Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса и постановка задач автоматизации проектирования 10
1.1. Структура информационной технологии проектирования 10
1.2 Анализ работ по автоматизации проектирования 13
1.3 Классификационные признаки гидромашин 17
1.4. Анализ программных средств, математического обеспечения и методов проектирования автоматизированной системы 23
1.6. Основные задачи исследования 38
1.7. Выводы 40
ГЛАВА 2. Принципы проектирования автоматизированной системы
2.1. Инфологическая модель 41
2.2. Концептуальный анализ автоматизированного проектирования 44
2.3. Статическая модель 58
2.4. Динамическая модель 62
2.5. Прочностная модель 75
2.6. Оптимизации распределительного узла 78
2.7. Выводы 83
ГЛАВА 3. Автоматизированная система комплесного анализа 84
3.1. Структура АС 84
3.2. Структура управления данными и организация связей между модулями в AC HydrAx 88
3.3. Программное проектирование AC HydrAx 103
3.4. Структура входных и выходных данных AC HydrAx 110
3.5. Особенности применения AC HydrAx Ill
3.6. Выводы 113
ГЛАВА 4. Результаты расчетных исследований гидромашин на стадиях предварительной разработки. Внедрение созданной информационной технологии в процесс автоматизированного проектирования 114
4.1. Структура методики автоматизированного проектирования 114
4.2. Методика обучения работе с АС при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе вузов 117
4.3. Экспериментальная проверка разработанных моделей и методики оптимального проектирования 120
4.4. Внедрение результатов диссертационной работы 133
4.5. Выводы 134
Заключение 135
Список использованных источников 137
Приложение 1 152
- Анализ программных средств, математического обеспечения и методов проектирования автоматизированной системы
- Концептуальный анализ автоматизированного проектирования
- Структура управления данными и организация связей между модулями в AC HydrAx
- Экспериментальная проверка разработанных моделей и методики оптимального проектирования
Введение к работе
Проектирование современных аксиально-поршневых гидромашин в заданные сроки и в соответствии с требованиями технического задания весьма затруднительно без использования информационной технологии на ранних этапах разработки (техническое предложение и -эскизное проектирование).
Необходимость автоматизации работ на ранних этапах проектирования связана с тем, что выявление отказов основных узлов (поршневого и распределительного) на завершающих этапах проектирования (начиная с технического проектирования) путем испытаний опытного образца, приводит к длительным операциям по отработке конструкции, а значит и к резкому возрастанию материальных затрат и увеличению сроков проектирования.
Проблемы автоматизированного проектирования конструкций гидромашин рассматривались в работах Фролова С.А., Бажина И.И., Ермакова С.А., Пасынкова P.M., Воронова С.А., К. Приккел и др. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику математического моделирования и автоматизированного проектирования. Однако при этом перечисленными авторами недостаточно внимания уделено проблеме комплексного проектирования устройств данного типа.
Проектирование рационально строить на основе методов и программно-технических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, обработку, хранение, распространение и отображение информации с целью снижения затрат времени, использования информационного ресурса.
Для реализации процесса проектирования необходимо в первую очередь осуществить сбор необходимой для расчетов информации, провести её" обработку, включающую многоаспектный анализ и оптимизацию параметров узлов объекта проектирования (ОП). Полученные результаты расчета
должны быть сохранены в базе данных- с целью формирования отчетной документации.
Существующие проблемно-ориентированные инструментальные средства, такие как: ПА-9, DIRAS, МАРС и др. охватывают лишь частные задачи анализа характеристик гидромашин или их блоков, но не рассматривают задачи детального расчета и проектирования элементов конструкций. Универсальные программные комплексы инженерного анализа, такие как STAR-CD, FLOW-3D, NASTRAN, COSMOS, ANSYS, MARC также не способны обеспечить информационную технологию поскольку:
отсутствуют специализированные графические интерфейсы ввода-вывода;
требуют от разработчиков гидромашин специальных знаний в области математического моделирования;
" заложенные модели требуют больших временных затрат;
отсутствуют необходимые БД; получение данных требует специальных
научных исследований;
значительные временные затраты при обучении.
Цель работы
Повышение эффективности процесса проектирования гидромашин, сокращение сроков и стоимости их создания за счет информационной технологии на стадиях предварительной разработки. Практическая реализация состоит в написании объектно-ориентированной автоматизированной системы, позволяющей сократить сроки и повысить качество автоматизированного проектирования.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи.
