Общая характеристика задач и методов проектирования
Глава 1 Основы проектирования информационно-измерительных приборов и систем летательных аппаратов
Проектирование и конструирование приборов и систем
Этапы создания новой техники, процессы проектирования и конструирования
Создание перспективной авиационной техники и совершенствование эксплуатационных характеристик летательных аппаратов (ЛА) являются одним из приоритетных направлений научно-технического развития России. В основу реализации современных бортовых систем ЛА должны быть положены фундаментальные научные исследования, а также новаторские конструкторские разработки.
Для лучшего понимания, когда и как наиболее эффективно использовать достижения указанных исследований и разработок применительно к авиационным приборам, необходимо в целом рассмотреть процесс создания новой техники, проектирования и конструирования.
Процесс создания новой техники - путь долгий и трудоемкий. Ни одна идея сразу не находит применения, а находит свое воплощение в конкретных технических решениях после теоретических изучений, лабораторных исследований, опытно-конструкторской проработки, создания и испытаний опытных образцов. Процесс создания новой техники проводится по схеме «наука-техника-производство».
В зависимости от специфики и области применения новых изделий этапы их создания классифицируются следующим образом:
|
|
Фундаментальные исследования, охватывающие самые общие вопросы материального мира. Они заключаются в открытии сущности и действия природных процессов с целью применения их в практических разработках;
Поисковые исследования включают в себя выбор идеи, с использованием которой удается решить поставленную задачу. В ходе этих исследований выявляются возможности и условия использования научных идей в интересах материального производства. Результатом поисковой работы являются открытия и изобретения. Поисковые исследования создают научный задел, на котором основываются прикладные работы;
Научно-исследовательские работы (НИР) - это, как правило, прикладные исследования, в результате которых информация о возможностях новой техники превращается в принципиальную схему конкретного образца изделия, действующего на новых принципах, повышающего технический уровень, решающих проблемы с улучшением качества, эксплуатационных свойств и др.
Сделанные открытия и теоретические исследования находят практическое применение в прикладных работах. При этом проверяется и обосновывается экономическая целесообразность конструктивного и технологического решения;
Опытно-конструкторские работы (ОКР) направлены на создание образцов изделий новой техники. Они направлены на материальное воплощение результатов и рекомендаций НИР. Разрабатывается техническая документация и опытный образец функционирующего изделия. На стадии освоения научно-технического результата опытное изделие приспосабливается к специфическим условиям предприятия изготовителя и условиям применения. Опытный образец проходит лабораторные, предварительные заводские и государственные испытания. По результатам испытаний корректируются конструкторская и технологическая документация, которая затем передается заводу-изготовителю для подготовки изделия к серийному производству.
|
|
Конструкторская разработка изделий для собственного производства на промышленных предприятиях. Такие работы выполняются в конструкторских подразделениях промышленных предприятий. Изделия отличаются локальной новизной. В создании их используется передовой технический и производственный опыт. Конструкторские разработки чаще всего ограничиваются внесением изменений в конструкторскую документацию раннее разработанных изделий. Эти изменения не носят принципиального характера, а помогают приспособить изделие к специфическим условиям применения: место установки, выполняемой работе и т. п.
|
|
Целью и результатом разработки новых изделий является создание новой техники высокого научно технического уровня. К новой технике относят [1]:
- впервые реализуемые результаты научных исследований, и прикладных разработок, содержащие изобретения;
- новые или более совершенные технологические процессы, орудия или предметы труда;
- способы организации производства и труда, обеспечивающие технико-экономические показатели или решения социальных и других задач развития народного хозяйства.
Новая техника характеризуется более высоким техническим уровнем и качеством по сравнению с техникой, выпускаемой ранее. Она по своим технико-экономическим показателям отвечает современным требованиям или перспективам развития науки и техники. Достигаемый расчетный экономический эффект является главным критерием для принятия решения о разработке нового изделия и отражается в технико-экономическом обосновании на разработку.
Помимо экономического эффекта каждый объект новой техники определяется техническим эффектом. Такой эффект характеризует техническую полезность и ценность объекта, его соответствие своему назначению. Он представляет собой количественную характеристику степени совершенства изделия и выражается в различных технических и информационных единицах. Технический уровень новой техники, выраженной в относительных единицах, позволяет сравнивать с другой техникой и оценивать ее достоинства и преимущества. Для сравнения выбирается, как правило, техника, имеющий высший мировой технический уровень.
|
|
Разработка нового изделия - это особый этап, относящийся к сфере умственной деятельности. Она осуществляется инженерно-техническим персоналом путем проектирования и конструирования.
