автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Формирование архитектуры САПР шнековых экструдеров на основе адаптивных методов поиска

На правах рукописи

МУСТЮКОВ IЬшль Анварович

ФОРМИРОВАНИЕ АРХИТЕКТУРЫ САПР ШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ НА ОСНОВЕ АДАПТИВНЫХ МЕТОДОВ ПОИСКА

Специальность 05.13.12 —Системы автоматизации проектирования (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АПР 2015

Оренбург 2015

005568241

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» (г. Оренбург)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зубкова Татьяна Михайловна, профессор кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Логунова Оксана Сергеевна, заведующий кафедрой вычислительной техники и программирования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

кандидат технических наук Каменев Сергей Владимирович,

доцент кафедры технологии машиностроения, металлообрабатывающих станков и комплексов федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»

Защита состоится «20» июня 2015 года в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.181.06, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 170208.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» (ОГУ) http://osu.ru/doc/3616/аБр/65.

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru и на официальном сайте ОГУ http://osu.ru/doc/3616/asp/65.

Автореферат разослан «21» апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

¿¿¿^^/^ В.Н. Шерстобитова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время экструзионная техника широко используется в пищевой, бумажной, химической, металлургической, резинотехнической, силикатной, оборонной промышленности, при производстве и переработке пластических масс, в перерабатывающих отраслях АПК и др.

Такая обширная область применения шнековых машин объясняется стабильностью их работы, обеспечением высокого качества продукции, совмещением нескольких технологических операций, возможностью компоновки в поточные линии с высокой степенью автоматизации.

Жесткая конкуренция на рынке экструзионного оборудования заставляет его производителей ежегодно предлагать усовершенствованные и новые технологии, рассчитанные на широкий круг выпускаемой продукции. Поэтому производство должно обладать гибкостью, перенастраиваясь на различные конфигурации изделий, типы сырья и производительность в зависимости от текущих потребностей рынка. Сложность процессов, которыми характеризуется экструзия, не позволяет рассчитать их обычными методами без использования систем автоматизации проектирования (САПР).

Центральное место среди подсистем САПР на этапе проектирования конструкции занимают: CAD (Computer Aided Design), CAE (Computer Aided Engineering), CAM (Computer Aided Manufacturing), PDM (Product Data Management). От качества функционирования этих систем во многом зависит эффективность производства.

На текущий момент большинство комплексных САПР, включающих в свой состав представленные подсистемы, имеют ряд недостатков, среди которых выделяют: закрытость и отсутствие возможности реконфигурирования системы; сложность интеграции узкоспециализированных прикладных компонентов, как собственных, так и сторонних разработок; значительные затраты ресурсов на подготовку и обмен данными между подсистемами; сложность освоения нового функционала при внедрении дополнительного компонента САПР и др.

Таким образом, задача разработки алгоритмов построения и реконфигурирования архитектуры комплексной САПР шнековых экструдеров является актуальной. Работа выполнена в рамках темы «Развитие информационных технологий и методов принятия решений в автоматизированных системах» (госрегистрация №01201000576), включенной в план кафедры ПОВТАС ОГУ, и при финансовой поддержке гранта РФФИ и правительства Оренбургской области «Автоматизированное проектирование экструзнонной техники с применением интеллектуальных систем» (№ 14-08-97031).

Цель исследования. Снижение трудоемкости процесса проектирования шнековых экструдеров на основе создания перестраиваемой архитектуры САПР.

Задачи исследования:

1) провести анализ и оценку современных САПР, используемых при проектировании шнековых экструдеров;

2) провести декомпозицию процесса проектирования экструдера для выявления набора программных компонентов, необходимых для решения поставленной задачи проектирования;

3) разработать методику построения САПР шнековых экструдеров, основанную на интеграции и конфигурировании его подсистем;

4) разработать программную систему (ПС) в виде ядра САПР, включающей интеграцию компонентов (сторонних САО/САЕ-систем, математических моделей проектируемых процессов, компонентов пользовательского интерфейса, инструментальных средств разработки), управление данными, подключение собственных программных модулей, предназначенных для анализа процесса экструдиро-вания и оптимизации технологических и геометрических параметров.