Разработка структурных компонентов САПР.
Разработка инфологической модели.
Разработка математической модели.
Разработка алгоритма получения оптимальных параметров.
Разработка метода управления данными.
Разработка структуры автоматизированной системы.
Разработка методики автоматизированного проектирования.
Внедрение созданной методики автоматизированного проектирования в практику проектирования на промышленных предприятиях.
Методы исследования
Для решения поставленных задач используются положения теоретической механики и гидромеханики, методов вычислительной математики и оптимизации, инструментальные средства объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна работы
В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующие научной новизной:
Разработана структура информационной технологии, отличающаяся тем, что позволяет последовательно осуществить генерацию данных, отображение информации, передачу данных в пакет прочностного анализа ANSYS и программу построения чертежей AutoCAD для формирования отчетной документации.
Разработана инфологическая модель, позволяющая настраивать математические модели без использования языков программирования.
Разработана математическая модель, учитывающая основные особенности объекта проектирования.
Разработан алгоритм получения оптимальных параметров объекта проектирования.
Разработана структура автоматизированной системы, позволяющая проводить инженерный анализ конструктивных параметров элементов объекта проектирования и обеспечивать связь по данным с системами ANSYS и AutoCAD.
Разработана методика автоматизированного проектирования, позволяющая на основе автоматизированной системы HydrAx, проводить
расчеты элементов объекта проектирования, соответствующих требованиям ТЗ.
Практическая ценность работы
Разработанные методики, алгоритмы и построенная на их основе автоматизированная система позволяют на ранних стадиях проектирования, проводить статический, динамический и прочностной анализ, оценивать влияние конструктивных факторов узлов и деталей объекта проектирования, рассчитывать основные конструктивные и эксплуатационные параметры, соответствующие требованиям по надежности и долговечности работы его основных узлов.
Возможность проведения много вариантных расчетов с помощью автоматизированной системы значительно сокращает сроки и материальные затраты при проектировании объекта проектирования ее деталей и узлов.
Реализация и внедрение результатов работы
Работа, результаты которой приведены в диссертации, выполнялась на кафедрах «Прикладная математика и САПР» и «Гидропневмоавтоматика и Гидропривод" Ковровской государственной технологической академии в рамках госбюджетной и хоздоговорной тематики. Разработанные в диссертации методики, алгоритмы, автоматизированная система использовались при выполнении договорных работ в течение 1998 - 2000 г.г. по темам «Расчет конструкции системы распределения гидромашины объемом 15 см3/оборот» (ФГУП ВНИИ «Сигнал», г. Ковров) и «Разработка конструкции, методики и программы расчета на ПЭВМ сферического распределительного диска аксиально-поршневой гидромашины» (ОАО «СКВ ПА», г. Ковров).
Основные результаты работы внедрены в практику проектирования предприятий ОАО «СКБ ПА», ООО «Экскаваторный завод «Ковровец»», ЗАО «ПРИБОР РСТ» г. Ковров.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Ковровской государственной технологической академии на кафедре «ПМ и САПР».
Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы представлялись в период с 1995-2002 гг. на: ежегодных Международных научно-технических конференциях Ковровской государственной технологической академии; Всероссийской конференции проходившей в институте проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН «Пневмогидроавтоматика-99» (г. Москва, 1999 г.); Международной научно-технических конференциях (г. Сочи, 1999 г., 2000 г.); на международной конференции "Hydraulics and pneumatics" (в г. Брно, Чехия, 1999 г. и в г. Острава, Чехия, 2001 г.); первой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (г. Москва, 2001
г.).
Публикации по работе. По теме диссертации имеется 24 публикации, в том числе: 2 учебных пособия, 6 статей, 12 тезисов докладов, 2 депонированные работы, отчет по НИР и 1 авторское свидетельство на полезную модель.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы, включая 3] рисунок, 7 таблиц, список использованных источников из 158 наименований и 31 стр. приложений, составляет 183 стр. машинописного текста.
В главе 1 на основе детального анализа состояния вопроса по
проектированию ОП, обосновывается необходимость создания
информационных технологий на стадиях предварительной разработки.
