Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ ім. Г.Є.ПУХОВА

УДК 658.012.011.56

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ МОДЕЛЬНОЇ ПІДТРИМКИ ПРИЙНЯТТЯ РІШЕНЬ В СИСТЕМАХ ПРОЕКТУВАННЯ ТА ВИПРОБОВУВАННЯ ЕЛЕМЕНТІВ МЕХАНІЧНИХ КОНСТРУКЦІЙ

05.13.06 - автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЮЗВЕНКО ВОЛОДИМИР ФЕДОРОВИЧ

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Саух Сергій Євгенович, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Томашевський Валентин Миколайович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” МОН України, професор кафедри автоматизованих систем обробки інформації та управління,

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Максимович Микола Олександрович, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова НАН України, докторант.

Провідна установа: Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, відділ цифрових моделюючих систем

Захист відбудеться “_28_” _жовтня___ 2003__р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.185.02 Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15.

Автореферат розісланий “_23_” _вересня _ 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 26.185.02,

кандидат технічних наук Семагіна Е.П.



АНОТАЦІЇ

Юзвенко В.Ф. Методи та засоби модельної підтримки прийняття рішень в системах проектування та випробовування елементів механічних конструкцій.- Рукопис. комп'ютерний механічний конструкція

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології. - Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена створенню інформаційних технологій модельної підтримки прийняття рішень у системах проектування й випробовування елементів механічних конструкцій шляхом формування і комп'ютерної реалізації динамічних моделей широкого класу механічних об'єктів з розподіленими і зосередженими параметрами. Аналіз процесів прийняття рішень у сучасних системах проектування і випробовування технічних об'єктів дозволив визначити можливості підвищення їх ефективності шляхом застосування методів і засобів модельної підтримки, сформулювати задачі алгоритмічної, структурної й інформаційно-технологічної організації відповідних програмних підсистем моделювання. Визначено основні види математичних моделей механічних об'єктів, що проектуються і випробовуються, з орієнтацією на умови й особливості комп'ютерного відтворення динамічних режимів їх функціонування в технологіях проектування й випробовування. Розроблено алгоритмічні основи комп'ютерних засобів модельної підтримки систем проектування й випробовування механічних об'єктів із зосередженими і розподіленими параметрами, об'єктів з коливальними режимами функціонування, а також систем контролю й випробовування механічних конструкцій, що забезпечують оперативне відтворення властивостей, параметрів і характеристик розроблюваних об'єктів. Створено комплекс програмних засобів комп'ютерного розв'язання задач динаміки основних видів механічних об'єктів для інформаційно-технологічної організації засобів модельної підтримки процесів прийняття рішень у системах проектування й випробовування широкого класу елементів механічних конструкцій. Проведено апробацію розроблених фрагментів інформаційної технології модельної підтримки при розв'язанні прикладних задач проектування й випробовування елементів механічних конструкцій.

Ключові слова: проектування, випробовування, механічні конструкції, прийняття рішень, модельна підтримка, інформаційні технології, комп'ютерне моделювання, програмні засоби.



Юзвенко В.Ф. Методы и средства модельной поддержки принятия решений в системах проектирования и испытания элементов механических конструкций.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е.Пухова НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертационная работа посвящена созданию методов и средств модельной поддержи принятия решений в системах проектирования и испытания механических конструкций, в том числе разработке аналитических основ, алгоритмов моделирования и программных средств компьютерного воспроизведения свойств и характеристик широкого круга механических объектов на основных этапах информационных технологий проектирования и испытания.

Систематизация и анализ современного уровня и тенденций развития технологий проектирования и испытания технических объектов, в том числе элементов механических конструкций, свидетельствует, что эффективным путем их совершенствования является повышение уровня интеллектуализации основных этапов процессов проектирования и испытания посредством организации и повышения эффективности компьютерных методов и средств модельной поддержки. Концепция модельной поддержки процессов проектирования и испытания технических объектов базируется на принципе уточнения модели разрабатываемого объекта (изделия) на каждом из этапов проектирования или испытания с внесением в нее всех вновь получаемых результатов и одновременным использованием уточняемой модели для проверки и подтверждения правильности принимаемых промежуточных и окончательных решений разработчиками. Для создания средств модельной поддержки формируются базовые математические описания, представляющие основные классы механических объектов (конструкций): многомассовые механические системы (объекты с сосредоточенными параметрами), процессы в упруговязких материалах (объекты с распределенными параметрами), автоколебательные системы с нелинейными эффектами, а также процессы акустической эмиссии в металле, сопровождающие испытания конструкции и порождающие исходные физические сигналы для систем контроля и диагностики. В частности, предлагается метод упрощения динамических моделей, представленных дифференциальными уравнениями, основанный на последовательном понижении порядка уравнений до достижения его минимального значения по условиям удовлетворения заданных показателей точности, априорно допустимых в рамках конкретной задачи моделирования. На основе алгоритмических средств моделирующей среды МАТLАВ разработана методика вычислительного эксперимента для компьютерного воспроизведения и исследования характеристик и режимов объектов с сосредоточенными параметрами как во временной области (переходные процессы), так и в частной области (амплитудно-частные, фазо-частотные, логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики), а также для исследования точности упрощенных математических описаний. По интегральным динамическим моделям процессов в упруговязких материалах разработан квадратурный алгоритм моделирование данного класса объектов, обеспечивающий воспроизведение свойств ползучести и релаксации испытываемых образцов материалов, в том числе при решении слабо-сингулярных интегральных уравнений. Получена группа динамических моделей автоколебательных фрикционных систем, представляющих собой нелинейные дифференциальные уравнения с различными уровнями сложности и обеспечивающих использование стандартных алгоритмов и программ (например в среде МАТLАВ) для создания компьютерных средств модельной поддержки проектирования и испытания автоколебательных механических объектов с нелинейными характеристиками трения при различных скоростях скольжения, жесткости и демпфировании. Разработан алгоритм моделирования сигналов акустической эмиссии, основанный на численной реализации стационарного колебательного звена с затухающей переходной характеристикой, представленного интегральным оператором Вольтерра; алгоритм позволяет создавать программные модули компьютерного формирования широкого класса сигналов акустической эмиссии с учетом шумовых процессов и свойств приемных измерительных преобразователей, что обеспечивает проектирование, испытание и отладку автоматизированных систем контроля и диагностики металлоконструкций.

