Системы автоматизированного проектирования самолетов

Требования к САПР.

Основные принципы разработки САПР.

Процесс разработки проекта самолета.

Рис. 3.2. Математическое (а), техническое (б), программное (а), информационное (г) и лингвистическое (д) обеспечения

Совокупность машинных программ (МП), необходимых для выполнения какой-либо проектной процедуры и представленных в заданной форме, называют пакетом прикладных программ (ППП).

Компонентами ПО являются документы с текстами программ, программы на всех видах носителей, эксплуатационные документы. Программное обеспечение разделяют на общесистемное (ОПО) и прикладное (ППО). Компонентами ОПО являются трансляторы (Т) с алгоритмических языков, эмуляторы (Э), супервизоры (С) и др. Компонентами ППО являются программы (МП) и пакеты прикладных программ для АП (рис. 3.2, в).

Информационное обеспечение (ИО) АП -- совокупность сведений, необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме. Основной частью ИО являются автоматизированные банки данных, которые состоят из баз данных (БД) САПР и систем управления базами данных (СУБД). В ИО входят нормативно-справочные документы, задания государственных планов, прогнозы технического развития, типовые проектные решения, системы классификации и кодирования технико-экономической информации, системы документации типа ЕСКД, ЕСТД, файлы и блоки данных на машинных носителях, фонды нормативные, плановые, прогнозные, типовых решений, алгоритмов и программ и т. п. (рис. 3.2, г).

Управление автоматизированным банком данных осуществляют проектировщики, при этом необходимо обеспечить целостность, правильность данных, эффективность и функциональные возможности СУБД. Проектировщик организует и формирует БД, определяет вопросы использования и реорганизации. База данных составляется с учетом характеристик объектов проектирования, процесса проектирования, действующих нормативов и справочных данных. При создании автоматизированных банков данных одним из основных является принцип информационного единства, заключающийся в использовании единой терминологии, условных обозначений, символов, единых проблемно-ориентированных языков, способов представления информации, единой размерности данных физических величин, хранящихся в БД. Автоматизированные банки данных должны обладать гибкостью, надежностью, наглядностью и экономичностью. Гибкость заключается в возможности адаптации, наращивания и изменения средств СУБД и структуры БД. Реорганизация БД не должна приводить к изменению прикладных программ. Для одновременного обслуживания пользователей должен быть организован параллельный доступ к данным. При использовании интерактивных методов проектирования необходимо использовать режим диалога.

Все версии СУБД должны генерироваться в соответствии с имеющимся комплексом ТС САПР. Доступ к информации БД должен обеспечиваться пользователями различных уровней.

Для надежности необходимо иметь возможность восстановления информации и ПО в случае разрушения, обеспечивать стандартные реакции на ошибочный запрос. Для наглядности информация должна представляться в обычной и удобной для пользователя форме. Для обеспечения экономичности необходимо исключить неоправданное дублирование данных, обеспечить автоматизацию сбора статистических данных о содержании и использовании информации банка для организации эффективного распределения памяти, обеспечить наличие средств для тиражирования баз данных.

Лингвистическое обеспечение (ЛО) АП -- совокупность языков проектирования (ЯП), включая термины и определения, правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме (рис. 3.2, д).

Методическое обеспечение (МТО) -- совокупность документов, устанавливающих состав и правила отбора и эксплуатации средств обеспечения АП, необходимых для выполнения АП. Отметим, что в некоторых работах и документах методическое обеспечение понимается более широко:

в качестве компонентов включает МО и ЛО.

Организационное обеспечение (ОО) АП--совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов, необходимых для выполнения АП. Компонентами ОО САПР являются методические и руководящие материалы, положения, инструкции, приказы и другие документы, обеспечивающие взаимодействие подразделений проектной организации при создании и эксплуатации САПР.

В настоящее время при создании ЭВМ пятого поколения с перестраиваемой архитектурой и коммутацией, способных принимать решения в условиях расплывчатости и неопределенности, перспективными являются САПР, позволяющие адаптироваться к внешним условиям проектирования и имеющие возможность настраиваться на заданный класс создаваемых объектов.

Интегрированной называют САПР, имеющую альтернативное ПО и ОС АП и позволяющую выбирать совокупность машинных программ применительно к заданному объекту или классу объектов проектирования.

Функционирование САПР -- выполнение проектирования в САПР в соответствии с заданным алгоритмом проектирования. Функционирование САПР должно обеспечивать получение проектных решений, т. е. промежуточных или конечных описаний объекта проектирования, необходимых для его окончания. Результатом проектирования в САПР считают совокупность законченных проектных решений, удовлетворяющих ТЗ и необходимых для создания объекта проектирования.

