автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка средств автоматизации проектной процедуры анализа статики в САПР электростатических подвесов

На правах рукописи

РГб од

Денисов Пётр Феликсович _ , - д

. ' г-<т V

1 о • ' -й •• - -

УДК 658.512.22.011.56:621.319:001.8

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТНОЙ ПРОЦЕДУРЫ АНАЛИЗА СТАТИКИ В САПР ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОДВЕСОВ

Специальность: 05.13.12 - "Системы автоматизации проектирования"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Московском Государственном Университете Путей Сообщения (МИИТе)

кандидат технических наук, В.П.Соловьев

Научный руководитель: Официальные опнонепты:

д.т.н., проф. Пумынпп В.Н. (МНИТ)

к.ф.-м.н., с п.с. Кораблсв В.М. (ПФВЭ ГНЦ)

Ведущее предприятие: Ппжсперпо-научпый центр "ТЭМП"

Защита диссертации состоится 2000 г. в " часов

на заседании диссертационного совета КГ14.05.12 при Московском Государственном Университете Путей Сообщения (МИИТе) по адресу: 103055, г. Москва, А-55, ГТС, ул. Образцова, 15, ауд.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 2000 г.

Учёный секретарь диссертационног о Совета К114.05.12, д.т.н., профессор

И.В.Сергеева

О т-0%'5-05,0

Обща» характеристика работы Актуальность темы

За последние годы работы по созданию принципиально новых видов железнодорожного транспорта практически не ведутся.

Как известно, в электромагнитном подвесе, вес подвешиваемого тела и действующих на него нагрузок уравновешивается силами магнитного или электрического поля, называемыми в электротехнике пондеромоторными, в результате такого уравновешивания осуществляется свободное "парение" (левитация) подвешиваемого тела без соприкосновения с окружающими предметами.

В настоящее время электромагнитные пондеромоторные взаимодействия достаточно хорошо известны и широко используются в технике, в том числе и для подвешивания железнодорожных транспортных средств, а электростатические - плохо изучены. Аналитические расчёты пондеромоторных электростатических взаимодействий сложны и в настоящее время выполнены лишь для простейших систем.

Пондеромоторные электростатические взаимодействия используются в различного рода устройствах - электростатических измерительных приборах, подшипниках и т.п. Они могут быть применены и для подвешивания транспортных средств.

Объектом проектирования в данной диссертационной работе является электростатический подвес. Как известно из электротехники, электростатические подвесы по типу поддерживающего силового поля бывают двух видов - с регулируемым и нерегулируемым поддерживающим силовым полем.

Специалисты в области создания электростатических подвесов считают, что наиболее перспективным является подвес на основе зарядов в воздушной среде. Подвес такого типа относится к подвесам с нерегулируемым поддерживающим силовым полем, и представляет собой равномерно заряженные бесконечные нити в воздушной среде.

Именно этот вид электростатического подвеса и рассматривается в диссертационной работе.

Создание электростатического подвеса представляет собой довольно сложную техническую задачу, включающую в себя, в общем случае, все стадии функционального, конструкторского и технологического проектировании. Ни один из этих аспектов проектирования в полной мере не автоматизирован и традиционное выполнение проектных процедур чрезвычайно трудоёмко. Поэтому задача автоматизации всех проектных процедур, связанных с созданием электростатического подвеса является актуальной.

Автоматизация всех аспектов проектирования является достаточно сложной задачей, решить которую один человек не может.

Проектирование электростатического подвеса ведут различные специалисты, отдельно на этапе функционального, конструкторского и технологического проектирования.

Весь процесс проектирования начинается с решения задач функционального проектирования, которыми занимаются наиболее квалифицированные специалисты, именно на них и рассчитаны, предлагаемые в данной диссертационной работе, инструментальные средства автоматизированного проектирования.

В диссертационной работе рассматривается функциональное проектирование электростатического подвеса. На этане функционального проектирования приходится решать множество задач, связанных с выполнением проектных процедур анализа и синтеза.

В диссертационной работе решаются задачи, связанные с анализом статики электростатического подвеса:

• задача формулировки требований к системе подвеса,

• задача выбора структуры подвеса,

• задача расчётов параметров элементов подвеса,

• задача расчёта выходных параметров подвеса (линеннон /ш н

(или) поверхностной /„, плотности подъёмной силы), для решения которой проводится расчёт статических выходных параметров подвеса в различных статических режимах, с помощью многократного выполнения процедуры одновариантного анализа;

• задача поиска оптимальных значении внутренних параметров подвеса (линейной плотности заряда к, /-он нити и координатах {011 нити {х,,у,) в Декартовой системе координат) при заданной, в качестве целевой функции, поверхностной плотности подъёмной силы на железнодорожном транспорте, равной отношению веса вагона к зашшасмой им площади на железнодорожном полотне, /жл -1 01 П/м2.

Данная диссертационная работа использует:

• Фундаментальные работы Л.Д.Ландау и Е.М.Лившица по теоретической физике и электродинамике сплошных сред;

• Теоретические основы электростатики, описанные Д.В.Сивухиным, И.В.Савельев!,1м, Миком Дж., Крегсом Дж. и др.;

• Теоретические и прикладные работы по теории и проектированию САПР И.П.Норепкова и др.

Цель диссертационной работы

Задачами диссертации являются:

1. Разработка и выбор функциональной математической модели попдеромоторпых электростатических взаимодействий па метауровие проектирования.

2. Разработка алгоритмов и программ, применимых для анализа и синтеза математическом модели подвеса.

3. Разработка и анализ новых систем подвеса с помощью разработанной САПР.

4. Разработка рекомендаций по применению методики математического моделирования для исследования пондеромоторных электростатических взаимодействий на этапе функционального проектирования подвеса.

Ни защиту выносится следующие основные положении и результаты псследовашш

1. Математическая модель пондеромоторных электростатических взаимодействий на метауровне функционального проектирования электростатического подвеса. Применение полученной модели для автоматизации этапа функционального проектирования подвеса.

2. Алгоритм для расчёта области электрического поля, где напряжённость между опорной и подвешиваемой частями подвеса превышает заданное максимальное значение Ет напряжённости электрического поля. Алгоритм реализует метод сплошной сетки и используется для оценки размера такой области электрического поля.

3. Использование методики математического моделирования пондеромоторных электростатических взаимодействий на этапе функционального проектирования электростатического подвеса и технических устройств, использующих данный вид взаимодействий. Методика базируется на математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий и алгоритмах, реализованных в разработанных средствах САПР.

4. Практическое применение в разработанных средствах САПР для создания и анализа систем подвеса на этапе функционального проектирования, а также для функционального проектирования технических устройств, использующих пондеромоторные электростатические взаимодействия.

Методика н методы исследовании

При создании функциональной математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий:

• метод Гаусса,

• метод изображений,

• метод инверсии,

• метод конформного отображения.

В диссертационной работе при проведении математического моделирования на этапе функционального проектирования электростатического подвеса применялись:

• методика построения математических объектов проектирования для создания функциональных математических моделей пондеромоторных

электростатических взаимодействий па микро-, макро- и метауровиях проектирования; • • методика разработки САПР для создания САПР.

