Разработка системы "Автоматизированное решение задач механики"

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Программирование


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Министерство образования и науки

Республики Казахстан

Карагандинский государственный технический университет

Кафедра ___________________________

Зав. кафедрой ______________________

_________ «____"_____2009 г.

(подпись) (дата)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

Тема: Разработка системы «Автоматизированное решение задач механики»

Руководитель

Студент гр.

2009

Аннотация

В данном дипломном проекте рассмотрены вопросы автоматизированного решения задач механики. Было рассмотрено решение четырех типов задач механики:

растяжение-сжатие прямых стержней;

кручение валов;

плоский изгиб балок;

плоский изгиб рам.

В ходе дипломного проектирования была разработана система автоматизированного решения задач механики «АРЗМ».

Также были выполнены тесты, заключающиеся в сравнении практических результатов, полученных на основе применения методов теории сопротивления материалов, с результатами, выдаваемыми программой. На основании проведенных экспериментов можно утверждать, что в результате дипломирования разработана система, выдающая результаты хорошо согласующиеся с расчетными.

Содержание

  • Аннотация
    • Введение
    • 1. Предпроектные исследования
    • 2. Техническое задание на проектирование системы автоматизированного решения задач механики
    • 2.1 Общие сведения
    • 2.2 Цель и назначение системы
    • 2.3 Характеристика процесса проектирования
    • 2.4 Требования к «АРЗМ»
    • 2.4.1 Общие требования к «АРЗМ»
    • 2.4.2 Требования к информационному обеспечению
    • 2.4.3 Требования к лингвистическому обеспечению
    • 2.4.4 Требования к программному обеспечению:
    • 2.4.5 Требования к техническому обеспечению
    • 2.4.6 Требования к методическому обеспечению
    • 2.4.7 Требования к организационному обеспечению
    • 2.5 Календарный план
    • 3. Информационное обеспечение
    • 3.1 Структура информационных потоков
    • 3.2 Структура документооборота
    • 3.3 Концептуальная модель данных
    • 3.4 Логическая модель данных
    • 3.5 Физическая модель данных
    • 4. Лингвистическое обеспечение
    • 4.1 Выбор языка программирования
    • 4.1.1 Идентификаторы и типы данных
    • 4.1.2 Переменные
    • 4.1.3 Инструкция присваивания и выражения
    • 4.1.4 Процедуры и функции
    • 4.2 Элементы входного языка
    • 4.4 Элементы выходного языка
    • 5. Программное обеспечение
    • 5.1 Выбор базового программного обеспечения
    • 5.2 Выбор общесистемного программного обеспечения
    • 5.3 Структура и состав прикладного программного обеспечения
    • 5.4 Руководство программиста
    • 5.4.1 Спецификация
    • 5.4.3 Порядок оформления документации
    • 6. Техническое обеспечение
    • 6.1 Общие требования к комплексу технических средств (КТС)
    • 6.2 Проектирование комплекса технических средств (КТС)
    • 6.2.1 Проектирование состава КТС
    • 6.3 Подготовка оборудования к работе
    • 6.4 Техническое обслуживание оборудования
    • 6.5 Утилизация оборудования
    • 7. Организационное обеспечение
    • 7.1 Организационная структура
    • 7.2 Организация внедрения подсистемы функционального проектирования
    • 7.3 Организация обучения
    • 7.4 Организация монтажа и эксплуатации КТС
    • 7.5 Организация эксплуатации системы «АРЗМ»
    • 7.6 Организация внедрения «АРЗМ»
    • 8. Методическое обеспечение
    • 8.1 Руководство по установке АРЗМ
    • 8.2 Руководство проектировщика
    • 8.3 Электронная документация
    • 9. омышленная экология
    • 9.1 Понятие экологии
    • 9.2 Хаактеистика едиятия, как источника загязнения атмосфеного воздуха
    • 9. 3 асчет ведных выбосов в атмосфеу
    • 9.3.1 Расчет выбросов от встроенной котельной
    • 9.3.2 Расчет выбросов от двух постов сварки и резки с использованием пропан-бутановой смеси
    • 9.3.3 Расчет выбросов от 2-х постов сварки в защитной среде
    • 9.3.4 Расчет выбросов от передвижного сварочного поста
    • 9.2.5 Расчет выбросов от заточного станка
    • 10. Охрана труда
    • 10.1 Анализ условий труда оператора ПЭВМ
    • 10.2 Мероприятия по безопасной организации работ
    • 10.2.1 Меры защиты от поражения электрическим током
    • 10.2.2 Мероприятия по снижению шума
    • 10.3 Расчет шума
    • 10.2.3 Освещение
    • 10.3 Общие требования безопасности
    • 10.3.1 Требования безопасности перед началом работы
    • 10.3.2 Требования безопасности во время работы
    • 10.3.3 Требования безопасности в аварийных ситуациях
    • 10.3.4 Требования безопасности по окончании работ
    • 10.4 Противопожарная защита
    • 11. Экономическое обоснование разработки системы автоматизированного решения задач механики
    • 11.1 Исходные данные для расчета
    • 11.2 Расчет экономической эффективности создания и внедрения системы интеграции
    • 11.5 Расчет стоимости работ по анализу модели исследования без использования АРЗМ
    • 11.6 Расчет стоимости работ по анализу модели исследования с использованием АРЗМ
    • 11.7 Оценка эффективности внедрения АРЗМ
    • Заключение
    • Список использованных источников
    • Приложение А

