автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Система проектирования конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов на основе эволюционных дискретных моделей

ВВЕДЕНИЕ.

1. Системы и комплексы программ проектирования конструкций

1.1. Математическая постановка прикладных задач оптимизации конструкций.

1.1.1. Системы проектирования конструкций и особенности решения проектных задач.

1.1.2. Методология проектирования и методы оптимизации конструкций.

1.2. Метод конечных элементов в задачах анализа конструкций.

Выводы по главе 1.

2. Разработка эволюционных дискретных моделей конструкций

2.1. Предикатная алгебра выбора в задачах построения и преобразования моделей стержневых систем.

2.2. Эволюционные модели и задачи анализа, модельного построения и оптимизации конструкций.

2.3. Модель элемента стержневой системы.

2.4. Матрица жесткости стержня.

2.5. Модель стержневой системы в области проектирования.

2.6. Автоматическое формирование системы разрешающих уравнений по описанию конструкции в области проектирования.

Выводы по главе 2.

3. Система проектирования конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов

3.1. Цель создания системы проектирования.

3.2. Алгоритмическая реализация метода оптимального проектирования конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов.

3.3. Система проектирования конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов. Особенности программной реализации и выполняемые функции.

3.4. Подходы к решению задач динамики конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов.

3.5. Проектирование конструкций при многовариантном нагружении.

Декомпозиция стержневой системы.

3.6. Проектирование каркаса вихревого термогенератора.

3.7. Сопоставление результатов численных экспериментов и аналитических решений.

3.8. Решение тестовых задач.

3.9. Решение тестовых задач параметрической оптимизации.

Выводы по главе 3.

Проектирование конструкций, несущих механическую нагрузку, представляет собой сложную задачу, включающую исследование ее напряженно-деформированного состояния при предполагаемых эксплуатационных воздействиях. Для обоснования выбора лучшего варианта необходимо решать задачи структурной и параметрической оптимизации. Решение этих задач отличается исключительной трудоемкостью, в связи с чем, для снижения затрат на разработку новых конструкций, широко используются системы автоматизированного проектирования.

Обзор публикаций по системам проектирования показывает, что в настоящее время актуальна задача разработки систем, ориентированных на решение задач автоматического проектирования конструкций, отвечающих эксплуатационным требованиям и конструкторско-технологическим ограничениям.

Переход к новым информационным технологиям, существенно преобразующим процесс проектирования, невозможен без комплексной автоматизации всех этапов проектно-конструкторских работ [108]. Во всем мире проблеме комплексной автоматизации проектно-конструкторских работ уделяется большое внимание. Однако в нашей стране, в силу сложившихся условий и сложности самой проблемы, комплексная автоматизация не получила должного развития [26].

Несмотря на обилие программных продуктов, решающих задачи анализа проектируемых конструкций при тепловых или механических воздействиях, до сих пор не существует эффективных средств, для проведения процедур автоматической оптимизации структуры и параметров проектируемых изделий. В первой главе работы приводится сравнительный анализ наиболее известных программных комплексов и систем проектирования конструкций.

Что касается проектирования конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов, то математические модели и методы проектирования, существовавшие до недавнего времени, не позволяют в автоматическом режиме решать задачи проектирования таких конструкций. Такие программные комплексы как SCAD, АРМ WinStructure3D, «ЛИРА», КОМПАС-ГРАФИК созданы для решения задач строительной механики, и поэтому не всегда применимы для расчета конструкций изделий радиоэлектронной промышленности и приборостроения, другие же сложны и дороги. Тем не менее, в настоящее время существует потребность в программных продуктах, которые могли бы не только решать задачи анализа, но и задачи структурной и параметрической оптимизации нагруженных конструкций, а также позволили бы сократить затраты при проектировании и решить проблему автоматизации начального этапа проектирования.

Актуальность темы.