Разработана структура информационной технологии. Проведен анализ
конструкций ОП и выделен основной подкласс - распределительное
устройство (РУ), определены критерии применения данного подкласса в ОП. Дается характеристика программных методов и программных систем, используемых при проектировании гидромашин.
В главе 2 разработан математический аппарат для моделирования, анализа и проектирования ОП базирующийся на инфологичиской модели, производящей настройку математических модели без использования языков программирования и концептуальной модели знаний, позволяющей подсистеме экспертной поддержки эффективно формировать и манипулировать знаниями конструктора данной предметной области.
В главе 3 разработаны алгоритмы и методики моделирования, анализа и проектирования с использованием математического аппарата приведенного во второй главе. Эти задачи решаются с применением автоматизированной системы (AC) HydrAx, состоящей из функциональной и программной части.
В главе 4 разработана методика автоматизированного проектирования гидромашин (рис. 4), разработана методика обучения работе с АС при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе вузов. Представлены результаты внедрения разработанной АС в процесс проектирования гидромашин, тестовые расчеты и интерфейс.
В заключении изложены основные результаты диссертационной работы, подтверждающие ее завершённость.
В приложении приведены документы о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертационной работы в промышленности, в НИР, в учебном процессе, приведена классификация методов и методологий проектирования АС, описана методика статического и прочностного расчетов гидромашин, а также приведены примеры практического использования результатов диссертационной работы при проектировании конструкций гидромашин в виде описания макро-файла ANSYS, модуля написанного на языке Lisp, структуры модулей AC HydrAx.
Анализ программных средств, математического обеспечения и методов проектирования автоматизированной системы
Программы СИАМ, ДИРАС и СПАРС состоят из типовых блоков которые позволяют решать задачи имитационного моделирования, осуществлять параметрическую оптимизацию, строить частотные характеристики исследуемого объекта [46, 47, 49, 50]. SIMULINK - включает в себя набор средств для моделирования аналоговых и дискретных динамических систем. Как и предыдущие программы SIMULINK основан на использовании блоков типовых звеньев, но в отличие от них обладает следующими достоинствами [27-29, 48]: имеет открытую архитектуру; позволяет проводить работу в реальном времени.
На основании проведенного анализа программных продуктов (ПП), позволяющих проводить имитационное моделирование, следует сделать следующие выводы: - построение структуры ПП базируется на основе использования метода графов. Данный метод затрудняет проведение комплексного расчета при начальных этапах проектировании; - включаемая в ПП оптимизация, позволяет более широко определиться с параметрами структурной схемы, при этом выходящими при оптимизации параметрами являются статические переменные (давление, частота, и др.). Оптимизация имеет характер - одно критериальный. Особую значимость получили программы математического моделирования. Это в первую очередь связано с тем, что современное проектирование базируется на внедрение сквозных систем CAD/CAM/CAE.
В работе [51, 52] обсуждаются проблемы моделирования объемных гидросистем. Модель системы вводится в виде дифференциальных уравнений, которые можно получить непосредственно из структурной схемы. Для графического представления результатов моделирования используется специальный программный модуль, имеющий автоматическую градуировку, переменные надписи и оптимизацию построения графиков по числу подлежащих представлению точек.
Во ВНИИгидроприводе была сдана в промышленную эксплуатацию первая очередь подсистемы синтеза оптимальных параметров элементов гидропривода-САПР "Гидрооборудование" [53]. САПР Тидрооборулоипнне" предназначена также для синтеза оптимальных параметров различных конструкций гидрооборудоваиия на базе их математических моделей с использованием поисковых методов математического программирования. Объектами проектирования являются элементы гидропривода (насосы, гидродвигатели и т. п.), предназначенные для использования в силовых гидроприводах станков, прессов и других гидрофицированных машин. Каждый объект проектирования состоит из узлов и деталей, на которые наложены определенные силовые или кинематические связи. Каждый объект проектирования должен обеспечивать выполнение ряда технико-экономических требований, включающих функциональные требования, прочность, надежность, долговечность и т. п.
Известны программные комплекс ПА-9, Hykon и DSH предназначенные для моделирования гидросистем и систем управления произвольной структуры. С их помощью могут быть решены задачи расчета переходного процесса, установившегося режима работы, частотных характеристик. В составе комплексов имеется обширная библиотека математических моделей и соответствующих им графических изображений (примитивов) для ряда элементов, таких как гидронасос, распределительный золотник, клапан, электродвигатель, торс ион и др. [54, 55].