При создании программно-методического обеспечения САПР применялись методы структурного и объектно-ориентированного программирования.

При анализе экономической эффективности САПР применялись следующие методы:

• метод сравнения соответствующих показателей в базовом и оцениваемом способах проектирования при полном обеспечении их сопоставимости;

• метод приведённых затрат (при расчёте годового экономического

эффекта).

Научили повпзпл работы

Существенно новыми среди полученных результатов в диссертации являются:

1. Разработанные новые функциональная математическая модель пондеромоторных электростатических взаимодействии на мета-уровне функционального проектирования электростатического подвеса, а также алгоритмы н программы, позволяющие рассчитывать силы взаимодействия между опорной и подвешиваемой частями подвеса, и дающие возможность разработчику такого рода систем проводить математическое моделирование различных систем подвеса, состоящих из равномерно заряженных нитей.

2. Получены основные критерии (максимальная линейная плотность заряда /г11ИХ, линейная /„, и (или) поверхностная плотность /,„ подъемной силы), используемые для оценки различных систем подвеса на этане функционального проектирования.

3. Сделана оценка возможностей электростатического подвешивания, применимая на практике при создании технических устройств, использующих электростатические пондеромоторные взаимодействия.

4. Разработаны рекомендации по применению методики проведения математического моделирования па этапе функционального проектирования технических устройств, использующих пондеромоторные электростатические взаимодействия.

Практическое значение работы

Практическая ценность диссертации заключается в следующем:

I. Проведённое математическое моделирование позволяет:

• освободить проектировщика (проектную организацию) от рутинной работы и повысить эффективность выполняемых проектных работ за сч ёт а в г о м а 1 и за ц п и:

=> хранения и поиска в диалоговом режиме технической

информации об электростатическом подвеса, => хранения и поиска графической информации (критических областей),

=> хранения промежуточных результатов, => многократно повторяемых проектных процедур анализа,

• повысить производительность труда, снизить стоимость и сроки выполняемых проектных работ за счёт:

=> применения полуавтоматического ввода цифровой информации, => применения интерактивного диалогового проектирования с выдачей промежуточной и окончательной информации для принятия проектировщиком окончательных проектных решений, => применения полуавтоматического проектирования с выдачей

окончательных решений, => резкого уменьшения времени на расчёты и оформление

проектной документации, => замены натурных испытаний математическим моделированием на ПЭВМ,

=> ликвидации необходимости в длительных и дорогостоящих процессах изготовления и испытания опытных образцов электростатического подвеса, => сокращения потребности в ИТР.

2. Разработанные средства САПР позволяют:

• проводить анализ различных систем электростатического подвеса;

• рассчитывать пондеромоторные взаимодействия в электростатических приборах;

• рассчитывать электростатические поля в системах с большими значениями напряжённости электрического поля (высоковольтные ЛЭП, кабели и т.п.);

• проводить оценку зон с большими значениями напряжённости, опасными для жизни человека.

3. Созданные средства САПР могут применяться:

• для автоматизации функционального проектирования электростатического подвеса;

• в учебных целях, в качестве лабораторного практикума по физике, для изучения законов электростатики.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались:

1. На 2-ой Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорт;!" (г. Москва, 24-25 сентября 1996г., организатор: Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МНИТ)).

/

2. Па 2-ой межвузовской паучио-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (г. Москва, 17 февраля 1997г., организатор: Российский Государственный Открытый Технический Университет Путей Сообщения (РГОТУПС)).

3. На 3-ей межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (г. Москва, 17-18 марта 1998г., организатор: Российский Государственный Открытый Технический Университет Путей Сообщения (РГОТУПС)).

4. На научно-теоретической конференции по результатам выполнения программы фундаментальных и поисковых научно-исследовательские работ в области железнодорожного транспорта 1998г." (г. Москва, 9 июня 1999г., организатор: Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МИИТ)).

Публикации

По результатам диссертационной работы сделано 6 публикации, перечень которых указан в конце автореферата.

Структура н объём работы

Диссертация содержит 162 стр. текста, 43 рисунка и состоит из введения, четырёх основных глав, заключения, приложений, списка литературы.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, даётся основная характеристика работы, перечисляются полученные диссертантом новые результаты, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ системы автоматизированного проектирования подвеса, а также, подробно описывается процесс создания средств САПР. Рассмогрены общая схема взаимодействия составных частей САПР и последующая детализация этой схемы. Вырабатываются требования к различным частям САПР. Разрабатываются алгоритмы для анализа и синтеза произвольных систем равномерно заряженных бесконечных нитей. Даётся необходимая для проектирования САПР характеристика электростатического подвеса. Ставится задача исследования, и вырабатываются требования к математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий. Проводится анализ существующих простейших видов подвеса.

Анализ простейших видов электростатического подвеса приводит к выводу, что традиционные, очевидные способы построения подвеса приводят к слишком малой величине подъёмной силы. Для железнодорожного транспорта поверхностная плотность силы, равная отношению веса вагона к занимаемой им площади на железнодорожном полотне, имеет величину /жл~104 Н/м2, что соответствует массе вагона в 1т.

В тех областях электростатического поля, где напряжённость электростатического поля превышает напряжённость пробоя в воздухе (/: >/;,„,), могут быть созданы специальные условия (вакуум, диэлектрик), позволяющие избежать пробоя.

Для расчёта области пространства (ограничивающую зону с /;'>/:'П1,), в которой напряжённость электрического поля превышает заданное максимальное значение Ет, обозначим эту поверхность через Л'п>, могут быть использованы различные методы.

Метод сплошной сетки, применённый в диссертационной работе, заключается в том, что изучаемая область пространства разбивается на небольшие объёмы, в каждом из которых рассчитывается значение напряжённости электрического поля. В поле находятся такие пары точек, что в одной из них напряжённость электрического поля Н > Ит, а в соседней < Нш. Предполагается, что участок поверхности (назовём эту поверхность критической) ограничивающий зону с Е > Ет, лежит между этими точками.

Основные выводы и результаты главы:

1. Проведён анализ (при £ = \ и Л'ш, = 3-106 В/м ) существующих функциональных математических моделей систем подвеса, используемый для выработки требований к подвесу, в ходе которого были выявлены недостатки различных типов электростатического подвеса:

• у системы из двух равномерно заряженных плоскостей - маленькая поверхностная плотность силы /|ШЧ а 40 Н/м2«/жд~ 104 Н/м2;

• у системы из двух одноимённо равномерно заряженных бесконечно длинных цилиндров расположенных параллельно - маленькая поверхностная плотность силы при И ~ а « Ь ~ г ~ 1 м, /1Пач =238,95 Н/м2 «/ж;Г104Н/м2;

• у системы из двух точечных одноимённых зарядов неустойчивость данной системы, делающая эту систему непригодной для подвешивания;

• у системы из двух параллельных равномерно заряженных нитей -

маленькая поверхностная плотность силы /шах = 250 Н/м2 <</жд.....10'

Н/м2.

2. На основе проведённого анализа были выработаны следующие требования к конструкции подвеса:

• области с высоким значением напряжённости электрического поля должны находится в диэлектрике с большим значением диэлектрической проницаемости;

• необходимо исследовать конструкции подвеса, использующие диэлектрики с большими значениями диэлектрической проницаемости.