Алгоритм функционирования САПР -- совокупность предписаний, необходимых для функционирования САПР.

Управление САПР -- совокупность воздействий извне, предусмотренных алгоритмом функционирования САПР.

Классификация САПР. В общем смысле классификация -- система соподчиненных понятий, часто представляемая в виде различных схем, таблиц и используемая как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов, а также для точной ориентировки в многообразии понятий или соответствующих объектов. Классификация фиксирует место объекта в системе, которая указывает на его свойства. В связи с этим она служит средством хранения и поиска информации, содержащейся в ней самой. Классификация создает условия для разработки технически обоснованных норм обеспечения процесса создания, функционирования и стандартизации в области САПР.

Системы автоматизированного проектирования классифицируются по типу, разновидности и сложности объекта проектирования; уровню и комплектности автоматизации проектирования; характеру и числу выпускаемых проектных документов; числу уровней в структуре технического обеспечения (рис. 3.3). На этом классификация первого уровня закончена. Рассмотрим классификацию второго иерархического уровня.

По типу объекта проектирования различают САПР, (рис. 3.4, а): изделий машиностроения и приборостроения; технологических процессов в машиностроении и приборостроении; объектов строительства; организационных систем.

Под организационной системой понимают совокупность, состоящую из коллектива специалистов и комплекса средств, взаимодействий и взаимосвязей между ними и с внешней средой и алгоритма процесса проектирования, необходимого для выполнения АП.

По разновидности объекта проектирования можно различать САПР ЭВА, САПР РЭА, САПР атомной станции, САПР ракетной системы и т. п.

Рис. 3.3. Классификация САПР

Следовательно, САПР ТЭЗ современных ЕС ЭВМ относится к САПР простых объектов, а САПР многопроцессорных вычислительных систем на сверхбольших интегральных микросхемах -- к САПР очень сложных объектов.

По уровню автоматизации проектирования различают САПР (рис. 3.5, а) низкоавтоматизированные, в которых число автоматизированных проектных процедур (АПП) составляет 25 % общего числа проектных процедур; среднеавтоматизированные,--от 25 до 50% общего числа проектных процедур, высокоавтоматизированные от 50 до 75 %. В этих системах применяют методы многовариантного оптимального проектирования. Например, в гибких автоматизированных производствах (ГАП) для эффективности результатов необходимо использовать САПР средне- и высокоавтоматизированного проектирования.

Рис. 3.4. Классификация САПР по типу (а) и сложности (б) объекта проектирования

Рис. 3.5. Классификация САПР по уровню (а) и комплексности (б) автоматизации проектирования

По комплексности САПР классифицируют так (рис. 3.5, б): одноэтапные, выполняющие один этап проектирования из всех установленных для объекта; многоэтапные, выполняющие несколько этапов проектирования из всех установленных для объекта; комплексные, выполняющие все этапы проектирования, установленные для объекта.

По характеру выпускаемых проектных документов различают САПР (рис. 3.6, а): текстовые, выполняющие только текстовые, документы на бумажной ленте или листе; текстовые и графические, выполняющие текстовые и графические документы на бумажной ленте или листе; на машинных носителях, выполняющих документы на перфоносителях (перфокарты, перфоленты) и на магнитных носителях (магнитных лентах, дисках и барабанах); на фотоносителях, выполняющих документы на микрофильмах, микрофишах, фотошаблонах и т. п.; на двух типах носителей; на всех типах носителей.

План лекции:

Этапы и процедуры проектирования. Возможности их автоматизации.

Развитие методов проектирования. Особенности автоматизированного проектирования.

Проблемы декомпозиции самолета и процесса его проектирования.

1. Этапы и процедуры проектирования. Возможности их автоматизации

Ключевым элементом процесса создания самолета является разработка его проекта -- процесс проектирования. Спроектировать самолет -- это значит разработать комплект технической документации, позволяющий осуществить его постройку и эксплуатацию. Техническая документация представляет собой знаковую модель самолета, представленную в графическом, числовом либо ином виде. Но техническая документация -это лишь конечный результат сложного и длительного процесса человеческой деятельности, направленного на разработку проекта ранее не существовавшего объекта, системы, процесса и т.д. Хотя эта цель иногда может быть достигнута путем использования известных элементов либо принципов, однако в любом случае требуется творческий поиск сочетания этих элементов и процессов новым, оригинальным способом, который бы приводил к достижению количественных или качественных результатов, оправдывающих затраты на разработку новых образцов техники. Таким образом, можно констатировать, что проектирование - творческий процесс. Понятно, что степень его автоматизации во многом будет определяться не столько возможностями вычислительной и другой техники, сколько возможностью формализации той или иной проектной задачи, т.е. умением проектировщика дать достаточно строгую постановку задачи проектирования и завершенный алгоритм ее решения. В связи с этим возникает вопрос: в какой мере отдельные составляющие процесса проектирования могут быть формализованы. В настоящее время неизвестны алгоритмы прямого синтеза сложных технических объектов. Их проектирование осуществляется многократным повторением анализа различных вариантов проектных альтернатив. Схема алгоритма процесса проектирования сложного технического объекта представлена на рис. 4.1.