Объект исследования - процесс проектирования шнековых экструдеров.

Предмет исследования - процесс построения САПР шнековых экструдеров.

Научную новизну работы составляют:

- методика организации интегрированной среды САПР на основе автоматизированного конфигурирования альтернативных компонентов (компонентов сторонних САО/САЕ-систем, математических моделей проектируемых процессов, компонентов пользовательского интерфейса) с применением теории интеллектуальных систем;

- концептуальная модель данных процесса экструдирования, позволяющая учитывать конструктивные особенности составляющих экструдера (шнека, матрицы, цилиндра), реологические параметры обрабатываемого материала, характеристики процесса и его ограничения;

- программная система, реализованная на основе разработанной методики и предназначенная для проектирования и параметрического синтеза конструкции одношнекового экструдера;

- новые конструкции экструдеров, полученные при помощи разработанной программной системы и позволяющие повысить гомогенизацию перерабатываемого материала благодаря наличию компрессионных затворов канонической или ступенчатой формы.

Практическую ценность имеют:

1. Интегрированная среда САПР шнековых экструдеров, которая позволяет:

- создавать конструкции экструдеров;

- автоматизировать корректировку геометрических параметров и подготовку данных для проведения анализа конструкции;

- проводить моделирование процесса экструдирования;

- оптимизировать конструкции и технологические режимы;

- управлять данными о конструкции экструдера, процессе экструдирования и результатах моделирования;

2. Конструкции пресс-экструдеров, защищенные патентами РФ.

Методология и методы исследования.

При решении поставленных задач использовались методы искусственного интеллекта, методы адаптивного поиска, методы математического моделирования, методы дифференциального исчисления, теории сложных систем, теории

распознавания образов, теории реляционных баз данных, теории принятия решений, теории объектно-ориентированного проектирования, теории графов, численные методы.

Положения, выносимые на защиту:

- методика конфигурирования компонентов САПР шнековых экструдеров;

- модель изделия для организации передачи данных между компонентами среды: компонентами сторонних САО/САЕ-систсм, математическими моделями проектируемых процессов, компонентами пользовательского интерфейса;

- методика взаимодействия САБ-систем и систем анализа процесса экс-трудирования: САЕ-систем, математических моделей проектируемого процесса;

- алгоритм оптимизации геометрических параметров экструдера и технологических режимов экструзионного процесса;

- интегрированная среда САПР шнековых экструдеров.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены:

- в производственный процесс ООО «Апрель» (г. Санкт-Петербург) в качестве ядра САПР шнековых экструдеров;

- в учебный процесс кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет».

Апробация результатов.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2013), «Современные тенденции технических наук» (Уфа, 2013), на всероссийских конференциях: «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2010, 2012, 2014), «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2011, 2013), «Теоретические вопросы разработки, внедрения и эксплуатации программных средств» (Орск, 2013).

Публикации. По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликовано 19 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах из «Перечня...» ВАК, 8 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских конференций, 2 свидетельства о регистрации программных продуктов, 2 патента на изобретения, 2 статьи в международных журналах и статья в научном журнале, не входящем в список реферируемых изданий.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа выполнена на 203 страницах, включая 112 рисунков, 26 таблиц и 14 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность выбранной темы, определены цель и задачи работы, объект и предмет исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость.

В первом разделе диссертационной работы рассматриваются вопросы, посвященные особенностям развития современных САПР шнековых экструдеров.

Проведено исследование процесса экструдирования. Вопросам изучения данного технологического процесса посвящены работы Соколова А.Я., Мельникова C.B., Черняева Н.П., Полищука В.Ю., Бурова JI.A., Медведева Г.М., Назарова Н.И., Шенкеля Г., Азарова Б.М., Василенко П.М., Груздева Н.Э., Платова К.В., Попова A.C., Быкова П.В., Crowther В. G., Harold F. Giles Jr, Kurt Laue, James L. White, Helmut Stenger, Chris Rauwendaal и других авторов.