3. Применён алгоритм, реализующий методы сплошной сетки, необходимый для анализа проектируемых математических моделей подвеса в пределах одного класса систем подвеса (систем равномерно заряженных нитей). Во втором главе рассматриваются разработка и выбор математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий, а также проводится разработка новых, не рассматривавшихся ранее, моделей подвеса.

Для решения проектных задач необходимо иметь модель системы подвеса, которая должна помочь ответить на вопрос: "При каких значениях параметров системы подвеса осуществимо бесконтактное подвешивание транспортных средств?".

С использованием такой модели системы подвеса, проектировщик должен иметь возможность рассчитать значения параметров системы подвеса, при которых это подвешивание имеет место.

Формализовано эту систему можно описать с помощью следующих законов и методов:

• основного закона электростатики - закона Кулона;

• принципа суперпозиции полей;

• метода Гаусса;

• метода изображений;

• метода инверсии;

• метода конформного отображения.

Эта модель может быть использована для расчёта параметров систем подвеса, при которых возможно подвешивание.

Проектировщик должен задать следующий набор начальных (исходных) данных:

• линейную плотность заряда л*, /-ой нити,

• координаты /-ой нити (.V,,) в Декартовой системе координат,

• напряжённость пробоя среды Лир,

• диэлектрическую проницаемость среды е..

В результате могут быть получены следующие выходные данные:

• максимальная линейная плотность заряда,

• линейная /м или поверхностная /т плотность подъёмной силы. По которым проектировщик может сделать следующие выводы:

• каков размер и вид критической области (области пространства, в которой напряжённость электрического ноля превышает заданное значение),

• является ли рассматриваемая система подвеса пригодной для подвешивания транспортных средств или нет.

Варьируемыми исходными данными являются:

• линейная плотность заряда /с1 /-ой нити,

• координаты /-ой нити (х1 ,у1) в Декартовой системе координат.

В процессе функционального проектирования приходится использовать различную степень детализации представления объектов проектирования, для этого в теории проектирования используются математические модели объектов проектирования на микро-, макро- и метауровнях.

При функциональном проектировании устройств типа электростатического подвеса возникает необходимость представления математической модели па различных уровнях детализации из-за сложности описания электростатических взаимодействий, что связано со спецификой рассматриваемой предметной области.

Важными свойствами, без которых невозможен анализ систем электростатического подвеса и которые должны быть отражены в математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий являются внутренние (линейная плотность заряда аг( /-ой нити и координаты /ой нити (х,,у^) в Декартовой системе координат) и внешние (напряжённость пробоя среды /Г,п, и диэлектрическая проницаемость среды £•) параметры систем подвеса, а также выходные параметры систем подвеса (линейная /ш и (или) поверхностная /т плотность подъёмной силы), определяющие целесообразность использования таких взаимодействий для подвешивания транспортных средств.

При создании систем электростатического подвеса прежде всего надо определить такую структуру взаимного расположения заряженных нитей подвешиваемой и опорной частей, при которой случайные отклонения подвешиваемой части в любом направлении, перпендикулярном направлению движения, должны вызывать появление сил, действующих на подвешиваемую часть в направлении обратном отклонению, стремящихся вернуть подвешиваемую систему в первоначальное положение.

На макроуровне описывают состояния сплошных сред, составляющих элементы и детали проектируемых объектов.

В нашем случае, математической моделью пондеромоторных электростатических взаимодействий на микроуровне будет являться уравнение для расчёта поля, создаваемого нитевидными параллельно расположенными зарядами бесконечной длины, основанное на принципе суперпозиции нолей:

= (4)

1=1

где

(5)

2Л Р,

напряжённость нити, имеющей координаты (х/,у1,21) и линейную плотность заряда , создаваемая этой нитью в точке (х,у,г),

где Д - вектор, проведённый от точки (х1к точке (х, у, г), а, •

р1 =^(х~х1)2 + (у - у1 )2 + (г - У - расстояние между точками {х,,у,,2,) и {х,у,:).

Использование этого уровня детализации описания требуется при расчёте напряжённости в данной точке пространства для учёта взаимодействия заряженных нитей между собой, а также для формирования информации о областях пространства, в которых напряжённость электрического поля превышает заданное значение.

На макроуровень переход осуществляется путём выделения в системе электростатического подвеса конечного числа частей (элементов). Такое выделение можно представить как дискретизацию пространства, при которой из независимых переменных исключаются пространственные координаты. Для этого необходимо разбить пространство на множество ячеек, в которых можно рассчитать напряжённость электростатического поля, а затем с помощью суммирования получить итоговое значение напряжённости в данной точке пространства.

Рассмотрение математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий на этом уровне детализации существенно упрощает расчёт напряжённости электрического поля и позволяет применить известные математические методы для анализа и синтеза систем подвеса.

Математической моделью пондеромоторных электростатических взаимодействий на макроуровне является расчёт проекций вектора напряжённости /:' на оси (х, у, г) :

(б)

1=1 Л 1=1 А 1=1 Л

На макроуровне уравнение (4) превращается в следующее уравнение:

Е = ^Щ7Щ7¥г. (7)

На метауроипе в качестве элемента принимают достаточно сложную совокупность деталей.

Переход па этот уровень детализации описания нужен для рассмотрения системы подвеса как совокупности опорной и подвешиваемой частей подвеса, что позволяет сделать описание каждой части подвеса не слишком подробным, уменьшить описание этих частей подвеса и решить возникающие проектные задачи на более высоком иерархическом уровне описания такой системы.

В качестве функциональной математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий на метауровне применяется уравнение для расчёта подъёмной силы, учитывающее взаимодействие подвешиваемой и опорной частей подвеса друг на друга.

Уравнение для расчёта подъёмной силы можно представить в следующем, общем виде:

/ = ХЛ, (8)

где = т/Уд + /у, - сила взаимодействия между /-ой (относящейся к опорной части подвеса) и ] -ой (относящейся к подвешиваемой части подвеса) бесконечными равномерно заряженными нитями; / ^у,

= /с, • Ет (н» = .v, у) - проекции силы, действующей на единицу длины равномерно заряженной /-ой нити, со стороны других параллельно расположенных нитей (относящихся к подвесу), " IV — и>

= ^ Еу —--, (ус = х,у) - напряжённость в точке , .у,),

("Я Рч

3 Б,

На основе простейших моделей подвеса, которые были рассмотрены в первой главе и разработанных функциональных математических моделей пондеромоторных электростатических взаимодействий на микро-, макро- и метауровнях, были разработаны следующие системы подвеса:

• Система из четырёх симметрично расположенных равномерно заряженных параллельных нитей Расположение зарядов в этом варианте показано на рис.2. Предполагается, что линейные плотности всех зарядов по модулю одинаковы и отличаются лишь знаком. Нити 1 и 2 заряжены положительно, а нити 3 и 4 - отрицательно. Нити 2 и 4 принадлежат к опорной части, а нити 1 и 3 - к подвешиваемой.