После определения цели проектирования проектировщик, опираясь на свои творческие способности, формирует основную идею, замысел (концепцию) будущего объекта, намечая возможные варианты (альтернативы) решения проектной задачи. Зачастую в основе этого процесса лежит изобретательство, т.е. способность человека синтезировать новые, полезные идеи и принципы для решения инженерных задач. Именно благодаря изобретательству удается добиваться принципиально новых технических решений, скачкообразно улучшающих характеристики проектируемого объекта. Вместе с тем опыт авиастроения свидетельствует, что только очень немногие проекты самолетов могут быть признаны совершенно новыми. При этом даже в них значительное число технических решений принимается на основе прошлого опыта. Иными словами, прогресс авиации осуществляется как на основе ее эволюционного развития, так и на основе принципиально новых технических решений, используемых в проектах новых самолетов. С целью уменьшения степени технического риска от внедрения новых технических решений, получаемых в результате изобретательской деятельности либо из научно-технического задела, каждое такое решение подвергается тщательной апробации на стендах, макетах, экспериментальных образцах и т.д.

Следующий этап процесса проектирования - инженерный анализ - направлен на детализацию намеченных вариантов решения задачи (определение структуры и размерных параметров проектируемого объекта) и проверку его соответствия физическим законам и другим ограничениям, вытекающим из специфических требований к проектируемому объекту.

В основе инженерного анализа лежит моделирование, т.е. исследование объекта проектирования с помощью модели, которая, отображая или воспроизведя объект исследования, способна дать необходимую информацию о нем. При проектировании самолетов широко используются как физические (материально реализованные), так и математические (абстрактные) модели. Физическими моделями являются макет самолета, его продувочные модели, различные стенды и т.д. Физическое моделирование дает наиболее полное и достоверное представление об исследуемых явлениях, однако оно зачастую связано со значительными затратами времени .и материальных ресурсов. Тем не менее физическое моделирование является практически единственно возможным при исследовании новых закономерностей либо .непредсказуемых теоретически, либо требующих экспериментальной проверки и подтверждения каких-то гипотез. Понятно, что роль физического моделирования возрастает при создании принципиально новых самолетов, основывающихся на новых технических концепциях.

Математическое моделирование базируется на известных закономерностях прикладных авиационных наук, используемых при проектировании и расчете самолета. Математическое моделирование, в свою очередь, можно разделить на аналитическое и численное. Аналитическое моделирование позволяет провести исследования в наиболее общем виде и получить результаты в наглядном, удобном для анализа виде. Однако построение аналитических моделей часто связано с необходимостью существенно упрощать рассматриваемое явление, что снижает достоверность получаемых результатов. Примерами удачных аналитических моделей могут служить балочная модель крыла и др. Численное моделирование с помощью ЭВМ в настоящее время становится одним из основных методов исследования сложных объектов и процессов, обеспечивая высокую точность и достоверность получаемых результатов. Так, на основе конечноэлементных моделей разработаны высокоэффективные численные методы расчета аэродинамических характеристик самолета, а также методы анализа напряженно-деформированного состояния конструкции самолета и синтеза рациональных конструктивно-силовых схем.

Информация, полученная в результате анализа, позволяет перейти к третьему этапу процесса проектирования -- принятию решения. Это весьма ответственный этап, целью которого является выбор единственного среди возможных варианта решения задачи. Такой выбор, как правило, носит компромиссный характер, поскольку каждому варианту присущи определенные достоинства и недостатки. Иными словами, проектировщик сталкивается с необходимостью поиска условного оптимума. Принятие решения -- это многошаговый процесс, в котором каждый последующий шаг сужает область поиска, ограничивает как число альтернатив, так и число факторов, которые следует при этом учитывать.