Основу изделий различных отраслей промышленности составляют несущие конструкции. Они в значительной степени определяют как материалоемкость, так и устойчивость изделий к воздействию дестабилизирующих факторов. Такие конструкции, как стойки, каркасы, рамы изделий радиоэлектронной промышленности, приборостроения могут рассматриваться как стержневые [42, 43, 44, 87].

Известные методы проектирования конструкций основаны на решении задачи анализа и предварительном, неформализованном выборе их структуры и фиксированного количества переменных проектирования и переменных состояния. В этом случае не всегда представляется возможным реализовать процедуры автоматического многократного преобразования структуры конструкции с целью ее совершенствования или модификации. Также не всегда могут быть реализованы процедуры автоматического преобразования расчетных моделей по результатам модификации графического представления конструкции.

В связи с этим актуальна задача формализации построения моделей с нефиксированным числом переменных проектирования и переменных состояния, позволяющих решать задачи автоматизированного модельного построения и автоматической оптимизации структуры и параметров конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов, отвечающих заданным внешним воздействиям и конструкторско-технологическим ограничениям.

Развитию методов моделирования физических процессов в конструкциях электронной аппаратуры, методов проектирования с учетом механических воздействий способствовали работы Ю. X. Вермишева, Ю. Н. Кофанова, И. Г. Мироненко, И. П. Норенкова, П. И. Овсищера, Е. Н. Талицкого и других известных ученых.

Успехи в области вычислительной техники, численных методов и моделирования позволяют найти принципиально новые подходы к развитию информационных технологий проектирования.

Цель диссертационной работы.

Работа посвящена созданию системы проектирования конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов, рассматриваемых как стержневые, позволяющей решать задачи их модельного построения, структурной и параметрической оптимизации.

В соответствии с целью работы при проведении теоретических и экспериментальных исследований решены следующие задачи: разработана математическая модель на основе метода конечных элементов и предикатной алгебры выбора, позволяющая формализовать задачи автоматического многократного преобразования структуры и исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов; создана система проектирования, реализующая алгоритмы автоматической структурной и параметрической оптимизации конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов по заданному одновариантному или многовариантному нагружению с учетом конструкторско-технологических ограничений; дана сравнительная оценка результатов анализа, структурной и параметрической оптимизации конструкций, полученных с использованием разработанной системы проектирования, с известными результатами проектирования.

Методы исследований.

При проведении исследований использовались: метод конечных элементов; положения теории эволюционного моделирования, линейной теории упругости и прикладной механики; аппарат предикатной алгебры выбора.

Научная новизна.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Предложена математическая модель, позволяющая реализовать процедуры автоматического многократного целенаправленного преобразования конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов, рассматриваемых как стержневые, по результатам исследования напряженно-деформированного состояния по заданному одновариантному или многовариантному нагружению.

2. Разработан формализованный способ автоматического построения моделей конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов.

3. Разработана система проектирования, реализующая процедуры модельного построения, автоматической оптимизации структуры и параметров конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов.

Практическая значимость.

Практическая значимость работы состоит в разработке модели, алгоритмов и системы для решения задач исследования и проектирования конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов, отвечающих эксплуатационным требованиям.

Реализация и внедрение результатов.

Теоретические и практические результаты нашли применение в научт но-исследовательской работе «Разработка методологии, математического и программного обеспечения оптимального проектирования РЭС». Код темы по ГАСНТИ: 47.13.07. 28.17.19, № госрегистрации 01.9.70 005664, исполнитель. Работа выполнена на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного университета в период с 1995 г. по 2002 г.

Результаты работы по проектированию несущих конструкций внедрены на ОАО «Завод КОММАШ» и ООО «Термовихрь» (г. Пенза).

Результаты исследований используются в учебном процессе ПГУ при подготовке студентов по специальности 200800 - Проектирование и технология радиоэлектронных средств.

На защиту выносятся следующие положения: математическая модель конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов, рассматриваемых как стержневые, на основе метода конечных элементов, предикатной алгебры выбора, положений теории эволюционного моделирования; способ формализованного автоматического построения математических моделей конструкций; алгоритмы и система проектирования конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов, отличающаяся возможностью решения задач их модельного построения, структурной и параметрической оптимизации.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались: на научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем», г. Саратов, 1994 г.; на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем», г. Пенза, 1996 г.; на научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 1998 г.; на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем», г. Пенза, 1998 г. на международном симпозиуме «Надежность и качество», г. Пенза,

2001 г. на научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 2001 г.; на международном симпозиуме «Надежность и качество», г. Пенза,

2002 г.

Публикации по работе.

По материалам диссертации опубликовано 18 работ.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка (122 наименования). Объем работы: 185 страниц основного машинописного текста, 73 рисунка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации содержится решение важной прикладной задачи создания системы проектирования, отличающейся возможностью решения задач структурной и параметрической оптимизации конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов, рассматриваемых как стержневые.

1. Показано, что при традиционном проектировании, основанном на предварительном неформализованном выборе структуры стержневой системы, фиксируется количество, как переменных проектирования, так и переменных состояния, что ограничивает возможности поиска лучших проектных решений.

2. Проектирование конструкций, рассматриваемых как стержневые, по заданным воздействиям, требует построения математической модели стержневой системы, допускающей ее автоматическое целенаправленное преобразование.

3. Система проектирования, реализующая процедуры автоматической оптимизации структуры и параметров конструкций путем последовательного целенаправленного преобразования модели исходной заготовки построена на основе положений теории эволюционного моделирования, метода конечных элементов, предикатной алгебры выбора.

4. Разработаны математическая модель и алгоритмы решения задач оптимизации структуры и параметров конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов, что позволяет реализовать процедуры структурной и параметрической оптимизации конструкций при автоматическом формировании разрешающих уравнений.

5. Использование понятия области проектирования и аппарата предикатной алгебры выбора обеспечивает формализованное построение и целенаправленное преобразование моделей произвольных стержневых систем. Формализована задача получения математического описания процедур введения и удаления стержневых элементов, что позволяет проводить оптимизацию структуры и параметров стержневых систем в автоматическом режиме.

6. Предлагаемая модель области проектирования обеспечивает возможность решения задач композиции и декомпозиции стержневых систем.

7. Разработана система проектирования, на основе предлагаемой модели, позволяющая решать задачи проектирования конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов: модельного построения конструкции в режиме графического редактирования при автоматическом формировании исходных данных; определения предельно допустимых нагрузок; структурной и параметрической оптимизации конструкции в автоматическом и интерактивном режимах по результатам исследования напряженно-деформированного состояния стержневых элементов; оценки работоспособности или прогнозирования поведения конструкции в условиях эксплуатации на начальном этапе проектирования.

Разработанная система позволяет сократить затраты на проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры и приборов по заданным эксплуатационным требованиям и конструкторско-технологическим ограничениям.

1. Автоматизация поискового конструирования (Искусственный интеллект в машинном проектировании). А. И. Половинкин, Н. К. Бобков, Г. Я. Буш и др. Под ред. А. И. Половинкина. — М.: Радио и связь, 1981.— 344 с.

2. Аменадзе Ю. А. Теория упругости. Учебник для ун-тов. Изд. 2-е., пе-рераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1971. — 287 с.

3. Барданов Ю. М. Прочность и жесткость прямолинейных брусьев. — Одесса. ОПИ. 1978.

4. Батищев Д. И. Методы оптимального проектирования: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1984. — 248 с.

5. Безухое Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести: Учебник для втузов. Изд. 2-е, испр. и доп. — М.: Высш. шк., 1968. — 512 с.

6. Безухое Н. И. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач/ Безухов Н. И., Лужин О. В. // Учеб. пособие для втузов. — М., Высш. шк., 1974. — 200 с.

7. Белявский С. М. Руководство к решению задач по сопротивлению материалов. — М., Высш. шк., 1964. — 318 с.

8. Беттс. Новые области исследования методов оптимизации в технике. Конструирование и технология машиностроения. — 1983. — №2. — С. 149.

9. Биргер И. А. Стержни, пластинки, оболочки. — М.: Физматлит, 1992, —392 с.

10. Волгин Л. И. Непрерывная логика и ее схемотехнические применения. Пять лекций по курсу «Логические основы и модели нейронных сетей». — Ульяновск: УлГТУ, 1996. — 108 с.

11. Волгин Л. И. Элементный базис реляторной схемотехники.— Тольятти: ПТИС, 1999. — 71 с.

12. Волгин JI. И. Непрерывная логика. Теория и применение/ Волгин Л. И., Левин В. И. // — Таллинн.: Изд-во Академии наук Эстонии, 1990, —210 с.

13. Гелъмерих Р. Введение в автоматизированное проектирование/ Гель-мерихР., ШвиндтП. // Пер. с нем. Г. М. Родова, Я.Е.Львовича; Под ред. В. Н. Фролова — М.: Машиностроение, 1990. — 176 с.

14. Геминтерн В. И. Методы оптимального проектирования/ Гемин-терн В. И., Каган Б. М. // — М.: Энергия, 1980. — 160 с.

15. Геммерлинг Г. А. Система автоматизированного проектирования стальных строительных конструкций. — М.: Стройиздат, 1987. — 216 с.

16. Гладкий А. В. Язык математической логики: Учебное пособие.— Калинин, Калининский государственный университет, 1996. — 83 с.

17. Глудкин О. П. Методы и устройства испытаний РЭС и ЭВС. —М.: Высш. шк., 1991.

18. Гудстейн Р. Л. Математическая логика. Пер. с англ. Чернявского В. С. Под ред. Яновской С. А.—М.: Изд-во иностранной литературы, 1961.—162 с.

19. Гуткин, Л. С. Оптимизация радиоэлектронных устройств по совокупности показателей качества. — М., Сов. радио, 1975. — 368 с.

20. Дегтярев Ю. И. Методы оптимизации: Учеб. пособие для вузов. — М.: Сов. радио, 1980. — 272 с.

21. Денъдобренъко Б. Н. Автоматизация конструирования РЭА/ День-добренько Б. Н., Малика А. С. // Учебник для вузов. — М.: Высш. школа, 1980, —384 с.

22. Калиткин Н. Н. Численные методы. Под ред. А. А. Самарского.—

23. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1978. — 512 с.

24. Колебания деформируемых систем. Изд. 2-е переработанное. А. П. Филиппов. — М.,: Машиностроение, 1970. — 736 с.

25. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. с англ. А. М. Васильева. Под ред. Э. И. Григолюка. — М.: Мир, 1984. — 624 с.

26. Кузнецов С. А. О рациональном подходе к автоматизации конструирования в современных условиях. Автоматизация и современные технологии. — 1997. — №6. — С. 43.

27. Курносое В. Е. Метод эволюционного моделирования в проектировании формы конструкций РЭС. Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб. научн. трудов.—Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1994. — Вып.5. — 167 с.

28. Курносое В. Е. Особенности применения метода конечных элементов для решения задач синтеза формы конструкций. Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб. научн. трудов. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. — Вып.9. — 260 с.

29. Курносое В. Е. Эволюционный метод вычисления оптимальной формы конструкций/ Курносов В. Е., Маквецов Е. Н. // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб. научн. трудов. — Вып.З.— Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1991. — 151 с.

30. Курносов В. Е. Вычисление формы элементов конструкций РЭС/ Курносов В. Е., Наумова И. Ю. // Конспект лекций. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. — 82 с.

31. Левин В. И. Непрерывная логика. Ее обобщения и применения. I. Автоматика и телемеханика. — 1990. — №8. — С. 3.

32. Левин В. И. Непрерывная логика. Ее обобщения и применения. II. Автоматика и телемеханика. — 1990. — №9. — С. 3.

33. Лурье А. И. Теория упругости. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. 1970. — 939 с.

34. Маквецов Е. Н. Модели из кубиков. — М.: Сов. радио, 1978. — 192 с.

