Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Разработка и исследование математического, лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов

Диссертация: Разработка и исследование математического, лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Предлагаемая подсистема САПР построения математических моделей гетерогенных объектов предназначена для обеспечения построения математических моделей объектов проектирования в аналитическом виде. Однако сложность гетерогенных объектов проектирования вызывает трудности при построении исходной математической модели, той модели, опираясь на исследование которой будут приниматься решения о свойствах… Читать ещё >

Содержание

  • Введение
  • 1. Процесс проектирования гетерогенных объектов и средства САПР
    • 1. 2. Средства САПР при проектировании гетерогенных объектов
    • 1. 3. Структура подсистемы САПР построения математических моделей (ММ) гетерогенных объектов (ММГО)
    • 1. 4. Сравнение предлагаемой подсистемы САПР с аналогами
  • 2. Методы и алгоритмы построения ММ динамики гетерогенных объектов проектирования в аналитическом виде
    • 2. 1. Механические звенья
    • 2. 2. Электрические звенья
    • 2. 3. Пневматические звенья
    • 2. 4. Алгоритмы построения ММ гетерогенных объектов в аналитической форме
    • 2. 5. Приведение ММ в аналитическом виде к форме удобной для численной реализации
  • 3. Лингвистические и программные компоненты подсистемы САПР построения ММ гетерогенных объектов в аналитическом виде
    • 3. 1. Инструментальная система создания программных
  • приложений
    • 3. 2. Взаимодействие проектировщика с подсистемой САПР построения математических моделей гетерогенных объектов
    • 3. 3. Лингвистические и программные компоненты
  • САПР ММГО организации коллективного доступа
  • 4. Применение подсистемы САПР построения ММГО
    • 4. 1. Построение ММ замкнутого резервуара с жидкостью
    • 4. 2. Построение ММ резервуара с жидкостью топливно — измерительной системы
    • 4. 3. Построение ММ электромеханических приборов

Разработка и исследование математического, лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

При проектировании приборов, так же как объектов машиностроения в общем случае, последние часто обладают свойствами гетерогенности, т. е. состоят из физически разнородных компонентов. Поскольку эти компоненты входят в объект проектирования, они определяют такие его свойства как масса, объем, функциональные характеристики.

Предлагаемая подсистема САПР [53] построения математических моделей гетерогенных объектов предназначена для обеспечения построения математических моделей объектов проектирования в аналитическом виде. Однако сложность гетерогенных объектов проектирования вызывает трудности при построении исходной математической модели, той модели, опираясь на исследование которой будут приниматься решения о свойствах объекта проектирования на всех последующих этапах. Математическая модель, построенная вручную, ограничена не только большой трудоемкостью и вероятностью многих ошибок в части адекватности объекту, но и в силу ограниченности возможностей по проведению ее верификации.

Сегодня при проектирования используется большое количество программных средств для представления геометрии объекта, создания его образца, а также программных средств позволяющих выполнять расчеты по уже известным математическим моделям. К сожалению, используемые математические модели по-прежнему создаются вручную и требуют значительного времени и труда специалистов, понимающих физические условия проектирования, которые включают не только геометрию объекта, но и учитывают влияние внешней среды и других возмущений. Чем точнее будет построена математическая модель гетерогенного объекта, тем качественнее можно выполнить последующее его проектирование. К тому же для проектирования гетерогенного объекта необходимо строить модель с учетом взаимного влияния звеньев различной физической природы друг на друга.' Поэтому разработка методики и алгоритмов построения математических моделей гетерогенных объектов и соответствующей подсистемы (инструмента) САПР является весьма актуальной задачей.

Решению этой важной в автоматизации проектирования задачи и посвящена данная работа. В работе приведена методика построения математических моделей гетерогенных динамических объектов, алгоритмы построения математических моделей, в том числе сопряжения гетерогенных компонентов, решены вопросы лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов. Применение такой подсистемы рассматривается на гидромеханической системе — замкнутом резервуаре с жидкостью, на электромеханических объектах, таких как гиростабилизаторы.