• Система из трёх параллельных одноимённо 1 равномерно заряженных нитей, расположенных в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника (рис.З). Нити 1 и 3 принадлежат к опорной части, а нить 2 к подвешиваемой.

• Компенсационная система зарядов, состоящая из трёх нитей, одна из которых компенсирующая (рис.4). На оси х в точке (х0,0) расположена одноимённо заряженная с нитями 1 и 2 нить 3. Напряжённость поля заряда 3 на оси х направлена противоположно напряжённости, создаваемой зарядами 1 и 2, и поэтому в той или иной мере поле этих зарядов оси х оказывается скомпенсированным.

У '

У 2 '

У1 ' 1 "--л^Ч-

0

-у 11

-Уг * _

4

рис.2

рнс.З

(и.-

.V -

У\ ) . .к 1

Ч.

Е\ * <*"°>

о

X V, X

-у,).

/ V |

рис.4

• Система из восьми заряженных параллельных нитей (рис.5). Нити 2,4 и 6 принадлежат к опорной части, а нити 1, 3, 5, 7 и 8 - к подвешиваемой.

• Система из четырёх равномерно заряженных нитей (две нити компенсирующие). Нити 1, 3 и 4 принадлежат к подвешиваемой части, а нить 2 - к опорной (см. рис.6).

Основные выводы и результаты главы:

1. Разработаны функциональные математические модели пондеромоторных электростатических взаимодействий на микро-, макро- и метауровнях, созданные с помощью методики получения функциональных моделей.

2. Разработаны новые, не рассматривавшиеся ранее, системы подвеса:

• система из четырёх симметрично расположенных равномерно заряженных нитей;

• система из трёх параллельных одноимённо заряженных нитей, расположенных в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника;

• компенсационная система зарядов, состоящая из трёх нитей, одна из которых компенсирующая;

• система из восьми заряженных параллельных нитей;

• система из четырёх равномерно заряженных нитей (две нити -компенсирующие).

В третьей главе, разрабатываются рекомендации по использованию методики проведения математического моделирования для проектирования подвеса, а также с помощью полученной ранее функциональной математической модели подвеса и разработанной САПР, проводится исследование различных систем электростатического подвеса.

В САПР реализована проектная процедура, относящаяся к одновариантному анализу и делающая анализ статических режимов (расчёт статического режима подвеса), который служит для оценки выходных параметров подвеса:

• линейной /т и (или) поверхностной /т плотности подъёмной силы, при заданных, внутренних параметрах:

• линейной плотности заряда л", /-ой нити,

• координатах /-ой нити (л,,^,) в Декартовой системе координат

и внешних параметрах:

• напряжённости пробоя среды /;ПР,

• диэлектрической проницаемости среды £,

и не учитывает меняющихся во времени внешних воздействий. Вычисления проводились с помощью метода Гаусса с погрешностью 0,0001.

Также, в САПР выполнены две проектные процедуры, связанные с многовариантным анализом:

• проведён расчёт статических выходных параметров (линейной и

(или) поверхностной /„, плотности подъёмной силы) подвеса в различных статических режимах, с помощью многократного выполнения процедуры одновариантного анализа - анализа статических режимов;

• проведена параметрическая оптимизация, целевой функцией которой является поверхностная плотность подъёмной силы на железнодорожном транспорте, равная отношению веса вагона к занимаемой им площади на железнодорожном полотне, /жл~104 Н/м2.

При параметрическом синтезе математических моделей подвеса были выполнены следующие проектные процедуры:

=> формулировка требований к системе подвеса, => расчёт параметров элементов подвеса.

При структурном синтезе математических моделей подвеса была выполнена следующая проектная процедура: => выбор структуры подвеса.

Методика математического моделирования подвеса включает в себя методики получения функциональных математических моделей и разработки САПР такого рода устройств.

Процесс получения функциональных математических моделей состоит из следующих основных операций:

1. Определение свойств подвеса, которые должны отражать математические модели пондеромоторных электростатических взаимодействий на микро-, макро- и метауровнях, с учётом возможности применения математических моделей дня целого класса систем подвеса (систем равномерно заряженных бесконечных нитей). На этапе функционального проектирования были отражены следующие свойства подвеса:

• напряжённость электростатического поля, создаваемого равномерно заряженными нитями (принадлежащих к подвешиваемой и опорной частям подвеса) в различных точках пространства,

• подъёмная сила подвеса.

2. Сбор исходной информации о выбранных свойствах подвеса. Был проведён анализ существующих систем подвеса и рассчитаны:

напряженность электростатического поля и подъёмная сила подвеса для каждой, из рассмотренных в первой главе систем подвеса.

3. Синтез структуры математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий (наиболее ответственная и плохо формализованная операция, которая требует знаний в рассматриваемой предметной области). Эта операция была реализована с помощью, существующих функциональных математических моделей пондеромоторных электростатических взаимодействий на микро- и макроуровнях, и, разработанной математической модели на метауровне.

4. Расчёт числовых значений внешних параметров математических моделей подвеса для заданной системы подвеса или группы систем подвеса.

При создании функциональных математических моделей пондеромоторных электростатических взаимодействий были так же учтены следующие требования:

• Экономичность математических моделей (которая оценивается прежде всего затратами машинного времени);

• Степень универсальности математических моделей. Созданные математические модели применялись:

=>для анализа и синтеза произвольных систем равномерно заряженных

бесконечных нитей, =>для анализа статических режимов.

Создание систем автоматизированного проектирования - сложная научно-техническая проблема и её решение сопровождается большими затратами времени и средств.

В соответствии с избранной моделью, осуществлена разработка программного, лингвистического и информационного обеспечения автоматизированного решения рассматриваемой проектной процедуры.

Информационное обеспечение созданной САПР содержит описание следующих стандартных проектных процедур, связанных с функциональным проектированием систем электростатического подвеса:

• формулировки требований к системе подвеса;

• выбора структуры подвеса;

• расчёта параметров элементов подвеса;

• анализа статических режимов системы подвеса;

• расчёта статических выходных параметров;

• параметрической оптимизации параметров подвеса.

Также, в его составе есть описание форматов и назначение таблиц, используемых в базе данных САПР.

Программное обеспечение представляет собой следующее:

• в качестве инструментальной системы применена интегрированная среда Delphi 4 фирмы Inprise;

• прикладное программное обеспечение;

• программные модули, реализующие математическое обеспечение САПР и базу данных САПР (в формате Paradox).

Лингвистическим обеспечением разработанной САПР является представление математических моделей систем подвеса в формализованном табличном виде, а также графического представления этих моделей и критических областей, так как проектировщик является специалистом-непрограммистом, поэтому особое внимание уделено разработке пользовательского интерфейса.

Методическое обеспечение созданной САПР включает в себя описание функционирования самой системы автоматизированного проектирования, а также методы выбора и применения пользователями лучших технологических приёмов для получения перспективных систем подвеса.

Организационное обеспечение реализованной САПР описывает требования, предъявляемые к пользователям (знание предметной области -электростатики) и эксплуатационному персоналу (установка и поддержание в рабочем состоянии ОС Windows 95/98, установка и обновление системного BDE Administrator'а).