На основе трудов данных ученых определены технические параметры конструкции одиошнекового экструдера: диаметр шнекового цилиндра (De), осевая протяженность (L), диаметр шнека (£>Д осевой шаг винтовой лопасти (р,„), радиальная высота шнекового канала (Л,„), осевая толщина винтовой лопасти (s,„), радиальная высота зазора утечек (hy), осевая протяженность (лгА.) и радиальная высота (¡h) компрессионного затвора, число фильер, диаметр фильеры (í/„), длина канала фильеры (z„) (рисунок 1). Выделены технологические параметры процесса экструдирования (температура переработки материала, давление расплава, частота вращения шнека), а так же влияние данных параметров на характеристики получаемого продукта (прочность гранул, степень гомогенизации) и технико-экономические показатели процесса (производительность, мощность сил полезного сопротивления, время процесса, КПД).

Рисунок 1 - Схема прессующего механизма: 1 - загрузочное устройство; 2 - корпус (цилиндр); 3 - формующая головка (матрица); 4 - шнек; 5 - компрессионный затвор; 6 — головка экструдера

Исследованы тенденции развития CAD/CAE - систем в области проектирования шнековых экструдеров, выделены преимущества и недостатки применения данных систем на современном производстве. Проведен анализ изменения производительности проектировщика при внедрении комплекса подсистем компаний Autodesk, ANSYS, PTS, SolidWorks Russia. Определены причины снижения производительности при наличии альтернативных компонентов САПР. Доказана необходимость сочетания готовых программных продуктов и собственных про-

граммных подсистем, специализированных на проектировании и анализе шнеко-вых экструдеров.

Описаны особенности построения универсальных САПР. Большой вклад в общую методологию создания и использования интегрированных САПР внесли исследования Норенкова И.П., Черепашкова A.A., Кривошеева И.А., Анисимова В.И., Батищева Д.И., Стрельникова Ю.Н., Борисова H.A., Бершадского A.M., Ше-лофаста В.В., Барабанова В. В., Кунву Ли, Абу Давас М., Groover M., Zimmers Е., Daniel L. Ryan, Vinit A. Wagle, Mark E. Coticchia, George W. Crawford, V. Rajara-man, Philip C. Flora и других.

Определены требования и принципы, которым должны удовлетворять САПР шнековых экструдеров. Соблюдение данных принципов позволяет получить единый инструмент, используемый на всех стадиях проектирования изделия, в котором необходимая информация автоматически переходит от модуля к модулю, начиная с ввода данных и заканчивая построением чертежа конструкции на выходе.

Концепция интегрированных САПР, состоящих из альтернативных алгоритмов и подсистем, ориентированных на решение специфических задач, рассматривает проектирование архитектуры системы на уровне компонентов с четко обозначенными интерфейсами и механизмами взаимодействия между ними (рисунок 2).

Во втором разделе описана методика формирования и развития интегрированной среды САПР шнековых экструдеров.

На основе объектно-ориентированного подхода сформулирована задача построения САПР, которая заключается в выборе набора компонентов R для решения проектных задач Z таким образом, чтобы обеспечить необходимые свойства F в системе S при минимизации времени проектирования t.

Целевая функция конфигурирования системы в случае применения аддитивного критерия примет вид:

; ( qM) ..

Рисунок 2 - Конфигурирование компонентов САПР

t°J

max.

(1)

где - свойство альтернативной подсистемы для решенияу'-й задачи проектиро-

РА1 , л

вания (управляемый параметр), при этом Р] е ^ у, <2, - функция оценки ка-

Р=1

чества системных свойств для у'-й задачи проектирования; - функция оценки времени выполнения проектной задачи; Р^ ¡- набор альтернативных компонентов

для решенияу'-й задачи; -у'-й нормирующий делитель для качественных и

временных характеристик соответственно; J - количество проектных задач; су ,

с •

Уу - весовые коэффициентыу'-го частного критерия, причем — —> сю.

