Системы автоматизированного проектирования самолетов
Понятие и сущность системы автоматизированного проектирования, его описание и принципы разработки. Проблемы моделирования и методы оптимизации проектных решений. Автоматизированное формирование облика пассажирского самолета, оптимизация параметров.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 08.06.2015 |
| Размер файла | 4,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Рассмотрим перечисленные выше задачи методологии автоматизированного проектирования применительно к самолету.
3. Проблемы декомпозиции самолета и процесса его проектирования
Самолет, как объект проектирования, представляет собой сложную техническую систему, обладающую развитой иерархической структурой. В соответствии с системным подходом при решении задач определенного иерархического уровня нет необходимости строить всю иерархию системы. Обычно бывает достаточно рассмотреть системы и подсистемы на два порядка выше и ниже рассматриваемого. Тогда при проектировании самолета необходимо рассматривать более высокие иерархические уровни, например транспортную систему и ее подсистему - авиационный комплекс. В свою очередь, если рассматривать самолет как исходную подсистему, то в нем можно выделить такие подсистемы, как планер, силовая установка, снаряжение, оборудование и т.д. Каждая из этих подсистем при проектировании также расчленяется на ряд подсистем, элементов, агрегатов и узлов. Графически иерархическая структура самолета с указанием возможных иерархических уровней представлена на рис. 4.2 в виде ориентированного графа.
Иерархические уровни связаны между собой двумя типами отношений.
Первый тип характеризует структуру системы, упорядочивая состав ее элементов, блоков, агрегатов и связь частей между собой. На графе эти отношения представлены сплошными линиями.
Вместе с тем всякая структура создается для выполнения определенных полезных функций. Так, например, определенная конструкция крыла выполняет такие функции, как передача нагрузок, создание подъемной силы, размещение топлива и т.д. Таким образом, элементы подсистемы и ее отдельные иерархические уровни связаны между собой функциональными отношениями, которые на рис. 4.2 изображены пунктирными линиями. Каждому иерархическому уровню соответствует свои перечень задач, решение которых необходимо для принятия соответствующих этому уровню проектных решений. Так, на иерархических уровнях 1 и 2 необходимо принять решения о необходимых типах и желательных технико-экономических характеристиках самолетов рассматриваемой транспортной системы; числе (парке) каждого типа самолетов и их распределении по авиалиниям; характеристиках аэродромов базирования и их оборудования, способах обслуживания самолетов и составе экипажей и т.д.
Рис. 4.2. Графическая модель иерархической структуры самолета (фрагмент)
Решение этих задач позволяет ответить на важнейший вопрос: "что проектировать?", т.е. в каких условиях будет эксплуатироваться вновь создаваемый самолет и какими технико-экономическими характеристиками он должен обладать, чтобы его разработка оправдывала затрачиваемые на это средства. Ответы на эти вопросы оформляют в виде документов, называемых техническим заданием (ТЗ) на новые самолеты. Разработка ТЗ завершает один из этапов процесса проектирования, который по отношению к последующим является внешним.
На следующих трех уровнях определяют форму, размеры самолета, структуру и состав основных его агрегатов и систем, удовлетворяющих заданным требованиям. Эти задачи решают в конструкторском бюро и оформляют в виде технического предложения и эскизного проекта.
Последующие иерархические уровни включают в себя проектно-конструкторские задачи по разработке узлов и деталей всех агрегатов и систем самолета. Результаты этой работы, соответствующей этапу рабочего проектирования, оформляют в виде технической документации для производства и эксплуатации самолета.
Решение перечисленных выше задач позволяет принимать проектные решения, обеспечивая по мере перехода на более низкие иерархические уровни все большую степень детализации проектируемого объекта. При сравнении иерархических уровней и этапов проектирования видно, что усложнение самолета как объекта проектирования еще до формирования концепций системного подхода привело к расчленению самолета на. определенные элементы, а процесса его проектирования -- на отдельные этапы.
Итак, важным с точки зрения формализации аспектом проектирования самолета является его иерархическая структура и вытекающая из нее многоэтапность проектирования.
Контрольные вопросы
Этапы и процедуры проектирования.
Методология автоматизированного проектирования.
Модель системы - это...?
Какими типами отношений связаны между собой иерархические уровни?
Лекция №5. Тема: проблемы моделирования, типы проектных моделей
План лекции:
Моделирование и его применение в практике разработки ЛА.
Проблемы моделирования.
Типы проектных моделей.
Под моделью понимается такая мысленно представляемая или материально реализованная система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его таким образом, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте.
Моделирование - это исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей, а также использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов.
Моделирование является одним из методов научного исследования, в результате которого получают новые знания об объектах.
Моделирование подразделяется на материальное (физическое) и идеальное.
При материальном моделировании обеспечивается подобие между физической природой, геометрией объекта и модели. Идеальное моделирование осуществляется на уровне самых общих представлений и на уровне детализированных знаковых систем.
При материальном моделировании объект исследования замешается другим материальным объектом, причем должно обеспечиваться подобие между их физической природой, геометрией и другими свойствами.
Натурное моделирование характеризуется тем, что моделью служит реальный объект, по результатам исследований (испытаний) которого судят о свойствах всей совокупности аналогичных объектов (например, испытание опытных самолетов).
При макетном моделировании обеспечивается подобие ряда свойств объекта и модели, существенных для задач исследования.
Масштабное моделирование предполагает подобие геометрии объекта и модели (аэродинамическая продувочная модель).
При структурном моделировании обеспечивается подобие структуры объекта и модели - структурного макета, состав и функциональные связи элементов которого соответствуют составу и связям элементов моделируемого объекта (например: лабораторный макет топливной или радиосистемы).
Функциональное моделирование имеет место в том случае, когда некоторый физический объект функционирует таким образом, что его поведение адекватно поведению исследуемого объекта. Функциональная модель может быть далеки от оригинала по внешней форме, геометрии и внутренней структуре (электрические стенды системы управления, системы запуска двигателей и т.п.).