С помощью созданной САПР проведено математическое моделирование, разработанных во второй главе, систем электростатического подвеса при следующих значениях Еп? и е:

/in,, = 3-106 В/м (напряжённость пробоя воздуха),

е = 1 (диэлектрическая проницаемость воздуха).

Получены следующие результаты (максимальная линейная плотность заряда /стах, линейная /га и поверхностная плотность fm подъёмная силы):

Установлено, что нижеследующие системы подвеса приводят либо к малой подъёмной силе, которая меньше /жЛ~\0АН/м2- поверхностной плотности силы для железнодорожного транспорта равной отношению веса вагона к занимаемой им площади на железнодорожном полотне, либо являются неустойчивыми системами, непригодными для подвешивания транспортных средств:

• система из четырёх симметрично расположенных равномерно заряженных нитей - кт:к = 2,69 • Ю-4 Кд/м, /„, = 104 Н/м;

• система из трёх параллельных одноимённо заряженных нитей, расположенных в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника - /га = 492 Н/м;

• компенсационная система зарядов, состоящей из трёх нитей, одна из которых компенсирующая - /„,=2366 Н/м, которая является неустойчивой системой.

Рекомендованы для дальнейшего изучения и реализации системы с достаточной для подвешивания транспортных средств подъёмной силой:

• система из восьми заряженных параллельных нитей - /ш =29714 Н/м, /„,=7429 Я/.»2;

• система из четырёх равномерно заряженных нитей (две нити -компенсирующие) - л:пых = 12,6 • 10^ 1Сч/м, /„, = 23,07-Ю-4 н/м2.

Основные выводы и результаты главы:

1. Разработаны рекомендации по использованию методики проведения математического моделирования для проектирования подвеса.

2. Проведено математическое моделирование разработанных систем подвеса и рассчитаны основные параметры этих систем.

3. В ходе математического моделирования получены оптимальные, относительно подъёмной силы и внешних воздействий (напряжённости пробоя среды и диэлектрической проницаемости среды), внутренние параметры каждой из рассмотренных систем подвеса.

4. По результатам математического моделирования рекомендованы для дальнейшего изучения и реализации системы с достаточной для подвешивания транспортных средств подъёмной силой:

• система из восьми заряженных параллельных нитей;

• система из четырёх равномерно заряженных нитей (две нити -компенсирующие).

В четвёртой главе описывается практическое использование методики математического моделирования на этапе функционального проектирования технических устройств, использующих пондеромоторные электростатические взаимодействия, а также сделан анализ экономической эффективности использования САПР.

С помощью методики математического моделирования проектировщик-должен выполнить следующие этапы функционального проектирования подвеса:

1 этап - На этом этапе, проектировщик должен провести исследования пондеромоторных электростатических взаимодействий на примере предложенных тестовых моделей. Изменяя различные параметры предложенных моделей, проектировщик может наглядно увидеть зависимость выходных параметров модели от различных параметров (как от внутренних, так и от внешних) рассматриваемой системы подвеса.

2 этап - Проектировщик должен исследовать существующие математические модели (системы равномерно заряженных нитей) и исследовать зависимость размера и формы критической области от взаимного расположения нитей, относящихся к различным частям подвеса.

3 этан - С помощью предложенной модели пондеромоторных электростатических взаимодействий, проектировщик должен провести исследование линейной /„, и (или) поверхностная плотность /га подъёмной силы различных систем подвеса.

4 -пни - Проектировщик проводит математическое моделирование различных систем подвеса на основе существующей функциональной математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий.

На основе проведённого математического моделирования, проектировщик получает модель системы подвеса и её оптимальные, относительно подъёмной силы и внешних воздействий (напряжённости пробоя среды и диэлектрической проницаемости среды), характеристики (линейные плотности заряда нитей и координаты нитей), позволяющие использовать разработанную на этапе функционального проектирования модель на последующих этапах создания подвеса.

5 этап - На этом этапе проектировщик, создаёт необходимую документацию и описание к системам подвеса, пригодным для использования на последующих этапах создания подвеса.

Созданная САПР является открытой системой, допускающей возможность изменения, дополнения и корректировки различных частей и подсистем САПР, а также поддерживает создание новых программных модулей (реализованных на языках программирования Object Pascal и С++) и соответствует основным требованиям к САПР.

Для исследования пондеромоторных электростатических взаимодействий при функциональном проектировании технических устройств, использующих данный вид взаимодействий необходимо выполнить следующие этапы:

1 этап - Сбор данных о содержании и объёмах проектных работ.

Выясняются классы проектируемых объектов (устройств), использующих

электростатические пондеромоторные взаимодействия.

2 этап - Вырабатываются требования и критерии к проектируемым устройствам (электростатические приборы, бесконтактные электростатические подшипники и т.п.), учитывающие их конструктивные особенности и область применения.

3 этап - Разработка алгоритмов и методов для исследования и анализа различных типов разрабатываемых устройств.

4 этап - Анализ существующих моделей устройств (электростатические приборы и т.п.) и создание новых моделей, использующих пондеромоторные электростатические взаимодействия.

5 этап - Создание системы автоматизированного функционального проектирования разрабатываемых устройств с использованием (частичным или полным) существующей САПР и анализ её функционирования.

При создании САПР разрабатываемых устройств, существующая САПР может быть дополнена новыми подсистемами или изменена, в зависимости от типа проектируемых устройств и рассматриваемых аспектов функционального проектирования.

6 этап - Выбор необходимого для реализации САПР программного обеспечения, а также обоснование этого выбора.

При этом необходимо учитывать, чтобы выполнялись основные требования к проектированию и созданию САПР. При использовании созданной САПР в качестве основы для разрабатываемой САПР эти требования выполняются полностью, и поэтому отпадает необходимость в их проверке при практической реализации САПР.

7 этап - Определение основных задач функционального проектирования разрабатываемых устройств, а также их решение с помощью автоматизации функционального проектирования.

8 этап - Использование существующей или разработка новой модели пондеромоторных электростатических взаимодействий, которая будет применяться в дальнейшем для проведения математического моделирования различных типов разрабатываемых устройств.

9 этап - Проведение математического моделирования разрабатываемых устройств, на основе выбранной модели пондеромоторных электростатических взаимодействий.

10 этап - Анализ полученных в ходе математического моделирования результатов и применение полученной на этапе функционального проектирования модели подвеса, с учётом её оптимальных, относительно подъёмной силы, характеристик, для дальнейшей разработки и создания технических устройств, использующих данный вид взаимодействий.

Созданные рекомендации по использованию методики математического моделирования для проектирования подвеса, позволяют применять эту методику на этапе функционального проектирования, для:

• разработки и создания устройств типа электростатического подвеса;

• разработки и создания измерительных приборов, бесконтактных подшипников и пр., которые используют пондеромоторные электростатические взаимодействия;

• расчётов электростатических полей в системах с большими значениями напряжённости электрического поля (высоковольтные ЛЭП, кабели и т.п.);

• анализа систем электростатического подвеса;

• автоматизации процесса проектирования и создания подвеса;

• оценки возможностей электростатического подвеса с помощью функциональной математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий;

• расчёта пондеромоторных электростатических взаимодействий в электростатических приборах с помощью функциональной математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий;

• проектирования различных технических устройств, использующих пондеромоторные электростатические взаимодействия, а также для создания САПР данных устройств.

