Под машинным проектированием металлоконструкций понима­ется автоматизированное и автоматическое выполнение с помощью ЭВМ и других технических средств основных процедур поэтапного проектирования изделия. Машинное проектирование, основанное на использовании ЭВМ, позволяет автоматизировать ряд звеньев процесса конструирования изделий, в том числе решение трудоем­ких и громоздких задач по нахождению оптимального варианта в условиях многокритериальное™, больших массивов информации и разветвленных алгоритмов ее обработки. Это, ,в свою очередь, снижает сроки проектирования, повышает производительность тру­да проектировщиков и качество решений на основе возможно более полного использования потенциальных возможностей математиче­ских и других формализованных методов и автоматических средств переработки информации.

Задачи машинного проектирования не ограничиваются автома­тизацией трудоемких расчетов. При машинном проектировании комплексно автоматизируется весь процесс проектирования — от разработки технического задания до выдачи конструкторской до­кументации. Для разработки и внедрения машинного проектирова­ния в научно-исследовательских институтах необходимо провести большую работу по стабилизации номенклатуры, типизации и уни­фикации узлов объектов проектирования, по созданию единой тех­нологии проектирования.

Наряду с этим необходимо проводить работы по формализации (математическому описанию) всех проектных решений, другими словами — создавать математические модели проектных решений и представлять результаты моделирования на различных языках программирования с целью их ввода в ЭВМ.

Весь комплекс средств человеко-машинного проектирования образует систему автоматизированного проектиро­вания (САПР). Основными элементами САПР являются кол­лектив проектировщиков, а также технический, программный и информационный комплекс. Связь проектировщиков с ЭВМ, про­граммами и информацией осуществляется через технические сред­ства ввода и вывода, накопления и передачи алфавитно-цифровой и графической информации. Каждая САПР состоит из подсистем и включается в автоматизированную систему технической подго­товки производства — ведущую подсистему АСУ.

Разработка СДПР в научном и практическом аспектах не до­стигла еще такого уровня, когда в науке устанавливается единая призванная всеми специалистами терминология. Но единая унифи­кация терминов необходима. Во многих организациях пользуются не унифицированными, а «рабочими» терминами. При описании САПР металлоконструкций воспользуемся терминологией, разра­ботанной в институте «Проектстальконструкция» (ЦНИИПСК) [41]. Согласно этой терминологии, под САПР понимается система автоматизированного проектирования, обеспечивающая весь про­цесс проектирования и выпуска законченной проектной докумен­тации на основе единой структуры модели объекта и единой тех­нологии проектирования и основанная на использовании ЭВМ и ее внешних устройств как основных средств накопления, хранения и переработки информации о проектируемом объекте.

Под технологией проектирования понимается модель про­цесса проектирования. В модели с помощью определенных языковых средств представления информации должны быть пере­даны сведения о процедурах обработки информации, выполняемых при проектировании. В САПР введено понятие «компонент САПР»—минимальный (неделимый) в рамках данной САПР эле­мент. Совокупность однородных компонентов формирует средство обеспечения САПР. Полная совокупность средств обеспечения САПР в целом состоит из средств методического, программного, информационного, технического и организационного обеспечения. Каждое из них состоит из своих компонентов.

Компонент методического обеспечения — доку­мент, в котором изложены полностью (без отсылок к каким-либо другим материалам, но с указанием первоисточников) теория, ме­тоды, способы, математические модели, алгоритмы или другие дан­ные, раскрывающие существо способа выполнения какой-либо функции обработки информации в САПР. Компонент про­граммного обеспечения — программный модуль (мини­мальная в рамках САПР программа) с необходимой технической документацией, обеспечивающий возможность автоматического вы­полнения некоторой процедуры переработки информации в САПР. Компонент информационного обеспечения — неде­лимая в рамках данной САПР совокупность информации вместе с ее представлением на машинах или иных носителях с необходи­мой текстовой документацией, обеспечивающая процедуры перера­ботки информации или являющаяся независимой частью итоговой информации. Компонент технического обеспече­ния — неделимое сочетание устройств вычислительной либо дру­гой техники или отдельное устройство, обеспечивающее возмож­ность выполнения процедур переработки информации. Компо­нент организационного обеспечения — руководя­щий материал, положение, приказ, инструкция или другой доку­мент, регламентирующий состав, содержание, стадии, сроки работ, используемые средства, распределение функции и т. д. при выпол­нении работ какими-либо подразделениями или отдельными ли­цами в процессе разработки, внедрения или эксплуатации САПР.