Идеи зародившиеся у конструктора, сформированные в его сознании первые представления о возможном облике нового объекта являются «мысленной концептуальной моделью» этого объекта.
Наглядно-образное моделирование реализуется путем создания графических образов, отображающих в наглядной форме внешний вид, структуру и поведение объекта. К таким моделям относятся, например, чертежи (общие виды, сборочные чертежи, чертежи отдельных конструктивных элементов) блок схемы систем, монтажные схемы, графики изображающие траектории движения и т.д.
Лингвистическое моделирование - это составление описания объекта моделирования на естественном языке, например: техническое задание, описание конструкции...
В последние десятилетия исключительно важное значение приобрело математическое моделирование.
Под математическим моделированием подразумевается использование математического описания некоторого объекта для проведения исследований и изучения его свойств (пример - все вычислительные алгоритмы).
В сложном процессе разработки ЛА применяются практически все перечисленные методы моделирования. В целом создание ЛА есть процесс построения различных моделей разрабатываемого ЛА.
При этом «удельный вес» отдельных методов моделирования со временем меняется. Так, например, в настоящее время разработаны сертифицированные программы аэродинамических и прочностных расчетов, которые могут существенно уменьшить удельный вес аэродинамических продувок и прочностных испытаний.
ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ. ТИПЫ ПРОЕКТНЫХ МОДЕЛЕЙ
Понятие формализации проектирования включает в себя описание, объекта и процесса его проектирования с помощью графического языка, чисел, букв и других символов. Естественно, что каждому иерархическому уровню соответствуют своя степень детализации описания и свой набор символов, знаков, с помощью которого осуществляется это описание. Структуру самолета, его форму, размеры можно описать с помощью конечного числа таких символов, которые называются параметрами. Свойства же самолета (или любой его подсистемы) можно описать с помощью другого набора символов, называемого характеристиками. Характеристики являются функцией параметров, а в общем случае и других характеристик. Например, коэффициент лобового сопротивления крыла сХа является функцией его геометрических параметров, однако для одних и тех же параметров крыла он будет изменяться с ростом такой характеристики самолета, как скорость полета. Мы уже отмечали, что в иерархических системах понятия "параметр" и "характеристика" относительны.
Расчленение системы на иерархические уровни облегчает решение отдельной задачи, но в то же время требует учета всех существенных связей между расчлененными уровнями. Эти связи делятся на прямые и обратные. Рассмотрим характер связей для этапов разработки ТЗ, разработки технического предложения и эскизного проекта (рис. 5.1). Прямые связи (они обозначены сплошными линиями) являются выходной информацией (результатом проектирования) для верхнего уровня и входной информацией -- для нижнего уровня. Обратные связи (пунктирные линии) -- наоборот. Для верхнего уровня прямые связи представляют собой искомые переменные (оптимизируемые параметры), для нижнего -- дисциплинирующие условия. Они являются основой для формулирования критериев и ограничений при решении задачи данного уровня. Так, прямые связи между уровнями разработки ТЗ и технического предложения -- это переменные, характеризующие потребные летно-технические и другие характеристики, регламентируемые ТЗ. Прямые связи между уровнем разработки технического предложения и уровнем разработки эскизного проекта отражают те решения по проекту, которые следует принять, прежде чем приступить к эскизному проекту. Они включают в себя числовое, графическое и словесное описание проекта, подтверждающее возможность или степень выполнения технического задания. Это описание, например для пассажирского самолета, должно включать общий вид самолета в трех проекциях, компоновку пассажирской кабины, размеры, площади и объемы багажно-грузовых помещений; массовые и центровочные характеристики, включая полную весовую сводку самолета, диапазон эксплуатационных центровок; аэродинамические характеристики и характеристики устойчивости и управляемости, результаты предварительных расчетов на прочность, аэроупругость и акустическую выносливость; летно-технические характеристики; общие сведения о конструкции, системах и агрегатах самолета, силовой установке и оборудовании самолета и др.
Обратные связи для уровня разработки ТЗ отражают прогнозируемые технико-экономические характеристики перспективных самолетов, выражаемые через обобщенные показатели, например массу пустого снаряженного самолета (весовое совершенство), полетное аэродинамическое качество (аэродинамическое совершенство), удельный расход топлива (совершенство силовой установки). Для уровня разработки технического предложения -- аэродинамические характеристики различных схем самолета, характеристики двигателей, оборудования и систем, физико-механические свойства конструкционных материалов, полуфабрикатов и др.
Поскольку проектирование, как правило, ведется сверху вниз, то естественно, что информация, соответствующая обратным связям, носит прогнозный характер. Проектирование же на каждом уровне направлено на подтверждение заявленных на более высоком уровне характеристик. Прогнозный характер информации требует наличия итерационных циклов между различными уровнями. Это определяет второй важный с точки зрения формализации аспект процесса проектирования -- его итерационный характер. Такой характер проектирования сопряжен с опасностью принятия не вполне обоснованных и даже ошибочных решений в случае игнорирования некоторых структурных или функциональных связей. Это игнорирование может быть следствием как субъективных причин, когда, например, проектировщик считает данную связь несущественной, так и объективных причин, связанных с невозможностью учета тех или иных факторов из-за отсутствия достоверной информации на рассматриваемом этапе проектирования. Так, в процессе формирования облика самолета на этапе разработки технических предложений приходится принимать решения о форме, размерах и взаимном расположении основных элементов планера самолета и его силовой установки исходя из заданных летно-технических характеристик. Эти характеристики являются функцией весовых характеристик, характеристик силовой установки и аэродинамических характеристик, определяемых на рассматриваемом этапе с довольно невысокой точностью. Например, масса полезной нагрузки самолета определяется как разность взлетной массы и массы пустого снаряженного самолета. Вследствие того, что указанные массы определены с невысокой точностью, возникает опасность серьезных просчетов в оценке возможностей проектируемого самолета. Эти просчеты обычно выясняются на этапах рабочего проектирования или даже испытаний, когда внесение изменений в проект сопряжено со значительными трудностями.
