Общая характеристика задач и методов проектирования

Глава 1 Основы проектирования информационно-измерительных приборов и систем летательных аппаратов

Проектирование и конструирование приборов и систем

Этапы создания новой техники, процессы проектирования и конструирования

Создание перспективной авиационной техники и совершенствование эксплуатационных характеристик летательных аппаратов (ЛА) являются одним из приоритетных направлений научно-технического развития России. В основу реализации современных бортовых систем ЛА должны быть положены фундаментальные научные исследования, а также новаторские конструкторские разработки.

Для лучшего понимания, когда и как наиболее эффективно использовать достижения указанных исследований и разработок применительно к авиационным приборам, необходимо в целом рассмотреть процесс создания новой техники, проектирования и конструирования.

Процесс создания новой техники - путь долгий и трудоемкий. Ни одна идея сразу не находит применения, а находит свое воплощение в конкретных технических решениях после теоретических изучений, лабораторных исследований, опытно-конструкторской проработки, создания и испытаний опытных образцов. Про­цесс создания новой техники проводится по схеме «наука-техника-производство».

В зависимости от специфики и области применения новых изделий этапы их создания классифицируются следующим образом:

Фундаментальные исследования, охватывающие самые общие вопросы материального мира. Они заключаются в открытии сущности и действия при­родных процессов с целью применения их в практических разработках;

Поисковые исследования включают в себя выбор идеи, с использовани­ем которой удается решить поставленную задачу. В ходе этих исследований выявляются возможности и условия использования научных идей в интересах материального производства. Результатом поисковой работы являются откры­тия и изобретения. Поисковые исследования создают научный задел, на кото­ром основываются прикладные работы;

Научно-исследовательские работы (НИР) - это, как правило, приклад­ные исследования, в результате которых информация о возможностях новой техники превращается в принципиальную схему конкретного образца изделия, действующего на новых принципах, повышающего технический уровень, решающих проблемы с улучшением качества, эксплуатационных свойств и др.

Сделанные открытия и теоретические исследования находят практическое применение в прикладных работах. При этом проверяется и обосновывается экономическая целесообразность конструктивного и технологического решения;

Опытно-конструкторские работы (ОКР) направлены на создание образ­цов изделий новой техники. Они направлены на материальное воплощение ре­зультатов и рекомендаций НИР. Разрабатывается техническая документация и опытный образец функционирующего изделия. На стадии освоения научно-технического результата опытное изделие приспосабливается к специфическим условиям предприятия изготовителя и условиям применения. Опытный образец проходит лабораторные, предварительные заводские и государственные испы­тания. По результатам испытаний корректируются конструкторская и техноло­гическая документация, которая затем передается заводу-изготовителю для подготовки изделия к серийному производству.

Конструкторская разработка изделий для собственного производства на промышленных предприятиях. Такие работы выполняются в конструкторских подразделениях промышленных предприятий. Изделия отличаются локальной новизной. В создании их используется передовой технический и производст­венный опыт. Конструкторские разработки чаще всего ограничиваются внесе­нием изменений в конструкторскую документацию раннее разработанных из­делий. Эти изменения не носят принципиального характера, а помогают при­способить изделие к специфическим условиям применения: место установки, выполняемой работе и т. п.

Целью и результатом разработки новых изделий является создание новой техники высокого научно технического уровня. К новой технике относят [1]:

 - впервые реализуемые результаты научных исследований, и прикладных раз­работок, содержащие изобретения;

- новые или более совершенные технологические процессы, орудия или предметы труда;

- способы организации производства и труда, обеспечивающие технико-экономические показатели или решения социальных и других задач развития народного хозяйства.

Новая техника характеризуется более высоким техническим уровнем и ка­чеством по сравнению с техникой, выпускаемой ранее. Она по своим технико-экономическим показателям отвечает современным требованиям или перспек­тивам развития науки и техники. Достигаемый расчетный экономический эф­фект является главным критерием для принятия решения о разработке нового изделия и отражается в технико-экономическом обосновании на разработку.

Помимо экономического эффекта каждый объект новой техники опреде­ляется техническим эффектом. Такой эффект харак­теризует техническую полезность и ценность объекта, его соответствие своему назначению. Он представляет собой количественную характеристику степени совершенства изделия и выражается в различных технических и информацион­ных единицах. Технический уровень новой техники, выраженной в относитель­ных единицах, позволяет сравнивать с другой техникой и оценивать ее досто­инства и преимущества. Для сравнения выбирается, как правило, техника, имеющий высший мировой технический уровень.

Разработка нового изделия - это особый этап, относящийся к сфере умст­венной деятельности. Она осуществляется инженерно-техническим персоналом путем проектирования и конструирования.