Существующие развитые средства геометрического проектирования (Euclid, AutoCAD, Mechanical 2008, NanoCAD, Mechanics, Plant-4D, REAL Steel и др.) [45] направлены на решение конструкторских задач. Однако учет динамики объекта проектирования в соответствующих проектных процедурах не проводится. В то же время успешные конструкторские решения нуждаются в дополнении геометрических моделей динамическими математическими моделями. При наличии таких математических моделей в аналитическом виде появляется возможность выполнить процесс проектирования на качественно новом уровне. Поэтому важно s математическую модель гетерогенного объекта в аналитическом виде «тянуть» от начала проектирования до этапа изготовления опытного образца.

В частности, резервуар с жидкостью как объект проектирования является сложной гетерогенной системой, содержащей гидромеханические звенья. Например, таким объектом является топливно-измерительная система.

При проектировании резервуаров одной из задач является измерение уровня жидкости в динамике, для чего проектировщики строят тарировочные характеристики при различных углах наклона резервуара и затем по ним производят расстановку датчиков уровня. Но тарировочная характеристика часто не позволяет обеспечивать заданную точность с учетом возмущений. Поэтому требуется построение математических моделей, позволяющих определить поведение жидкости в динамике в зависимости от внешних возмущений, оказывающих воздействие на резервуар и движение жидкости в нем и тем самым повысить точность измерения.

Сегодня модель в аналитическом виде объекта проектирования используется лишь на этапе предварительного проектирования и дальше не используется, она не подвержена уточнениям и поправкам, которые должны быть при переходе от одной проектной процедуре к другой.

Модели, которые содержат в аналитической форме реальные возмущения можно использовать параллельно с геометрической моделью в проектных процедурах. Геометрические модели нуждаются в дополнении динамическими математическими моделями (ММ), в которых отражается не только геометрия пространственного объекта, но и его динамика с учетом возмущающих воздействий. При наличии такой математической модели в аналитическом виде появляется возможность выполнить процесс проектирвоания объекта более точнее. Поэтому важно такую модель тянуть от начала проектирования до этапа изготовления опытного образца. Это позволит:

1. Производить проектирование с учетом динамики объекта,.

2. Связать математическую и геометрическую модели объекта проектирования,.

Построение математических моделей в САПР является обязательным этапом, определяющим эффективность всего процесса в целом. Неадекватность в смысле некоторого критерия модели объекту может свести на нет усилия проектировщиков. Несмотря на высокую квалификацию инженеров, построение математических моделей сложных физических процессов и технических объектов вручную является очень сложной задачей, требующей проверки упрощений и не может служить основой точного анализа. Сегодня процессу автоматизации построения математических моделей уделяется большое внимание и, несмотря на наличие таких систем как МаЙЬаЬ 81тиНпк, МаЛСас!, ЬаЬУютдг или специальных пакетов, к примеру, Р1оуЗО, достигнуть точного построения математических моделей с учетом вклада реальных возмущений не удается.

Практическим выходом диссертации, является инструмент проектирования (подсистема САПР ММГО), позволяющей строить математические модели гетерогенных объектов в аналитическом виде для проектирования. С использованием такого инструмента, проектировщик может на качественно новом уровне решать многие задачи проектирования. Прежде всего, к ним можно отнести:

1. Проведение качественного анализа математической модели;

2. Получение математической модели с учетом реальных возмущений и учета геометрических параметров объекта;

3. Ведение полученной математической модели в аналитическом виде по этапам процесса проектирования;

4. Уменьшение времени на вывод математической модели, тем самым, ускоряя процесс проектирования,.

5. Уменьшение ошибок вычислений на этапе предварительного проектирования.

Разработанный продукт на проектном предприятии позволит создать базу данных математических моделей гетерогенных объектов проектирования.