К чему могут привести такие ошибки, видно из следующих примеров [19]. Для сверхзвукового самолета с расчетной взлетной массой 272 т. при среднестатистическом значении относительной массы конструкции ее абсолютная величина составит 68 т. Возможная ошибка в определении этой величины может достигать 30 %, т.е. приблизительно 20 т, что соответствует расчетному значению всей платной нагрузки.
Рис. 5.2. Графики расчетного и фактического избытка тяги
Даже если ошибка составит всего 3 %, что считается вполне допустимым на начальных этапах проектирования, то это означает уменьшение платной нагрузки на 10 %.
Понятно, что такое уменьшение приведет к существенному ухудшению экономических показателей самолета. Опыт разработки в США сверхзвукового пассажирского самолета Боинг -2707 является убедительным подтверждением приведенного выше примера.
Значительные ошибки могут быть допущены при определении характеристик силовой установки, даже при использовании готового двигателя. Это объясняется тем, что потери, обусловленные особенностями конструкции воздухозаборников и сопл, а также отбором воздуха и мощности от двигателей для нужд различных систем самолета, на рассматриваемом этапе обычно определяются весьма приближенно. А поскольку летные характеристики в значительной степени являются функциями разности тяги и лобового сопротивления, то становится очевидной цена ошибок в определении потребной (Рп) и располагаемой (Рр) тяг (рис. 5.2). Не менее сложной является проблема достаточно точного определения на ранних стадиях разработки проекта самолета его аэродинамических характеристик. При этом цена ошибок здесь также достаточно велика. Расчеты показывают, что, например, для пассажирского самолета с расчетной взлетной массой т0 = 180 т. ошибка в определении суmax всего на 10 % при сохранении платной нагрузки и дальности полета ведет к увеличению потребной длины взлетно-посадочной полосы (ВПП) на 10 %. При сохранении же длины ВПП без изменений уменьшается на 25 % дальность полета, что, разумеется, существенно изменяет возможности самолета.
Субъективные причины ошибок можно исключить путем повышения квалификации проектировщика. Устранению объективных причин способствуют следующие две тенденции, наметившиеся в настоящее время в разработке новых ЛА. Первая из них связана с расширением роли и объема научно-исследовательских и экспериментальных исследований, направленных на создание научно-технического задела по перспективным направлениям авиастроения. Такой задел позволяет отработать и проверить путем натурного и полунатурного моделирования новые технические решения, предполагаемые к использованию на перспективных самолетах, что существенно снижает риск из-за принятия необоснованных решений.
Вторая, дополняющая первую, тенденция связана с появлением и использованием ЭВМ, а также развитием численных методов анализа и принятия решений. Она направлена на применение в проектировании численных моделей, адекватно отображающих исследуемые объекты или процессы. К таким моделям, например, относятся конечноэлементные модели, используемые при расчете аэродинамических характеристик самолета и анализе напряженно-деформированного состояния его конструкции.
Итерационный характер проектирования ведет к увеличению сроков разработки проекта и его стоимости. В этой связи сокращение итерационных циклов является одной из задач методологии проектирования. В методологии автоматизированного проектирования предусмотрена возможность решения этой задачи. Она заключается в использовании при проектировании самолетов более сложных математических моделей, отличающихся более высокой степенью адекватности. Можно предположить, что развитие методологии автоматизированного проектирования приведет к изменению технологии разработки проекта, в частности к объединению некоторых этапов проектирования.
Усложнение моделей связано с увеличением затрат машинного времени, однако оно не всегда приводит к повышению качества принимаемых проектных решений, т.е. дополнительные затраты на проектирование не окупаются качеством проектных разработок. Поэтому необходим разумный компромисс между точностью, временем и стоимостью проведения расчета.
В соответствии с принципами системного подхода каждому этапу проектирования свойственны свои модели, отличающиеся степенью детализации, т.е. числом учитываемых в модели факторов и связей между ними. Иными словами, модели, используемые при проектировании самолета, иерархичны. С другой стороны, нельзя говорить о некоторой универсальной модели, пригодной для решения всех типов задач, связанных с разработкой проекта самолета. На каждом иерархическом уровне модель представляет собой набор субмоделей, отражающий те или иные стороны структуры и функционирования самолета и его подсистем. Каждая субмодель представляет собой блок, включающий в себя группы связей (уравнений), описывающих, например, геометрию самолета, его аэродинамические и весовые характеристики, стоимостные и эффективностные показатели. Такой подход к построению модели имеет ряд преимуществ. В частности, появляется возможность разработки и совершенствования субмодели специалистами, компетентными в определенной области знаний. Достигается определенная гибкость при построении расчетных моделей при различных постановках задач проектирования, а также некоторые преимущества при программной реализации этих моделей.
Состав и структура субмоделей, используемых на различных этапах проектирования, различны. Так, например, на этапах внешнего проектирования транспортного самолета исследуются экономико-математические модели воздушной транспортной системы. Они включают в себя ряд субмоделей. Одни из них -- это субмодели существующего и прогнозируемого грузооборота, учитывающие распределение грузов по отдельным авиалиниям, номенклатуру грузов, сезонные изменения объема перевозок и другие факторы. Другие -- это субмодели существующей и перспективной сети аэродромов, которые учитывают технические характеристики аэродромов (число, размеры и параметры ВПП), возможности служб управления воздушным движением и ремонтно-эксплуатационной базы и т.д.
Самолет, как элемент транспортной системы, представлен своей субмоделью. Она отражает связи технико-экономических характеристик самолета с его обобщенными параметрами, характеризующими уровень технического совершенства самолета. Так, функционирование самолета на авиалинии моделируется зависимостями величины коммерческой нагрузки и рейсовой скорости от дальности полета. Экономические характеристики самолета моделируются зависимостью себестоимости тонно-километра от дальности полета. Топливная эффективность -- расходом топлива на пассажиро-километр (тонно-километр) в зависимости от дальности.