Известен программный комплекс GidrACS [56-591, которой в себя включает ядро, состоящее из математической модели построенной на основе уравнения Лагранжа второго рода. Комплекс позволяет проводить приближенный инженерный расчет конструктивных и рабочих параметров ходовой части гидромашины с целью формирования исходных данных при создании новой гидромашины; оценивать соответствие конструкции основным рабочим параметрам ОП и рассчитывать оптимальные конструктивные размеры деталей в заданной области их изменения; учитывать возможные изменения формы контактирующих поверхностей блока и распределителя. Недостатком программного комплекса следует считать не полную автоматизацию различных этапов работы программных модулей. Опыт внедрения РСЕ (Process Centric Engineering) показывает необходимость использования эффективных численных методов и гибкого программного обеспечения, реализующего решение смешанных задач [17, 30, 31, 60-64, 158]. Наиболее часто в составе CAD систем используется метод конечных элементов (МКЭ). САЕ - системы инженерного анализа (ABAQUS, ANSYS, COSMOS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN, ASKA, LS-DYNA и другие), реализующие МКЭ,. позволяют не только выполнить качественное моделирование систем различной физической природы, но и исследовать отклик этих систем на внешние воздействия в виде распределения напряжений, температур, скоростей, электромагнитных полей и т.д.
Использование таких программ помогает проектным организациям сократить цикл разработки, снизить стоимость изделий и повысить качество продукции.
Наиболее широко по расчету сложных процессов проходящих в гидромашине известна программа CFX. .Математический аппарат решения задачи основан на методе конечных разностей (конечных объемов). Приведем описание этапов работы с программой. На первом этапе происходит обработка геометрической модели созданной средствами CAD -программ (Mechanical Desctop, SolidWorks, ProEngineer, UniGraphics и др.). Второй этап в себя включает создание расчетной сетки. Третий этап является самым важным и состоит в подготовке схемы расчета детали. Схема расчета определяет законы изменения рабочей среды на границах рассчитываемой области (граничные условия), состояние рабочей среды в момент начала расчета (начальные условия) и физические свойства самой рабочей среды. Четвертый этап это процесс проведения расчета. Результатом проведения расчета являются изображения расчетных сечений.
Программы FLOW-3D сделала следующий шаг к направлению анализа динамики жидкости и газа. Программа позволяет моделировать процессы массо- и теплопереноса в трехмерной постановке. Набор мощнейших программных модулей Flow-3D для точного математического моделирования процессов гидродинамики и теплообмена. Применяется для расчета ограниченных и со свободной поверхностью течений жидкостей (турбулентное и ламинарное), гидравлических ударов, околозвуковых и сверхзвуковых течений газов, температурных режимов, фильтрации, обтекания твердых тел произвольной конфигурации и течения смесей.
Концептуальный анализ автоматизированного проектирования
Построенная системная модель позволяет перейти к формализации установленных отношений, используя широко известный аппарат математического анализа, дискретной математики и математической логики, для проведения структурно-параметрического синтеза конструкции ОП. Методика этого процесса основана на детальном раскрытии и наполнении конкретным содержанием всех компонентов системной модели, а также трансформации ее на этой основе в соответствующую (в зависимости от поставленных целей) концептуальную модель ОП.
Поскольку концептуальная модель (КМ), являясь обобщением множества математических моделей, описывает целые классы ТО, то формирование КМ должно осуществляться коллективом независимых экспертов, взаимно дополняющих и уточняющих друг друга. Т.е. КМ - это абстрактное обобщение частных КМ различных разработчиков одной предметной области [120]. Разработанная таким образом КМ в дальнейшем должна являться общей для всех специалистов, которые на основе экспертных знаний настраивают ее на ФМ.
Основным компонентом, являющимся ядром системной модели ОП (см. выражение (2.5)) и характеризующим назначение техническогое объекта любого уровня иерархии, является выполняемая ТО функция.
Понятие функции F объекта определяется, как потребительская - F„ и техническая - FT функции ТО [121]. Потребительская функция Fn - это производимое ТО действие, приводящее к реализации интересующей человека потребности, т.е. назначение ТО. Техническая функция FT -описывает внутрисистемные действия между элементами ТО, приводящие к реализации его потребительской функции F„ путем преобразования некоторого входного воздействия, т.е. однозначно описывается в виде оператора выходов: Fr; Тх Z х WBX -» WBMt.
Согласно работы [121], описание потребительской функции любого ТО, можно представить в виде четверки множеств следующего вида: где D - множество действий, производимых и приводящих к желаемому результату; X - множество объектов (операндов), на которые эти действия направлены; 1-І - множество особых условий и ограничений выполняемых действий; П - множество функциональных признаков, позволяющих конкретизировать и иерархически структуризовать описание функции (ФМ).
Реализация обобщенной потребительской функции ОП F - через ее техническую функцию позволила на основе признака "сложность функции" и всестороннего анализа опыта конструирования разработчиков ОП выделить множества действий - D = {Dl, i-1, 6}, операндов - X = {Xі, i=l, 6} и окружения - Н = {Н\ i-1, 6} (таблица 1), характеризующих девять рабочих функций первого иерархического уровня: F = { Fl, i=l, 6}.
Дальнейшее разбиение понятия функции ОП признаком "значимость" формирует подмножества основных рабочих функций - основные F0, где F« = {lFo, i=l, 6) таблица 1. Таким образом, глобальные функциональные признаки "сложность" и "значимость" позволяют осуществить декомпозицию обобщенной потребительской функции ОП по уровням иерархии описания. Конкретизация описательной формулировки функции любого уровня членения, а также составление подробного словаря функций ОП и ее ФМ осуществляются на основе анализа эволюционного развития ОП путем разбиения понятия функции признаками действия - П операнда - Пх и объектов окружения, характеризующих условия выполняемых действий - Пи. Конкретное описание функции на данном уровне ее иерархии определяется вектором значений указанных признаков в пространстве nd х Пх х П,,. Практически на всех уровнях функциональной конкретизации ОП используются следующие множества инвариантных признаков Пи, Пх, Пь: По = способ действия, место действия, степень действия, характер действия, режим действия ; П = тип операнда, вид операнда, состояние операнда ; вид среды, температура среды, характеристика среды . Множества существенных признаков Пл, Пх, FIh и их значений для функций первого уровня функциональной иерархии { F\ i=l, 8} представлены в таблице 2. В качестве примера формирования представим детализацию основной функции F2 «Распределять жидкость из рабочего объема» конкретизируя ее формулировку следующим набором значений признаков: FTj (Способ действия) = {подвижный, неподвижный}; Па (Место действия) = {непосредственное действие, удаленное от объекта}; П ) (Степень действия) = {нагнетать жидкость, всасывать жидкость}; Пи (Характер действия) = (вытеснять, передавать, перемещать}; П (Режим действия) = {непрерывный, кратковременный, повторно-кратковременный}; П (Тип операнда) = {жидкость, воздух}; Пч (Вид операнда) = {масла без присадок, масла с присадками}; Пх (Состояние операнда) = {жидкостной режим, молскулярно-вязкостный, молекулярный режим}; Пх (Характеристика операнда) = {масляный, безмасляный}; Пу (Температура среды) = {нарастающая, непрогреваемая, охлаждаемая}; П, (Режим трения) = {жидкостной, смешанный}; П, (Материал) = {сталь, латунь, бронза}; Пі, (Колебания) = {есть, нет}; Піт(Шум) = {есть, нет}; Пи (Вибрации) = {есть, нет}. Подставляя значения признаков в абстрактную функцию F0, имеем одно из описаний следующего вида «стальной сферический распределитель установленный в корпусе насоса непрерывно вытесняет жидкость из одной полости в другую при этом происходит нарастание температуры, что приводит к появлению жидкостной маслянной пленки, а следствием этого к вибрации и шуму», что соответствует ТО "распределительный диск ; гидромашины". Вводя другие значения признаков из признакового пространства ndxn,.xnh получают все множество конкретных описаний абстрактной функции F2, а также множество соответствующих им ТО. Таким образом, можно генерировать пространство возможных функциональных описаний ТО и анализировать соответствие качественных описаний существующих ТО их виду.
Структура управления данными и организация связей между модулями в AC HydrAx
Создание АС на ранних стадиях проектирования можно представить исходя схемы проектирования на ранних стадиях разработки [2-4, 8-12] (техническое предложение (аванпроект) и эскизное проектирование).