Необходимо также отметить, что без численных расчетов проектировщик I обойтись не может. Но и численный анализ математической модели может быть организован эффективнее, если известен ее аналитических вид. Имеется возможность в аналитическом виде получить соотношения, облегчающие проведение вычислений. Также для достижения целей проектирования в САПР используются методы, позволяющие найти аналитическую зависимость между характеристиками процессов, протекающих в модели и ее параметрами, методы оптимизации и многовариантного проектирования.

Одним из наиболее сложных объектов проектирования являются, как уже отмечалось, гетерогенные объекты. Дифференциальные уравнения таких объектов могут иметь высокий порядок и включать множество членов. При построении математической модели данных объектов очень большая вероятность ошибок вычислений выполняемых проектировщиком при выполнении проектирования с начального этапа.

При построении ММ гетерогенных объектов проектировщику необходимо обладать пониманием различных физических процессов (механических, электрических и т. д.), понимать принципы взаимодействия процессов различной физической природы в объекте. Процесс построения математических моделей с общих позиций не является задачей, которую можно' просто решить, идя по пути программирования действий проектировщика при выполнении им ручных действий с ММ. Основным недостатком ручного построения ММ в плане его алгоритмизации, является отсутствие в большинстве случаев формального подхода. С общих позиций, подходов к построению ММ может быть столько, сколько и ММ, несмотря на то, что основных физических законов движения ограниченное число. К тому же каждое построение ММ является для исследователя новым процессом, выполняемым оптимальным, для исследователя, для данного конкретного объекта способом. Отсюда и разнообразие подходов. Ручное построение ММ неотделимо от ее упрощения. Имея перед собой цель построения ММ, проектировщик в процессе построения ММ может не учитывать те особенности объекта, которые, по его мнению, не влияют на объект. Это очень важно при проектировании гетерогенных динамических объектов, так как условия, при которых будет работать объект проектирования не должны рассматриваться проектировщиком, как идеальные. Автоматизация построения ММ призвана освободить проектировщика от большого числа рутинных операций, возникающих в процессе построения ММ и сконцентрировать внимание на условиях, в которых будет работать объект проектирования, изучения принципа взаимодействия разнородных по физической природе частей. Таким образом, актуальным является исследование и разработка методики построения математических моделей гетерогенных объектов проектирования.

Основной целью работы является разработка и исследование математического, лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов. Для достижения поставленной цели потребовались следующее:

— определение требований к структуре подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов,.

— выбора метода построения математических моделей гетерогенных объектов в аналитическом виде,.

— разработки лингвистического и программного обеспечения построения математических моделей гетерогенных объектов,.

— разработка принципов организации коллективного доступа к инструментальной среде создания программных приложений для дальнейшего численного моделирования по полученным математическим моделям при подстановке заданных числовых параметров объекта.

Научную новизну составляют следующие полученные в работе результаты:

1. Методика построения математических моделей гетерогенных объектов в САПР.

2. Методика взаимодействия проектировщика с подсистемой САПР построения математических моделей гетерогенных объектов.

3. Алгоритмы, входящие в математическое обеспечение САПР, позволяющие реализовать методы построения математических моделей гетерогенных объектов.

4. Алгоритмы взаимодействия проектировщика с подсистемой САПР.

5. Методика преобразования математической модели гетерогенного объекта в соответствующую ЦМЬ-диаграмму.

6. Интерфейс коллективного доступа к подсистеме САПР построения математических моделей гетерогенных объектов, созданный в среде Visual Studio.

7. Предложенная подсистема САПР позволяет строить математические модели электромеханических объектов, таких как гиростабилизаторы и гидромеханических объектов, таких как модель движения жидкости в замкнутом резервуаре, в том числе топливно-измерительные системы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 137 страницах, списка литературы и трех приложений.

Заключение

.

Йоетавленные вопросы в диссертации решены не только в теоретическом плане, но и доведены до конкретной практической реализации, создания программного инструмента (подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов) и разработки соответствующей модели системы измерения уровня жидкости с эталонной моделью.

В диссертации решены следующие научные проблемы:

1. Предложена методика и алгоритмы построения математических моделей гетерогенных объектов.

2. Йа базе предложенной методики и алгоритмов создана подсистема САПР построения математических моделей гетерогенных объектов.