Разработанное алгоритмическое обеспечение реализовано посредством моделирующей среды МАТLАВ, и позволяет эффективно проводить исследования и инженерные разработки средств модельной поддержки систем проектирования и испытания механических конструкций. На его основе решен ряд прикладных задач, в том числе разработаны и апробированы программные модули для модельной поддержки компьютерного проектирования и испытания различных вариантов автомобильной подвески; разработаны и реализованы в инженерной практике модели и алгоритмы расчета характеристик конструкционных материалов и упруго демпфирующих элементов; разработаны алгоритм и программа компьютерной имитации сигналов акустической эмиссии, предназначенная для проектирования и отладки систем контроля и испытания металлоконструкций.

Ключевые слова: проектирование, испытания, механические конструкции, принятие решений, модельная поддержка, информационные технологии, компьютерное моделирование, программные средства.



Yuzvenko V.F. Methods and tools for model support of decision making in the systems of mechanical structure elements designing and testing.- Manuscript.

The Thesis are presented for the Candidate of technical sciences degree competition in speciality 05.13.06 - automated control system and progressive information technologies.- Pukhov's Institute of Modelling Problems in Energetics of the Ukrainian Academy of Sciences, Kiev, 2003.

The Thesis is dedicated to creation of the information technology for model support of decision making in the systems of designing and testing of mechanical structure elements by forming and computer realization of dynamic models for a broad class of mechanical objects with distributed and lumped parameters. The analysis of the decision making processes in modern systems for designing and testing of technical objects allowed to define the possibility of increasing their efficiency by the usage of model support methods and tools, to formulate the problems of algorithmic, structural and information-technological organization of the programs of corresponding modelling subsystems. Main types of mathematical models of considered mechanical object are determined with orientation to conditions and particularities of computer reproduction of dynamic behaviour of their operation in designing and testing technologies. The algorithmic bases of model support computer tools for systems of designing and testing of mechanical objects with lumped and distributed parameters, with oscillatory modes of operation, as well as systems for checking and testing mechanical structures which provide operative reproduction of their characteristics, parameters and features of investigated objects are developed. The complex of software tools for computer solution of dynamic problems for the main types of mechanical object is created for information-technological organization of tools for model support of decision making processes in systems for designing and testing of a broad class of mechanical structure elements. The approbation of the designed fragments of the developed information technology of the model support for solution of applied problems which appear in the mechanical structure elements designing and testing is carried out.

Keywords: designing, testing, mechanical structures, decision making, model support, information technologies, computer modelling, program tools.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з найбільш важливих напрямків розвитку техніки є створення, удосконалення та ефективне застосування систем проектування і випробовування технічних виробів, що ґрунтуються на досягненнях в області комп'ютерно-інформаційних технологій. Ефективні методи і засоби обробки інформації при проектуванні й випробовуванні механічних конструкцій складають основу створення високоякісних виробів для промислового виробництва, транспорту, енергетичного устаткування, ресурсодобувної галузі, наукових досліджень і т.д. Незважаючи на значні успіхи в розвитку комп'ютерних систем проектування й випробовування, процес подальшого удосконалення цих засобів продовжується в зв'язку з розширенням і ускладненням задач створення засобів нової техніки, використанням нових можливостей інформаційних технологій, розвитком методів і засобів алгоритмізації та комп'ютерного моделювання виробничих і фізичних процесів. При цьому значною мірою змінюються уявлення про структуру, математичне забезпечення і склад програмних засобів систем проектування й випробовування.

До істотних труднощів, що виникають у процесі створення технічних виробів, зокрема, при проектуванні, відноситься об'єктивний процес накопичення помилок при послідовному русі від одного етапу процесу розробки до іншого. При завершенні кожного етапу складаються або уточнюються частинні технічні завдання для окремих елементів виробу, при розробці яких неминуче застосовуються деякі недостатньо обґрунтовані технічні рішення, викликані незавершеністю процесу проектування в цілому, неможливістю проконтролювати остаточний рівень відповідності технічним умовам виробу на проміжному етапі. У частинні технічні завдання доводиться включати параметри, вплив яких на характеристики виробу або не перевірявся, або не міг бути перевірений шляхом порівняння з деяким еталоном чи моделлю. Кількість таких рішень стрімко росте від етапу до етапу, частинні технічні завдання вимушено не забезпечують "однозначність" своїх вимог, що створює умови для прийняття розроблювачем евристичних, не зовсім точних рішень. У цілому можна констатувати, що технології проектування, які склалися, характеризуються великим чи навіть неприпустимим часом "реакції на помилку".

Одним з дієвих шляхів розв'язання даної проблеми є підвищення рівня інтелектуалізації процесу проектування шляхом організації або підвищення ефективності методів і засобів його модельної підтримки. Удосконалення технології проектування при цьому полягає в тому, що дотримуються наступного підходу (принципу): кожний крок, зроблений від задуму до готового проекту, являє собою уточнення моделі об'єкта проектування. Розв'язання проблеми, таким чином, зводиться до того, що, починаючи з перших і закінчуючи останніми стадіями проекту, мати модель створюваного об'єкта, у ході проекту вносити в неї всі знову одержувані результати, і з її допомогою перевіряти всі прийняті технічні рішення. Ефективність застосування даного принципу значною мірою залежить від наявності якісних моделей об'єкта, можливостей їх алгоритмічної і комп'ютерної реалізації. Розв'язання цих питань багато в чому залежить від ступеня вивченості процесів у створюваних технічних об'єктах.