Чтобы принять оговоренные выше решения по проекту на этапе разработки технического предложения нужна модель самолета, отличающаяся гораздо большей степенью детализации и полнотой учета факторов. Ее основное назначение -- получение надежной информации о возможности реализации тех или иных проектно-конструкторских решений для достижения поставленных целей проектирования, а также оценка сравнительной эффективности этих решений. В основе модели самолета лежат различные методы весового и аэродинамического расчета, прочностных расчетов и расчетов устойчивости и управляемости, определения высотно-скоростных и дроссельных характеристик двигателя и др. Эти методы, отличающиеся для различных этапов разработки проекта, в соответствии с блочным принципом моделирования при разработке модели объединяются в отдельные блоки. Они представляют собой субмодели модели самолета. Опыт проектирования позволяет установить примерный состав модели самолета для ранних этапов разработки проекта. Назовем основные субмодели, некоторые из них затем более детально будут рассмотрены в последующих главах.
Одной из важнейших является геометрическая модель. Важность ее определяется и тем, что с ее помощью формируется зримый образ проектируемого объекта, и тем, что для самолета внешние формы и размеры во многом определяют его летные свойства, и тем, что эта модель является мостиком между проектом и его конкретной реализацией. Эта модель описывает отношения между параметрами самолета и характеристиками его формы и размеров. С ее помощью определяют обводы, площади, объемы, поперечные сечения самолета и его агрегатов. Данные этой модели используют для весовых, аэродинамических и прочностных расчетов, компоновки самолета, графического отображения результатов проектирования, а также разработки технологической оснастки и программ для станков с числовым программным управлением.
Весовая модель обеспечивает расчет массы самолета и ее составляющих в соответствии с весовой сводкой, степень детализации которой определяется этапом разработки проекта. В ее основу положены связи между геометрией самолета, действующими на него нагрузками, особенностями конструктивно-силовой схемы, величиной целевой нагрузки, составом и размещением оборудования и снаряжения, с одной стороны, и массой самолета и его составляющих, с другой.
Аэродинамическая модель служит для расчета аэродинамических характеристик самолета в полетной и взлетно-посадочной конфигурациях. В основе ее -- связи между параметрами формы и размеров самолета, а также режимом полета и характером действующих на самолет сил и моментов (их величиной и законами изменения).
Модель силовой установки делает возможным расчет высотно-скоростных и расходных характеристик двигателей. Она основана на связях между геометрическими и газодинамическими параметрами двигателей разного типа и их тягой и расходом топлива на различных `режимах полета.
Весовая, аэродинамическая модели и модель силовой установки обеспечивают расчет силовых факторов, действующих на самолет. Это позволяет решать важные при проектировании самолета задачи по определению общих показателей маневренности самолета, траекторий полета, взлетно-посадочных характеристик, а также характеристик его устойчивости и управляемости. Эти задачи решаются с помощью динамической модели. Она описывает сложный комплекс связей между названными выше характеристиками и силовыми факторами.
При формировании облика самолета важную роль играет модель компоновки и центровки, обеспечивающая взаимную пространственную увязку основных компонентов самолета с учетом удовлетворения противоречивых требований аэродинамики и прочности, устойчивости и управляемости, эксплуатационной и производственной технологичности и др. Следует отметить, что задачи компоновки, особенно внутренней, пока формализованы в малой степени и поэтому их решение требует активного участия проектировщика.
Для оценки вариантов проектно-конструкторских решений применяются различные показатели технико-экономического совершенства. Для их расчета используются эффективностные модели. Они позволяют рассчитывать показатели эффективности (весовой, топливной, экономической) самолета (или его отдельных подсистем) в зависимости от его параметров. Так, экономические модели транспортного самолета отражают связи между транспортной производительностью самолета, определяемой уровнем его технического совершенства, и затратами на проектирование, изготовление и эксплуатацию самолета.
Рис. 5.3. Структурная схема модели «самолет»
Укрупненная структурная схема модели «самолет» представлена на рис. 5.3. показанные на ней блоки -- это описанные выше субмодели. Каждый из блоков, в свою очередь, состоит из ряда расчетных модулей. Расчленение блока на модули определяется перечнем задач рассматриваемого этапа. В зависимости от стадии разработки проекта и типа проектируемого самолета состав и структура модели может изменяться.
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ
Следующая стадия решения задачи -- ее алгоритмизация -- представляет собой разложение вычислительного процесса на составные части, определение последовательности их выполнения, составление описания содержания каждой из выделенной частей в определенной форме и проверку соответствия алгоритма выбранному методу. Назначение алгоритмизации -- точное и детальное описание процесса обработки исходных данных для получения требуемого результата в соответствии с выбранным методом решения задачи.
Многообразие задач, способов их решения не позволяют формализовать процесс разработки алгоритмов. Однако по способу организации управления порядком выполнения действий все алгоритмы можно разделить на три группы: линейные, разветвляющиеся и циклические [30]. В линейных алгоритмах получение результата достигается путем однократного выполнения одной и той же последовательности действий при любых значениях исходных данных. В разветвляющихся алгоритмах в зависимости от значений исходных данных или промежуточных результатов предусматривается выбор одной из нескольких возможных последовательностей действий (ветвей алгоритма). Такие алгоритмы в отличие от линейных содержат по крайней мере по одному логическому блоку. В циклических алгоритмах, наиболее сложных по структуре, результат получают путем многократного повторения некоторой последовательности действий. Различают циклические алгоритмы с заданным числом повторений и итерационные, в которых выход из цикла зависит от выполнения определенного условия, связанного с проверкой значения монотонно изменяющейся в цикле величины.
Наиболее распространенной при решении задач общего проектирования самолета является циклическая структура алгоритма.
Общая схема алгоритма решения проектных задач представлена на рис. 5.4, где вектор искомых параметров обозначен X, вектор характеристик - Y, а F(X) - целевая функция, Х0 - параметры начального приближения. Изменяя входы в модель, проектировщик, который выполняет функции обратной связи в модели, добивается получения требуемых характеристик объекта проектирования. Если при этом дополнительно ставится задача достижения экстремума целевой функции F(X), то решается оптимизационная задача. В рассматриваемом случае оптимальный проект ищут путем перебора параметров по логике, определяемой проектировщиком. В литературе методы решений проектных задач по описанной схеме называются методами прямого перебора, сканирования, «слепого» поиска и т.д.