Краткий анализ процесса проектирования позволяет выявить возможности формализации отдельных составляющих этого процесса. В наименьшей степени поддается формализации первый этап проектирования -- генерация вариантов решения задачи. В настоящее время предпринимаются попытки решить эту проблему с помощью специальных эвристических методов поиска рациональных технических решений. Однако возможности применения таких методов при проектировании сложных технических объектов весьма ограничены. Вместе с тем, если решение базируется на известных элементах, принципам, то задача поиска рационального сочетания этих элементов (комбинаторная задача) может быть формализована. Так, с помощью матрицы признаков компоновочных схем можно формализовать процесс генерации вариантов схем самолета, что позволяет автоматизировать этот процесс и на этой основе значительно увеличить область поиска рационального варианта. Пополнение же матрицы признаков компоновочных схем благодаря принципиально новым техническим решениям на базе изобретательства -- процесс пока неформализуемый.

Соотношение математического и физического моделирования определяет в значительной степени возможности формализации этапа анализа. При этом, когда разрабатывается принципиально новый самолет, базирующийся на новых технических концепциях, роль и объем физического моделирования возрастают, а следовательно, уменьшается возможность формализации и, как следствие, автоматизации этого этапа.

Формализация процесса принятия решения базируется на аппарате развивающейся технической дисциплины "Теория принятия решений", в основе которой лежат методы математического программирования. Так, например, если цель проектирования удается количественно выразить через определенный показатель-критерий, являющийся функцией проектных параметров, то задачу принятия решения о конкретных значениях этих параметров можно свести к задаче отыскания такого сочетания параметров, при котором критерий достигает экстремального значения.

Таким образом, в общем процессе проектирования имеется значительная доля проектных процедур, которые могут быть формализованы, а, следовательно, процесс их выполнения -- автоматизирован.

2. Развитие методов проектирования. Особенности автоматизированного проектирования

Автоматизация проектирования самолетов стимулировала развитие теоретических основ и совершенствование методологии проектирования, под которой понимается совокупность принципов и методов, а также математический аппарат, с помощью которого решаются проектно-конструкторские задачи.

За период развития авиации претерпели существенное изменение и принципы, и методы, и математический аппарат проектирования. Так, до конца 50-х годов целью проектирования было создание самолета, способного летать как можно выше и дальше, нести большую целевую нагрузку, более маневренного и т.д. Однако уже в 60-х годах стало ясно, что в условиях чрезвычайного удорожания авиационных систем принцип "делай то, что позволяет современный научно-технический уровень" должен быть заменен на принцип "делай то, что нужно сделать" или "то, что можно себе позволить". Это существенно изменило цели и задачи проектирования, а следовательно, и его критерии.

Методы проектирования прошли эволюционный путь развития от метода "проб и ошибок" к статистическому методу и далее к аналитическому методу, на базе которого стал возможен переход к методу оптимального проектирования.

Практическое применение метода оптимального проектирования в самолетостроении началось с решения частных задач оптимизации отдельных агрегатов самолета и участков траектории его полета. По мере накопления опыта решения таких сравнительно простых задач стали предприниматься попытки решения более сложных задач многопараметрической оптимизации. Однако при практической реализации таких задач проектировщики сталкивались с чисто вычислительными трудностями. Применение же последовательной оптимизации по отдельным параметрам не давало ощутимых результатов. Лишь с появлением ЭВМ и численных методов оптимальное проектирование становится на реальную основу. К этому же периоду относится развитие общей теории технических систем (системотехники). Названные выше предпосылки, а также дальнейшее развитие прикладных авиационных наук, успехи в области вычислительной математики, совершенствование ЭВМ создали условия для становления методологии и методов автоматизированного проектирования. Включая в себя как составную часть метод оптимального проектирования, метод автоматизированного проектирования отличается от широко распространенных процедур оптимизации отдельных устройств и характеристик объектов применением обобщенных критериев оптимальности, использованием математических моделей, описывающих существенные черты системы в целом, математическим аппаратом оптимизации и широким применением ЭВМ.

Методология автоматизированного проектирования органически соединяет достижения в развитии общей теории проектирования систем с возможностями современных технических средств проектирования. В основе этой методологии лежат принципы системного подхода, методы математического моделирования проектно-конструкторских задач и математический аппарат теории оптимизации сложных систем. Практическая реализация ее возможна лишь в рамках САПР.

Системный подход предполагает изучение системы как единого объекта, выполняющего определенные функции в конкретных условиях. В то же время при системном подходе возможно расчленение сложных систем и процессов на составляющие их относительно самостоятельные подсистемы (подпроцессы) с целью облегчения их изучения. Каждая из этих подсистем также может быть расчленена на подсистемы более низкого порядка. Подсистемами самого низкого порядка являются элементы, внутренняя структура которых не представляет, интереса для решения задач определенного уровня, однако свойства которых влияют на свойства других подсистем и свойства системы. Так, например, при проектировании самолета элементами являются крыло, оперение и т.д. При проектировании крыла такими элементами являются элементы силового продольного и поперечного набора.