Елементи механічних конструкцій відносяться до широко розповсюдженого класу об'єктів проектування. Систематизація й аналіз найбільш актуальних предметних областей проектування і випробовування дозволили зупиниться на конструктивному розгляді наступних класів об'єктів і процесів: багатомасові системи, зразки з пружнов'язких матеріалів, автоколивальні системи, процеси акустичної емісії в елементах конструкцій.

Таким чином, проблема створення методів і засобів модельної підтримки систем проектування й випробовування механічних конструкцій є актуальною, а її розв'язання являє собою важливий внесок у розвиток сучасних інформаційних технологій у напрямку їхньої інтелектуалізації.

У розвитку методів і засобів автоматизації виробничих процесів, експериментальних досліджень, процесів проектування й випробовування об'єктів нової техніки значна роль належить роботам В.Ф.Арховського, Н.І.Баклашева, В.А.Балибердіна, Дж.Ф.Белла, В.В.Васильєва, А.В.Грешникова, Ю.Б.Дробота, В.П.Данилочкіна, В.М.Єгипко, А.М.Мамиконова, Ю.А.Бєлова, В.Е.Ноговіцина, І.П.Норенкова, Б.Е.Патона, В.И.Скурихіна, Г.М.Солодихіна, Ю.В.Ступіна, І.П.Сухарєва, А.А.Тимченка, Р.М.Юсупова, L.Bolzman, C.Eisinger, V.Hlupic, V.Horn, I.I.Vulfson і ін.

Значний внесок у розвиток методів і засобів математичного й електронного моделювання технічних систем і, зокрема, механічних конструкцій, а також у становлення сучасних комп'ютерних технологій моделювання отриманий завдяки роботам Ю.П.Бусарова, Р.Д.Вагапова, І.О.Горошка, Н.Л.Кайдановського, В.Н.Кащєєва, М.В.Келдиша, А.А.Ільюшина, М.А.Колтунова, М.О.Максимовича, О.В.Олецького, Г.Є.Пухова, Ю.Н.Работнова, С.Є.Сауха, С.П.Стрєлкова, И.М.Тетельбоума, В.А.Святного, С.П.Тимошенка, Л.А.Шаповалова, H.Block, G.Gerlach, I.Klumann, H.Schmitz, D.E.Young і ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота зв'язана з темою "Розробка інтегрованого інтелектуалізованного середовища для комп'ютерного моделювання складних неоднорідних систем" (1997-2000 р.) Державної науково-технічної програми 6.3 "Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку".

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розробка аналітичних і алгоритмічних засад створення інформаційних технологій модельної підтримки прийняття рішень у системах проектування й випробовування елементів механічних конструкцій шляхом формування і комп'ютерної реалізації динамічних моделей широкого класу механічних об'єктів з розподіленими і зосередженими параметрами.

Поставлена мета досягається за допомогою розв'язання наступних задач.

1. На основі аналізу процесів прийняття рішень у сучасних системах проектування й випробовування технічних об'єктів визначити можливості підвищення їхньої ефективності шляхом застосування методів і засобів модельної підтримки, сформулювати задачі алгоритмічної, структурної й інформаційно-технологічної організації відповідних програмних підсистем моделювання.

2. Визначити основні види математичних моделей механічних об'єктів, що проектуються і випробовуються, з орієнтацією на умови й особливості комп'ютерного відтворення динамічних режимів їх функціонування в технологіях проектування й випробовування.

3. Розробити алгоритмічні основи комп'ютерних засобів модельної підтримки систем проектування й випробовування механічних об'єктів з зосередженими і розподіленими параметрами, об'єктів з коливальними режимами функціонування, а також систем контролю й випробовування механічних конструкцій, що забезпечують оперативне відтворення властивостей, параметрів і характеристик об'єктів, що розробляються.

4. Розробити комплекс програмних засобів комп'ютерного розв'язання задач динаміки основних видів механічних об'єктів для інформаційно-технологічної організації засобів модельної підтримки процесів прийняття рішень у системах проектування й випробовування широкого класу елементів механічних конструкцій.

5. Провести апробацію розроблених фрагментів інформаційної технології модельної підтримки при розв'язанні прикладних задач проектування і випробовування елементів механічних конструкцій.

Об'єктом дослідження є інформаційні технології модельної підтримки прийняття рішень у системах проектування і випробовування елементів механічних конструкцій.

Предметом досліджень є методи формування динамічних моделей механічних об'єктів і засобів їх комп'ютерної реалізації стосовно задач організації інформаційних технологій у системах проектування й випробовування.

Методи дослідження. Дослідження, представлені в роботі, ґрунтуються на системному аналізі процесів проектування і випробовування, методах організації інформаційних технологій, методах математичного опису і комп'ютерного моделювання динамічних процесів у механічних об'єктах, на програмній реалізації динамічних моделей і застосуванні сучасних середовищ моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновано й обґрунтовано підхід до підвищення ефективності систем проектування і випробовування технічних об'єктів, що полягає у створенні і комп'ютерній реалізації методів і засобів модельної підтримки поетапних процесів прийняття рішень у вказаних системах.

2. Розроблено структурні основи концепції організації і застосування засобів модельної підтримки прийняття рішень у системах проектування і випробовування технічних об'єктів.