Другая схема реализации процесса, изображенного на рис. 5.4, характеризуется включением в обратную связь модели специальной формализованной стратегии управления, осуществляющей поиск «лучшего» проекта. Логический процесс формирования последовательности улучшаемых проектов осуществляется автоматически на основе информации о результатах предыдущих итераций. Это, однако, не означает, что проектировщик не принимает участия в интерпретации результатов расчетов. Такой подход реализуется с помощью упорядоченных методов поиска экстремума. Он положен в основу автоматизированного проектирования.
Рис. 5.4. Общая схема алгоритма решения проектных задач
Названные подходы к решению задач оптимального проектирования имеют много общего. Оба они имеют общую цель -- поиск «лучшего» проекта, оба используют интуицию проектировщика для выбора исходного варианта. В основе обоих подходов лежит итерационный процесс улучшения исходного варианта. Каждому из этих подходов присущи определенные достоинства и недостатки. Так, методы прямого перебора (параметрического анализа) обладают следующими достоинствами: не требуют предварительного задания целевой функции и ограничений; чувствительность проекта к изменению переменных очевидна из результатов анализа. К тому же, решая задачу, проектировщик все время находится в центре событий, контролирует вычислительный процесс. Однако такой подход малоэффективен при исследовании многомерных областей. Вследствие естественных ограничений на число варьируемых параметров, неадаптивности параметров он не обеспечивает получение действительно оптимальных решений. Подход требует выбора хорошей номинальной точки (начального приближения проектных параметров).
Достоинством упорядоченных методов оптимизации является то, что они потенциально более эффективны в отыскании оптимума, особенно при большой размерности задачи. Они применимы для решения широкого класса задач, включая такие, в которых человеческая интуиция недостаточно разработана. Более того, они минимизируют человеческие предубеждения. Основной недостаток этих методов заключается в том, что они требуют строгого количественного определения области исследований Этот процесс принижает роль опыта и интуиции проектировщика, а также часто связан с искажениями реальной проблемы.
Следует подчеркнуть, что в основе обоих подходов лежит количественная абстракция реальной действительности (математическая модель), которая лишь приближенно отображает эту действительность. Это обстоятельство требует зачастую корректировки модели в процессе проектирования, например, на основе физического моделирования. К тому же при втором подходе всегда есть опасность отыскать точку локального оптимума, поэтому всегда требуется экспертиза оптимального решения опытным специалистом-проектировщиком.
Контрольные вопросы
Моделирование - это...?
Материальное (физическое) моделирование.
Идеальное моделирование.
Прямые и обратные связи между этапами проектирования.
Назовите основные субмодели самолета.
На какие группы делятся алгоритмы?
Лекция №6. Тема: постановка задачи оптимального проектирования. Методы оптимизации проектных решений
План лекции:
1. Постановка задачи.
2. Оптимальное проектное решение.
3. Методы оптимизации.
Постановка задачи («оптимум» - «optimus» - «наилучший»).
Оптимизация - это процесс нахождения экстремума количественной характеристики проектируемого объекта. Изучением и количественным определением минимумов и максимумов функций (функционалов) занимается специальный раздел математики - теория оптимизации, включающий в себя методы оптимизации различных классов функций.
Такое проектное решение, которое является наилучшим из рациональных допустимых решений, называется «оптимальное проектное решение» (оптимальный проект). Термин «допустимое проектное решение» означает, что это решение удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к проектному объекту. В случаях, когда допустимых решений несколько, возникает проблема выбора наилучшего (оптимального) решения. Это можно сделать лишь при условии, если проектное решение поддается количественной оценке, позволяющей осуществлять сравнение вариантов по показателям эффективности.
Пример: Представим, что конструктор стоит перед проблемой выбора параметров крыла, максимизирующих аэродинамическое качества: F=f(х1; х2)
(F - аэродинамическое качество; х1 - удлинение; х2 - нагрузка на 1 м2 )
Максимум критерия достигается в точке А, являющейся вершиной холма, при значениях параметров х1opt и х2opt. Точка А соответствует строгому математическому оптимуму. Однако, результат может получится иным, если математический оптимум находится за пределами допустимой области изменения проектных параметров, определяемой ограничениями на величины этих параметров (например: max из условия стоянки; Р0 из условия обеспечение Vзп).
В этом случае оптимальное значение критерия достигается в точке А, лежащий на границе допустимой области. Точка А определяет оптимальное техническое решение, соответствующее знаниям параметров х1opt и х2opt. Точку А называют условным оптимумом функции F. Именно с отысканием таких оптимумов чаше всего приходится сталкиваться проектировщику. Однако это не единственная сложность при решении практических задач оптимального проектирования. Прежде всего целевая функция может иметь несколько экстремальных значений. Это обстоятельство приводит к опасности нахождения локального оптимума (точки В) вместо глобального (А). Таким образом, оптимизация проектных решений является важнейшим элементом процесса проектирования и включение их в процесс, превращает его в оптимальное проектирование.
При проектировании самолетов значительное число задач относится к оптимизационному классу. При этом можно выделить два основных их типа:
Первый тип представляет собой случаи, в которых цель процесса оптимизации может быть выражена как функция Р определенного числа переменных (проектных параметров)
F - целевая функция, хi - параметры или управления.
Можно предположить, что n параметров принадлежат n - мерному евклидову пространству, в котором расстояние между двумя точками Х'=(x1', x2', ... xn') и X''= (x1''... xn'') определяется уравнением:
Переменные хi могут быть интерпретированы как компоненты вектора Х в n -мерной поверхности управления. В этом смысле вектор Х называют вектором управления. Задачей оптимизации является выбор значений хi, с учетом ограничений, минимизирующих или максимизирующих целевую функции.
Второй тип связан с процессами, которые описываются системой обыкновенных дифференциальных уравнений
где хi -- переменные состояния или фазовые переменные;
uj -- переменные управления или параметры управления.