Проектирование и конструирование являются процессами взаимосвязанными, дополняющими друг друга. Конструктивная форма объекта формируется и уточняется применением методов проектирования - проведением расчетов параметров оптимизации и др. В свою очередь, проектирование возможно только при предварительно принятых вариантах конструктивного исполнения. Часто эти два процесса не различают, т. к. они выполняются, как правило, специалистами одной профессии - инженерами-конструкторами. Однако проектирование и конструирование - процессы разные.
Проектирование предшествует конструированию и представляет собой поиск научно обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. Результатом проектирования является проект разрабатываемого изделия. Проектирование - это выбор некоторого способа действия, в частном случае - это создание системы как логической основы действия, способной решать при определенных условиях и ограничениях поставленную задачу. Проект анализируется, обсуждается, корректируется и принимается как основа для дальнейшей разработки.
Конструированием создается конкретная, однозначная конструкция изделия. Конструкция - это устройство, взаимное расположение частей и элементов, какой-либо машины, прибора, определяющее его назначение. Конструкция предусматривает способ соединения, взаимодействие частей, а также материал, из которого отдельные части (элементы) должны быть изготовлены. В процессе конструирования создаются изображения и виды изделия, рассчитывается комплекс размеров с допускаемыми отклонениями, выбирается соответствующий материал, устанавливаются требования к шероховатостям поверхностей, технические требования к изделию и его частям, создается техническая документация.
Конструирование опирается на результаты проектирования и уточняет все инженерные решения, принятые при проектировании. Создаваемая в процессе конструирования техническая документация должна обеспечивать перенос всей конструкторской информации на изготавливаемое изделие и его рациональную эксплуатацию.
Проектирование и конструирование служит одной цели: разработка нового изделия, которое не существует или существует в другой форме и имеет иные размеры.
Разработка, составными частями которой является проектирование и конструирование, включает ведение научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ.
Будучи исходным этапом, разработка оказывает существенное влияние на все следующие стадии жизненного цикла продукции: изготовление, обращение и реализация, эксплуатация или потребление.
Разработка является техническим творчеством, в результате которого создаются технические решения.
Техническое решение является структурной частью творчества. Оно определяет принципиальные, схематические, теоретические решения и не всегда носит конкретную форму реального материального объекта, но непосредственно связано с его определенным содержанием, с конструкцией, технологией, принципом работы или материалом.
Техническое решение представляет собой раскрытую техническую идею, которую можно осуществить с привлечением специалистов, не принимая изобретательских принципов. Оно должно быть практически осуществимым, полезным, работоспособным, причем принцип работы не обязательно должен иметь теоретические обоснования.
Созданию технического решения предшествует подготовительный процесс, в котором обобщается предыдущий опыт, ставится задача, уясняется цель. В разработку технического решения непосредственно входит создание его вариантов и их анализ, выбор окончательного варианта. В процессе конструирования конструктор детально обрабатывает техническое решение, воплощает его в конкретную форму реального изделия.
Техническое решение выявляется только в процессе разработки или проведения анализа конструкции и принципов работы изделия.
Общая характеристика задач и методов проектирования
Чтобы изделие соответствовало требованиям новой техники, было высокого качества и надежным, оно должно быть тщательно проработано. Главным путем повышения технического уровня изделия, т. е. его качества, характеризуемого технической стороной, является проведение научно-исследовательских и опытно - конструкторских работы (НИР и ОКР).
Научно-исследовательские работы решают следующие проблемы:
1) разработка нового принципа работы разрабатываемого изделия, который позволяет улучшить показатели качества, долговечность, удобство обслуживания и т. д.;
2) разработка новой технологии, более совершенной и производительной, с минимальным участием человека, малоотходной, позволяющей механизировать и автоматизировать процесс.
НИР выполняются с целью решения проблемных вопросов, поиска принципиальных возможностей построения структуры приборов, исследования новых принципов их функционирования и получения исходного материала для ОКР. Основной объем НИР составляет функциональное проектирование. НИР завершается составлением отчета, в котором изложены все сведения, полученные при ее проведении, а также содержится техническое задание на ОКР.
Опытно-конструкторские работы (ОКР) используют результаты прикладных исследований. ОКР выполняется с целью разработки конструкторской документации, изготовления и испытания опытного образца. По результатам испытания опытного образца дается заключение о возможности изготовления установочной серии приборов с последующим переходом к серийному или массовому производству в зависимости от потребностей.