При этом управляемыми параметрами являются свойства системы (К) и совокупность компонентов (/?), обеспечивающие данные свойства:

и = {* (2)

В качестве ограничений выступают:

- проектная задача: синтез (2$), анализ (2Л), оценка (2Е), конвертирование (2С), визуализация (2У), принятие проектных решений (20);

- конструктивные особенности изделия: количество секций (К)), наличие компрессионных затворов (К2), количество шнеков {К3), форма фильер матрицы (КР), количество фильер (Кп), наличие оттока жидкой фазы (АГ0), наличие пристенного слоя (А», форма канала шнека

- технологические требования производства: свойства обрабатываемого материала (коэффициент консистенции в винтовом канале шнека (ГД индекс течения прессуемого материала (Т„)), напряженное состояние в различных участках экструдера (Т„), температура обработки (Т,).

- набор начальных данных (возможность применения компонента): конструктивные (С/к), геометрические ((Ус), кинематические (С/,>) и реологические (£/«) параметры.

Система ограничений примет вид:

Т., где 2 е , 2Л, Т.Е, Zc, , }, (2 _,К,где К {К,,К2,К3,КР,Кт,К0,КР,К^\

и,гдеи^{ик,ио,ир,ик}

Выделены составляющие методики управления конфигурацией САПР : единая среда исполнения, принципы интеграции, интерфейсы интеграции, классификация и конфигурирование компонентов системы. Взаимодействие данных составляющих представлено на рисунке 3. Последовательное выполнение указанных этапов определяет методику конфигурирования системы. Исходными данными схемы являются задачи проектирования, информация об изделии, а так же совокупность компонентов системы. В результате выполнения определяется набор интегрированных программных подсистем, с помощью которых решается поставленная задача проектирования.

В третьем разделе описана формализация рассмотренных составляющих методики конфигурирования.

Рисунок 3 — Схема функционирования САПР

Анализ компонентов САПР позволил выделить следующие типы проектных операций в соответствии с их функциональным назначением: синтезирующие, анализирующие, оценивающие, конвертирующие, принятия решений. Для каждой операции определена процедура, представленная пятеркой вида:

Ртт = (В, Е, /\ К, Rmm), (4)

где В - начальная позиция, £ - конечная позиция, F- совокупность функций, реализующих процедуру, К - совокупность компонентов, обеспечивающих требуемую фу нкциональность, Ртт — распределение ролей исполнителей (/?/,;,— человек, Я„шс/, - машина) (таблица 1).

Таблица 1 - Процедуры проектирования

Процедура проектирования Формальное описание

Синтезирующая процедура Ps = (Sdig , Sdiç, Fs, Ks, {Rhum, Rmach})

Анализирующая процедура Pa = (Sdig, SA\ F/1. KA, {Rmach})

Процедура оценки Ре = (Sa , Sa, Fe, Ke, (Rhum, Rmach})

Процедура конвертирования Pc = (Sdiç, svi5, Fc, Kc, {Rmach})

Процедура визуализации Py - (Sa, Sris, Fy, Ky, {Rmach})

Процедура принятия проектных решений Pd = (Sa, Sdig, Fo, Ko, {Rhum, Rmach})

л

ГО У'

—' '1 --3 ^--'* * -

Л*,

•ЬК)

й *---а

Рисунок 4 - Маршрут проектирования объекта

Для описания ситуаций введены следующие обозначения: - внутреннее цифровое описание текущего проектируемого объекта; За - оценка качества информационного описания объекта (результат процедуры анализа); - текущее описание проекта в форме, доступной проектировщику. На рисунке 4 представлено изменение проектных ситуаций в зависимости от задач проектирования. На основе выделенных процедур производится классификация компонентов.

Описана модель представления изделия, которая будет служить единым шаблоном передачи информации между проектными состояниями (рисунок 5). Структура изделия представляется в виде графа С = (Ра Р, Лу, где Рц - корень дерева, соответствующий исходной конструкции (РцеР, (Рь Рц)£ при \/РкеР), Р - вершины графа, при этом узлы дерева (Р,) представлены составляющими конструкции (Р,еР, ЗРкеР, (Р1,Рк)е ЯЕ\ а листья дерева (Ру) - характеристиками составляющих (Р]еР, VI'кеР, (РрРк) 0 /у, - отношения между вершинами. На основе разработанной модели изделия формируется структура данных на языке разметки ХМЬ.