Цель оптимизации обычно выражается как требование найти изменение управления по времени t uj(t), которое обеспечивает экстремум функционала F, связанную с переходом объекта от заданного начального фазового состояния xi(t0)=xi 0 к предписанному конечному фазовому состоянию xi(t1)=xi 1:
Большинство задач оптимального проектирования самолета и его частей относится к первому типу. Например, задачи минимизации m0 или себестоимости перевозок, путем выбора оптимальных проектных параметров: ро, кр, с, ф и т.д.
Примером задач второго типа является нахождение оптимальной траектории самолета, обеспечивающей минимальное время набора высоты или минимальный расход топлива.
Для постановки оптимизационной задачи необходимо:
1) определить цель оптимизации (выбрать целевую функцию F);
2) выбрать параметры, наиболее существенно влияющие на целевую функцию ();
3) выразить целевую функцию через параметры оптимизации F=f (xi) в такой математической форме, которая, с одной стороны, отражала бы наиболее близко истинное влияние каждого параметра, а с другой, обеспечивала бы наибольшую простоту предстоящего процесса оптимизации;
4) математически описать все ограничения на отдельные параметры.
Ограничения определяют допустимую область изменения проектных параметров X. Эта область в сокращенной записи определяется следующим образом:
(*)
Здесь gj(X) -- ограничения.
Любой вектор X, принадлежащий допустимой области, определяет допустимый вариант проекта, а совокупность таких векторов образует допустимую область изменения проектных параметров.
Тогда задача оптимального проектирования формулируется следующим образом: найти вектор проектных параметров X* = (х1, х2, ..., .хn), соответствующий минимуму величины критерия оптимальности при выполнении системы неравенств (*). Краткая запись:
min F(X);
МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ
Методы оптимизации можно разделить на аналитические и численные. Аналитические методы включают в себя дифференциальное и вариационное исчисления, метод множителей Лагранжа. Применение этих методов накладывает на решаемую оптимизационную задачу существенное ограничение, - целевая функция должна быть выражена аналитически, по крайней мере один раз дифференцируема и иметь конечное число разрывов. Обязательно также отсутствие ограничений на искомые параметры.
Методы дифференциального исчисления применяют при решении задач частной оптимизации при исследовании сравнительно несложных моделей с одним-тремя переменными, границы допустимых значений которых не проходят через экстремум целевой функции.
Если целевая функция представлена в виде функционалов, используют методы вариационного исчисления. Эти методы находят применение при решении задач оптимизации параметров траектории полета и режима изменения тяги двигателя по времени.
Появление ЭВМ и связанное с этим развитие численных методов оптимизации открыли новые возможности практической реализации методов оптимального проектирования.
Первые, наиболее значительные, результаты использования математического программирования были достигнуты при решении задач линейного программирования, т.е. задачи, в которых целевая функция, и ограничения являются линейными функциями параметров. К этому классу удается свести большой круг практических задач, таких как организация и планирование производственной деятельности, распределение и использование различных ресурсов, транспортные задачи и др.
Методы решения задач линейного программирования можно разделить на общие и специальные. Среди общих методов наибольшее распространенные получили симплекс-метод и его разновидности.
К специальным методам принадлежат метод линейных ветвлений, распределительный метод и др.
Особый класс задач математического программирования составляют задачи, в которых переменные являются целыми числами (например: число двигателей, окон, число элементов продольного и поперечного набора и т.д.). Такие задачи получили название задач целочисленного (дискретного) программирования. Для решения таких задач разработаны специальные методы: «метод отсечении»(метод Гомори), «метод ветвей и границ» (комбинаторные методы).
Эти методы является достаточно общими и позволяют решить как линейные, так и нелинейные задачи дискретного программирования.
Достаточно общий метод решения задач математического программирования, известный под названием «динамического программирования» разработан Р.Беллманом. Согласно принципу оптимальности принятие решений по управлению сложной системой разбивают на ряд последовательных шагов, на каждом из которых решают свою оптимизационную задачу. При этом задача минимизации функции многих переменных сводится к последовательному решению задач минимизации функции одной переменной:
Работы Л.С. Понтрягана по дальнейшему развитию вариационного исчисления привели к формулировке «принципа максимума». Это позволило поставить на строгую математическую основу теорию оптимального управления и открыло возможность для решения ряда чрезвычайно сложных проблем по созданию систем автоматического управления космическими летательными аппаратами. В то же время был разработан ряд алгоритмов поиска локальных оптимумов многопараметрических функций при наличии и отсутствии ограничений на параметры.
В тех случаях, когда вычисление градиентов сложной функции численными методами либо невозможно, либо может потребовать большого машинного времени, практический интерес представляют прямые методы безусловной оптимизации. Характерной особенностью прямых методов является их эвристический характер, отсутствие строгого обоснования.
Наиболее известные методы этой группы:
метод покоординатного спуска (метод Гаусса-Зейделя);
метод конфигураций (метод Хука и Дживса);
метод деформируемого многогранника (метод Нелдера и Мида);
метод Розенброка;
метод Пауэла.
Особую группу среди прямых методов занимают «методы случайного поиска».
Наибольший интерес для проектировщика представляет решения задач нелинейного программирования с ограничениями.
Возможные методы решения:
метод возможных направлений;
метод проективного градиента;
метод аппроксимирующего линейного программирования;
метод штрафных функций.
Рис. 6.2. Структура программного комплекса оптимального проектирования
Опыт показывает, что не существует универсального метода, который можно успешно применит к широкому кругу практических задач оптимизации облика самолета и его конструктивно-силовой схемы. В развитых системах автоматизированного проектирования имеется специальная подсистема оптимизации, представляющая собой сложный программный комплекс. Он включает в себя комбинацию различных методов поиска экстремума, объединенных специальной управляющей программой, осуществляющей переход к различным методам в зависимости от поведения целевой функции на различных шагах итерации.
Контрольные вопросы
Оптимизация - это…?
Оптимальное проектное решение - это…?