Проектирование и конструирование являются процессами взаимосвязан­ными, дополняющими друг друга. Конструктивная форма объекта формируется и уточняется применением методов проектирования - проведением расчетов параметров оптимизации и др. В свою очередь, проектирование возможно только при предварительно принятых вариантах конструктивного исполнения. Часто эти два процесса не различают, т. к. они выполняются, как правило, спе­циалистами одной профессии - инженерами-конструкторами. Однако проекти­рование и конструирование - процессы разные.

Проектирование предшествует конструированию и представляет собой поиск научно обоснованных, технически осуществимых и экономически целе­сообразных инженерных решений. Результатом проектирования является про­ект разрабатываемого изделия. Проектирование - это выбор некоторого спосо­ба действия, в частном случае - это создание системы как логической основы действия, способной решать при определенных условиях и ограничениях по­ставленную задачу. Проект анализируется, обсуждается, корректируется и при­нимается как основа для дальнейшей разработки.

Конструированием создается конкретная, однозначная конструкция изде­лия. Конструкция - это устройство, взаимное расположение частей и элемен­тов, какой-либо машины, прибора, определяющее его назначение. Конструк­ция предусматривает способ соединения, взаимодействие частей, а также мате­риал, из которого отдельные части (элементы) должны быть изготовлены. В процессе конструирования создаются изображения и виды изделия, рассчиты­вается комплекс размеров с допускаемыми отклонениями, выбирается соответ­ствующий материал, устанавливаются требования к шероховатостям поверхно­стей, технические требования к изделию и его частям, создается техническая документация.

Конструирование опирается на результаты проектирования и уточняет все инженерные решения, принятые при проектировании. Создаваемая в процессе конструирования техническая документация должна обеспечивать перенос всей конструкторской информации на изготавливаемое изделие и его рациональную эксплуатацию.

Проектирование и конструирование служит одной цели: разработка ново­го изделия, которое не существует или существует в другой форме и имеет иные размеры.

Разработка, составными частями которой является проектирование и кон­струирование, включает ведение научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ.

Будучи исходным этапом, разработка оказывает существенное влияние на все следующие стадии жизненного цикла продукции: изготовление, обращение и реализация, эксплуатация или потребление.

Разработка является техническим творчеством, в результате которого создаются технические решения.

Техническое решение является структурной частью творчества. Оно опре­деляет принципиальные, схематические, теоретические решения и не всегда носит конкретную форму реального материального объекта, но непосредствен­но связано с его определенным содержанием, с конструкцией, технологией, принципом работы или материалом.

Техническое решение представляет собой раскрытую техническую идею, которую можно осуществить с привлечением специалистов, не принимая изо­бретательских принципов. Оно должно быть практически осуществимым, по­лезным, работоспособным, причем принцип работы не обязательно должен иметь теоретические обоснования.

Созданию технического решения предшествует подготовительный про­цесс, в котором обобщается предыдущий опыт, ставится задача, уясняется цель. В разработку технического решения непосредственно входит создание его ва­риантов и их анализ, выбор окончательного варианта. В процессе конструиро­вания конструктор детально обрабатывает техническое решение, воплощает его в конкретную форму реального изделия.

Техническое решение выявляется только в процессе разработки или про­ведения анализа конструкции и принципов работы изделия.

Общая характеристика задач и методов проектирования

Чтобы изделие соответствовало требованиям новой техники, было высо­кого качества и надежным, оно должно быть тщательно проработано. Главным путем повышения технического уровня изделия, т. е. его качества, характери­зуемого технической стороной, является проведение научно-исследовательских и опытно - конструкторских работы (НИР и ОКР).

Научно-исследовательские работы решают следующие проблемы:

1) разработка нового принципа работы разрабатываемого изделия, который позволяет улучшить показатели качества, долговечность, удобство об­служивания и т. д.;

2) разработка новой технологии, более совершенной и производительной, с минимальным участием человека, малоотходной, позволяющей механизировать и автоматизировать процесс.

НИР выполняются с целью решения проблемных вопросов, поиска принципиальных возможностей построения структуры приборов, исследования новых принципов их функционирования и получения исходного материала для ОКР. Основной объем НИР составляет функциональное проектирование. НИР завершается составлением отчета, в котором изложены все сведения, полученные при ее проведении, а также содержится техническое задание на ОКР.

Опытно-конструкторские работы (ОКР) используют результаты прикладных ис­следований. ОКР выполняется с целью разработки конструкторской документации, изготовления и испытания опытного образца. По результатам испытания опытного образца дается заключение о возможности изготовления установочной серии приборов с последующим переходом к серийному или массовому производству в зависимости от потребностей.

Разработка сложного изделия и документации на него является трудоемким процессом, связанным с большими затратами. Стоимость разработки в от­дельных случаях может составлять половину всех капиталовложений, идущих на создание нового изделия. Порядок выполнения проектных работ регламентируется целым рядом стандартов. На территории России проектирование приборов ведется в соответствии с Единой системой конструкторской документации (ЕСКД), которая представляет собой комплекс государственных стандартов, устанавливающих единый порядок разработки, оформления и обращения конструкторской документации.

В процессе проектирования процессов и систем приходится решать три основных вида задач:

1) проводить синтез оптимальной структуры или алгоритмов обработки ин­формации (в том числе пространственно-временной обработки информативных сигналов и помех);

2) выбор оптимальных значений параметров систем: интервала дискретизации, структуры и элементной базы (преобразователи, мультиплексоры, устройства ввода-вывода);

3) сравнение различных вариантов построения системы с целью выбора наи­лучшего варианта.

Для краткости задачу 1 часто называют синтезом структуры (алгоритмов), задачу 2 - оптимизацией параметров (параметрической оптимизацией, пара­метрическим синтезом), и задачу 3 - дискретным выбором системы (варианта ее построения).

Обычно решение задачи 1 и 2 предшествует дискретному выбору систе­мы, т.к. перед сравнением вариантов системы нужно предварительно найти для каждого из этих вариантов оптимальную структуру и значения параметров. Но, с другой стороны, проводить синтез структуры и оптимизацию параметров для весьма большого числа вариантов практически невозможно - необходимо сна­чала хотя бы на основе имеющихся априорных данных исключить из рассмот­рения часть заведомо неподходящих вариантов. Поэтому последовательность решения указанных задач в процессе проектирования может изменяться.

Основой для проектирования являются совокупность исходных данных и требований к разрабатываемой системе или прибору.

Основными из многочисленных требований, предъявляемых к прибору или системе, являются:

- точность (достоверность) воспроизведения информации;

- помехозащищенность;

- пропускная способность;

- надежность;

- малая масса и габаритные размеры;

- возможно низкая стоимость;

- электромагнитная совместимость;

- экологическая совместимость.

Все эти требования в общем случае характеризуют количественно соответ­ствующими показателями  называемыми показателями качества.

Упорядоченная совокупность показателей качества образует вектор k качества системы. Задача проектирова­ния системы состоит в выборе такого варианта ее построения, который удов­летворяет всей совокупности исходных данных, включающей условия работы системы, ограничения на ее структуру и значения параметров и требования к вектору качества k. Показатели качества  целесообразно выбирать такими, чтобы каждый из них удовлетворял условию: чем меньше данный по­казатель , тем лучше система при прочих равных условиях, т. е. при неизмен­ных значениях всех остальных показателей. При этом один из наиболее распространенных критериев качества сводится к следующему: обеспечить ми­нимальное значение одного из показателей (например, стоимость системы) при условии, что все остальные не превосходят допустимых значений.

Подробно наиболее важные показатели качества будут рассмотрены в Модуле 2.

На начальных этапах проектирования обычно учитывают от 10 до 20 наиболее важных показателей и увеличивают их число на по­следующих этапах. Обоснование исходных данных производится исходя из назначения про­ектируемой системы, и проводится на этапе внешнего проектирования. В отли­чие от этого, выбор структуры и значений параметров системы, удовлетворяющим всей совокупности исходных данных, называется внутренним проектиро­ванием или синтезом системы.

В процессе проектирования используются математические, экспериментальные и эвристические методы.

При применении математических методов совокупность исходных данных и требований формируются математически, т.е. составля­ется математическое описание условий работы системы, ограниченной какими-либо требованиями, налагаемыми на структуру системы и значения ее параметров, состав векто­ра качества и критерий качества системы. Затем определяют математи­ческим путем условные функции, т. е. зависимости частных показателей каче­ства  от структуры системы и значений ее параметров при заданных условиях. Для полученного таким образом описания отыскивают математи­ческими методами анализа и синтеза алгоритмы работы и параметры системы, удовлетворяющие выбранному критерию качества. При решении указанной за­дачи широко используют ЭВМ для расчета, математического моделирования и автоматизированного проектирования.

К расчету относят вычисления по заранее полученным формулам - при фиксированных значениях входящих в них параметров (линейное или не ли­нейное программирование). К расчету могут относиться также некоторые зада­чи решения уравнений.

Математическое моделирование– это средство изучения реального объекта, процесса или системы путем их замены математической моделью, более удобной для экспериментального исследования с помощью ЭВМ.

где X – вектор входных переменных;

Y – вектор выходных переменных;

Z – вектор внешних воздействий;

t– координата времени.

По принципам построения математические моделиподразделяются на аналитические и имитационные.