Структурно в САПР можно выделить две крупные подсистемы: функциональную и обслуживающую. Функциональная подсистема САПР—самая крупная задача в иерархии задач данной САПР. Она делится, в свою очередь, на проблемную функциональную под­систему и объектную функциональную подсистему.

Проблемная функциональная подсистема позволяет автоматизи­ровать часть процесса проектирования, она инвариантна для не­которой группы разнородных объектов. Объектная функциональ­ная подсистема позволяет автоматизировать часть или весь про­цесс проектирования некоторой однородной группы объектов. Под объектом проектирования понимаются конструкция, сооружение, технологический процесс, производство или их совокупность, вы­полняющие какие-либо функции в сфере народного хозяйства. Объектная функциональная подсистема может быть создана в ви­де технологической линии проектирования.

Рис. 23.3. Основные подсистемы САПР ЦНИИПСКа

Обслуживающая подсистема САПР — совокупность компонен­тов математического, информационного, организационного и техни­ческого обеспечения, реализующих возможность нормальной работы всей функциональной подсистемы. Понятие «обслуживающая под­система» шире, чем соответствующее понятие «средство обеспече­ния». В обслуживающую подсистему входят все компоненты соот­ветствующего средства обеспечения и некоторые компоненты других средств. Например, в обслуживающую подсистему техниче­ского обеспечения входят все компоненты средств технического обеспечения, некоторые компоненты программного обеспечения (тестовые программы), некоторые компоненты организационного обеспечения (например, инструкции дежурному инженеру-разра — ботчику).

Рассмотрим коротко назначение и особенности каждой подси­стемы САПР металлоконструкций, разработанной ЦНИИПСКом [1], в общем процессе проектирования изделия (рис. 23.3).

Трудоемкость этапов проектирования, связанных с расчетами на прочность основных и вспомогательных конструкций проектируе —

мого объекта, составляет не менее 50% общей трудоемкости. В то же время эти этапы являются наиболее формализованными. Большинство из них имеет достаточно полное методическое обеспе­чение, под которым подразумевается механическая и математиче­ская постановка задачи расчета. Все это позволяет разработать подсистему расчетов на прочность металлических конструкций, дающую определенный экономический эффект благодаря опти­мальности применяемых конструктивных решений, экономии мате­риала, повышения производительности труда проектировщиков и сокращения сроков проектирования объектов.

Оптимальность принимаемых конструктивных решений достига­ется возможностью быстрого сопоставления различных вариантов конструктивного исполнения проектируемого объекта. Металл эко­номят благодаря принятию более обоснованных расчетных схем. Повышение производительности труда связано с автоматизацией наиболее трудоемких операций проектирования, что, в свою оче­редь, обеспечивает сокращение сроков проектирования объектов. Подсистема расчетов металлоконструкций на прочность предпола­гает использование ЭВМ для автоматизации расчетов конструк­ций, представляющих собой произвольную композицию из стерж­ней и пластинчатых элементов, на действие статических и динами­ческих нагрузок, определение расчетных комбинаций усилий и под­бор сечений стержневых элементов. Она представляет собой на­бор трех связанных между собой процедур (подпрограмм), кото­рые по своим признакам могут быть объединены в пакеты:

—■ пакет процедур математического обеспечения;

— пакет проблемно-ориентированных процедур расчета;

— пакет объектно-ориентированных процедур расчета.

Под процедурой математического обеспечения понимается ре­шение частной математической задачи, которая составляет часть более общей задачи строительной механики. Примерами могут служить процедуры решения задач матричной алгебры и матема­тической физики, разложения внешних нагрузок в ряды Фурье и т. д.

Под проблемно-ориентированной процедурой расчета металли­ческих конструкций понимается процедура, ориентированная на решение какой-либо проблемы. Примером могут служить процеду­ры расчета стержневых и оболочковых конструкций. Другими сло­вами, проблемно-ориентированная процедура должна представлять собой универсальное средство для решения целого ряда задач рас­чета металлоконструкций разнообразного вида, обеспечивающее большую свободу в выборе геометрических и механических харак­теристик элементов конструкции, в описании внешних силовых и температурных факторов, условий закрепления и т. д.

В отличие от проблемно-ориентированных процедур объектно — ориентированная процедура расчета относится к конкретной конст­руктивной форме, характеризующей какой-либо достаточно узкий класс объектов (фермы, плоские ортогональные рамы, балки). Объектно-ориентированная процедура расчета требует минималь — 320 ного количества исходных данных, поскольку некоторые сведения храняется непосредственно в ЭВМ. Подготавливаемые для расчета исходные данные касаются только некоторой ограниченной инфор­мации о данной конструкции (высота фермы, длина панели, балки).

