Применение ЭВМ при проектировании

В процессе проектирования ЭВМ может использоваться для решения различных задач. Это могут быть задачи расчёта элементов конструкций и схем, задачи численного и имитационного моделирования поведения объекта проектирования и его компонентов, задачи визуализации рассматриваемых технических решений, задачи оформления и размножения конструкторской документации и другие. При этом сокращается трудоёмкость решения соответствующих задач, повышается качество получаемого результата, уменьшается влияние субъективных ошибок человека на получаемый результат. В результате сокращается трудоёмкость проектирования и повышается его качество.

Схема автоматизированного процесса проектирования при использовании ЭВМ приведена на рис. 7.

Геометрическое моделирование. На стадии синтеза проектных решений с помощью ЭВМ и соответствующего программного обеспечения выполняется геометрическое моделирование объекта проектирования и его компонентов. При моделировании производится описание геометрических свойств объекта и визуализация объекта на графическом дисплее. В интерактивном режиме конструктор может манипулировать объектом проекти рования и изменять его характеристики. Можно компоновать сложный объект из множества составляющих объектов, например, собирать механизм из отдельных деталей и т.д.

Система геометрического моделирования получает от конструктора команды трех типов:

· команды формирования базовых геометрических элементов (точки, линии, окружности и др.);

· команды преобразования изображения (масштабирование, повороты и др.);

· команды компоновки из отдельных элементов проектируемого объекта.

Геометрическое моделирование, в зависимости от его возможностей, принято делить на следующие группы:

· двумерное (2D) – для плоских объектов;

· двух-с-половиной-мерное (2 1/2D) – для трёхмерных объектов, не имеющих деталей с боковыми стенками;

· трёхмерное (3D) – для полноценного представления трёхмерных пространственных объектов.

Двухмерное представление нашло широкое распространение при автоматизации чертёжных работ. Представление об объекте в этом случае даётся с помощью его проекций на координатные плоскости декартовой системы координат.

Наибольшие возможности имеет трёхмерное моделирование, дающее возможность построения объемных геометрических объектов. При объёмном моделировании используются различные модели (рис. 8).

Наиболее распространенным является способ каркасного представления пространственной модели совокупностью точек и соединительных линий (рис. 8а). Модель хранится в памяти ЭВМ в этом случае в виде массива координат характерных точек. Метод каркасных моделей имеет раз
личные усовершенствования, позволяющие повысить наглядность объемных моделей. Например, на изображении могут удаляться невидимые каркасные линии (рис. 8б) и др.

Полигональная поверхностная модель (рис. 8в) состоит из описания поверхностей, образующих тело. В этом случае проще оперировать с отдельными участками поверхности (например, для штриховки или раскраски). В том случае, когда поверхность не описывается аналитически, её заменяют приближённо многогранником, каждая грань которого является плоским многоугольником.

Наиболее совершенным является метод объемных моделей для представления монолитных тел (рис. 8г). Сложный геометрический объект в этом случае формируется из графических примитивов – элементарных монолитных геометрических объёмов (базисных тел) с использованием логических операций объединения, вычитания и пересечения (рис. 9).

В объёмном представлении могут изображаться не только отдельные детали, но и сборочные узлы. В этом случае можно визуально оценить не только форму деталей, но и выявить ошибки проектирования, препятствующие осуществлению сборки и нормальной работе спроектированного узла.

Инженерный анализ. При выполнении инженерного анализа с помощью ЭВМ осуществляется выбор оптимальных технических решений. Для этого выполняются прочностные, тепловые, динамические и другие расчёты, позволяющие определять и сравнивать ожидаемые технические характеристики различных вариантов технических решений.

При проектировании механических устройств наибольшее распространение получили

· метод оценки свойств монолитных пространственных объектов на основе вычисления площадей поверхностей, объема, массы, положения центра тяжести, момента инерции и других механических характеристик;

· метод конечных элементов, заключающийся в разделении сложного пространственного объекта на простые взаимосвязанные узлы и оценка поведения объекта на основе расчёта взаимосвязанного поведения всех его узлов.

Метод конечных элементов позволяет рассчитывать объекты, характеристики которых описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. Для элементарного конечного элемента составляется и решается система дифференциально-разностных уравнений вида

,

,

где f(x,y) – функция расчетного параметра от координат x и y, h – шаг сетки конечных элементов.

При расчете нагруженного твердого тела методом конечных элементов можно, например, получить картину его деформации под нагрузкой. При расчёте сердечника электромагнита методом конечных элементов можно получить картину распределения магнитного поля в сердечнике электромагнита и вне него.

На рис. 10 показан случай нагружения кронштейна сложной формы, который для расчёта деформации разбит на простые конечные элементы. Последовательно рассчитывая деформации каждого такого элемента, можно получить картину деформации кронштейна. ЭВМ выполняет расчет и представляет результаты расчета в виде картины деформации кронштейна.

Обзор и оценка проектных решений. На стадии оценки проекта программные средства ЭВМ позволяют конструктору выполнять моделирование поведения спроектированного объекта и проверять его соответствие различным требованиям. Например, путем наложения изображения детали на изображение выбранной для неё заготовки, можно оценить правильность выбора заготовки. С помощью соответствующих программ можно проверить правильность простановки размеров на чертеже детали, соответствие чертежа требованиям ЕСКД и многое другое.

Большое распространение при оценке конструктивных решений получил кинематический анализ. В этом случае по данным геометрической модели спроектированного механизма программа осуществляет визуализацию его движений, что является мощным средством выявления ошибок и неточностей проектирования механизма.

В качестве примера коммерческой программы динамического анализа механических систем можно назвать программу ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems), разработанную в Мичиганском университете.

Автоматизации изготовления чертежей. В этом случае обеспечивается автоматизация трудоёмкого процесса получения на бумаге конструкторских чертежей. Такие чертежи выполняются непосредственно на основе машинной информации, созданной в процессе проектирования и хранящейся в базе данных САПР. При этом многие функции чертёжника выполняются автоматически: определение размеров, штриховка нужных областей, масштабирование, построение разрезов и сечений, выполнение требований ЕСКД и т.д.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА