Введение к работе
Актуальность работы. Термин «крупногабаритные изделия со сложной формой поверхности» широко используется в авиационной, автомобильной, судостроительной и других видах промышленности, предъявляющих высокие требования к качеству геометрии поверхности и дизайну изделия в целом. При этом следует отметить, что судостроение является типичным представителем и иллюстративным примером машиностроительной отрасли, с большим объёмом производства крупногабаритных изделий, среди которых доминирующее место занимает корпус судна.
Первым и весьма важным этапом в технической подготовке производства (ТПП) судна является этап разработки теоретического чертежа его корпуса, на котором изображается сложная форма судовой поверхности. Так корпус судна представляет собой удлинённое тело, ограниченное днищем, бортами и палубой. Обычно эти поверхности имеют сложную кривизну, и их невозможно совместить с плоскостью. После всех необходимых расчётов и построений теоретический чертёж переносится в истинном масштабе на плаз - площадку для разбивки в натуральных размерах чертежа судна, по которому изготовляют шаблоны для раскроя и выгиба отдельных элементов обшивки и набора корпуса судна. Кроме того на основании теоретического чертежа для уточнения основных расчётных характеристик судна по остойчивости, гидродинамике, манёвренности, ходкости корабля создаётся масштабная модель, которая испытывается в специализированном бассейне, а при получении опытных данных с модели, их оцифровке и анализе, в случае необходимости, корректируется сам теоретический чертёж судна.
Современный этап развития технологии судостроения заключается в объединении технологий проектирования, постройки и эксплуатации судов и в разработке научных основ по системному описанию технологических процессов, позволяющих обеспечить необходимые эксплуатационные свойства. Одним из инструментов решения этих задач является интегральная автоматизация этапов ТПП путём построения моделей элементов ТПП с широким применением средств вычислительной техники и программного обеспечения, на основе методов критериального отбора, в том числе, в отдельных случаях - с элементами искусственного интеллекта.
Разработке методики проектирования теоретического чертежа корпуса судна, имеющей универсальный характер и используемой более чем в 90 % случаев, в том числе в ТПП, посвящены работы зарубежных и российских учёных, внёсших значительный вклад, среди которых такие имена как: Акимов Р.Н., Алферьев М.Я., Амелин B.C., Анфимов В.Н., Ашик В.В., Балкашин А.И., Борисов Р.В., Бронштейн Д.Я., Вицинский В.В., Войткуновский Я.И., Гуменюк Н.С., Давыдов В.В., Дормидонтов Н.К., Дорогостайский Д.В., Карпов А.Б., Кацман Ф.М., Коваленко Б.П., Коннов А.В., Кошкин СВ., Крылов А.Н., Лесюков В.А., Линдблад А., Луговский В.В., Малый П.А., Маннинг Д.Ч., Мурыгин О.П., Ногид Л.М., Павленко Г.Е., Пашин В.М., Поздюнин В.Л., Пономарев В.А., Рейнов М.Н., Рождественский В.В., Семенов-Тян-Шанский
B.B., Сизов В.Г., Солдатов В.Е., Страхов А.П., Сужение Э.Н., Троицкий Б.А., Урбанович В., Фан-дер-Флит А.П., Хализев О.А., Ханович И.Г., Царев Б.А., Швец С.К., Яковлев И.А.
С развитием и внедрением автономных автоматизированных систем проектирования изделий, технической подготовки производства, управления организационно-экономическими и технологическими процессами были созданы предпосылки к созданию интегрированных CAD/CAM-сжтш, огромную роль в этом процессе сыграли: Аверченков В.И., Базров Б.М., Балакшин Б.С., Горанский Г.К., Дальский А.М., Капустин Н.М., Кован В.М., Корсаков B.C., Косов М.Г., Митрофанов В.Г., Мухин А.В., Павлов В.В., Соколовский А.П., Соломенцев Ю.М., Сосонкин В.Л., Султан-Заде Н.М., Фролов Е.Б., Цветков В.Д., Черпаков Б.И., Эстерзон М.А. и многие другие отечественные и зарубежные учёные.
В современных условиях жёсткой конкуренции существенно повышаются требования к надёжности и долговечности наряду со стремлением к упрощению и удешевлению разрабатываемых конструкций судов. Одной из важнейших задач создания качественных судов, способных безотказно функционировать в течение всего срока эксплуатации, является обеспечение прочности конструкций. Она особенно актуальна для корпусных конструкций, работающих в ледовых условиях.
В настоящее время задачи проектирования корпусных конструкций могут быть решены, на качественно новом уровне, за счёт интеграции процессов автоматизации начальных этапов ТПП с последующим использованием полученных результатов на этапе автоматизированного проектирования с применением интегрированных САПР (CAD/CAM/CAE - систем), работа которых неразрывным образом связана с OLE (Object Linking Embedding) -информационными технологиями для интеграции процессов, выполняющихся в ходе всего жизненного цикла прикладной информационной системы и её программных компонентов.
В связи с вышеизложенным возникает необходимость в разработке теоретических основ и методического аппарата для автоматизации процедур создания судовой поверхности в условиях технической подготовки машиностроительного производства, что обуславливает актуальность поставленной задачи.
Объектом исследования диссертационной работы являются алгоритмы, методы и модели построения теоретического чертежа корпуса судна в технической подготовке производства.
Предметом исследования диссертационной работы являются программно-математические методы автоматизации процедур оптимизации и построения теоретического чертежа корпуса судна как крупногабаритного изделия со сложной формой поверхности.
Целью диссертационной работы является формализация проектных процедур с целью сокращения трудоёмкости и обеспечения качества теоретического чертежа корпуса судна как крупногабаритного изделия со сложной формой поверхности путём автоматизации процедур его
параметрического проектирования в технической подготовке производства на основе средств и методов критериального выбора решений в интегрированных САПР.
В процессе работы решались следующие научные задачи:
проведение анализа существующих подходов к формализации и автоматизации проектирования теоретического чертежа корпуса судна;
формализация принятия проектных решений в рамках процесса автоматизации проектирования теоретического чертежа корпуса судна в условиях ТПП;
разработка методики автоматизации проектирования теоретического чертежа судна как крупногабаритного изделия со сложной формой поверхности в условиях применения интегрированных САПР и типовой модели автоматизированной системы проектирования теоретического чертежа, проведение исследования состава и режимов функционирования её основных модулей;
разработка информационного и программного обеспечения автоматизированной системы проектирования теоретического чертежа корпуса судна.
Методы исследований. При выполнении исследований и реализации
поставленных задач в диссертационной работе использовались научные
положения теории автоматизированного проектирования, методы объектно-
ориентированного проектирования и анализа. Применялись теория
проектирования, основы технологии машиностроения и судостроения,
основные положения системного анализа. При разработке программных
модулей использовалась объектно-ориентированная технология
проектирования и программирования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработана концепция автоматизации проектных процедур для построения теоретического чертежа корпуса судна, обеспечивающего необходимые эксплуатационные характеристики судна в условиях применения интегрированных САПР на этапе ТПП;
разработаны математические модели и алгоритмы автоматизированного проектирования теоретического чертежа корпуса судна, методический аппарат для оперативной качественной оценки эффективности возможных альтернативных технических решений при обосновании элементов и характеристик судна;
формализован процесс поддержки принятия технических решений и разработана методика их интеграции в структуру САПР при проектировании теоретического чертежа корпуса судна;
автоматизирован процесс критериального отбора расчётных решений и обоснования технико-эксплуатационных характеристик судов, моделирования судовой поверхности корпуса речных судов различных типов, позволившие создать «гибкую» методику оптимизации их основных элементов, отвечающую условиям совокупности критериальных и конструктивных признаков.
Практическую ценность диссертационной работы составляют:
алгоритм расчёта теоретического чертежа корпуса судна, на основе которого создан модуль расчёта конструктивных параметров автоматизированной системы параметрического проектирования;
автоматизированная система проектирования теоретического чертежа корпуса судна, интегрированная в систему параметрического моделирования САПР;
универсальные программные модули, обеспечивающие получение полного комплекта конструкторской документации по теоретическому чертежу и значительно расширяющие функциональные возможности базовой САПР при разработке проблемно-ориентированных САПР судостроения;
специализированный модуль автоматизированного формирования сборочной ЗБ-модели в САПР.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы всесторонне изучены и рекомендованы к внедрению в техническую подготовку производства ОАО «Московский судостроительный и судоремонтный завод» (ОАО «МССЗ») и ООО «Компьютерные системы и технологии» (г. Москва).
Кроме того, результаты исследований внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», используются при подготовке бакалавров по направлению 220200.62 «Автоматизация и управление». Материалы диссертационной работы использованы в качестве методологической основы при разработке курса лекций и практических занятий по дисциплинам «Информатика» и «Программирование и основы алгоритмизации» в части построения расчётных моделей на основе электронных таблиц Microsoft Excel.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на расширенных заседаниях кафедры и научных семинарах в ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» и ФГОУ ВПО МГАВТ, на международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2008 г.), на VIII международной научно-практической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза 2008 г.), на VI международной научно-практической конференции «Совершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных условиях» (Пенза, 2008 г.), на VI всероссийской научно-практической конференции «Развитие инновационного потенциала отечественных предприятий и формирование направлений его стратегического развития» (Пенза, 2008 г.).
Личный научный вклад автора заключается в комплексном подходе к исследованию процедур автоматизации построения теоретического чертежа судна и типовой модели автоматизированной информационной системы для его проектирования, позволяющих решать широкий спектр многокритериальных задач, связанных с проектировочными расчётами судов по заданным характеристикам в рамках интегрированных САПР, и имеющих существенное значение для сокращения временных затрат, повышения эффективности
процесса подготовки конструкторско-технологическои документации на проектируемое судно.
Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, включая тезисы докладов, подготовленные для международных и региональных научно-технических конференций; 2 публикации - в научных рецензируемых изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки РФ; 1 свидетельство об официальной государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и 4 приложений. Работа изложена на 233 страницах формата А4 и включает 102 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 117 наименований, приложения на 39 страницах. Общий объём работы - 279 страниц.