В единой подсистеме расчетов на прочность все три процедуры функционально связаны. Обращение к конкретной процедуре в ходе решения задачи в САПР может быть обеспечено в автоном­ном и системном режимах. При автономном режиме запуск подсистемы инициируется проектировщиком и к нему же поступают результаты. В этом режиме подготовку исходных данных ведут сотрудники проектного отдела, имеющие представление о програм­мировании. Счет на ЭВМ выполняют операторы, а разработчиков системы привлекают лишь для консультаций в отдельных случаях. Для решения задачи в таком режиме необходимо программное обеспечение элементов технологии.

В системном режиме запуск подсистемы инициируется дру­гой подсистемой и результаты работы поступают в распоряжение этой подсистемы. Информационная стыковка при обращении к под­системе расчетов на прочность или ее фрагментам со стороны дру­гих подсистем обеспечивается автоматически с помощью специаль­но формируемых таблиц входных документов.

Подсистема оптимального проектирования конструкций пред­назначена для оптимизации проектных решений с учетом оптими­зации параметров основных конструктивных элементов (высоты балки, ширины и толщины поясов, толщины стенок, размеров се­чений, ребер жесткости). Оптимизация выполняется на дискретном множестве размеров. В качестве целевой функции может быть принята стоимость конструкций и трудоемкость изготовления. За­дача оптимизации формулируется в терминах математической теории оптимального управления и решается с использованием принципов вариационного исчисления, принципа максимума Пон — трягина, методами динамического программирования (см. § 2). Решение задачи проводится в условиях ограничений на основные параметры конструкции. Для решения задачи в машине содержит­ся универсальный пакет программ, предназначенный для поиска минимума целевой функции в заданной области. Работа с пакетом проводится в интерактивном режиме с использованием дисплеев, с помощью которых обеспечивается просмотр информации и управ­ление ходом решения задачи. Целевая функция (масса, стоимость или другой качественный показатель конструкции) записывается в аналитическом виде или в виде алгоритма. Аргументами ее явля­ются искомые параметры конструкции.

При решении задачи ограничения формулируются в виде нера­венств. Например, напряжения в конструкции не должны превы­шать расчетных сопротивлений материала, прогибы не должны превышать допускаемых значений и т. д. Функции, присутствую­щие в неравенствах, также должны быть выражены в виде формул или алгоритмов. Далее программируется процедура вычисления задачи на машине, отлаживается программа и включается в уни­версальный оптимизирующий пакет. В ходе решения задачи анали­зируется ряд вариантов конструкции, все они могут быть выведены на печать. По усмотрению проектировщика выбирается лучший вариант решения.

Подсистема технико-экономических расчетов металлоконструк­ций предназначена для уточненного расчета технико-экономических показателей (расхода материалов, заводской себестомости, приве­денной стоимости, народнохозяйственных затрат) проектов метал­лических конструкций. Ее используют с целью повышения качест­ва проектных решений благодаря возможности подробного учета на этапе проектирования затрат на изготовление, монтаж и экс­плуатацию. При разработке технической документации расчет стоимостных показателей металлических конструкций возможен по действующим оптовым прейскурантам. Прейскурант основывается на усредненных ценах, относящихся к отрасли в целом. К сожа­лению, пользуясь такой методикой, невозможно анализировать влияние конструктивных особенностей конкретного изделия на тру­доемкость и другие технико-экономические показатели при сравне­нии вариантов проектных решений.

В ЦНИИПСКе разработаны специальные методики для расчета технико-экономических показателей в условиях вариантного проек­тирования. Эти методики положены в основу автоматизированной системы расчета технико-экономических показателей. Методика основана на статистической обработке большого объема фактиче­ских данных о трудоемкости металлических конструкций, с кото­рой стоимостные показатели находятся в пропорциональной зави­симости. Установлены доминирующие факторы трудоемкости и получены эмпирические формулы ее зависимости от параметров конструкции. На основе этих формул построены удобные в пользо­вании таблицы. Для оценки конструктивных особенностей изделий в методике предложена статистическая оценка трудоемкости по отдельным операциям. С помощью расчетов они учитываются при подсчете общей трудоемкости проектируемого изделия.

Подсистема технико-экономических расчетов подразделяется на ряд задач, выполняющих определенные функции:

1. Кодирование информации о металлических конструкциях и расчет трудоемкости, т. е. кодирование информации, содержащейся в чертежах, преобразование ее для хранения на машинном носи­теле памяти, хранение в упорядоченном виде информации о нормах трудоемкости технологических операций, поддержание норматив­ной информации, расчет трудоемкости металлических конст­рукций.