Введение

Одним из важнейших факторов технического прогресса нашей Республики является интенсивное использование вычислительной техники для автоматизации различных процессов управления производством и отраслями промышленности. Автоматизация всех процессов управления не будет иметь реальной основы для развития и не оправдает себя экономически до тех пор, пока не будут решены задачи повышения производительности инженерной деятельности при проектировании различных машин.

При использовании традиционных расчетных методов на этапе проектирования время, необходимое для расчета металлоконструкций различных машин, оказывается соизмеримым со временем проектирования всей конструкции в целом. Если к тому же на начальном этапе проектирования требуется сравнить несколько вариантов схем в целях выбора оптимальной, то необходимость применения программных комплексов для расчета металлоконструкций на ЭВМ становится очевидной. Повышение производительности инженерной деятельности возможно при автоматизации проектных работ, которая достигается путем разработки математических моделей и внедрением САПР.

Основным методом системного анализа и синтеза является математическое моделирование. Математическое моделирование — процесс создания модели и оперирование ею с целью получения сведений о реальном поведении объекта. Альтернативой математического моделирования является физическое макетирование, но у математического моделирования есть ряд преимуществ: меньшие сроки на подготовку анализа; значительно меньшая материалоемкость; возможность выполнения экспериментов на критических режимах, которые привели бы к разрушению физического макета и прочее.

Математическая модель — совокупность математических объектов и связей между ними, отражающих важнейшие для проектировщика свойства исследуемой системы.

Одним из наиболее эффективных методов построения приближенной математической модели конструкции является метод конечных элементов (МКЭ).

МКЭ позволяет представить сколь угодно сложную конструкцию в виде совокупности элементарных расчетных звеньев — конечных элементов. Метод получил широкое распространение для решения задач как микро-, так и макроуровня, благодаря своей универсальности, ясной инженерной формализации и удобству реализации на ЭВМ. Метод отличает малая зависимость алгоритмов от топологии конструкции.

В представленном дипломном проекте описывается разработка комплекта математических моделей (комплекта ММ) систем с распределенными параметрами при действии динамических нагрузок. К таким системам относятся различные механические конструкции и технологические машины, а именно рассматриваются конструкция двухбалочного мостового крана.

Математические модели представлены в виде пакетных файлов в формате программно-методического комплекса ANSYS, в которых содержатся данные о типовых расчетных схемах и других параметрах, описывающих анализируемую конструкцию, варьируя которыми можно получать различные данные о динамических свойствах широкого класса моделируемых технических объектов.

Настоящая работа посвящена дальнейшему совершенствованию программных средств, позволяющих автоматизировать анализ напряженно-деформированного состояния объектов.

При индивидуальном использовании программы можно использовать автоматизированное рабочее место, которое разрабатывалось для инженера-проектировщика, т. е. минимизировать комплекс технологических средств.

1. Предпроектные исследования

Все твердые тела в той или иной мере обладают свойствами прочности и жесткости, т. е. способны в определенных пределах воспринимать воздействие внешних сил без разрушения и без существенного изменения геометрических размеров.

Прочность и жесткость требуют пристального внимания, качественных оценок и определенной количественной меры.

Их изучением занимается наука, называемая механикой твердого тела, а учебная дисциплина, вводящая учащегося в мир инженерных расчетов на прочность и жесткость, носит название сопротивления материалов. Сопротивление материалов, является составной частью механики твердого тела, но не единственной. К механике твердого тела относится и другие дисциплины, среди которых необходимо в первую очередь назвать математическую теорию упругости, где рассматриваются во многом те же вопросы, что и в сопротивлении материалов, но в других аспектах.

Методы математической теории упругости ведут учащегося от общего к частному. Им свойственна математическая доказательственность, точность и глубина анализа, но вместе с тем и сложность математического аппарата. Поэтому возможность практического применения методов теории упругости ограничены.

В сопротивлении материалов изложение построено по обратному принципу — от частного к общему. Основная цель — создать практически приемлемые, простые приемы расчета типовых, наиболее часто встречающихся элементов конструкций. Необходимо довести решение каждой практической задачи до числового результата требует применение приближенных методов, а стремление к простоте выводов заставляет в некоторых случаях прибегать к недоказанным, но достаточно правдоподобным предположениям — гипотезам. Их правомерность оправдывается непротиворечивостью полученных результатов, с одной стороны, и принимаемыми на веру выводами тонкого анализа теории упругости — с другой.

Сопротивление материалов и теория упругости взаимопроникающи. Многое из того, что создано теорией упругости, воспринимается курсом сопротивления материалов и органически вписывается в его содержание.