1_

-0"

ЕГД

Е~~1

—I—1

!р 1 !р 1 !р 1

I' N1 I I"мг | |Гмз | I__1 I__J I__1

С

Конструкция

с

>

Наименование

П

Дата

Диаметр Длина

Матрица )

1 Число ф. Диаметр ф. Длина ф.

Рисунок 5 - Модель внутреннего представления изделия в предложенной

нотации

Переход между проектными ситуациями характеризуется преобразованием исходных данных (например, преобразование САБ-модели в САЕ-модель). Описана методика получения требуемой САЕ-модели из импортируемого чертежа конструкции (рисунок 6). Методика представляет собою последовательность шагов, выполняемых в компонентах интеграции. С помощью данных компонентов отслеживаются корректировки изделия на каждом из этапов проектирования.

CAD-модель конструкции

I Импорт модели в |----

I ПС I I_________J

Библиотека для просмотра САПР-файлов

«

I I

Модуль поиска заданных геом параметров экс-трудера

I Сохранение полученных | I значений |

I________

Компонент! интеграции для _\7 CAD

Отображение модели в виде совокупности геометрических примитивов

X

Выборка и определение «значимых» параметров конструкции

Ж

Параметризация исходных характеристик конструкции

! "I У

БД предметной области

БД предметной обпасти

I Передача ин-I формации из

I Экспорт САЕ-I модели

Компонент интеграции

V

Сбор данных, требуемых для проведения анализа

Библиотеки

представления

данных

I

I I I I I I I

Ж

Формирование входных данных для САЕ-системы

Передача информации

"I

11

САЕ-модель конструкции

Рисунок 6 - Схема взаимодействия CAD и САЕ-систем

Преобразование CAD - модели в модель внутреннего представления (рисунок 5) реализуется блоком поиска геометрических параметров экструдера. Описана методика решение задачи распознавания образов (цилиндра экструдера, формующей головки, шнека и других составляющих) в чертеже конструкции на основе параллельной процедуры принятия решения.

Каждой проектной ситуации (рисунок 4) соответствует набор компонент К, с помощью которых реализуется поставленная задача. Методика конфигурирования САПР заключается в автоматизированном выборе группы компонентов К среди альтернатив (компонентов сторонних CAD/CAE-систем, математических моделей проектируемых процессов, компонентов пользовательского интерфейса) на основе управляемых воздействий (2) и ограничений применения (3).

Согласно методу Мамдани, минимаксная композиция нечетких множеств позволяет получить оценку соответствия компонентов требуемым нормам, при этом необходимо выполнение следующих операций:

1. Составить правила вида: хеАлуеВ—>z еС, где х, у - текущие ограничения (задача анализа конструкции, наличие в экструдере компрессионных затворов, отсутствие утечки расплава и т.д.); z - искомый компонент САПР; А, В -условия идентификации компонента С.

2. Определить нечеткость: ЪА = Л4(х, А\ Ьв=А.в(у,В\ Ьс = Яс(г, С), где b - степень соответствия текущих ограничений и условий идентификации

Мол]).

3. Нечеткий вывод: X'= mmfam(fcA,bB\bc'), где X - оценка соответствия правила выставленным ограничениям.

4. Композиция: Aj.(z)— max , где / - количество компонентов,

V='

AE(z)- компонент, идентификационные характеристики которого удовлетворяют предъявляемым требованиям.

Описана задача оптимизации проектных решений. Обосновывается выбор генетического алгоритма (ГА) для решепия поставленной задачи. Формализуются основные этапы метода адаптивного поиска на основе аппарата непрерывных ГА.

В четвертом разделе представлена практическая реализация предложенных методик, моделей и механизмов в виде построения ядра интегрированной среды САПР шнековых экструдеров.

В результате анализа предметной области построена информационно-логическая модель (ИЛМ) предметной области на основе методологии Ричарда Баркера. Определен набор функций и разработана архитектура базовой версии программного средства. Составлены диаграмма вариантов использования (рисунок 7), диаграмма классов и диаграмма компонентов. Представлены обобщенные алгоритмы функционирования отдельных модулей. Описана методика оптимизации конструкции на основе математической модели (ММ).