2. Расчет заводской себестоимости металлических конструкций по вышеописанной методике.

3. Расчет комплексных технико-экономических показателей ме­таллических конструкций и расчет их составляющих, не входящих в заводскую себестоимость (транспортные затраты, затраты на монтаж и т. д.).

Таким образом подсистема позволяет определить технико-эко­номические показатели при многовариантном анализе металличе­ских конструкций с учетом конкретной технологии изготовления и конкретного состава оборудования.

Основу подсистемы справочно-нормативной информации, со­здающей большое разнообразие таблиц, формул, составляет еди­ная структура представления выходной информации. В подсистеме все справочно-нормативные материалы заданы на бумажном носи­теле тремя формами информации: поясняющей, табличной и про­граммно-реализованной информацией. Таблицы и формулы коди­руются числами, что обеспечивает возможность перфорации их и работу управляющей информационно-поисковой системы по напол­нению подсистемы. Пояснительную информацию к таблицам и фор­мулам на перфокарты не наносят. Отдельный ввод ее в машинный носитель позволяет полностью идентифицировать на содержатель­ном уровне все параметры таблиц и формул.

Программные и некоторые вспомогательные информационные компоненты подсистемы, осуществляющие наполнение, внесение изменений и поддержание подсистемы, описываются в рамках управляющей информационно-поисковой системы (ИПС). Организация контроля справочно-нормативной информа­ции в подсистеме на этапе наполнения также осуществляется в рамках ИПС. Сама ИПС представляет собой совокупность про­граммных средств, предназначенных для автоматического поиска, хранения и сортировки архивной информации и информации о про­ектируемом объекте на машинных носителях. Эта информация образует задачу подсистемы математического обеспечения САПР.

ИПС обеспечивает автоматизацию: а) функций накопления на внешних машинных носителях информации, поступающей с перфо­карт, из оперативной памяти, с дисплея; б) функций поиска и вы­дачи структурированной информации с внешних машинных носи­телей на перфокарты, алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), дисплей и в оперативную память; в) функций реоргани­зации, обновления и ликвидации информации на внешних машин­ных носителях; г) функций сортировки информации, находящейся на одном носителе и переноса ее на другой носитель. ИПС обеспе­чивает также доступ проектировщика к данным о проектируемом объекте, записанным на машинных носителях, и к справочно-нор­мативной информации лри традиционном проектировании через дисплей, АЦПУ и перфокарты.

Подсистема организационного обеспечения формирует инструк­тивно-методические материалы, помогающие управлять процессом создания САПР. Подсистема устанавливает единообразные прин­ципы и способы разработки, внедрения и эксплуатации всех ком­понентов САПР, обеспечивая их системное единство.

Компоненты в соответствии с их функциональным назначением образуют пять основных групп, регламентирующих:

— организацию разработки САПР, т. е. общие принципы со­здания, планирования, разработки; способы и средства разработки

САПР, организацию работ в подразделениях, учет качества и сро­ков разработки;

— организацию внедрения САПР, в частности функционирова­ние отраслевого фонда программ;

— организацию эксплуатации САПР — процесс выполнения за­даний на проектирование, планирование потока заданий на проек­тирование, учет выполненных работ, работу персонала различных служб, обеспечивающих функционирование САПР;

— состав и способ оформления документов САПР;

— организацию модернизации компонентов САПР.

Каждый компонент подсистемы имеет свой шифр, несущий ин­формацию о том, к какой группе основных компонентов он принад­лежит, на какие группы пользователей рассчитан, к какому типу средств обеспечения — относится. Некоторые компоненты организа­ционного обеспечения включают в себя в виде приложений техно­логические карты, представляющие собой перечень операций или этапов работ в их временной последовательности, а иногда и све­дения о способах их выполнения.

Подсистема технического обеспечения САПР предназначена для автоматического выполнения процедур обработки, хранения и пе­редачи информации в процессе проектирования, оформления, хра­нения, размножения и поиска проектной документации, обеспече­ния необходимых условий труда сотрудников проектных подразде­лений и вычислительного центра. Основной чертой спедств технического обеспечения является неделимое сочетание устройств вычислительной и организационной техники. К средст­вам вычислительной техники относятся центральная ЭВМ, устрой­ства ввода и вывода информации, печатающие устройства, устрой­ства управления. С помощью оргтехники выполняют копировально- множительные, переплетно-брошюровочные работы, накопление архивов, решение информационно-поисковых задач, создание необ­ходимых условий труда на рабочих местах, административно-про­изводственную связь, составление, оформление и обработку доку­ментов.