Определение показателей экономической эффективности использования разработанной САПР проводится следующим образом.

Величина годового экономического эффекта определяется по

формуле

Эт/[ = АС + Эк - (АК + К12) ■ Пи [тыс. руб./год], (9)

где АС. - общее изменение (снижение) себестоимости проектирования в расчётном году, тыс. руб./год;

Эк - годовая экономия от повышения качества проектных решений, тыс. руб./год;

АК - дополнительные капитальные затраты в проектировании, связанные с созданием и внедрением оцениваемой САПР, тыс. руб./год;

К,2 - предпроизводственные затраты на создание (разработку и внедрение) оцениваемой САПР, тыс. руб./год;

Ип - нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности капитальных вложений, 1/год.

Величина интегрального экономического эффекта Э" определяется по формуле

б

=Хэгол/ [тыс. руб./год], (10)

1=1

где I - год применения средств автоматизации (/ принимает целые значения в диапазоне от 1 до 6);

Эгол, - годовой экономической эффект в соответствующем году

применения САПР, начиная с первого года её промышленного функционирования (определяется по формуле (9)), тыс. руб.

Величина расчётного коэффициента общей экономической эффективности САПР Нг определяется по формуле

= (ЛС + Эк )/(Д К , + К12) [ 1 /год], (11)

где АЛ", - величина общего изменения активной части основных фондов.

Величина срока окупаемости Ток определяется по формуле

Тш=\/Ег [год]. (12)

Величина частного коэффициента роста производительности труда проектировщиков, выполняющих проектные работы, подлежащие автоматизации с применением оцениваемой САПР, а' определяется по формуле

а' = 100/(100 - (К, + К„ - К, ■ Кк /100)), (13)

где - относительное сокращение численности проектировщиков, выполняющих объём проектных работ, подлежащих автоматизации посредством оцениваемой САПР, %;

1\1 - относительное сокращение продолжительности выполнения объёма проектных работ, подлежащих автоматизации посредством оцениваемой САПР, %.

Величина общего коэффициента роста производительности труда проектировщиков по организации в целом за счёт автоматизации проектных работ посредством оцениваемой САПР а определяется по формуле

а = 1 + ((а' -1)- Сл )/С, (14)

где - годовой объём проектных работ, автоматизируемых посредством оцениваемой САПР в ценах базового периода, тыс. руб./год;

(' - общий годовой объём проектных работ организации, тыс. руб./год. Величина частного коэффициента роста объёма проектных работ на задачах, охваченных автоматизацией с применением оцениваемой САПР /', определяется по формуле

у' = а ••(№-К„)/100. (15)

Величина общего коэффициента роста объёма проектных работ по организации в целом за счёт применения оцениваемой САПР у, определяется по формуле

7 = 1 + 0"-1)-г,/с:. (16)

Численность условно высвобождаемых работников организации при использовании САПР Ыу, определяется по формуле

Ыу = /V, • (а - \)/а [чел.], (17)

где N [ - среднесписочная численность работников проектной организации, выполняющих рассматриваемую задачу проектирования, чел.

Величина годовой экономии от улучшения качества проектных решений Эк определяется по формуле

ЭА- = Эш + Э, [тыс. руб./год], (18)

где Э„, - общая годовая экономия от снижения себестоимости изготовления объектов, тыс. руб./год;

Э-} - общая годовая экономия от снижения эксплуатационных расходов на объектах, проектируемых с применением оцениваемой САПР в расчётном году, тыс. руб./год.

Рассчитаем, с помощью формул (9) - (18), экономическую эффективность САПР.

Исходные данные для расчёта принимаются равными;

♦ общее снижение себестоимости проектирования в расчётном году (с первого по шестой год); АС = 94,648 [тыс. руб./год];

♦ капитальные дополнительные затраты в проектировании, связанные с созданием и внедрением САПР: АК = 28,80 [тыс. руб.];

♦ предпроизводственные затраты на создание САПР:

^/.2(1.^) = 78>00 [™С- руб ]. ^/.2(2-0,,,«») =0 [™с. руб.];

♦ величина общего изменения активном части основных фондов:

ТУ

Д/<\, =172,50 [тыс. руб.];

♦ годовой объём автоматизируемых проектных работ: (.'_, =135,00 [тыс. руб.];

♦ общий годовой объём проектных работ: (.'=192,90 [тыс. руб.];

♦ общая годовая экономия от снижения себестоимости изготовления объектов.

Э/п = 4,95 [тыс. руб./год];

♦ общая годовая экономия от снижения эксплуатационных расходов при использовании САПР: Э;) =144,60 [тыс. руб./год];

♦ относительное сокращение числа проектировщиков: КЛ, =38%;

♦ относительное сокращение продолжительности выполнения проектных работ:

К, =45%;

♦ среднесписочное число проектировщиков: N,=20 [чел.];

♦ нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности капитальных вложений принимается равным: Еи =0,15.

В этом случае величина годового экономического эффекта:

Эпт = 94,648 + 149,55 - (28,80 + 78,00) х 0,15 = 228,178 [тыс. руб./год];

Э/Од2 = Этдз = Э/Вд4 = Эпт = ЭЮД6 = 94,648 + 149,55 - 28,80 х 0,15 =

= 239,878 [тыс. руб./год]. Величина интегрального экономического эффекта:

Э- =228,178 + 5x239,878=1427,568 [тыс. руб.]. Величина расчётного коэффициента общей экономической эффективности САПР:

/:',, = (94,648 + 149,55)/(172,50 + 78,00)«= 0,975 [1/год]. Величина срока окупаемости:

Ток = 1/0,975 = 1,026 « 1 [год]. Величина частного коэффициента роста производительности труда проектировщиков:

а' = 100/(100 - (45 + 38 - 45 • 38/100)) = 2,93. Величина общего коэффициента роста производительности труда проектировщиков:

а = \+ ((2,93 - 1)-135,00)/192,90 = 2,35. Величина частного коэффициента роста объёма проектных работ на автоматизируемых задачах:

= 2,93 х (100-38)/100 = 1,82. Величина общего коэффициента роста объёма проектных работ:

у = 1 + (1,82 - 1)х 135,00/192,90 = 1,57 . Численность условно высвобождаемых работников организации при использовании САПР:

Ыу = 20- (2,35 -1)/2,35 = 11 [чел.].

Величина годовой экономии от улучшения качества проектных решений: Эк = 4,95 + 144,60 = 149,55 [тыс. руб./год].

Основные выводы и результаты главы:

1. На примере разработки систем типа электростатического подвеса показана применимость существующей методики математического моделирования для функционального проектирования подвеса.

2. Даны рекомендации по практическому применению этой методики для проектирования различных технических устройств, использующих пондеромоторные электростатические взаимодействия.

3. Создание и использование САПР целесообразно так, как:

• Интегральный экономический эффект составляет 1427,568 тыс. руб.

• Средства, вложенные в разработку САПР, окупаются за один год.

• Коэффициент роста производительности труда проектировщиков составляет 2,35.