35. Маквецов Е. Н. Цифровое моделирование вибраций в радиоконструкциях. — М., Сов. радио, 1976. — 120 с.

36. Маквецов Е. Н. Дискретные модели приборов/ Маквецов Е. Н., Тар-таковский А. М. // — М.: Машиностроение, 1982. — 136 с.

37. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М., Машиностроение, 1975. —400 с.

38. Малышев Н. Г. и др. Нечеткие модели для экспертных систем в САПР. Н.Г.Малышев, JI. С. Берштейн, А. В. Боженюк. — М.: Энергоатом-издат, 1990, — 136 с.

39. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. Учеб. пособие. — 3-е изд., перераб. и доп.—М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. 1989. — 608 с.

40. Математика и САПР: В 2-х кн. Кн. 2. Жермен-Лакур П., Жорж П. Л., Пистр Ф., Безье П. Пер. с франц. В. В. Коваленко, С. Д. Чигиря. Под ред. Н. Г. Волкова. — М.: Мир, 1989. — 264 с.

41. Математическое моделирование. Ред. Дж. Эндрюс, Р. Мак-Лоун; Пер. сангл. под ред. Ю. П. Гупало. — М.: Мир, 1979. — 278 с.

42. Мендельсон Э. Введение в математическую логику: Пер. с англ. Под ред. С. И. Адяна. 3-е изд. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. — 320 с.

43. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. 1981. — 488 с.

44. Моисеев Н. Н. Элементы теории оптимальных систем. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. 1975. — 528 с.

45. Мота Соареш. Применение метода граничных элементов в оптимизации формы конструкций по условию минимума податливости/ Мота Соареш, Родригеш, Цзуй // Конструирование и технология машиностроения. — 1984. — №4. — С. 198.

46. Мяченков В. И. Методы и алгоритмы расчета пространственных конструкций на ЭВМ ЕС/ Мяченков В. И., Мальцев В. П. // — М.: Машиностроение, 1984. — 280 с.

47. Накагири. Стохастический анализ напряжений сборочных конструкций/ Накагири, Хисада, Нагасаки // Современное машиностроение. — 1989. —№10. —С. 141.

48. Ненашев А. 77. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов. —М.: Высш. шк., 1990. — 432 с.

49. Новиков П. С. Элементы математической логики.—М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. — 400 с.

50. Ортега Дж. Введение в численные методы решения дифференциальных уравнений/ Ортега Дж., Пул У. // Пер. с англ. Н. Б. Конюховой.; Под ред. А. А. Абрамова. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. 1986. — 288 с.

51. Петров А. В. Анализ и синтез радиотехнических комплексов/ Петров А. В., Яковлев А. А. // Под ред. В. Е. Дулевича. — М.: Радио и связь, 1984. —248 с.

52. Писаренко Г. С. Уравнения и краевые задачи теории пластичности и ползучести/ Писаренко Г. С., Можаровский Н. С. // Справочное пособие. — Киев: Наук, думка, 1981. — 496 с.

53. Покровский В. Г. Построение модели стержня. Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб. научн. трудов.—Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. — Вып. 10. — 228 с.

54. Полак Э. Численные методы оптимизации. Единый подход. Пер. с англ. Ф. И. Ерешко. Под ред. И. А. Вателя. С предисл. Н. Н. Моисеева. — М.: Мир, 1974. —376 с.

55. Пособие к решению задач по сопротивлению материалов: Учеб. пособие для техн. вузов. Миролюбов И. Н., Енгалычев С. А., Сергиевский Н. Д. И др. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1985. — 399 с.

56. ПрагерВ. Проблемы теории пластичности. Пер. с нем. А. И. Смирнова. Под ред. Э. И. Григолюка. — М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1958. — 136 с.

57. Предельный анализ элементов конструкций/ Гудрамович В. С., Герасимов В. П., Деменков А. Ф.//; Отв. ред. БудникВ. С.; АН УССР. Институттехнической механики. — Киев: Наук, думка, 1990. — 136 с.