При этом главным направлением работ следует считать оптимизацию конструктивных и рабочих параметров при заданной конструктивной схеме 19]. Процесс автоматизированного проектирования следует рассматривать как совокупность этапов преобразования исходной информации о і проектируемом объекте в оптимальные по данным критериям параметры конкретной конструкции на базе ПЭВМ. При этом конструктивную схему ОП целесообразно представить как совокупность составляющих ее элементов и узлов. В результате такого описания структуры из общей библиотеки уравнений элементов будут выбраны те, которыми описываются входящие в схему элементы. В дальнейшем из этих уравнений можно формировать систему уравнений, описывающих ОП в целом, и алгоритмы соответствующих программ ПЭВМ. Схема автоматизации на предварительных стадий процесса 1 проектирования ОП может быть представлена в виде структуры АС комплексного анализа гидромашин (рис, 17). В состав структуры AC HydrAx входят 5 программных модулей, обеспечивающих выполнение отдельных законченных операций проектирования определенного класса устройств; ПМ] - программный модуль статического расчета; ГТМг - программный модуль кинематического и динамического расчета РУ; ПМ -программный модуль прочностного расчета РУ; ПМ - программный модуль оптимизации на основе поисковых методов; ПМ5 - программный модуль декомпозиции узлов и элементов ОП, 1 При составлении схемы учтена возможность расширения количества программных модулей - ПМ;. Все программные модули подключены к экспертному компоненту и общей базе знаний/данных, таким образом, что результаты расчета с помощью одного программного модуля могут непосредственно или после редактирования использоваться как исходные или иные данные для работы другого программного модуля.
В структуру также включен управляющий программный модуль : монитор, который обеспечивает диалоговый режим работы конструктора с пакетом программ, выполнение вычислений в соответствии с выбранной целью в процессе решения задачи, оперативную связь с компонентой графического проектирования, с СУБЗ/СУБД и экспертной компонентой возможности вывода параметров на печать или в файл. При этом пользователь (конструктор) выбирает определенный способ вывода, получая в виде текстовых сообщений на экране дисплея сведения текущих результатов вычислений, изменять управляющие параметры программ. Такая организация вычислении позволяет конструктору в максимальной степени использовать свой опыт и интуицию.
Необходимо отметить, что все управление последовательностью вызова основных модулей сосредоточено в модуле «Монитор». Это позволяет решать задачи проектирования с любого этапа. При этом связь между модулями, реализующими эти этапы, осуществляется через базу знаний (Б3)/даниых (БД), состоящую из БД по техническим заданиям, БД по деталям ходовой части, БД по материалам и сплавам и рабочей жидкости, БД по конструктивным параметрам» экспертную компоненту. Отдельные базы данных связаны друг с другом через рабочую область, содержащую данные о текущем варианте разрабатьшаемой гидромашины и параметрах рабочей модели. Запись о рабочем варианте машины доступна в любой момент работы системы и обеспечивает быстрый доступ к базам данных из любого модуля.
На основе анализа класса задач, разработаны следующие подсистемы, применительно к ОП: 1. организация информационно поисковой системы для работы с аналогами проектируемой гидромашины; 2. организация системы управления данными по разрабатываемым вариантам ОП; 3. проведение предварительных расчетов рабочих и конструктивных параметров деталей ходовой части (статический расчет); 4. выбор рациональных параметров гидромашины на основе динамических и оптимизационных расчетов; 5. получение конструкторской документации. Структура управления данными и организация связей между модулями в AC HydrAx Проектирование структуры АС разбиваем на две части: функциональную и программную. На этапе разработки функционального проектирования основная задача заключается не в разработке расчетных модулей, так как для многих из них существуют готовые методики, а в организации связей между модулями в і разработке единого подхода к организации структуры управления данными. В основу данной структуры положен системный подход. Конструкция ОП как целостная гидромеханическая система связывает значения выходных характеристик объектов (распределителя, блока цилиндров, поршней) с входными характеристиками.
Экспериментальная проверка разработанных моделей и методики оптимального проектирования
Пользователь определяется с типом требуемой машины, с ее классом и далее либо ищет аналог простым перебором либо проводит поиск по заданным требованиям технического задания характеристикам. Критерии поиска следующие: совпадение, ближайший меньший, ближайший больший. Определившись с аналогом, пользователь тем самым получает вариант разрабатываемого ОП в рабочем меню. Он может либо зафиксировать создание рабочего варианта, присвоив ему имя, либо отказаться от этого. В дальнейшем работа проводится с данным вариантом.