3. Создана инструментальная среда разработки программных приложений для дальнейшего численного моделирования по полученным математическим моделям при подстановке заданных числовых параметров объекта.

4. Предложенная методика построения математической модели движения жидкости, реализованная на основе созданной подсистемы САПР и доведенная до схемы измерительной системы с эталонной моделью.

5. Интерфейс коллективного доступа к подсистеме САПР построения математических моделей гетерогенных объектов позволяет проектировщикам использовать математическую модель в аналитическом виде параллельно геометрической модели, быстрее взаимодействовать между собой и вносить в них поправки.

Решение вопросов также потребовало разработки новой концепции взаимодействия проектировщика с подсистемой САПР, которая реализована в подсистеме САПР ММГО.

Созданная подсистема САПР служит подготовке квалифицированных кадров: внедрение ее в учебный процесс позволило, с одной стороны, облегчить студентам решение многих задач из области теоретической физики, теории управления, разработки программного обеспечения, разработки сетевых программ, а с другой стороны, познакомить и научить их работать с современными программными средствами САПР. В учебном процессе используется методические указания «Построение математических моделей» изданная в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2007 г. и «Моделирование в САПР» изданная в СПбГУАП в 2008 г. Разработанная подсистема внедрена на проектное предприятие НПО «Карат», что подтверждено актом внедрения.

Проведенная работа внесла весомый вклад в развитие программного обеспечения САПР. Результаты, связанные с инструментальной системой создания программы, послужили при разработке других компонент подсистемы САПР. Созданная подсистема обеспечит появление в САПР сложных моделей, отражающих проектируемый объекты с любой степенью точности.

В силу гибкости, способности к развитию, заложенных, а основе данной системы, нельзя рассматривать приводимые в работе технические сведения о подсистеме построения математических моделей гетерогенных объектов как установленные раз и навсегда. Установившимися и незыблемыми считаются только сами принципы развиваемости, способности к взаимодействию с другими подсистемами. Перспектива развития подсистемы САПР ММГО очевидна.

Приведенные в работе результаты с достаточной широтой охватили круг вопросов, связанных с созданием подсистемы построения ММ гетерогенных динамических систем. Также результаты представляют собой интерес, как с математической стороны, так и с алгоритмической и программной.