Разработка сложного изделия и документации на него является трудоемким процессом, связанным с большими затратами. Стоимость разработки в отдельных случаях может составлять половину всех капиталовложений, идущих на создание нового изделия. Порядок выполнения проектных работ регламентируется целым рядом стандартов. На территории России проектирование приборов ведется в соответствии с Единой системой конструкторской документации (ЕСКД), которая представляет собой комплекс государственных стандартов, устанавливающих единый порядок разработки, оформления и обращения конструкторской документации.
В процессе проектирования процессов и систем приходится решать три основных вида задач:
1) проводить синтез оптимальной структуры или алгоритмов обработки информации (в том числе пространственно-временной обработки информативных сигналов и помех);
2) выбор оптимальных значений параметров систем: интервала дискретизации, структуры и элементной базы (преобразователи, мультиплексоры, устройства ввода-вывода);
3) сравнение различных вариантов построения системы с целью выбора наилучшего варианта.
Для краткости задачу 1 часто называют синтезом структуры (алгоритмов), задачу 2 - оптимизацией параметров (параметрической оптимизацией, параметрическим синтезом), и задачу 3 - дискретным выбором системы (варианта ее построения).
Обычно решение задачи 1 и 2 предшествует дискретному выбору системы, т.к. перед сравнением вариантов системы нужно предварительно найти для каждого из этих вариантов оптимальную структуру и значения параметров. Но, с другой стороны, проводить синтез структуры и оптимизацию параметров для весьма большого числа вариантов практически невозможно - необходимо сначала хотя бы на основе имеющихся априорных данных исключить из рассмотрения часть заведомо неподходящих вариантов. Поэтому последовательность решения указанных задач в процессе проектирования может изменяться.
Основой для проектирования являются совокупность исходных данных и требований к разрабатываемой системе или прибору.
Основными из многочисленных требований, предъявляемых к прибору или системе, являются:
- точность (достоверность) воспроизведения информации;
- помехозащищенность;
- пропускная способность;
- надежность;
- малая масса и габаритные размеры;
- возможно низкая стоимость;
- электромагнитная совместимость;
- экологическая совместимость.
Все эти требования в общем случае характеризуют количественно соответствующими показателями называемыми показателями качества.
Упорядоченная совокупность показателей качества образует вектор k качества системы. Задача проектирования системы состоит в выборе такого варианта ее построения, который удовлетворяет всей совокупности исходных данных, включающей условия работы системы, ограничения на ее структуру и значения параметров и требования к вектору качества k. Показатели качества целесообразно выбирать такими, чтобы каждый из них удовлетворял условию: чем меньше данный показатель , тем лучше система при прочих равных условиях, т. е. при неизменных значениях всех остальных показателей. При этом один из наиболее распространенных критериев качества сводится к следующему: обеспечить минимальное значение одного из показателей (например, стоимость системы) при условии, что все остальные не превосходят допустимых значений.
Подробно наиболее важные показатели качества будут рассмотрены в Модуле 2.
На начальных этапах проектирования обычно учитывают от 10 до 20 наиболее важных показателей и увеличивают их число на последующих этапах. Обоснование исходных данных производится исходя из назначения проектируемой системы, и проводится на этапе внешнего проектирования. В отличие от этого, выбор структуры и значений параметров системы, удовлетворяющим всей совокупности исходных данных, называется внутренним проектированием или синтезом системы.
В процессе проектирования используются математические, экспериментальные и эвристические методы.
При применении математических методов совокупность исходных данных и требований формируются математически, т.е. составляется математическое описание условий работы системы, ограниченной какими-либо требованиями, налагаемыми на структуру системы и значения ее параметров, состав вектора качества и критерий качества системы. Затем определяют математическим путем условные функции, т. е. зависимости частных показателей качества от структуры системы и значений ее параметров при заданных условиях. Для полученного таким образом описания отыскивают математическими методами анализа и синтеза алгоритмы работы и параметры системы, удовлетворяющие выбранному критерию качества. При решении указанной задачи широко используют ЭВМ для расчета, математического моделирования и автоматизированного проектирования.
К расчету относят вычисления по заранее полученным формулам - при фиксированных значениях входящих в них параметров (линейное или не линейное программирование). К расчету могут относиться также некоторые задачи решения уравнений.
Математическое моделирование– это средство изучения реального объекта, процесса или системы путем их замены математической моделью, более удобной для экспериментального исследования с помощью ЭВМ.
где X – вектор входных переменных;
Y – вектор выходных переменных;
Z – вектор внешних воздействий;
t– координата времени.
По принципам построения математические моделиподразделяются на аналитические и имитационные.
