элементов изделий используется следующий набор операций: выталкивание, вращение и др. Для получения точных чертежей используются операция проецирования с удалением невидимых линий и операция получения сечений и разрезов.

Система T-FLEX-CAD 3D поддерживает двунаправленную ассоциативность, т.е. при изменении параметров трехмерной модели автоматически обновляются все чертежи.

Система T-FLEX-CAD 3D позволяет работать не только с отдельными трехмерными объектами, но и с трехмерными сборочными моделями. Причем механизм параметрического проектирования сборочных моделей применяется не только в двухмерном черчении, но и при проектировании трехмерных сборочных объектов.

Комплекс Т-FLEX-CAD может работать со сборками, не ограниченными числом деталей и иерархией их организации. При этом для каждой детали может быть назначен свой материал, что будет учитываться при расчете масс-инерционных характеристик и создании штриховок в сечениях при выполнении чертежей или проекций.

Проектирование может осуществляться как от детали к сборке, так и наоборот -- от сборки к детали. В этом случае конструктор создает проект сразу как сборочный. Геометрические элементы (грани, ребра и т.д.) деталей, проектируемых в рамках одной и той же сборки, могут быть использованы для проектирования других деталей.

В любой момент чертеж детали может быть выгружен в отдельный файл для использования при выполнении других чертежей или вставки в другие сборки. При этом он остается в исходной сборке и будет автоматически обновляться. Это означает, что чертеж детали в упрощенном виде можно задать в сборке, затем выгрузить его в отдельный файл, добавить с помощью операций моделирования необходимые элементы, после чего он автоматически будет откорректирован в сборке. То же самое произойдет и при проектировании в обратном направлении. Если параметры, определяющие деталь в сборке, изменить, то ее чертеж будет модифицирован не только в сборочной модели, но и в отдельном файле, в который она была выгружена.

Для каждой детали сборки можно задать перемещение, которое будет учитываться при выводе на экран сборки в разобранном виде. Сборку можно рассечь плоскостью для того, чтобы было удобнее исследовать ее внутреннюю структуру.

Комплекс T-FLEX-CAD позволяет проверить взаимное пересечение компонентов сборки. Объемные модели, требующие больших ресурсов, можно заменить их графическим представлением. Структура сборки отслеживается на дереве модели, от которой можно быстро перейти к детали любого уровня. При этом команда фотореалистичного изображения выведет качественную картинку с учетом материала каждой детали. Мощная подсистема создания спецификаций автоматически сгенерирует спецификацию, которая будет параметрически связана с моделью.

Размещено на Allbest.ru

...