Методы оптимизации.
Структура программного комплекса оптимального проектирования.
ТЕМА III. МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ САПР
ЛЕКЦИЯ №7. Основные положения технологии автоматизации проектирования
План лекции:
4. Основные понятия и положения общей технологии автоматизации проектирования.
5. Основные положения общей методики разработки структуры и схемы функционирования САПР.
6. Описание и анализ структуры и схемы функционирования САПР на общесистемном уровне.
1. Основные понятия и положения общей технологии автоматизации проектирования
Согласно ГОСТ 235010-79 «Системы автоматизированного проектирования Основные положения» САПР представляет собой организационно техническую систему, выполняющую автоматизированное проектирование и состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования и взаимосвязанного с ним коллектива специалистов проектной организации. В общем случае под ОТС понимается взаимодействующая совокупность коллектива людей в рамках административно организационных структур и технических средств, объединенных общностью решаемой задачи. Таким образом, САПР является частным случаем ОТС, который характеризуется своим типом решаемых задач (задачи проектирования), технических устройств (электронно-вычислительная техника и обеспечивающее оборудование) и административно организационных структур (структуры проектной организации).
Для обеспечения однозначности понимания излагаемых далее вопросов, связанных с описанием структуры и схемы функционирования САПР, остановимся на некоторых положениях и понятиях, используемых в практике автоматизированного проектирования.
Ряд положений, рассмотренных выше, допускает их обобщение в виде формализованного представления САПР. И неслучайно, что формализация представления САПР как единой системы стала одним из вопросов общей методологии автоматизации проектирования.
Общим для этого является отражение понимания САПР как организационно-технической системы. Возможный вид такого представления показан на рис 7.1. Структура КСАП соответствует наличию в составе САПР собственной СУБД, условно обозначенной ОПС 1, и подсистемы документирования, обозначенной ОПС М. В связи с этим, в число специалистов, взаимосвязанных с КСАП, помимо специалистов по проектированию (3) входят оформители проектной документации (5) и администраторы базы данных (4) Кроме них в организационную систему входят также лица, принимающие решения (1),руководитель САПР (2), также наделенный полномочиями принятия решений, и специалисты по эксплуатации и сопровождению КСАП (6).
Рис 7.1. Формализованное представление САПР как организационно-технической системы:
1-ЛПР; 2-руководитель САПР; 3-пользователи САПР; 4-администраторы базы данных; 5-оформители проектной документации; 6-специалисты по эксплуатации и сопровождению КСАП.
Исходя из понятия САПР как ОТС, можно различать системы минимальной и максимальной структуры. САПР минимальной структуры соответствуют тем единичным административно-организационным составляющим проектной организации, автоматизация проектной деятельности которых характеризуется выполнением требования системного единства как одного из принципов ее создания. Такие единичные составляющие обеспечивают выполнение достаточно масштабных и замкнутых частей процесса проектирования, обозначенных выше как проектные работы.
Конкретная САПР максимальной структуры образуется комплексом САПР проектных работ при условии, что они разработаны с учетом принципа включения. Такая комплексная система ограничивается, как правило, административно-организационными рамками проектной организации Простая совокупность САПР проектных работ, не взаимосвязанных между собой выполнением общих программ проектных разработок, не образует единую комплексную САПР. Поэтому в рамках проектной организации могут существовать несколько независимых друг от друга комплексных САПР или просто САПР проектных работ.
Формализованное представление САПР (см. рис. 7.1.) является удобным средством наглядного отображения общих результатов разработки САПР. Оно не является, однако, средством проведения самой этой разработки. Этой цели служит методика разработки структуры и схемы функционирования САПР.
2. Основные положения общей методики разработки структуры и схемы функционирования САПР
Разработка структуры и схемы функционирования САПР невозможна без их формализованного описания. Такое описание создает необходимые условия для систематизированного анализа уже имеющихся и разработки новых решений в части практической реализации автоматизированного проектирования.
Методической основой описания структуры и схемы функционирования САПР является технология структурного программирования, которая позволяет ввести в выполнение данной работы определенный аппарат формирования и формализованного описания принимаемых здесь решений, сделать эту работу управляемой и контролируемой со стороны руководителя разработки
Представляют интерес два методических средства структурного программирования, получившие применительно к разработке САПР наименования структурной диаграммы и диаграммы состояний. Оба средства основаны на поэлементном анализе описываемых процессов Структурная диаграмма описывает декомпозицию сложных процессов (состояний системы) на более простые. Диаграмма состояний описывает взаимосвязь процессов в пределах того комплексного процесса, в который они входят. Эта взаимосвязь характеризует последовательность простых состоянии, которые может принимать выполняемая системой работа.
При использовании данных средств применительно к описанию структуры и схемы функционирования САПР узлы диаграмм соответствуют отдельным проектным процессам, реализуемым соответствующими структурными компонентами. Поэтому уровни детализации структурной диаграммы можно рассматривать как уровни структурной детализации САПР и самого автоматизированного процесса проектирования. Следует подчеркнуть, что эти уровни не являются аналогией тем, которые используются в системном, организационном и системно-организационном макроописаниях проектирования. Понижение уровня в этих макроописаниях означает переход от одних проектных процессов к другим. Здесь же понижение уровня - переход к более общему рассмотрению процесса проектирования в целом.
Иллюстрация рассматриваемых средств структурного программирования при их использовании для описания структуры и схемы функционирования САПР представлена на рис. 7.2., где ППС - проектирующая подсистема (или реализуемая ею частная задача проектирования); ОПС - обслуживающая подсистема (или реализуемая ею частная задача проектирования); СК - структурный компонент подсистемы (или реализуемый им компонент частной задачи проектирования). Принятые уровни структурной детализации САПР предполагают следующее соответствие: 0--проектный процесс, реализуемый в рамках отдельной САПР минимальной структуры (т. е. проектная работа); 1--проектный процесс, реализуемый в рамках отдельной подсистемы (т. е. частная задача проектирования, в том числе проектная процедура); 2--отдельный компонент частной задачи проектирования (в частном случае--проектная операция). Стрелками на диаграмме состояний обозначены возможные переходы от одного состояния к другому, в том числе входы и выходы диаграммы состояний.