Внедрение представленных в диссертации средств и методик ускорит выполнение процесса проектирования на проектных и исследовательских предприятиях.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Е.А., Дмитриев В. М. Моделирование неоднородных цепей и систем на ЭВМ -М.: 1982 160 с.
  2. Е.А., Сибиряков Г. В. Система программирования АВТОАНАЛИТИК // Вычислительная математика и вычислительная техника, 1972. № 3.- С. 171−173.
  3. Л.А. Гельфмен Б.Ш. Символический анализ сложных систем
  4. Автоматизированные системы управления хозяйством Томской области, 1. Томск, 1980.- С. 31−33.
  5. М.И., Джанелидзе Г. Ю. Кельзон A.C. Теоретическая механика в примерах и задачах (специальные главы механики), — М.: Наука, 1973. 488 с.
  6. И.М. Теория гироскопов. М.: ВШ, — Ч. 1., 1965. — 472 с.
  7. C.B. Опыт применения интегрированных CAD/Cam/CAE техологий при создании датчиков авиационных топливо измерительных систем. //Международная школа-семинар.БИКАМП-01. 2001.- С. 21−27.
  8. В. В. О движении жидкости в колеблющемся сосуде. // ПММ, 1958.-Т. 20.-С. 293−294.
  9. Буч Г., РамбоД. Джекобсон А. ЯзыкЦМЬ М.: ДМК, 2000. — 429 с.
  10. Ю.Рердт В. П., Тарасов О. В., Ширков Д. В. Аналитические вычисления на ЭВМ в приложении к физике и математике // Успехи физических наук, 1980. Т. 130. Вып. 1. — С. 113−147.
  11. П.Глушков В. М., Бондарчук В .Г., Грнченко Т. А. Аналитик — М.: Кибернетика, 1971.- № 3.-С. 102−134.
  12. ГОСТ 23 501.0−79 Системы автоматизированного проектирования. С^сновные положения. — М.: изд-во стандартов. 1980.
  13. Динамическое уравновешивание, колебания и устойчивость движении// Труды УАИ, вып. 57. Уфа. 1973. — 71 с.
  14. Динамическое уравновешивание, колебания и устойчивость движении: Труды УАИ, выпуск 57. Уфа. 1978. — 129 с.
  15. Н.Е. О движении твердого тела, имеющего полости, наполненные однородною капельною жидкостью. Избранные сочинения, т. 1. М: Гостехиздат, 1948. — С. 31−152.
  16. О. Б. О колебаниях тела, наполненного вязкой жидкостью.
  17. Црикл. мех. и техн. физ. 1966. Ч. 6. — С. 27−34.
  18. , М.А. Иванов, В.А.- Гулин, Б. В. Прочность, устойчивость и динамика оболочек с упругим заполнителем — М.: Наука, 1977. — 330 с.
  19. В.П. Вопросы технологии пакетов программ для задач математической физики. II Разработка пакетов прикладных программ. -Новосибирск: Наука, 1982.- С. 113−129.
  20. Использование аналитических вычислений при построении автоматизированных обучающих систем // Тез. докл. науч. конф.: Дубна, 1983.-С. 142−148.
  21. П.Л. Динамическая устойчивость маятника при колеблюшейся точке подвеса. // Журн. Эксперт, и Теор. Физики, 1951, № 21. — вып 5. — С. 588−597.
  22. И.В., Сольницев Р. И., Пресняк A.C. Вывод уравнения движения сложных электромеханических систем в аналитическом виде на ЦВМ. // Изв. ЛЭТИ, 1981. вып. 287. — С. 24−29.t,
  23. Г. П. Стогний A.A. Представление аналитических выражений при выполнении на ЦВМ формульных преобразований. —М.: Кибернетика, 1975. № 4. — С. 71−82.
  24. JI.B. Об одной математической символике, удобной при проведении вычислений на машинах // Доклад АН СССР. — 1957. Т. 113.- № 4.- С. 732−741.
  25. П. С. Малые колебания твердого тела, имеющего полости, заполненные вязкой жидкостью // Численные методы решения задач математической физики. М.: Наука. 1966. — С. 258−266.
  26. Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред. — М.: Гостехиздат, 1953. 319 с.
  27. Л.Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика .- М.: Наука, 1986. 733 с.
  28. Н.И. Колебания в механизмах . М.: Наука, 1988. —336 с.
  29. Л.Б., Ульянов И. Е. Проектирование топливных систем самолетов . — М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
  30. К. Гироскоп. Теория и применение. -М.: Мир, 1974. 526 с.
  31. H.H. Анализ структур производственных процессов. // Научн. сессия ГУАП, 2005. Т.1. — С. 75−78.
  32. Майоров Н. Н. Вопросы построения подсистемы САПР измерения жидкости в замкнутом резервуаре // Научн. сессия ГУАП. 2007. Т .1. -С. 10−13.