В свете сказанного обоснованное расчленение (декомпозиция) системы на подсистемы, а процесса проектирования на подпроцессы (этапы) и определение существенных структурно-функциональных связей -- одна из главных задач методологии автоматизированного проектирования. При выборе объекта системного исследования необходимо руководствоваться следующими положениями:

объект должен обладать достаточной масштабностью, чтобы результаты его исследования давали значительный эффект по сравнению с рассмотрением системы по частям;

объект должен допускать описание (хотя бы приближенное) его структуры и функционирования математическими методами;

степень детализации исследуемого объекта должна соответствовать вычислительным возможностям современных ЭВМ.

Отметим как положительную тенденцию укрупнение объектов системного исследования при проектировании самолетов. Она основывается на достижениях прикладных авиационных наук, все более глубоко раскрывающих многосторонние связи между параметрами и характеристиками авиационных систем, а также на постоянном совершенствовании вычислительных комплексов.

Формирование облика самолета с учетом параметров системы управления является наглядным примером положительного эффекта от использования этой тенденции.

Поскольку автоматизированное проектирования основано на экономико-математическом моделировании на ЭВМ, следующей важной задачей методологии автоматизированного проектирования является разработка приемлемых математических моделей исследуемых систем и процессов.

Построить модель системы -- это значит дать ее количественное описание с помощью системы уравнений, связывающих параметры (аргументы) и характеристики (функции) системы. При этом следует иметь в виду, что в иерархических системах понятия "параметр" и "характеристика" имеют относительный характер, поскольку параметры верхнего уровня при переходе к низшему уровню превращаются в характеристики. Например, такие параметры, как грузоподъемность самолета, дальность его полета, определяемые при исследовании перспективной транспортной системы, на этапе формирования облика самолета - элемента этой системы -- превращаются в характеристики.

Построение модели начинается с определения перечня параметров, которые могут оказать заметное влияние на результаты моделирования. При этом число параметров на каждом этапе проектирования должно быть таким, чтобы набор их конкретных значений давал достаточную информацию для принятия необходимых на рассматриваемом уровне разработки проекта решений.

Следующий этап построения модели -- установление отношений (связей) между параметрами, а также между параметрами и характеристиками. При этом из всего многообразия таких отношений необходимо выделить наиболее существенные. Определение "существенности" зависит от стадии проектирования, типа решаемой задачи, а также от опыта проектировщика и наличия априорных сведений о проектируемом объекте. Если на рассматриваемом этапе некоторые параметры не удается связать отношениями с характеристиками и другими параметрами, их исключают из формализованного описания модели, оставляя для рассмотрения на последующих этапах. Имея модель, с определенной степенью достоверности отображающую реальный процесс или объект, можно приступать к решению проектной задачи. С этой целью необходимо разработать метод (алгоритм) решения, специфичный для каждой конкретной постановки задачи проектирования. При этом следует иметь в виду, что проектирование всегда направлено на поиск наивыгоднейших (оптимальных) параметров системы. При проектировании необходимо руководствоваться следующими основными положениями об оптимальности систем.

1. В общем случае система, состоящая из оптимальных элементов (подсистем), не обязательно будет оптимальной. Она должна оптимизироваться в целом, как единый объект с заданным целевым назначением. Это, однако, не означает, что оптимизация по частям вообще не имеет смысла.

2. Система должна оптимизироваться по количественно определенному и единственному критерию, отражающему в математической форме цель проектирования. Отсутствие такого критерия свидетельствует о недоопределенности задачи.

3. Поскольку система, как правило, оптимизируется в условиях количественно определенных ограничений на оптимизируемые параметры, то ее оптимальность всегда относительна, условна.

Определение взаимосвязанного комплекса критериев, позволяющих на каждом иерархическом уровне расчленения системы объективно оценить результаты проектирования, находить для каждого элемента подсистемы такие параметры, которые бы обеспечивали высокую эффективность системы в целом, является также важной задачей методологии автоматизированного проектирования. Выбранный критерий и его связи с параметрами объекта являются составной частью модели.

Последующие этапы решения проектной задачи включают в себя разработку программы для ЭВМ; ее отладку; проведение тестовых расчетов, позволяющих проверить работоспособность программы; выполнение программы; анализ результатов расчета и подготовку материалов для принятия решения.