Аналитическая модельразделяется на типы в зависимости от математической проблемы:
• уравнения (алгебраические, трансцендентные, дифференциальные, интегральные);
• аппроксимационные задачи (интерполяция, экстраполяция, численное интегрирование и дифференцирование);
• задачи оптимизации;
• стохастические проблемы.
В аналитических моделях процессы функционирования реальных объектов, процессов или систем записываются в виде явных функциональных зависимостей.
В имитационном моделировании функционирование объектов, процессов или систем описывается набором алгоритмов. Алгоритмы имитируют реальные элементарные явления, составляющие процесс или систему с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени.
Имитационные модели – это проводимые на ЭВМ вычислительные эксперименты с математическими моделями, имитирующими поведение реальных объектов, процессов или систем.
При математическом моделировании исходные уравнения, описывающие поведение системы и все, приложенные к ней воздействия, приводят к виду, приемлемому для ЭВМ и вводят в нее. В эту же ЭВМ вводят все ограничения и критерии качества. На выходе ЭВМ выдаются (в реальном, ускоренном или замедленном масштабе времени) результаты анализа или синтеза.
Автоматизированное проектирование имеет много общего с математическим моделированием: оно приводится также на базе ЭВМ и предназначено для определения оптимальной структуры, и параметров системы. Наиболее существенные отличия автоматизированного проектирования от математического моделирования на современном этапе состоят в следующем:
- основными задачами математического моделирования являются анализ системы и оптимизация ее параметров, а задачей автоматизированного проектирования - синтез структуры, включая определение оптимальных значений параметров;
- при автоматизированном проектировании ЭВМ выдает результаты в виде готовой технической документации (совокупность чертежей, таблиц, программ для ЭВМ и других необходимых документов), при математическом моделировании результаты, выдаваемые ЭВМ, не имеют такой законченности.
В настоящее время, автоматизированное проектирование систем применяется в основном при конструировании, в меньшей степени - на схемотехническом уровне, и еще в меньшей мере - на системотехническом уровне.
Математическое моделирование применяют в основном на системотехническом уровне. Отсюда следует, что в настоящее время математическое моделирование и автоматизированное проектирование дополняют друг друга. По мере развития науки и техники различия между ними будут уменьшаться.
Математические методы, включая расчеты на ЭВМ, математическое моделирование и автоматизированное проектирование являются весьма мощным инструментом проектирования. Но они предполагают наличие вполне определенного математического описания, которое, во-первых, требует экспериментальной проверки и, во-вторых, существуют далеко не во всех этапах проектирования. Для выбора и обоснования математического описания, а также для решения ряда дополнительных задач проектирования требуется эвристическая деятельность разработчиков, т.е. творческая деятельность, не поддающаяся математической формализации. Таким образом, математические исследования должны дополняться экспериментальными исследованиями и эвристической деятельностью разработчиков.
Эвристический (творческий) подход в процессе проектирования необходим при решении следующих задач:
- выбор и формулировка цели проектирования;
- выбор физических принципов действия системы;
- обоснование математических моделей системы, полезных и мешающих воздействий;
- выбор методов математического и экспериментального исследования;
- выбор элементной базы (при отсутствии жестких ограничений);
- трактовка результатов исследования и принятие окончательных решений.
Эвристическая деятельность опирается на имеющийся опыт в разработке подобных систем или решении подобных задач, а также на результаты теоретических и экспериментальных исследований, проводимых в процессе проектирования.
Различают следующие основные виды экспериментальных исследований:
- полунатурное моделирование;
- лабораторные исследования, стендовые;
- натурные (летные) испытания, эксплуатационные испытания.
Полунатурное моделирование отличается от математического лишь тем, что часть звеньев включают в состав моделей в виде натурных макетов, а не моделируют на ЭВМ. Под лабораторными исследованиями понимают исследования натурных макетов, проводимых в лаборатории, причем, обычно реальные источники сигналов и внешних помех заменяют имитаторами, построенными на основе математических моделей этих сигналов и помех. Сказанное означает, что как полунатурное моделирование, так и лабораторные исследования являются не чисто экспериментальными, а экспериментально-теоретическими.
При стендовых, натурных и летных испытаниях условия работы систем, сигналы и помехи еще больше приближаются к реальным условиям. Однако даже такие испытания не являются еще чисто экспериментальными, т.к. иногда часть звеньев системы (кинематические, аэродинамические и другие) имитируют.
Полностью экспериментальными можно считать лишь испытания, проводимые при пробных испытаниях и в процессе эксплуатации.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 326; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!