Введение к работе
Актуальность проблемы. Создание любой системы начинается с поиска и утверждения ее будущей структуры. Этот этап называют структурным синтезом. Несмотря на более чем вековой период научного развития теории механизмов и машин этот этап остается наименее разработанным.
Синтез структурных схем вновь проектируемых механизмов осуществляется либо интуитивно, используя предшествующий опыт, либо путем наслоения структурных групп. Такое решения не всегда является рациональным, поскольку не анализируются все возможные варианты.
Попытки использования электронных вычислительных машин для автоматизации структурного синтеза механизмов были предприняты еще в семидесятых годах XX столетия и, тем не менее, до настоящего времени эта задача не может считаться полностью решенной даже для плоских шарнирных систем. Связано это с тем, что синтез структур под управлением компьютерной программы, основанный на парадигме процедурно-ориентированного подхода, предполагает наличие математической модели, которая корректно отображала бы все шаги процесса формирования структурной схемы в форме уравнений, неравенств, логических условий, и других зависимостей, описываемых в структурной теории механизмов в словесной форме. К сожалению, такой модели до настоящего времени не создано.
Совершенно очевидно, что инициативные исследования частных структур с небольшим числом звеньев не могут быть основой для развития научно- обоснованного структурного синтеза. По мере усложнения проектируемых изделий возможности человека в решении такого рода задач сужаются, поэтому поиск новых эффективных методов структурного синтеза, в том числе с применением компьютерных средств, является актуальной научной проблемой.
Мотивацией к решению этой задачи служат: новые представления о методах решения задачи синтеза структур, дальнейшее развитие теории структуры механических систем, принципиально новые возможности аппаратных средств, событийно-управляемая модель функционирования компьютерных программ, объектно-ориентированный подход, используемый при разработке методов компьютерного моделирования систем.
Областью знаний, способной решить задачу структурного синтеза, должна быть именно теория механизмов и машин с уверенно развивающимся в ее недрах направлением - теорией структуры.
Еще в восьмидесятых годах прошлого века академик С.Н. Кожевников писал. "В последнее время многие исследователи высказывают мнение о том, что в отношении структуры механизмов и их классификаций ничего нового уже создать нельзя. Однако такое мнение преждевременно и необоснованно. Развитие науки, в том числе науки о машинах, остановить невозможно. По мере накопления фактов в связи с развитием машинного производства неизбежно возникает необходимость пересмотра старых теорий, их корректировки или создания новых теорий, более согласующихся с практикой".
Работа выполнена в соответствии с планом хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный
индустриальный университет», в рамках региональной научно-технической программы "Кузбасс" по направлению "Перспективные технологии на основе фундаментальных исследований", а также по программе Минвуза Российской Федерации "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий" по разделу "Механика в машино- и приборостроении".
Целью работы является развитие теоретических основ и разработка алгоритмов, необходимых и достаточных для создания методологии компьютерного синтеза структур механизмов.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
провести анализ имеющихся научных подходов к решению задачи формирования полного многообразия структурных схем механизмов и на его основе разработать научные основы компьютерного синтеза многовариантных структур плоских шарнирных систем;
разработать метод расчета состава кинематических цепей, для заданных параметров структуры конструируемого механизма;
разработать метод локализации задач структурного синтеза, развивающий существующую структурную классификацию кинематических цепей, предполагающую деление их на различные семейства;
провести декомпозицию моделируемой системы и разработать методологию компьютерного конструирования структурных схем на базе объектно-ориентированного подхода;
разработать метод, гарантирующий полноту перебора вариантов реализации частных фрагментов структурных схем;
разработать метод идентификации структурных схем, инвариантный к нумерации звеньев;
исследовать возможность расширения области применения разработанной методологии синтеза структур плоских шарнирных механизмов для решения других задач структурного синтеза, таких как: синтез групп нулевой подвижности (групп Ассура), плоских аналогов структур зубчатых механизмов, конструктивных схем строительных ферм и других.
Идея работы состоит в использовании компьютерного моделирования процесса конструирования структурных схем на основе объектно-ориентированной парадигмы для создания методологии компьютерного синтеза полного многообразия вариантов структурных схем.