Подсистема математического обеспечения предназначена для выполнения процедур, связанных с Машинным обменом и обработ­кой информации, которые не зависят от содержательной специфи­ки функциональных задач и могут использоваться одновременно несколькими подсистемами. Подсистема должна обеспечить:

— решение ряда задач вспомогательного характера (линейная алгебра, комбинаторика, поиск экстремума), а также сервисных задач (контроль входной информации, обработка контрольных то­чек, работа с таблицами) для функциональных подсистем на осно­ве программных модулей, либо входящих в базовое матобеспече­ние ЭВМ, либо дополнительно разработанных;

— накопление и обновление справочно-нормативной информа­ции на магнитных носителях, поиск и расшифровку информации по запросам функциональных подсистем;

— единую операционную основу и единообразие языковых средств программирования в целях унификации как разработки, так и использования всех программных компонентов САПР;

— возможность работы проектировщика с внешними устройст­вами (графопостроитель, алфавитно-цифровой дисплей);

— возможность непосредственной связи периферийных пользо­вателей САПР с головным ВЦ через абонентские пункты связи;

— решение сервисных задач, не связанных с непосредствен­ным обслуживанием функциональных подсистем (контроль приори­тетов заданий и задач, учет машинного времени, контроль сбоев оборудования).

Подсистема математического обеспечения включает в себя про­граммные модули информационно-поисковой системы, осуществляю­щие единообразие поиска информации, положения и изменения информационного обеспечения. Программные компоненты подси­стемы предназначены’ для программной связи задач и подзадач САПР со всеми внешними устройствами, включая графопострои­тель и алфавитно-цифровые дисплеи. Они организованы в пакеты программ, размещаемые на-магнитных носителях-

Этапы проектирования металлоконтрукции в САПР. Проекти­рование любого нового изделия в САПР проходит в несколько этапов.

1. Формулировка технического задания на проектирование. Оно составляется с учетом условий производства. Например, при изго­товлении изделия в поточной линии учитываются номенклатура изделия, серийность изготовления, привязка линии к существую­щим системам обеспечения производства, степень механизации и автоматизации работ на каждом участке линии. Модель изделия при этом задают в виде параметров и определяют ожидаемый эффект от применения технологической линии.

2. Эскизное проектирование. Цель его сводится к разработке оптимального проекта нового изделия по параметрам, которые по­лучены на основе предварительных исследований. Эскизное проек­тирование предусматривает проведение анализа с помощью ЭВМ большого числа конструктивных решений. Анализ технических ре­шений позволяет убедиться в правильности разработанного проек­та нового изделия еще до того, как оно поступит в эксплуатацию. На стадии эскизного проектирования производится компоновка изделия и всех его узлов, определяются геометрические характе­ристики.

3. Техническое и рабочее проектирование. На этой стадии дела­ется детальная конструкторская проработка всех устройств, систем и узлов нового изделия. Готовится полный комплект чертежей. Осуществляется проверка технического задания. ЭВМ здесь используется для оптимизации статических и динамических харак­теристик узлов изделия, подготовки чертежей и спецификаций.

4. Изготовление. Здесь ЭВМ используется для выбора, конкрет­ного технологического варианта изготовления изделия, для подго­товки программ к станкам и автоматам, для оптимизации последо-

Результат

Задание

А и а/} аз

Оценка

Изменение

Гипотеза

Техничес­

кий

проект

Техническая

докумен­

тация

Рис. 23.4. Схема интерактивного про­цесса проектирования нового изде­лия

вательности сборочных и транс­портных операций, параметров режима сварки и т. п.

Весь процесс автоматизиро­ванного проектирования рас­сматривается как интерактивный процесс, дающий возможность разработчику быстро проверить гипотезу (вариант модели проек­та), оценить ее в многошаговом процессе оптимизации и присту­пить к конструкторской и техно­логической проработке проекта Схема этого процесса упрощенно представлена на рис. 23.4. В каж­дой гипотезе предлагается модель объекта, являющаяся теоретиче­ским л аналитическим представлением проекта. Эта модель анали­зируется в блоке «Анализ». Результаты анализа в блоке «Оценка» сравниваются с заданием, которое определяет цель проекта. При наличии отклонений с помощью блока «Изменение» модель можно откорректировать и затем повторить процесс анализа. За N шагов проект приближается к оптимальному. На последнем этапе проек­тирования разработчик приступает к конструкторской и техноло­гической проработке проекта с выдачей технической документа­ции на изготовление изделия.