Загрузив в рабочий вариант аналог, пользователь может просмотреть данные на машину. Данные разбиты на шесть баз данных - БД пользователей, БД технического задания, БД деталей ХЧ гидромашины, БД по материалам и сплавам, БД рабочей жидкости, БД конструктивных особенностей, БД последних результатов расчета. При необходимости можно исправить какие либо данные и провести все расчеты на нового ОП. Расчет параметров ОП проходит в интерактивном режиме, что позволяет пользователю контролировать его, выбирая эмпирические константы и режим записи в базу данных. Модуль расчета динамики базируется на исследовании движения блока цилиндров с поршнями относительно распределителя. Методика на основе, которой, был построен соответствующий модуль, состоит из следующих этапов: - подключение необходимых конструктивных и статических параметров полученных в модуле статического расчета к модулю расчета динамики; - с помощью выражений, описывающих необходимые условия стационарного режима движения блока с поршнями, расчет величины давления жидкости и момента, необходимого для равномерного вращения блока с поршнями (или вала)т соответствующих стационарному режиму. 1 - исследование математической модели объекта. Количество интегрируемых уравнений выбирается перед началом решения на основе базовой системы. Кроме этого пользователь может выбрать метод интегрирования. В модуле реализованы четыре метода: метод Рунге-Кутта, метод Руиге-Кутта-Мерсона, метод Рунге-Кутта-Фельдберга, Адамса. В фазе подготовки динамического расчета происходит настройка на параметры численного интегрирования уравнений, здесь же возможна , последняя перед расчетом проверка физических параметров модели и, при необходимости, их корректировка. После проведения расчета можно либо просмотреть качественные и количественные результаты, либо распечатать их на принтер. Расчет па прочность ОП выполняется с помощью соответствующего модуля (макрос-файла) созданного в пакете прочностного анализа ANSYS.
В основу расчета на прочность положен принцип управления файлом, а именно с помощью программного модуля управлением передачи данных из предыдущих этапов расчета формируется макрос-файл данных для : программы ANSYS (приложение 3). Исходная база данных материалов и сплавов с помощью конвертера данных преобразуется в базу ANSYS. Формируемый файл построен на основе использования в ANSYS макроязыка. Макро-файл включает в себя условие двух задач. Первая задача состоит в принятии и работе с данными полученными на предыдущих этапах расчета ОП, вторая задача включает исходные записи формул полученных во второй главе. Сложность этих двух задач заключается в том, что они друг с другом на всех шагах проводимого расчета должны непосредственно пересекаться. Поэтому для решения поставленных задач пришлось упростить передачу данных в программу ANSYS. Передача данных осуществлялась в ходе выполнения преироцессорных шагов построения модели распределительного узла, что в свою очередь приводит к невозможности изменять ошибочно полученные или введенные данные в ходе выполнения первой задачи, т.е. макрос-файл не может быть изменен до тех пор, пока пользователь полностью не прекратил работу с АС.
При выполнении метода оптимизации необходимо задаться критерием оптимизации, и провести предварительный расчет оптимизации но первым п точкам. Тем самым пользователь получает возможность просмотреть поверхность отклика и определиться с дальнейшим ходом проведения оптимизации. Проведение данных расчетов позволяет выбрать более рациональные значения размеров распределителя.
Следующим этапом построения АС гидромашины является решение задачи декомпозиции конструкции. Декомпозиция на этапе функционального проектирования вызвана двумя основными причинами: 1) наличие в объекте проектирования изделий различного класса, каждый из которых требует своих средств методического и программного обеспечения; ; 2) необходимостью рассматривать объект проектирования на различных уровнях иерархии на основе соответствующих каждому уровню иерархии методов макромоделирования. Переход на макромоделирование связан с необходимостью сокращения вычислительных ресурсов, требуемых при моделировании сложного объекта. Практика автоматизированного проектирования сложных объекта предусматривает следующую технологическую цепочку использования макромоделей нескольких уровней. Осуществляется выделение элемента (элементов) самого низкого уровня иерархии, построение эквивалентной ! макромодели этого элемента и его верификация на физическом уровне. Таким же образом можно построить и верифицировать модели следующего уровня иерархии. Далее эти верифицированные элементы являются иерархическим виртуальным базисом проектирования.