Добавление пэпьэсЕЗТепеи

Те"нёрэ'д.Тя.......i

документов "

Иг>-погт

у'-* Г90№тр;иесхзй

( ) моасги

мадкловка Фиксироезнне данных дп? CAE изменений

РерзктрсЕЭМге

Досаеление информации о

Расчет Т5*ни<0-

зкекошчешк показателей

Рисунок 7 - Диаграмма вариантов использования

Приведено обоснование выбора средств разработки. Разработка приложения осуществлялась с использованием CASE-средства Rational Rose. В качестве среды разработки выбран Borland Delphi 7, в качестве системы управления базами данных - Borland InterBase 7.5.

В руководстве пользователя описаны принципы работы с программной системой Ех1гис1егРаск (ПС).

При добавлении новой конструкции создается ее проект. Параметры конструкции (рисунок 1) вносятся через форму ввода, либо определяются автоматически при загрузке чертежа конструкции (рисунок 8).

SfTS

"V

llmi-'tíi пруемын ч«)>1*л.

i Шшшшши*

Формующая головка - Матрица

Натдаювапне. |фипьера№456д1»од^ Число Фильер в матрще ■ |2 » ]

Просмотр

НАигнамте Ех ■ 1 leal Лета сознания 12072013 Создал ЩстюковНА (Admin) Корпус: ID-8 Ксдпчс одношнекгеогозкстощ Чертежньй Файл eksliudei dxl Лслэлщгелыо Проводился ли анлли»7 ¿Ja ^

■У* Редаг.гтоеаиив J % Удалить

Г >л Фильеры ñivna канала Фильеры (zm) - 101 Диаметр фи/ьеры |dm) - |о 011

tv.íftm'tel

Высота Ф1

. Г

1ЖД*яя31.....X..Ü

Рисунок 8 - Импорт чертежа конструкции

После создания проекта конструкции в ПС доступны следующие функции: редактирование конструкции, анализ конструкции с помощью ММ расчета технико-экономических показателей процесса (производительности, мощности сил полезного сопротивления, времени процесса, эффективности процесса), оптимизация конструкции, подготовка данных для применения их во внешних системах.

Анализ процесса экструдирования реализован в три этапа: выбор конструкции, задание параметров процесса экструдирования, проведение моделирования (рисунок 9). В момент проведения моделирования определяется математическая модель, соответствующая искомым параметрам, и производится расчет. Отследить этапы расчета возможно в блоке «Трассировка и детализация».

Для оптимизации выбранной конструкции необходимо указать условия оптимизации (целевой параметр, ограничения), корректируемые характеристики и критерий остановки алгоритма. Результатом расчета являются значения параметров оптимизации и технико-экономические характеристики полученной конст-

рукции. На рисунке 10 представлена оптимизация параметров шнека конструкции при условии максимизации КПД.

Второй этап

'■^женермоеиодея'рояо..«! Анаши проск их»

у/ ДоЛ»" ыээфик

ВР Ошют^лция Угучцц->»<е-|гД[>амстроо процесс л же груд^иоол^п «айп Згдпы | *гдсор:яч ] ип<|чяении парамиI ров прицисса

Просмотр детализации

1* иптм*оация - Трассировке - Графики результатов

1 Количество ао» ев»5о

КПД ■> МЙХ : 1 Г плнггтгл г«ций • 1

5 11 |тем! • ) = П

Общий перечень параметров г!1 - |Л.'Ч->-Ч1 иг1

I |к» (Число емльер! ; ;<±Т1 ¡Диаметр фильеры! | |лп|Д|»*1вкамапвфппье(Л1)

; (Рад высота ком затворе) | ; Л (Осевая протязк. кем. затвора)

Условия оптимизации

Ы. |М0.............. с

Твиию • аконоьычеекна пс {От (Про^Оу(Прои|н (Мощн|й |Очла.|н [КруглГт»(ВремГТгп(военГз Мглп^ГбI (Имгч/:1 Г~ 1Е 611 453 7.041 0145 4.296 0 461 21 291 1 689