3. Виходячи з орієнтації на комп'ютерну реалізацію в інформаційних технологіях проектування й випробовування, одержані математичні описи задач динаміки механічних об'єктів як у виді традиційних динамічних моделей (звичайні диференціальні рівняння для багатомасових систем), так і нетрадиційні інтегральні моделі (інтегральні рівняння типу Вольтерра для процесів у пружнов'язких матеріалах) або нелінійні диференціальні рівняння (автоколивальні системи), які формуються за експериментальними даними.

4. Створено комплекс чисельних алгоритмів моделювання механічних об'єктів із зосередженими і розподіленими параметрами, у тому числі ефективний алгоритм отримання диференціальних рівнянь мінімальної складності для моделювання об'єктів із зосередженими параметрами, а також економічні квадратурні алгоритми моделювання процесів у пружнов'язких матеріалах на основі розв'язання слабкосингулярних інтегральних рівнянь.

5. Здійснено формування групи нелінійних динамічних моделей коливальних процесів, що забезпечують необхідну для практики проектування й випробовування повноту набору алгоритмів моделювання механічних автоколивальних об'єктів.

Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці методів математичного, алгоритмічного і програмного забезпечення для створення засобів і комп'ютерних технологій модельної підтримки процесів прийняття рішень у системах проектування й випробовування механічних конструкцій.

Найбільш істотне значення для практики мають наступні результати.

1. Розроблено метод структурно-модульної організації програмних засобів для відтворення динамічних властивостей і характеристик механічних об'єктів.

2. Досліджено можливості застосування типових, найбільш розповсюджених пакетів прикладних програм для моделювання розглянутого класу механічних систем. Запропоноване алгоритмічне забезпечення реалізоване за допомогою моделюючого середовища MATLAB, що дозволяє вести широкі дослідження й інженерні розробки засобів модельної підтримки систем проектування й випробовування.

3. Розроблено та апробовано програмні засоби моделювання різних варіантів конструкцій автомобільної підвіски, орієнтовані на застосування у системах проектування й випробовування.

4. Розроблено і реалізовані в інженерній практиці моделі й алгоритми розрахунку характеристик конструкційних матеріалів і пружнодемпфуючих елементів.

5. Розроблено метод і програми комп'ютерного моделювання сигналів акустичної емісії, призначені для проектування систем контролю і випробовування металоконструкцій.

Вірогідність результатів дисертаційних досліджень підтверджується застосуванням теоретично обґрунтованих методів і засобів модельної підтримки процесів проектування і випробовування елементів механічних конструкцій при розв'язанні ряду практичних задач і виконанні контрольних завдань, а також надійним узгодженням результатів моделювання з проведенням експериментів. Впровадження розроблених програмних модулів як елементів інформаційних технологій на Черкаському заводі автобусів "Богдан" показало повну відповідність експериментальним даним розрахованих характеристик і динамічних режимів передньої підвіски й пружнов'язких елементів ходової частини моделі автомобіля, що розроблюється на підприємстві.

Основні положення дисертації використовувались у навчальному процесі Кафедри комп'ютерного проектування технічних систем Черкаського державного технологічного університету. Розроблені комп'ютерні засоби моделювання елементів механічних конструкцій впроваджені в 2002-2003 рр. на Черкаському заводі автобусів "Богдан".

Особистий внесок здобувача. У роботах, опублікованих із співавторами, здобувачу належать: [1] - інтегральна динамічна модель процесу деформації пружнов'язких металів, формули дискретизації моделі; [3] - принцип структурної організації діалогових оболонок моделюючих систем; [4] - спосіб мінімізації помилки наближеної моделі, комп'ютерна реалізація алгоритму послідовного наближення моделі; [5,6] - постановка задачі випробовування і діагностики металоконструкцій, формування набору інформативних ознак; алгоритми і програмні засоби генерування й обробки сигналів акустичної емісії; [8] - постановка задачі випробовувань вузла ресорної підвіски автомобіля, організація програмних засобів для проведення модельних комп'ютерних експериментів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на постійно діючому науково-технічному семінарі кафедри комп'ютерного проектування технічних систем Черкаського державного технологічного університету (1999-2003 рр.); на XX і XXI науково-технічних конференціях "Моделювання" (Київ, ІПМЕ ім. Г.Є.Пухова НАН України, 2000 р., 2001 р.); на засіданнях наукового семінару Відділу моделювання динамічних систем ІПМЕ ім. Г.Є.Пухова НАН України (Київ, 2003 р.).

Публикації. Основний зміст роботи й отриманих результатів викладені у 8 друкованих працях у спеціалізованих наукових виданнях у відповідності зі списком ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота виконана на 223 сторінках, основний текст дисертаційної роботи викладено на 148 сторінках, робота ілюстрована 39 рисунками на 25 сторінках і 5 таблицями на 7 сторінках. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літератури, що включає 127 найменувань на 11 сторінках, а також двох додатків на 31 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладена загальна характеристика роботи, актуальність проблеми, мета і задачі дослідження та основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі розглядаються особливості і шляхи розв'язання задач прийняття рішень при проектуванні й випробовуванні технічних об'єктів.

Створення нових зразків техніки являє собою складний ієрархічний процес, що складається з ряду етапів, пов'язаних із проектуванням, виготовленням і різними видами випробовувань як елементів, так і всього виробу в цілому.

Істотну роль в інформатизації технологій створення технічних об'єктів, що активно розвивається, відіграє підвищення ефективності процесів прийняття рішень на кожному поточному етапі розробки нового виробу за допомогою використання його інформаційних моделей, які послідовно уточнюються, що забезпечують зниження рівня евристичності і підвищення рівня визначеності при прийнятті частинних рішень про завершення тих чи інших стадій розробки.

