Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время коммерческий успех любого промышленного предприятия напрямую зависит от того, насколько быстро оно сможет отреагировать на изменяющиеся требования рынка путем изменения ассортимента предлагаемой продукции. Скорость разработки новых видов продукции определяется временем выполнения всех этапов процесса создания изделия. Актуальность данного исследования обусловливается потребностью сокращения времени создания новых изделий путем автоматизации выполнения всех этапов его создания.
Наименее автоматизированным на сегодняшний день является этап структурного синтеза, поскольку отсутствует весь набор алгоритмов, позволяющих произвести синтез конструкции. Существующие в малом количестве зависимости и методики покрывают лишь короткие шаги процесса синтеза и встречаются только в узкоспециализированных областях конструирования. Одним из наиболее перспективных подходов к решению данной проблемы является метод структурного синтеза посредством комбинаторного перебора. Однако одним из важнейших недостатков этого подхода является эффект комбинаторного взрыва, означающий резкий рост вычислительной сложности алгоритма процесса синтеза с возрастанием степени сложности синтезируемого объекта. Диссертационная работа направлена на разработку моделей и методов процесса структурного синтеза, позволяющих существенно сократить вероятность достижения предельных значений параметров вычислительного процесса (объема памяти и вычислительной сложности) вследствие комбинаторного взрыва при выполнении структурного синтеза, что позволит успешно использовать комбинаторные методы для решения задач конструирования и в конечном итоге сократить длительность процесса создания изделия в целом.
Степень разработанности проблемы. Существуют немногочисленные системы (как правило, на стадии бета-версии), предоставляющие средства автоматизации структурного синтеза объекта методами комбинаторного перебора дискретных структур объекта. Однако задача оптимизации комбинаторного перебора в этих системах не решена или предоставлена для решения пользователю системы, который при этом должен обладать достаточной квалификацией для оптимизации алгоритма перебора. Таким образом, существующие системы не эффективны для автоматизации выполнения структурного синтеза сложных объектов.
Областью исследования в настоящей работе является разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов синтеза проектных решений.
Объектом исследования в настоящей работе является процесс структурного синтеза сложных объектов, построенных на дискретных структурах.
Предметом исследования в настоящей работе являются модели и методы оптимизации процесса структурного синтеза сложных объектов, построенных на дискретных структурах, посредством комбинаторного перебора в условиях слабой формализации.
Целью настоящей работы является повышение эффективности функционирования средств автоматизации структурного синтеза изделий машиностроения посредством разработки моделей и методов снижения вероятности достижения предельных значений параметров вычислительного процесса в ходе структурного синтеза.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Построение модели класса объектов на базе методов характеризационного анализа, имеющей меньшую избыточность и более высокую степень автоматизации построения.
-
Разработка математической модели процесса структурного синтеза, значительно сокращающей рост вычислительной сложности процесса синтеза вследствие комбинаторного взрыва.
-
Решение оптимизационной задачи процесса синтеза во избежание последствий комбинаторного взрыва.
-
Разработка модели системы структурного синтеза и инструментальных средств для построения САПР.
-
Программная реализация инструментальных средств построения САПР.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе теории характеризационного анализа, методов системного анализа, теории графов и методов прикладной и информационной математики, позволяющих моделировать и оптимизировать процессы синтеза. Экспериментальные исследования выполнены при помощи частотного метода определения вероятности события.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов подтверждается корректным применением вышеописанных методов исследования и соответствием полученных результатов ожидаемым.
На защиту выносятся:
-
Модификации метода описания объекта синтеза.
-
Модификации метода построения модели класса синтезируемых объектов.
-
Модель и методы оптимизации процесса структурного синтеза.
-
Подход к построению системы синтеза, инвариантной по отношению к объекту синтеза.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны модификации методов построения модели единичного объекта и модели класса объектов, позволяющие сократить избыточность и повысить степень автоматизации построения модели класса объектов. В частности, предложено: использовать атрибуты, отражающие особенность вершин обобщенной модели и классификационных признаков, описывать функциональные вершины конструкций вариантов объекта наименованием и назначением, описывать вершины структурной полноты конструкций вариантов объекта категорией и значением, формировать справочники-классификаторы по стандартным элементам в качестве дополнительного источника модулей класса объектов.
-
Разработан графово-табличный метод построения обобщенной модели класса объектов, упрощающий построение модели по сравнению с известными методами при сохранении необходимых для ее расширения данных.
-
Разработана модель процесса структурного синтеза, методы оптимизации процесса синтеза и алгоритмы упорядочения перемножаемых признаков на различных этапах процесса синтеза. Разработанные модель, методы и алгоритмы позволяют за счет использования новых направлений оптимизации (синтез без анализа, ранний анализ, узконаправленный анализ), обратных функций и группировки признаков по функциям в процессе перемножения существенно сократить вычислительную сложность процесса синтеза и объем памяти, необходимый при его выполнении, что значительно снижает вероятность достижения предельных значений вычислительного процесса при выполнении синтеза.
-
Предложена классификация расчетных зависимостей по обратимости, классификация обратимых функций по типу получаемой обратной функции, классификация обратных функций по типу расчета. Разработан метод определения обратимости аналитических функций и алгоритм тождественного преобразования, позволяющий автоматизировать их обращение. Предложенные классификации, метод и алгоритм позволяют снизить вычислительную сложность процесса структурного синтеза.
Практическая ценность работы заключается в успешном применении новых эффективных моделей и методов оптимизации процесса синтеза при создании программной системы «ProductStructSynthesis», обеспечивающей эффективную реализацию процессов структурного синтеза объектов, и включающей в себя:
подсистему сбора информации о вариантах объекта, позволяющую формализовать конструкторский опыт, необходимый для построения обобщенного графа структур вариантов объекта и классификатора синтезируемого объекта;
подсистему построения и расширения классификатора, позволяющую в автоматизированном режиме получить классификатор объекта – основу модели класса объектов;
подсистему формирования запрещенных фигур, предназначенную для формализации знаний эксперта о запрещенных фигурах и классификации запрещенных фигур;
подсистему синтеза, позволяющую на основе модели класса объектов получить реализуемые варианты изделия согласно заданным пользователем критериям.
Разработанная программная система «ProductStructSynthesis» фактически является инструментальным средством разработки САПР конкретного изделия.
Результаты работы внедрены в практику проектирования спироидных редукторов в Институте механики ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» и ООО «Роспривод», что подтверждено актами внедрения.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки по теме «Создание концептуального научного подхода к разработке конструкций и технологий производства машиностроительных изделий типа тяжелонагруженных спироидных редукторов», а также этапа «Разработка модели автоматизированной системы синтеза исследуемых технологий с разработкой алгоритмов оптимизации вычислительных процессов при комбинаторном переборе» научно-исследовательской работы «Разработка прогрессивных, малоотходных, интенсифицированных технологических процессов изготовления деталей военной и специальной техники».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международном Симпозиуме «Теория и практика зубчатых передач» (Ижевск, электронное издание, 2013), XVI Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук» (2013), а также семинарах и конференциях Института механики ИжГТУ им. М.Т. Калашникова.
Публикации. Результаты работы изложены в 8 научных работах, включающих 5 работ, опубликованных в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 108 наименований, и 4 приложений. Работа изложена на 168 страницах и содержит 44 рисунка и 5 таблиц.