Аиченип параметров

Рисунок 10 - Оптимизация конструкции 14

Проведена оценка трудоемкости проектирования при использовании ПС. Определена степень автоматизации базовых функций «до» и «после» внедрения. Сделан вывод о снижении трудоемкости проектирования одношнекового экстру-дера после внедрения на 44% при условии использования всех рассмотренных возможностей ПС. Благодаря автоматизированной подготовке данных, снижена трудоемкость процедуры конвертирования на 67%. По закону Хика проведена оценка времени выбора альтернативных вариантов при условии, что все варианты являются равновероятными.

На основании анализа результатов проведенных вычислительных экспериментов были предложены новые конструкции экструдеров, которые позволяют повысить эффективность процесса экструзии и улучшить качество готовой продукции благодаря гомогенизации перерабатываемого материала. Данные конструкции защищены патентами РФ №2491170 и №2491171.

Практическая значимость подтверждена на этапе предварительных испытаний в предприятии ООО «Апрель» (г. Санкт-Петербург), были отмечены следующие достоинства предлагаемой методики:

- высокая степень интеграции программной системы с альтернативными CAD/CAE - системами;

- простота параметризации и изменения конструкции экструдера, благодаря использованию блока распознавания образов;

- возможность расчета технико-экономических показателей процесса экс-трудирования;

- простота создания геометрической модели экструдера с помощью экспорта параметризованной конструкции из базы данных;

- независимость ядра системы от изменений в API CAD и CAE.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ доступных научных трудов показал, что для успешного проектирования шнековых экструдеров необходимо тесное взаимодействие между компонентами сторонних CAD/CAE-систем, математических моделей проектируемых процессов н компонентов пользовательского интерфейса. Доказана необходимость сочетания готовых программных продуктов и собственных программных подсистем, специализированных на проектировании и анализе шнековых экструдеров.

2. Декомпозиция процесса проектирования, представленная формализованным описанием проектных процедур, дает возможность совершить обоснованный выбор компонента САПР для решения поставленной задачи.

3. Разработанная методика построения интегрированной среды позволяет организовать взаимодействие компонентов САПР на основе их классификации, интеграции и конфигурации. Конфигурация компонентов (сторонних CAD/CAE-систем, математических моделей проектируемых процессов и компонентов пользовательского интерфейса) помогает в исследовании процесса экструдирования па основе спроектированной конструкции без необходимости дополнительных настроек и знаний в их применении.

4. Разработанное ядро интегрированной САПР снижает трудоемкость процесса проектирования шнековых экструдеров в среднем на 44%. Реализованная методика интеграции CAD и САЕ-систем позволяет организовать их автоматизированное взаимодействие, что снижает трудоемкость при подготовке моделей в среднем на 67%.

5. Предложенная методика оптимизации геометрических параметров экс-трудера на основе адаптивных методов расширяет возможности поиска новых и совершенствования существующих конструкций.

6. Разработанная программная система внедрена в производственный процесс компании ООО «Апрель», что подтверждается актом о внедрении.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Мустюков, H.A. Физические эксперименты для определения показателей качества экс-трудированной продукции / Т.М. Зубкова, А Н. Колобов, H.A. Мустюков // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2012. - №4. - С. 7-9.

2. Мустюков, H.A. Рекопфигурирование САПР для проектирования одношнековых экструдеров на основе модели нечеткого вывода Мамдани / Т.М. Зубкова, H.A. Мустюков, А.Н. Колобов// Вестник ОГУ. - 2013. -№1.-С. 176-181.

3. Мустюков, H.A. Применение генетического алгоритма для проведения параметрического синтеза конструкции экструдера / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2013. - №4. - С. 114-118.

4. Мустюков, H.A. Многопараметрическая оптимизация конструкции одношнекового экструдера на основе адаптивных методов поиска / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова // Вестник ОГУ. - 2013. -№9. - С. 208 - 216.