Аналитическая модельразделяется на типы в зависимости от математической проблемы:

• уравнения (алгебраические, трансцендентные, дифференциальные, интегральные);

• аппроксимационные задачи (интерполяция, экстраполяция, численное интегрирование и дифференцирование);

• задачи оптимизации;

• стохастические проблемы.

В аналитических моделях процессы функционирования реальных объектов, процессов или систем записываются в виде явных функциональных зависимостей.

В имитационном моделировании функционирование объектов, процессов или систем описывается набором алгоритмов. Алгоритмы имитируют реальные элементарные явления, составляющие процесс или систему с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени.

Имитационные модели – это проводимые на ЭВМ вычислительные эксперименты с математическими моделями, имитирующими поведение реальных объектов, процессов или систем.

 

При математическом моделировании исходные уравнения, описывающие поведение системы и все, приложенные к ней воздействия, приводят к виду, приемлемому для ЭВМ и вводят в нее. В эту же ЭВМ вводят все ограничения и критерии качества. На выходе ЭВМ выдаются (в реальном, ускоренном или за­медленном масштабе времени) результаты анализа или синтеза.

Автоматизированное проектирование имеет много общего с математиче­ским моделированием: оно приводится также на базе ЭВМ и предназначено для определения оптимальной структуры, и параметров системы. Наиболее сущест­венные отличия автоматизированного проектирования от математического мо­делирования на современном этапе состоят в следующем:

 - основными задачами математического моделирования являются анализ сис­темы и оптимизация ее параметров, а задачей автоматизированного проектиро­вания - синтез структуры, включая определение оптимальных значений пара­метров;

 - при автоматизированном проектировании ЭВМ выдает результаты в виде готовой технической документации (совокупность чертежей, таблиц, программ для ЭВМ и других необходимых документов), при математическом моделиро­вании результаты, выдаваемые ЭВМ, не имеют такой законченности.

В настоящее время, автоматизированное проектирование систем применя­ется в основном при конструировании, в меньшей степени - на схемотехниче­ском уровне, и еще в меньшей мере - на системотехническом уровне.

Математическое моделирование применяют в основном на системотехни­ческом уровне. Отсюда следует, что в настоящее время математическое моде­лирование и автоматизированное проектирование дополняют друг друга. По мере развития науки и техники различия между ними будут уменьшаться.

Математические методы, включая расчеты на ЭВМ, математическое мо­делирование и автоматизированное проектирование являются весьма мощным инструментом проектирования. Но они предполагают наличие вполне опреде­ленного математического описания, которое, во-первых, требует эксперимен­тальной проверки и, во-вторых, существуют далеко не во всех этапах проекти­рования. Для выбора и обоснования математического описания, а также для решения ряда дополнительных задач проектирования требуется эвристическая деятельность разработчиков, т.е. творческая деятельность, не поддающаяся ма­тематической формализации. Таким образом, математические исследования должны дополняться экспериментальными исследованиями и эвристической деятельностью разработчиков.

Эвристический (творческий) подход в процессе проектирования необхо­дим при решении следующих задач:

  - выбор и формулировка цели проектирования;

  - выбор физических принципов действия системы;

  - обоснование математических моделей системы, полезных и мешающих воз­действий;

 - выбор методов математического и экспериментального исследования;

  - выбор элементной базы (при отсутствии жестких ограничений);

  - трактовка результатов исследования и принятие окончательных решений.

Эвристическая деятельность опирается на имеющийся опыт в разработке подобных систем или решении подобных задач, а также на результаты теорети­ческих и экспериментальных исследований, проводимых в процессе проекти­рования.

Различают следующие основные виды экспериментальных исследований:

  - полунатурное моделирование;

- лабораторные исследования, стендовые;

  - натурные (летные) испытания, эксплуатационные испытания.

Полунатурное моделирование отличается от математического лишь тем, что часть звеньев включают в состав моделей в виде натурных макетов, а не моделируют на ЭВМ. Под лабораторными исследованиями понимают исследования натурных макетов, проводимых в лаборатории, причем, обычно реальные источники сиг­налов и внешних помех заменяют имитаторами, построенными на основе мате­матических моделей этих сигналов и помех. Сказанное означает, что как полунатурное моделирование, так и лабораторные исследования являются не чисто экспериментальными, а экспериментально-теоретическими.

При стендовых, натурных и летных испытаниях условия работы систем, сигналы и помехи еще больше приближаются к реальным условиям. Однако даже такие испытания не являются еще чисто экспериментальными, т.к. иногда часть звеньев системы (кинематические, аэродинамические и другие) имити­руют.

Полностью экспериментальными можно считать лишь испытания, проводимые при пробных испытаниях и в процессе эксплуатации.

---

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 326; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!