• Коэффициент роста объёма проектных работ составляет 1,57.

• Внедрение САПР позволяет высвободить 11 человек из персонала проектировщиков.

• Величина годовой экономии от улучшения качества проектных решений составила 149,55 тыс. руб./год.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. С помощью проведённого анализа существующих функциональных математических моделей систем подвеса, были:

• выявлены недостатки различных типов электростатического подвеса;

• выработаны требования к структуре систем подвеса;

• использован алгоритм, реализующий методы сплошной сетки, необходимый для создания математической модели подвеса и применимый для анализа и синтеза проектируемых математических моделей систем подвеса, состоящих из равномерно заряженных бесконечных нитей.

2. Создана функциональная математическая модель пондеромоторных электростатических взаимодействий на метауровне проектирования, с помощью которой были разработаны новые, не рассматривавшиеся ранее, системы подвеса.

3. Проведено исследование разработанных систем подвеса на основе рекомендаций по применению методики математического моделирования для проектирования подвеса, в ходе которого были:

• получены оптимальные, относительно подъёмной силы и внешних воздействий (напряжённости пробоя среды и диэлектрической проницаемости среды), параметры различных систем подвеса;

• рекомендованы для дальнейшего изучения и реализации системы с достаточной для подвешивания транспортных средств подъёмной силой (система из восьми заряженных параллельных нитей и система из четырёх равномерно заряженных нитей (две нити компенсирующие).

4. На примере разработки систем типа электростатического подвеса показана применимость методики математического моделирования для функционального проектирования подвеса и даны рекомендации по практическому применению этой методики для проектирования различных технических устройств, использующих данный вид взаимодействий.

5. Дано экономическое обоснование целесообразности создания и использования САПР.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих

публикациях:

1. Денисов Ф.П., Соловьёв В.П., Денисов П.Ф. Электростатические пондеромоторные взаимодействия и их компьютерное моделирование // И Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта", МПС РФ, Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МИИТ), М., 1996, т.2, с. 104.

2. Денисов П.Ф., Соловьёв В.П. Моделирование электростатического поля в устройствах типа подвеса // Тезисы докладов второй межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта", МПС РФ, РГОТУПС, М., 1997, с.42-23.

3. Денисов П.Ф. Анализ моделей электростатического подвеса // Тезисы докладов третьей межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта", МПС РФ, РГОТУПС, М., 1998, ч.1, с.76.

4. Денисов Ф.П., Соловьёв В.П., Денисов П.Ф. Исследование электростатических пондеромоторных взаимодействий и разработка методов их компьютерного моделирования // Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта 1997г., МПС РФ, Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МИИТ), Сборник научных трудов, М., 1998, с.58.

5. Соловьёв В.П., Денисов П.Ф. Устройства для подвешивания транспортных средств, использующие электростатические пондеромоторные взаимодействия и их имитационное моделирование // Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта 1998г., МПС РФ, Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МИИТ), Сборник научных трудов, М., 1999, с.218.

6. Соловьёв В.П., Денисов П.Ф. Устройства типа электростатического подвеса, их имитационное моделирование и сравнительный анализ //

Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта 1999г., МПС РФ, Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МИИТ), Сборник научных трудов, М., 2000, с.212.

Денисов Пётр Феликсович

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТНОЙ ПРОЦЕДУРЫ АНАЛИЗА СТАТИКИ В САПР ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОДВЕСОВ

Специальность: 05.13.12 - "Системы автоматизации проектирования"

Подписано к печати 2 . Формат бумътъбО^ФО/^^ Объём 1 (л -¿г , Заказ_ Тираж Т^^г^

Введение.

Глава 1. Анализ системы автоматизированного проектирования электростатического подвеса.

§1.1. Общая структура САПР подвеса.

§1.1.1. Построение схемы создания и взаимодействия составных частей САПР подвеса.

§1.1.2. Разработка алгоритмов необходимых для создания и анализа математической модели устройства типа подвеса.

§1.1.2.1. Основные формулы.

§ 1.1.2.2. Электростатический подвес. Простейшие модели.

§ 1.1.2.3. Уточнение расчётов по цилиндроплоскостной модели подвеса.

§ 1.1.2.4. Расчёт напряжённости электрического поля, создаваемого точечными и линейными зарядами.

§ 1.1.2.5. Определение областей электрического поля, в которых напряжённость электрического поля превышает заданную величину. Методы сплошной и локальной сетки. Метод слежения.

§ 1.1.2.6. Жёсткость сил. Поперечная устойчивость систем взаимодействующих зарядов.

§1.1.3. Разработка и реализация базы данных САПР подвеса.

§ 1.1.4. Создание интерактивного интерфейса САПР подвеса.

§ 1.2. Анализ существующих математических моделей пондеромоторных электростатических взаимодействий.

§ 1.2.1. Системы из точечных зарядов и равномерно заряженных нитей.

§1.2.1.1. Два точечных одноимённых заряда.

§ 1.2.1.2. Две параллельных равномерно заряженных нити.

§ 1.3. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Разработка и выбор математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий.

§2.1. Математическая модель пондеромоторных электростатических взаимодействий на микроуровне.

§ 2.2. Математическая модель пондеромоторных электростатических взаимодействий на макроуровне.

§ 2.3. Математическая модель пондеромоторных электростатических взаимодействий на метауровне.

§ 2.4. Разработка и анализ различных систем подвеса с помощью полученной математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий.

§ 2.4.1. Система из четырёх симметрично расположенных равномерно заряженных параллельных нитей.

§ 2.4.2. Система из четырёх симметрично расположенных равномерно заряженных параллельных нитей. Система из трёх параллельных одноимённо заряженных нитей, расположенных в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника.

§ 2.4.3. Компенсационные системы зарядов. Компенсация поля двух нитей с помощью поля третьей нити.

§ 2.4.4. Система из восьми заряженных параллельных нитей.

§ 2.4.5. Система из четырёх равномерно заряженных нитей (две нити - компенсирующие).

§ 2.4.6. Учёт взаимодействия нитей с заземлёнными оболочками.

Глава 3. Математическое моделирование на основе предложенной модели.

§3.1. Методика проведения математического моделирования.

§ 3.1.1. Методика получения функциональных математических моделей.

§ 3.1.2. Методика разработки САПР.

§ 3.2. Анализ полученных результатов.

Глава 4. Практическое использование предложенной методики.

§4.1. Практическое использование предложенной методики для проектирования устройств типа подвеса.

§ 4.2. Рекомендации по практическому использованию методики проведения математического моделирования пондеромоторных электростатических взаимодействий на этапе функционального проектирования технических устройств, использующих данный вид взаимодействий.

§ 4.3. Определение показателей экономической эффективности использования САПР подвеса.

За последние годы работы по созданию принципиально новых видов железнодорожного транспорта практически не ведутся.

Как известно, в электромагнитном подвесе, вес подвешиваемого тела и действующих на него нагрузок уравновешивается силами магнитного или электрического поля, называемыми в электротехнике пондеромоторными, в результате такого уравновешивания осуществляется свободное "парение" (левитация) подвешиваемого тела без соприкосновения с окружающими предметами.