Методы исследований. В процессе выполнения работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований различных областей знаний такие как:
о методы структурного синтеза механизмов;
о методы структурной классификации кинематических цепей;
о поисковое моделирование и численные методы;
о теория множеств и комбинаторика;
о теория объектов и объектно-ориентированный подход;
о теория фреймов и структур данных;
о виртуализация; о идентификация и кодирование. На защиту выносятся:
> новый подход к решению задач формирования полного многообразия
структурных схем, отличающийся тем, что вместо разработки знаковых
систем для описания топологии структур и алгоритмов их просеивания,
моделируется сам процесс конструирования структур на базе объектно-
ориентированной парадигмы;
>- метод определения состава кинематических цепей на примере поиска целочисленных решений универсальной структурной системы проф. Л.Т. Дворникова, основанный на реализации направленного движения по узлам двух дискретных пространств (пространства звеньев и пространства кинематических пар) и анализе превращения формулы подвижности в тождество для предъявляемых наборов звеньев и пар;
>- структуризация кинематических цепей, заключающаяся в разбиении семейств на подсемейства, существенно сужающая пространство получаемых решений и позволяющая, тем самым, локализовать задачи поиска требуемых структур;
>- метод компьютерного конструирования структурных схем, реализующий объектно-ориентированный подход и принцип наследования, заключающийся в использования образов-предков при построении более сложных структур;
> метод гарантированно полного перебора вариантов, артефактов, ситуа
ций, основанный на генерировании отрезка натурального ряда чисел в
конкретной системе счисления, и декодировании чисел в реальные ситуа
ции;
>- метод идентификации кинематических цепей, отличающийся тем, что идентификатор цепи, формируется в процессе построения структурной схемы и представляет собой набор чисел, однозначно описывающий топологию кинематической цепи;
> универсальность разработанной методологии синтеза структур плоских
шарнирных механизмов, проверенная на решении задач синтеза групп
нулевой подвижности (групп Ассура), плоских аналогов структур зубча
тых механизмов, конструктивных схем строительных ферм. Научная но
визна работы состоит в:
разработке и апробации нового научного подхода к решению задач структурного синтеза механизмов, основанного на объектно-ориентированной парадигме моделирования процесса конструирования структурных схем;
анализе и обоснованном выборе метода, пригодного для разработки алгоритма расчета состава кинематических цепей любой сложности при заданном числе звеньев и подвижности системы;
расширении структурной классификации кинематических цепей путем введения понятия подсемейств, отличающихся совокупностью классов применяемых кинематических пар;
обосновании теоретических основ структурного синтеза плоских шарнирных механизмов с применением компьютерных технологий;
разработке нового метода формирования гарантированно полного многообразия вариантов, артефактов, ситуаций;
разработке новой системы идентификации кинематических цепей, инвариантной к нумерации звеньев;
адаптации разработанной методологии синтеза структур плоских шарнирных механизмов для решения других задач структурного синтеза, таких как: синтез групп нулевой подвижности (групп Ассура), плоских аналогов структур зубчатых механизмов, конструктивных схем строительных ферм и других.
Практическая значимость работы заключается в: о разработке методологии синтеза структур механизмов с применением компьютерных технологий, позволяющей синтезировать как полное множество вариантов структурных схем при заданном числе звеньев, так и отдельные подмножества, соответствующие, кроме того, заданному числу выходов цепи, числу изменяемых замкнутых контуров, максимальной сложности применяемых звеньев; о разработке инструментария (модели, методы, алгоритмы, компьютерные программы) для определения состава кинематических цепей любой сложности; о расширении структурной классификации кинематических цепей, позволяющей делить семейства механизмов на подсемейства, и, тем самым, сужать область получаемых целочисленных решений; о разработке комплекса компьютерных программ, прошедших государственную регистрацию, позволяющих реализовать предложенную методологию структурного синтеза механизмов; о разработке методики получения полного многообразия вариантов, артефактов, ситуаций, обеспечивающей формирование гарантированно полного множества вариантов структурных схем; о разработке метода идентификации структурных схем, инвариантного к предварительной нумерации звеньев, позволяющего воспроизводить графический образ структурной схемы как вручную, так и с помощью компьютерной программы. Личный вклад автора состоит:
*t* в разработке нового подхода к решению задач о поиске полного многообразия структурных схем механизмов, основанном на моделировании процесса конструирования структурных схем; > в разработке метода, алгоритма и компьютерной программы для расчета параметров структуры механизма, реализованных в виде поисковой процедуры отбора целочисленных решений универсальной структурной системы профессора Л.Т. Дворникова; *t* в расширении структурной классификации кинематических цепей путем деления семейств на подсемейства, различающихся совокупностью классов применяемых кинематических пар;
*Х* в формализации аппарата преобразования виртуальных звеньев в реальные
при построении структурных схем; *t* в разработке методологии компьютерного конструирования вариантов структурных схем плоских механических систем с вращательными парами пятого класса на базе объектно-ориентированной парадигмы; > в разработке универсального генератора вариантов, артефактов, ситуаций, осуществляющего гарантированно полный перебор всех возможных вариантов, на базе программного счетчика с переменным основанием системы счисления; *t* в разработке алгоритмического и программного обеспечения, поддерживающего объектно-ориентированную технологию формирования структурных схем, с использованием принципа наследования при компьютерном конструировании развивающихся фрагментов; *t* в разработке оригинального способа формализованного символьного представления структурных схем для решения задачи отбраковки изоморфных структур и компактного хранения описания структурной схемы в компьютерной базе данных. Реализация работы. На основе разработанной методологии конструирования полного множества вариантов структурных схем плоских шарнирных механизмов подготовлен комплекс алгоритмов и программ для автоматизированного синтеза гарантированно полного многообразия структур плоских шарнирных систем, реализующих объектно-ориентированную технологию формирования фрагментов структурных схем.