Процес проектування включає всі види проектної і конструкторської діяльності інженера, спрямованої на створення нового типу виробу чи системи, що відповідають усім необхідним вимогам, і являє собою сукупність багаторазово повторюваних етапів одержання, збору, передачі і переробки інформації для прийняття рішень, спрямованих на усунення відхилень від мети проектування. Тому він може розглядатись як процес керування по замкнутому циклу. Останній можна уявити собі у вигляді поєднання наступних елементів: формуючого мету керування; здійснюючого вибір структури і можливих варіантів рішення (проектуючого елемента); здійснюючого ухвалення рішення, який аналізує прийнятий варіант рішення; оцінюючого відхилення отриманих результатів від бажаних, що випливають з мети проектування.

Однією з основних вимог до сучасних систем проектування є необхідність оперативної оцінки впливу технічних рішень, прийнятих у процесі проектування, на параметри системи, що проектується. На першому етапі виконання проекту розробляється функціональна схема системи. Вона перевіряється і випробовується шляхом моделювання на рівні функціональних блоків (підсистем). При цьому оцінюється працездатність функціональної схеми і принципова можливість виконання системою заданих технічним завданням (ТЗ) функцій. Закінчується етап розробкою частинних ТЗ на блоки (вузли) системи. Після цього частинні ТЗ передаються на розробку окремих блоків, і з цього моменту знижуються рівні контролю наслідків прийнятих рішень. Починається процес накопичення помилок, оскільки при розробці частинних ТЗ на блоки (вузли), як правило, приймаються недостатньо обґрунтовані технічні рішення, відбувається невірна оцінка параметрів ТЗ. У подальшому, при схематичному, конструкторському, технологічному і т.п. проектуванні спостерігається така ж ситуація. У результаті відбувається накопичення помилок, що виявляється на різних наступних етапах конструювання, а найчастіше при дослідному виробництві або випробовуванні системи.

Для істотного зменшення впливу вищевказаних помилок на готовий виріб на визначених етапах проектування необхідно вносити зміни в технічні рішення на основі апробації моделі створюваної системи.

Приймемо, що множина технічних параметрів, обумовлених ТЗ одного вузла (блоку, системи) є P₁, де x₁, y₁, z₁,…P₁, а x₁, y₁, z₁ -- безпосередні технічні параметри. Множина технічних параметрів вузла, що сполучається, (блоку, системи) позначимо P₂, x₂, y₂, z₂,…P₂, де x₂, y₂, z₂ -- технічні параметри другого вузла. Для i-го вузла, відповідно, x_i, y , z, …P_i ...

Розглянемо три можливих випадки:

а) виходячи з технічної доцільності -- нульового перерізу даних множин бути не може (виріб не відповідає ТЗ і непрацездатний);

б) випадок P₁ P₂ … P_i є випадок “ідеальної” системи -- де всі параметри цілком відповідають задуманій системі, помилок при проектуванні немає;

в) у реальній системі, множини P₁, P₂, …, P_i достатньо подібні, тобто зміна одного чи декількох параметрів повинна привести до випадку б.

Таким чином, необхідний механізм, що зв'язує дію і її реакцію, тобто зворотний зв'язок. Структура процесу проектування повинна бути забезпечена мережею зворотних зв'язків, що йдуть від кожного технічного рішення і від кожної моделі нижнього рівня ієрархії (вузлів, блоків) до моделі системи. Таким чином, процес проектування забезпечується двома важливими елементами:

1) кожне технічне рішення приймається до виконання тільки після перевірки на моделі результатів і впливу на характеристики системи;

2) зовнішні параметри кожного нового елемента системи вносяться в модель системи, так що вона (модель) відбиває розробку проекту в даний момент, еволюціонує разом із проектом.

При такому підході відбуваються багаторазові взаємодії трьох проектних операцій: моделювання системи, синтез її елементів і моделювання цих елементів.

Розглянутий підхід до організації процесів проектування є незалежним від конкретних технологічних аспектів виконання проектних операцій синтезу, моделювання й оптимізації вузла, є універсальним і зберігається при будь-якому зростанні частки робіт, що виконуються автоматизовано, з довільним ступенем інтелектуалізації роботи проектувальника.

Основою процесу проектування об'єкта, таким чином, виявляється процес неперервного уточнення його моделі, починаючи з нульового рівня деталізації до деякого N-го рівня деталізації, коли всі можливі дані, отримані у процесі проектування, внесені у модель. Перехід від i-го до (i+1)-го рівня деталізації пов'язаний, насамперед, із внесенням у модель даних про черговий спроектований вузол і відбувається за допомогою виконання циклу конструктивного проектування цього вузла. Модель може уточнюватися і за результатами виконання інших проектних операцій -- конструкторського, технологічних, виготовлення і т.д.

Складність сучасних систем і комплексів, що випробовуються, засобів, що забезпечують експериментальне відпрацювання об'єктів, організаційної структури експериментів і пов'язані з цим труднощі перебудови експериментів у процесі їхньої реалізації роблять необхідним проведення ряду заходів щодо підвищення ефективності цього етапу створення об'єктів нової техніки.

Один зі шляхів розв'язання цієї задачі -- широке залучення методів моделювання до натурних експериментів з метою одержання в обмежений час результатів з мінімального обсягу експериментальних даних.

Моделювання у процесі натурних випробовувань можна умовно розділити на модельне забезпечення окремих експериментів і натурних випробовувань у цілому. Задачі першого виду моделювання -- перевірка коректності завдання на проведення експерименту, формування прототипу експерименту, тренування експериментаторів, відпрацювання синхронної роботи технічних засобів, що забезпечують проведення експерименту, прогноз результатів і т.д. У цьому випадку моделювання є інструментом для аналізу можливих відмов, визначення характеристик випробовуваного об'єкта з урахуванням результатів експерименту, коректування і перевірки адекватності моделі експерименту і т.п.