Дальнейшими уровнями структурной детализации САПР (или автоматизированного проектирования), не показанными на рис. 5.2., являются: 3--отдельный алгоритм проектной деятельности в составе компонента частной задачи проектирования; 4--элементарное взаимодействие между отдельными исполнителями алгоритма проектной деятельности; 5--составляющая элементарного взаимодействия, выполняемая отдельным компонентом.
...Подобные документы
Требования к САПР, принципы ее разработки. Этапы и процедуры проектирования самолетов. Необходимость и проблемы декомпозиции конструкции самолета в процессе его автоматизированного проектирования. Проблемы моделирования и типы проектных моделей самолета.
реферат [44,6 K], добавлен 06.08.2010Особенности безмашинного проектирования. Основы проектирования плавильных отделений литейных цехов. Автоматизированные системы проектирования смежных объектов. Методы и алгоритмы выбора и размещения объектов при проектировании; конфигурации соединений.
курсовая работа [125,4 K], добавлен 20.05.2013Основные цели автоматизированного проектирования. Программное и техническое обеспечение для инженера конструктора швейных изделий на предприятии средней мощности, выпускающего женские костюмы. Автоматизация процессов учета, планирования и управления.
контрольная работа [15,8 K], добавлен 02.10.2013Особенности проектирования технологических процессов в условиях автоматизированного производства. Построение циклограмм функционирования робототехнических комплексов. Основные классификационные признаки промышленных роботов в современном машиностроении.
шпаргалка [1,4 M], добавлен 11.10.2009Описание технологического процесса обезжелезивания и деманганации воды. Цели создания и внедрения системы автоматизированного управления насосными агрегатами, ее структурные уровни. Расчет и выбор элементов силовой части и системы защиты электропривода.
дипломная работа [3,0 M], добавлен 30.01.2013Основные определения процесса проектирования, его системы, стадии и этапы. Системы автоматизации подготовки производства, управления производством, технической подготовки производства, оценка их практической эффективности. Структура и разновидности САПР.
курсовая работа [109,4 K], добавлен 21.12.2010Использование современной системы автоматизированного проектирования одежды для разработки модельной конструкции женского пиджака. Этапы работы в программе "Julivi". Обоснование выбора методики конструирования. Разработка конструкторской документации.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 16.03.2010Понятие об автоматизированном проектировании зубчатых передач. Особенности их проектирования при помощи комплекса "Компас. Формирование алгоритма многокритериальной оптимизации редуктора. Решение задачи многокритериальной оптимизации параметров на ПЭВМ.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 06.03.2016Обработка зубчатых колес. Методики автоматизированного проектирования технологических процессов. Создание программы автоматизации составления маршрута техобработки типовых деталей типа "зубчатое колесо". Методология функционального моделирования IDEFO.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 09.04.2012Методика создания металлоконструкции каркаса контейнера. Анализ методов и систем автоматизированного проектирования металлоконструкций. Создание узлов в Advance Steel. Определение параметров, построение конструкции. Набор элементов для построения фасонок.
диссертация [3,7 M], добавлен 09.11.2016Автоматизация производственных процессов как комплекс технических мероприятий по разработке новых прогрессивных технологических процессов. Анализ вертикально-фрезерного центра V450. Этапы разработки и проектирования гибкого автоматизированного участка.
курсовая работа [5,2 M], добавлен 06.01.2013Особенности применения САПР "Comtence" и "Еleandr"с целью построения базовых основ деталей швейных изделий с использованием методик конструирования. Сравнение программных компонентов изучаемых промышленных систем автоматизированного проектирования.
контрольная работа [1,3 M], добавлен 08.12.2011Функции системы автоматизированного проектирования одежды. Художественное проектирование моделей одежды. Антропометрический анализ фигур. Методы проектирования конструкций моделей. Разработка семейства моделей, разработка лекал и определение норм расхода.
дипломная работа [150,5 K], добавлен 26.06.2009Сущность, предназначение, задачи системы автоматизированного контроля (САК) в гибких производственных системах ГПС. Взаимосвязи САК с элементами ГПС. Типовая структура САК. Принципы и режимы функционирования САК. Программное обеспечение САК, его функции.
реферат [52,4 K], добавлен 05.06.2010Характеристика методики проектирования автоматизированного электропривода. Расчет требуемой мощности электродвигателя с учётом переходных процессов при пуске, торможении и изменении режимов работы двигателя. Определение передаточных функций датчиков.
курсовая работа [474,3 K], добавлен 10.12.2014Назначение и область применения коническо-цилиндрического редуктора. Автоматизированное проектирование зубчатых передач при помощи программного комплекса КОМПАС. Математическое описание и формирование алгоритма многокритериальной оптимизации редуктора.
курсовая работа [3,9 M], добавлен 23.10.2012Сфера использования технологий, основанных на разработках программного обеспечения. Автоматизированные системы подачи материалов. Применение систем автоматизированного проектирования. Значение прогресса технологий для повышения производительности труда.
реферат [28,1 K], добавлен 27.11.2012Понятие технико-экономической оптимизации проектных решений, их сущность и особенности, цели и задачи. Разработка проекта системы газоснабжения района, характеристика. Особенности организации и газоснабжения котельной. Экологические основы газоснабжения.
дипломная работа [292,8 K], добавлен 13.02.2009Статистическое проектирование облика самолета. Назначение, тактико-технические требования к самолету, условия его производства и эксплуатации, определение аэродинамических и технических характеристик. Разработка технологии изготовления детали самолета.
дипломная работа [2,6 M], добавлен 21.11.2011Рассмотрение существующего подхода к проектированию упаковочной продукции. Методы разработки с использованием средств автоматизированного проектирования. Обзор рынка конструкций для размещения рекламных буклетов. Выполнение эскизов в графике и в объеме.
дипломная работа [3,0 M], добавлен 28.08.2014