Публикации в других изданиях:

5. Мустюков, H.A. Программная система по автоматизации проектирования одношнековых экструдеров / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: сборник материалов IX Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2010. - С. 24-27.

6. Мустюков, H.A. Методика нахождения внутренних характеристик системы технологического объекта / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова // Компьютерная интеграция производства и ИПИ - технологии: сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2011. -С. 220-225.

7. Мустюков, H.A. ЗО-визуализация проектируемых объектов экструзнонной техники с использованием комплекса библиотек OPENGL / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: сборник материалов X Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012. - С. 42-45.

8. Мустюков, H.A. Система поддержки принятия решения выбора экструзнонной техники / H.A. Мустюков // Технические науки - от теории к практике: сборник материалов XXI международной научно-практической конференции. - Новосибирск: «СибАК», 2013. - С. 29-36.

9. Мустюков, H.A. Повышение эффективности проектирования одношнекового экструдера за счет интеграции внешних компонентов CAD-систем / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова //

Современные тенденции технических наук: сборник материалов II международной научной конференции. - Уфа: «Лето», 2013. - С. 42-45.

10. Мустюков, H.A. Подбор технологических режимов работы экструдера марки IUTAK-80M ООО «Апрель» / II. А. Мустюков, Т. М. Зубкова // Молодой ученый. - 2013. - №8. -С. 105-109.

11. Мустюков, H.A. Формирование базы знаний в интеллектуальных системах автоматизированного проектирования / Н. А. Мустюков, Т. М. Зубкова //Теоретические вопросы разработки, внедрения и эксплуатации программных средств: сборник материалов II Всероссийской научно-практической конференции. - Орск: ОГТИ ОГУ, 2013. -С. 121-124.

12. Мустюков, H.A. Параметризация конструкции экструзионной техники на основе системы распознавания образов / II. А. Мустюков, Т. М. Зубкова // Компьютерная интеграция производства и ИПИ - технологии: сборник материалов VI Всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2013. - С. 163-168.

13. Мустюков, H.A. Исследование влияния геометрических размеров конструктивного параметра на показатели качества технологического процесса / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова, A ll. Колобов, М.А. Токарева // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: сборник материалов XI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2014. - С. 23-25.

14. Mustyukov, N.A. Module of data conversion CAD-model in the CAE-model for analysis the design of extrusion machine / N. A. Mustyukov, Т. M. Zubkova, A. N. Kolobov // Nauka i Studia. - 2013. - №30. - P. 13-18.

15. Mustyukov, N.A. Choice the brand of extruders SHTAK according to the required engineer-ing-and-economic characteristics // European applied sciences. - 2013. -№7. - P. 14-17.

16. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011612043. Расчет технико-экономических параметров одношнековых эктрудеров / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова, М.А. Корякина ; заявитель и правообладатель Федерал, гос. бюдж. образоват. учреждение высш. проф. образования «Оренб. гос. ун-т». - № 2010617272 ; заявл. 19.11.2010 ; заре-гистр. 05.03.2011. - 1 с.

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013613270. Оптимизация конструкции одношнекового экструдера адаптивными методами поиска / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова ; заявитель и правообладатель Федерал, гос. бюдж. образоват. учреждение высш. проф. образования «Оренб. гос. ун-т». - № 2013610701 ; заявл. 06.02.2013 ; заре-гистр. 28.03.2013. - 1 с.

18. Патент RU №2491170 С1, МПК В30В 9/14. Пресс-экструдер / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова (РФ). -№ 2012109138/02. - Заявлено 11.03.2012. - Опубл. 27.08.2013, Бюл. № 24. -4 с.

19. Патент RU №2491171 С1, МПК В30В 9/14 Пресс-экструдер / H.A. Мустюков, Т.М. Зубкова (РФ). -№ 2012109139/02. - Заявлено 11.03.2012. - Опубл. 27.08.2013, Бюл. № 24. -4 с.

Подписано в печать 09.04.2015 г. Отпечатано в типографии "Константа" О.Г.Р.Н. 1045608406645 Формат 60x84. Бумага офисная. Усл. печ. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ 198 г. Оренбург, ул. Туркестанская, 18, офис 1