Аналіз і систематизація процесів проектування і випробовування складних технічних виробів, що включають у себе багатоетапні операції прийняття рішень, дозволяють сформулювати основи концепції модельної підтримки цих процесів, комп'ютерна реалізація якої являє собою сукупність фрагментів інформаційної технології. Остання являє собою складову частину загальної технології створення об'єктів нової техніки, забезпечує підвищення ефективності операцій прийняття рішень, приводить до можливостей підвищення якості створюваних виробів і зниження витрат на їх проектування і випробовування.

У другому розділі розглядаються питання створення алгоритмічних основ комп'ютерного моделювання найбільш поширених класів механічних об'єктів.

Неперервне вдосконалення машин і механізмів ставить складні наукові й інженерні задачі, у тому числі задачі дослідження нових структур механічних систем, конструкцій з нових матеріалів, визначення навантажень у лініях передач, викликаних складним коливальним рухом. Виникаючі в механізмах пружні сили визначаються жорсткістю пружних елементів та величинами дискретних мас. Для оптимального вибору значень даних параметрів використовуються, насамперед, ефективні методи дослідження динаміки механічних систем. Аналіз багатомасових систем з оцінкою впливу параметрів на їх рух, а тим більше з оптимальним вибором параметрів, усе ще залишається складною задачею. Величини сил, що розвиваються в лінійних пружних зв'язках, визначаються розв'язанням диференціальних рівнянь виду

(1)

що мають, як правило високий порядок n. Незважаючи на існування багатьох чисельних методів розв'язання даного класу рівнянь, проблема створення засобів комп'ютерного моделювання динамічних систем залишається актуальною. Труднощі визначаються як предметною областю конкретної задачі, так і необхідністю вибору або розробки цілком конкретних алгоритмів і програм, що забезпечують створення найбільш раціонального у даній ситуації інструмента моделювання.

Сучасні системи моделювання, такі як MATLAB і Simulink, мають необхідні можливості для багатобічного розв'язання задач динаміки багатомасових механічних систем, хоча при цьому потрібно облік особливостей засобів моделювання. Такою особливістю є орієнтація на виконання матричних операцій, у зв'язку з чим необхідно передбачати деякі перетворення вихідних рівнянь.

Особливості комп'ютерних технологій модельної підтримки систем проектування й випробовування механічних конструкцій у багатьох випадках приводять до доцільності спрощення динамічних моделей шляхом зниження порядку диференціальних рівнянь з дотриманням вимог точності моделювання. Для цих цілей може бути застосований метод спрощення диференціальної моделі, що полягає у послідовному зниженні порядку рівнянь шляхом мінімізації квадратичного функціонала, що відображає, нев'язку між розв'язками вихідної і спрощеної системи рівнянь, і визначення матриці коефіцієнтів спрощеної системи.

Метод мінімізує помилку рівнянь моделі більш низького порядку і дозволяє з необхідною точністю замінити n-мірну систему

(2)



де А, В и С -- постійні матриці, і усі власні значення А мають від'ємну дійсну частину, m-мірною моделлю більш низького порядку

(3)

Метод ґрунтується на мінімізації відносно A_r функціонала

, (4)

де

R -- матриця приведення, x_r=Rx.

Розроблено методику обчислювального експерименту в моделюючому середовищі МАТLАВ, що дозволяє виконувати розробку алгоритмічних засобів для комп'ютерного відтворення і дослідження характеристик і режимів механічних об'єктів із зосередженими параметрами як у часовій області (перехідні процеси), так і в частотній області (амплітудно-частотні, фазо-частотні, логарифмічні амплітудно- і фазо-частотні характеристики), у тому числі при дослідженні точності спрощених математичних постановок.

Матеріали, для яких залежність між напругами і деформаціями включає час, називають пружновя'зкими. До таких матеріалів відносять полімери і їх композиції, сплави, бетони, гірські породи, ґрунти, лід, метали при підвищених температурах і ін. Деякі конструкції (наприклад, амортизуючі і віброзахисні пристрої) в цілому поводяться під навантаженням як пружнов'язкі системи. Характерними для таких матеріалів є їх релаксаційні властивості: зміна напружень при незмінних деформаціях (релаксація) і зміна деформацій при постійних напруженнях (повзучість). Досвід показує істотний вплив режимів (швидкостей) навантаження на діаграми напруження-деформації, повзучості і релаксації.

Для опису процесів деформування пружновя'зких матеріалів використовуються методи теорії спадкової в'язкопружності, що приводять до моделей у видгляді інтегральних рівнянь Вольтерра II роду

.

з регулярними ядрами K(t-s) виду

(c, c_i, =const, 0<<1).

Після заміни в (5) інтеграла скінченною сумою одержується система

де j = 1, 2, ..., i; t_i = (i-1)h; h -- крок дискретизації (h = соnst); A_j -- коефіцієнти квадратурної формули. З (6) випливає квадратурний алгоритм для знаходження наближених значень шуканої функції y(t):

Для ядер



що розділяються, алгоритм (7) перетворюється до вигляду

,

реалізація якого на комп'ютері забезпечує високу швидкодію.

Для слабкосингулярного інтегрального рівняння

,

де 0<<1, доцільно ввести наближене регулярне ядро з параметром <<1 (метод внутрішньої регуляризації) і одержати наближене рівняння

,

яке допускає безпосереднє застосування для чисельного розв'язку квадратурного алгоритму

.