В настоящее время электромагнитные пондеромоторные взаимодействия достаточно хорошо известны и широко используются в технике, в том числе и для подвешивания железнодорожных транспортных средств, а электростатические - плохо изучены. Аналитические расчёты пондеромоторных электростатических взаимодействий сложны и в настоящее время выполнены лишь для простейших систем.

Пондеромоторные электростатические взаимодействия используются в различного рода устройствах - электростатических измерительных приборах, подшипниках и т.п. Они могут быть применены и для подвешивания транспортных средств. Срок службы электростатического подвеса определяется ресурсом работы электронной аппаратуры, но её надёжность столь высока, что безотказность гарантируется в течение нескольких десятков лет. Помимо этого, отсутствие износа, шума, возможность нормального функционирования в вакууме, агрессивных средах, широкий температурный диапазон делают такие подвесы всё более перспективными.

Объектом проектирования в данной диссертационной работе является электростатический подвес. Как известно из электротехники, электростатические подвесы по типу поддерживающего силового поля бывают двух видов - с регулируемым и нерегулируемым поддерживающим силовым полем.

Специалисты в области создания электростатических подвесов считают, что наиболее перспективным является подвес на основе зарядов в воздушной среде. Подвес такого типа относится к подвесам с нерегулируемым поддерживающим силовым полем, и представляет собой равномерно заряженные бесконечные нити в воздушной среде.

Именно этот вид электростатического подвеса и рассматривается в диссертационной работе.

Создание электростатического подвеса представляет собой довольно сложную техническую задачу, включающую в себя, в общем случае, все стадии функционального, конструкторского и технологического проектирования. Ни один из этих аспектов проектирования в полной мере не автоматизирован и традиционное выполнение проектных процедур чрезвычайно трудоёмко. Поэтому задача автоматизации всех проектных процедур, связанных с созданием электростатического подвеса является актуальной.

Автоматизация всех аспектов проектирования является достаточно сложной задачей, решить которую один человек не может.

Проектирование электростатического подвеса ведут различные специалисты, отдельно на этапе функционального, конструкторского и технологического проектирования.

Весь процесс проектирования начинается с решения задач функционального проектирования, которыми занимаются наиболее квалифицированные специалисты, именно на них и рассчитаны, предлагаемые в данной диссертационной работе, инструментальные средства автоматизированного проектирования.

В диссертационной работе рассматривается функциональное проектирование электростатического подвеса. На этапе функционального проектирования приходится решать множество задач, связанных с выполнением проектных процедур анализа и синтеза. Эти проектные процедуры плохо поддаются формализации и, отнимают значительные материальные и человеческие ресурсы.

В диссертационной работе решаются задачи, связанные с анализом статики электростатического подвеса:

• задача формулировки требований к системе подвеса,

• задача выбора структуры подвеса,

• задача расчётов параметров элементов подвеса,

• задача расчёта выходных параметров подвеса (линейной /т и (или) А поверхностной fm плотности подъёмной силы), для решения которой проводится расчёт статических выходных параметров подвеса в различных статических режимах, с помощью многократного выполнения процедуры одновариантного анализа;

• задача поиска оптимальных значений внутренних параметров подвеса (линейной плотности заряда к1 /-ой нити и координатах i-ой нити (хг,.уг ) в Декартовой системе координат) при заданной, в качестве целевой функции, поверхностной плотности подъёмной силы на железнодорожном транспорте, равной отношению веса вагона к занимаемой им площади на железнодорожном полотне, /жд~104Н/м2.

В процессе создания электростатического подвеса на этапе функционального проектирования возникает необходимость многократного проведения анализа и синтеза, что приводит к высоким затратам времени и сильно усложняет работу проектировщиков. Наряду, с вышеперечисленным, существуют проблемы, связанные с выбором математических моделей и алгоритмов, необходимых для создания такого рода устройств, что также повышает стоимость производимых проектных работ и затрат, в том числе, снижает экономическую эффективность от использования, полученных на этой стадии проектирования, результатов. Использование ПЭВМ позволяет автоматизировать функциональное проектирование и решить все эти проблемы, а значит: сократить материальные затраты, уменьшить сроки проектирования и повысить производительность труда проектировщиков.

Задачами диссертации являются:

1. Разработка и выбор функциональной математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий на метауровне проектирования.

2. Разработка алгоритмов и программ, применимых для анализа и синтеза математической модели подвеса.

3. Разработка и анализ новых систем подвеса с помощью САПР.

4. Разработка рекомендаций по применению методики математического моделирования для исследования пондеромоторных электростатических взаимодействий на этапе функционального проектирования подвеса.

При создании функциональной математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий, а также для анализа и синтеза различных систем подвеса были использованы:

• метод Гаусса,

• метод изображений,

• метод инверсии,

• метод конформного отображения.

10

В диссертационной работе при проведении математического моделирования на этапе функционального проектирования электростатического подвеса применялись:

• методика построения математических объектов проектирования для создания функциональных математических моделей пондеромоторных электростатических взаимодействий на микро-, макро- и метауровнях проектирования;

• методика разработки САПР для создания САПР.

При создании программно-методического обеспечения САПР применялись методы структурного и объектно-ориентированного программирования.

При анализе экономической эффективности САПР применялись следующие методы:

• метод сравнения соответствующих показателей в базовом и оцениваемом способах проектирования при полном обеспечении их сопоставимости;

• метод приведённых затрат (при расчёте годового экономического эффекта).

1. Л.А.Сена "Единицы физических величин и их размерности", М., "Наука", 1977.

2. Д.В.Сивухин "Общий курс физики", т.З, М., "Наука", 1977.

3. И.В.Савельев "Курс общей физики ", т.2, М., "Наука", 1973.

4. Л.Д.Ландау, Е.М.Лившиц "Теоретическая физика", т.8, М., "Наука", 1982.

5. Мик Дж., Крегс Дж. "Электрический пробой в газах", М., "Мир", 1970.

6. Л.Д.Ландау, Е.М.Лившиц "Электродинамика сплошных сред", т.8, М., "Наука", 1982.

7. Г.Корн, Т.Корн "Справочник по математике для научных работников и инженеров", М., "Наука", 1977.

8. И.П.Норенков, В.Б.Маничев "Основы теории и проектирования САПР", М., "Высшая школа", 1990.

9. Г.Г.Казеннов, А.Г.Соколов "Основы построения САПР и АСТПП", М., "Высшая школа", 1989.

10. В.А.Трудоношин, Н.В.Пивоварова "Математические модели технических объектов", М., "Высшая школа", 1986.

11. П.К.Кузьмик, В.Б.Маничев "Автоматизация функционального проектирования", М., "Высшая школа", 1986.

12. В.М.Черненький "Имитационное моделирование", М., "Высшая школа", 1990.

13. А.Н.Данчул, Л.Я.Полуян "Системо-технические задачи создания САПР", М., "Высшая школа", 1990.

14. В.И.Артемьев, В.Ю.Строганов "Организация диалога в САПР", М., "Высшая школа", 1990.

15. А.В.Петров, В.М.Черненький "Проблемы и принципы создания САПР", М., "Высшая школа", 1990.

16. И.П.Норенков "Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем", М., "Высшая школа", 1986.17.