Основные компьютерные программы пакета прошли государственную регистрацию, на каждую из них получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ в Роспатенте.
Издано учебное пособие, с присвоенным грифом "Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений".
Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе при изучении дисциплины "теория механизмов и машин" в ряде вузов Кемеровской области.
Апробация работы. По основным положениям и результатам диссертационной работы было сделано более двадцати докладов и сообщений, которые обсуждались и получили одобрение на международных и всероссийских научно-практических конференциях, в том числе:
на тринадцатой (2003 г.), пятнадцатой (2005 г.), шестнадцатой (2006 г.), семнадцатой (2007 г.), восемнадцатой (2008 г.), девятнадцатой (2009 г.), двадцать первой (2011 г.) научно-практических конференциях по проблемам механики и машиностроения в г. Новокузнецке;
XVII Международной конференции "Применение новых технологий в образовании" (Троицк, Московской обл. 2006 г.);
Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения" (Новокузнецк, 2006 г.);
VI Всероссийской научно-практической конференции "Системы автоматизации в образовании, науке и производстве" (Новокузнецк, 2007);
Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах" (Санкт-Петербург, 2007);
XXVII Российской школе, посвященной 150 - летию К.Э. Циолковского, 100 - летию СП. Королева и 60 - летию Государственного ракетного центра "КБ им. Академика В.П. Макеева" (Миасс, 2007);
13-й (2007 г.) и 14 (2008 г.) Международных научно-практических конференциях "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕ-СУРС-13-2007, Кемерово; СИБРЕСУРС-18-2008 Омск;
XIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" (Рязань 2008 г.);
XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современная техника и технологии" (Томск 2008 г.);
X Международной конференции по теории механизмов и машин (Чехия, г. Либерец 2008 г.);
Всероссийской конференции по математике и механике; (Томск 2008 г.);
Международной конференции "Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в ракетно-космической и авиационной промышленности" (Москва 2008 г.);
IV Международной научно-технической конференции "Проблемы исследования и проектирования машин" (Пенза 2008 г.);
Межрегиональной научно-практической конференции студентов и аспирантов (Новокузнецк, 2008 г.);
Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы машиностроения" (Самара, 2009 г.);
Международной научной конференции "Актуальные проблемы механики и горного машиноведения, развитие науки и интеграция вузов" (Киргизия, г. Ош, 2009 г.);
IV международной конференции "Проблемы механики современных машин" (г. Улан-Удэ, 2009 г.);
XI международной научно-методической конференции "Информатика: проблемы, методология, технологии" (г. Воронеж, 2011 г.);
Международных научно-практических конференциях "Современное машиностроение. Наука и образование" (г. Санкт-Петербург, 2011-12 гг.).
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 52 печатных работы, в том числе 13 статей в журналах из Перечня российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы ос-
новные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук; 1 монография, 6 статей в сборниках трудов, 26 статей в материалах всероссийских и международных конференций, 6 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 149 наименований и приложения общим объемом в 413 страницы. Объем основного текста составляет 290 страниц, включая 77 рисунков и 29 таблиц.