У техніці автоколивання доводиться враховувати при розрахунках різноманітних конструкцій: мостів і баштових кранів, колінвалів і центрифуг, автомобілів і верстатів, годинників і гіроскопів, зрівнювальних резервуарів гідротехнічних споруд та ін. В авіації розрізняють флатер -- автоколивання крил і хвостового оперення літаків у повітрі і “виляння” (шиммі) -- автоколивання стійок шасі при русі по землі.

Автоколивальні системи характеризуються великою складністю процесів, що протікають у них, і для яких поки не існує загальної теорії математичного опису. Це обставина значно ускладнює як задачі проектування, так і задачі випробовування об'єктів даного класу. Наявність математичних моделей дозволяє значно підвищити ефективність процесів проектування й випробовування, однак при одержанні моделі в кожнім конкретному випадку потрібно проведення ряду трудомістких досліджень з урахуванням специфічних умов функціонування створюваного виробу.

Прикладом автоколивальної системи є динамічна модель металорізального верстата з двома степенями вільності

де в_x -- коефіцієнт розсіювання енергії в ланцюзі привода, k_и -- інерційна постійна, k_в -- коефіцієнт спливання, б_к -- кутовий коефіцієнт нахилу кінетичної характеристики тертя, k_ж -- коефіцієнт рідинного тертя, F_c, F_cm, F -- зовнішні сили.

Для комп'ютерного моделювання механічних об'єктів, що описуються нелінійними диференціальними рівняннями, є широкий вибір чисельних методів і пакетів прикладних програм. Попереднє дослідження найбільш ефективних алгоритмів на тестовій, близькій до жорсткої, задачі дозволяє цілеспрямовано оцінити можливі варіанти алгоритмів при розробці засобів модельної підтримки для систем проектування й випробовування автоколивальних механічних об'єктів.

Метод акустичної емісії (АЕ) має дуже високу чутливість до зростаючих дефектів. Його чутливість значно перевершує чутливість інших методів неруйнуючого контролю. Характерною рисою методу АЕ є його інтегральність. Вона полягає в тому, що, використовуючи один з кількох датчиків АЕ, нерухомо встановлених на поверхні об'єкта, можна контролювати весь об'єкт. При цьому координати дефектів визначаються без сканування поверхні об'єкта перетворювачем. Для методу АЕ положення й орієнтація дефекту не має істотного значення, тоді як для більшості методів неруйнуючого контролю важливе значення мають не тільки розміри дефекту, але і його розташування й орієнтація. Метод АЕ також має менше обмежень, пов'язаних з властивостями і структурою матеріалів.

Необхідність у моделюванні сигналів АЕ зумовлюється, по-перше, високою вартістю і великими строками розробки апаратури для реєстрації сигналів АЕ і, по-друге, простотою організації контролю адекватності функціонування засобів для визначення ознак сигналів АЕ, що несуть інформацію про дефекти виробу. Найбільш загальна задача моделювання сигналів АЕ являє собою повну імітацію реального сигналу, одержуваного на виході приймача акустичної емісії. Спектр окремого сигналу АЕ складається з ряду максимумів, що відповідають резонансним частотам зразка. Відносна величина цих максимумів визначається параметрами джерела АЕ. Сигнали в досліджуваному зразку поширюються у вигляді поздовжніх і поперечних хвиль, які рухаються з різною швидкістю, що призводить до повторення сигналу. Крім того, при проходженні в зразку хвилі можуть багаторазово відбиватися від країв зразка, породжуючи помилкові сигнали АЕ від джерел з координатами за межами зразка.

Придатною для широкого застосування є модель датчика (прийомного перетворювача) у виді лінійної стаціонарної коливальної ланки 2-го порядку з затухаючою перехідною характеристикою

,



а в загальному випадку -- зв'язок між вихідним y(t) і вхідним x(t) сигналами датчика визначається інтегральним оператором

,

вагова функція датчика, що у випадку (13) має вигляд

Для одержання алгоритму моделювання можна від (15) перейти в область дискретних зображень:

Розглянутий алгоритм дозволяє ефективно відтворювати (генерувати) у цифровому виді широкий спектр моделей сигналів АЕ. Реалізація алгоритму в середовищі MATLAB являє собою програмний модуль, що забезпечує модельну підтримку проектування і налагодження систем контролю металоконструкцій по методу АЕ.

У третьому розділі розглянуто питання створення комп'ютерних засобів модельної підтримки систем проектування і випробовування механічних об'єктів.

Для оперативного синтезу комп'ютерних моделей динамічних систем, що враховують декомпозицію об'єктів, що моделюються, доцільно використовувати метод структурно-модульної організації програмних засобів. На його основі для відтворення динамічних властивостей і характеристик механічних об'єктів реалізуються структури моделюючих систем, що дозволяють розв'язувати задачі синтезу, перевірки і налагодження програмних модулів комп'ютерних засобів модельної підтримки систем проектування й випробовування механічних конструкцій.

Дослідження можливостей типових, найбільш розповсюджених пакетів прикладних програм (МАТLАВ, АСSL, DESIRE, ESACAP, IDAS і ін.) за допомогою результатів розв'язання тестових обчислювальних задач при реалізації ряду динамічних моделей на основі методів Рунге-Кутта, Рунге-Кутта-Фельберга, Адамса-Башфорта дозволило оцінити і виділити найбільш продуктивні алгоритми моделювання динамічних об'єктів, а також оцінити можливості мов моделювання для таких цілей, як неявний опис моделі, створення підмоделей, апробації алгоритмів і т.д.