  33. Г. Н., Рабинович Б. И. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость. —М.: Машиностроение. 1971. — 564 с.
  34. Зб.Митропольский Ю. А. Козубская И.Г. Аналитические методы исследования нелинейных колебаний. Институт математики АН УССР, Киев, 1980, — 98 с.
  35. H.H. Задача о малых колебаниях открытого сосуда с жидкостью под действием упругой силы. //Укр. мат. жур. 8. 1952.— Т. 4, — С. 168−173.
  36. .Б. Гидравлика и ее применение на летательных аппаратах .— М. ¡-Машиностроение, 1967. 364 с.
  37. Е.А., Балашова A.A. Проектирование дифференцирующих интегрирующих гироскопов и акселерометров . — М.: Машиностроение, 1969.- 216 с. V
  38. Н.В. Несимметричная деформация днищ стальных вертикальных цилиндрических резервуаров // Ж. Изв. Вузов. Нефть и газ. № 5, Издание Тюменского Государственного Нефтегазового Университета, 1999.- С. 103−108.
  39. И.В. О понижении порядка уравнений гироскопических систем. // Механика твердого тела, 1966. № 5. — С. 33−39.
  40. И.П. Основы теории и проектирования САПР -М.: Высш. шк, 1990.-335 с.
  41. Э.А. Математические модели сложных корпусных деталей iиспользуемые в системах CAD/CAM и CAD/CAPP/CAM -СПб.: РЕМО & Со, 1997.-24 с.
  42. Р.К. О влиянии вязкости на устойчивость равновесия и стационарных вращений твердого тела с полостью, частично заполненной вязкой жидкостью. ПММ.1964, -Т. 28, — вып. 1, С. 60−68.
  43. М.В. Пакет программ для исследования устойчивости стационарных движений механических систем, //в кн.: Разработка пакетов прикладных программ. Новосибирск: Наука, 1982. — С. 75−84.
  44. Программное и аппаратное обеспечение САПР // Каталог осень-зима 2008, под редакцией Consistent Software. 235 с.
  45. . И. Прикладные задачи устойчивости стабилизированных объектов М.: Машиностроение, 1978. — 232 с.
  46. В.В. К теории движения твердых тел с полостями, наполненными жидкостью. ПММ. 1966. — Т. 30. вып. 1. — С. 51−66.
  47. В.В. Методы Ляпунова в исследовании устойчивости движения твердых тел с полостями, наполненными жидкостью// Изв. АН СССР. Механ. и машиностр. 1963.- С. 119−140.
  48. С.Ю. Экономия авиатоплива в летной эксплуатации .-М.: Транспорт, 1991. 240 с.
  49. Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления. -М.: ВШ. 1991, — 336с.
  50. Р.И. Вычислительные машины в судовой гироскопии. -Л.: Судостроение, 1977. 321 с. 52.(^ольницев Р. И. Майоров H.H. Повышение точности измерений уровня жидкости в замкнутых жвижущихся резервуарах.// Научн. Прибор., том 17 № 4.-2007.-С. 66−70.
  51. Р. И. Майоров H.H. Программа построения математических моделей гетерогенных динамических систем. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 9441. 2008.
  52. Р.И., Ковтун И. В., Пресняк A.C. Аналитическиепреобразования на цифровых ЭВМ в исследовании и проектированиипромышленных систем // ЭВМ в проектировании и производстве: под кобщ.ред. Орловского Г. В. Л.: Машиностроение, 1983. — С. 137−148.
  53. Р.И., Майоров H.H. Моделирование в САПР . Изд. Центр ГУАП, 2008. — 30 с.
  54. Р.И., Майоров H.H. Построение математических моделей .-ЛЭТИ, 2007.-31 с.
  55. Р.И., Пресняк A.C., Тертерова И. М. Подсистема моделирования в САПР навигационных приборов. — Механизация и автоматизация управления, 1983. № 4. — С. 41−44.1ч
  56. Р.И., Майоров Н. Н. Вопросы измерения уровня жидкости в резервуарах// Труды Международной конференции ПЭБЧ, 2007. С. 119−121.
  57. Сретенский Л. Н. Колебание жидкости в подвижном сосуде // Изв. АН СССР, Отд. техн. н., 1951. С. 1483−1494.
  58. В.М. Монтаж и испытания гидровлических и пневматических систем на летательных аппаратах. М.: Машиностроение, 972. -272 с.
  59. А.П. Колебания деформируемых систем М.: Машиностроение, 1970. 736 с.
  60. Чечурин C. JL Параметрические колебания и устойчивость периодического движения .-JL: ЛГУ, 1983. — 218 с.
  61. Д.В. Использование программ аналитических выкладок в ОИЯИ. // Труды международного совещания по проблемам математического моделирования в ядерно-физических исследованиях, Дубна. 1981.-С. 76−85t*1.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?