Комп'ютерна реалізація розробленого алгоритмічного забезпечення здійснювалася з використанням мови моделюючого середовища MATLAB відповідно до концепції пакетів прикладних програм, прийнятої в системі MATLAB. При створенні засобів комп'ютерного моделювання максимально використовувалися всі можливості програмного комплексу MATLAB як інструмента для високопродуктивних досліджень, розробок і аналізу даних, включаючи високоефективні засоби для візуалізації даних (які містять у собі засоби для візуалізації дво- і тривимірних даних, обробки зображень, анімації та ілюстративної графіки, а також дозволяє створювати інтерактивні засоби графічного інтерфейсу користувача для MATLAB програм), колекції функцій для розв'язання численних класів задач (яка містять у собі бібліотеку математичних функцій, функції статистичної обробки даних, обробки сигналів, функції для розв'язання систем алгебраїчних, звичайних диференціальних рівнянь і диференціальних рівнянь у частинних похідних, функції оптимізації, функції для класичного і сучасного аналізу, моделювання і проектування систем керування і т.д.). Можливе також підключення обчислювальних процедур, написаних на мовах Fortran і C/C++ (що дозволяє виконувати моделювання в режимі реального часу). Також використовувалися можливості супутньої MATLAB програми SIMULINK, що представляє собою інтерактивне графічне середовище для моделювання нелінійних динамічних систем.

На схемі зображені тільки ті з розроблених програмних модулів, що мають властивість багаторазового повторного використання коду (reusable programs), тобто код яких може бути повторно використаний у різних цілях, у тому числі і для написання користувачем власних програмних засобів.

Функції для спрощення динамічних моделей, представлених диференціальними рівняннями, реалізують той самий (запропонований у роботі) алгоритм спрощення, але розрізняються видом вхідних і вихідних даних: MATR_RD -- використовує задання динамічної моделі у просторі станів за допомогою матриць A, B, C; SYS_RD -- дозволяє використовувати стандартний вид задання динамічної моделі у пакеті CONTROL SYSTEM TOOLBOX (у виді передатної функції, у просторі станів або заданий у вигляді набору полюсів і нулів), де модель у просторі станів може містити ненульову матрицю D.

Програма SING_VOLTS, призначена для розв'язання слабкосингулярних інтегральних рівнянь Вольтерра другого роду, написана на мові С и під'єднана до системи MATLAB за допомогою стандартних засобів пакета, що дозволяє одержати значний виграш у швидкості обчислень.

Функції для моделювання сигналів акустичної емісії (АЕ) мають наступне призначення: TRIANG_PULS -- функція для формування послідовності трикутних імпульсів заданої амплітуди і тривалості, що надходять на вхід датчика АЕ в задані моменти часу; SENSOR -- функція, що реалізує модель датчика АЕ; AE_SIGN -- функція для задання параметрів моделювання сигналів АЕ (дозволяє задавати число джерел АЕ, рівень сигналу АЕ, рівень шуму, ширину сигналу АЕ, швидкість поздовжньої і поперечної хвиль, час моделювання і частоту дискретизації), що дозволяє організувати інтерактивний графічний інтерфейс користувача.

Четвертий розділ присвячений реалізації методів і засобів модельної підтримки при розв'язанні прикладних задач проектування і випробовування механічних конструкцій.

Модельна підтримка проектування й випробовування систем автомобільної підвіски з амортизаторами різного типу. Для наближеного опису динаміки системи автомобільної підвіски використана одновимірна модель “в 1/4 автомобіля”, у якій розглядаються тільки вертикальні рухи корпуса і колеса автомобіля. Модель складається з підресореної маси m_b (корпус) і непідресореної маси m_w (колесо + елементи підвіски і приводу), і реологічних (макро-) елементів R_s і R_t, що представляють відповідно ресору або пружину з амортизатором і шину.

При моделюванні підвіски з двотрубним амортизатором, що використовується в більшості легкових автомобілів, комбінація пружини з амортизатором представлялась реологічним елементом типу Фойгта.

Комп'ютерна реалізація гістерезисної характеристики сталі ХІ8НІОТ. Чисельне відтворення гістерезисної характеристики, здійснювалося по диференціальних рівняннях із змінною структурою за допомогою моделюючої системи SIMULINK. Результати моделювання дали добрий збіг розрахункових кривих гістерезиса з експериментальними.

Засоби моделювання й обробки сигналів акустичної емісії для проекттування систем випробовування металоконструкцій. Основними компонентами програмних засобів по обробці сигналів АЕ є: интерфейсна підсистема, єдина спеціалізована база даних і спеціалізовані пакети програм. Програмне забезпечення має ряд важливих властивостей: системність при розв'язанні задач класифікації і розпізнавання дефектів, що забезпечує адекватність розв'язків, отриманих на основі АЕ-метода, за рахунок використання технології єдиної спеціалізованої бази даних і діалогу з користувачем; комплексність дослідження діагностичної інформації, що надходить, на основі використання різних пакетів програмних засобів, що реалізують різні методи розв'язання тих самих задач, що забезпечує вірогідність отриманої інформації; можливість використання окремих частин обчислювальної підсистеми для розв'язання локальних обчислювальних підзадач і моделювання сигналів АЕ; легкість налагодження системи при зміні складу програмних засобів, що залучаються для розв'язання діагностичних задач.

Таким чином, створення єдиної комп'ютерної технології обробки сигналів АЕ, заснованої на перелічених вище принципах і описаних раніше програмних пакетах, дозволяє знайти розв'язати ряд проблем, властивих сучасним системам АЕ-діагностування і контролю.



ВИСНОВКИ

У дисертації викладене теоретичне узагальнення задачі створення методів і засобів модельної підтримаки прийняття рішень у системах проектування й випробовування механічних конструкцій, а також нове рішення наукової задачі розробки аналітичних основ, алгоритмів моделювання і програмних засобів комп'ютерного відтворення властивостей і характеристик широкого кола механічних об'єктів на основних етапах інформаційних технологій проектування й випробовування. У ході дослідження отримані наступні результати.

...