Вместе с тем сопротивление материалов вследствие своей прикладной направленности решает задачи более широкие, чем математическая теория упругости. Но главное в том, что сопротивление материалов подводит инженера к неизбежным и вечным вопросам, на которые порой трудно ответить: выдержит ли конструкция или не выдержит, и какова степень ее надежности…

В теории упругости такие вопросы не рассматриваются.

Рассмотрим стандартные подходы к решению, с помощью методов сопротивления материалов, следующих задач [3]:

центральное растяжение-сжатие прямых стержней;

кручение валов;

плоский изгиб балок;

плоский изгиб рам.

Рассмотрим пошаговую процедуру решения задач центрального растяжения-сжатия прямых стержней:

жесткая заделка заменяется реактивной силой, значение которой находят из первого уравнения статики: УFx=0;

применяется метод РОЗУ (разделяем, отбрасываем, заменяем, уравниваем);

конструкция делится на сечения;

при рассмотрении одного сечения отбрасываются остальные, а их действие на рассматриваемое заменяется реактивной силой, определяемой из 1-го уравнения статики. Исходя из определенных реактивных сил определяется растяжение/сжатие на данном участке. Суммирование по участкам дает общее растяжение/сжатие.

Рисунки 1. 1, 1. 2, 1.3 поясняют смысл метода РОЗУ.

Рисунок 1.1 — Общий вид модели

Рисунок 1.2 — Замена жесткой заделки реактивной силой

Рисунок 1.3 — Отбрасывание сечения и замена его действия реактивной силой

Рассмотрим пошаговую процедуру решения задач кручения валов:

из уравнения жесткости находится неизвестный крутящий момент;

вал разделяется на участки, применяется метод РОЗУ и определяются углы закручивания на каждом участке.

Рассмотрим пошаговую процедуру решения задач плоского изгиба балок:

из 2-го уравнения статики находится уравнение взаимосвязи между реакциями, подставляя которое в уравнение моментов, составленное относительно одной из опор определяются значения реакций.

применяя метод РОЗУ, определяют значения поперечной силы и изгибающего момента на каждом из участков, строят их эпюры, исходя из которых, определяют опасные сечения.

Рассмотрим пошаговую процедуру решения задач плоского изгиба рам:

из 2-го уравнения статики находится уравнение взаимосвязи между реакциями, подставляя которое в уравнение моментов, составленное относительно одной из опор определяются значения реакций.

применяя метод РОЗУ, определяют значения продольной, поперечной силы и изгибающего момента на каждом из участков, строят их эпюры, исходя из которых, определяют опасные сечения.

2. Техническое задание на проектирование системы автоматизированного решения задач механики

2.1 Общие сведения

Проектированию подлежит САПР «Автоматизированное решение задач механики», именуемая в дальнейшем «АРЗМ». Данная САПР разрабатывается на кафедре САПР КарГТУ.

Разработчик — Кудинов Андрей Викторович.

Заказчик — кафедра САПР.

Основание разработки — приказ на дипломирование № 162с от 24 февраля 2005 г.

Сроки разработки: февраль — май 2005 г.

2.2 Цель и назначение системы

Целями разработки «АРЗМ» являются:

увеличить производительность работы персонала (инженеров-проектировщиков) и уменьшить затраты времени на проектирование;

увеличить рентабельность технологического проектирования, то есть уменьшить моральные, физические и материальные издержки проектов;

расширит сферы применения современных программных продуктов проектирования.

Проектируемая САПР «АРЗМ» предназначена для:

автоматизированного расчета напряженно-деформированного состояния при центральном растяжении-сжатии прямых стержней, кручении валов, плоском изгибе балок и рам;

промышленных предприятий, где есть отдел проектирования конструкций, который занимается проектированием технологического оборудования;

в учебных целях (в качестве обучающей программы будущих специалистов-проектировщиков в ВУЗах).

Задачи разработки — разработать систему, решающую четыре типа задач механики:

растяжение-сжатие прямых стержней;

кручение валов;

плоский изгиб балок;

плоский изгиб рам.

2.3 Характеристика процесса проектирования

Процесс проектирования модели и анализа результатов состоит из пяти этапов, на которые в зависимости от способа реализации затрачивается определенное количество времени (таблица 2. 1):

до интеграции САПР «АРЗМ» на весь процесс затрачивается 52 часа;

планируется, что после интеграции САПР «АРЗМ» будет затрачиваться 13 часов.

Планируемое сокращение затрат времени на проектирование — 4 раза.

Таблица 2.1 — Перечень процессов и характеристик создания модели исследования с использованием систем проектирования и анализа до и после интеграции.

Наименование процесса

Длительность процесса проектирования в расчете на одного человека, часы

до интеграции

после интеграции

1 Сбор исходных данных

до 8

до 8

2 Проектирование модели исследования

до 32

до 1

2.1 Построение упрощенной модели

до 2

0,1

2.2 Расчет

до 20

0,75

2.3 Построение эпюр

до 10

0,15

3 Анализ результатов

до 4

до 4

4 Создание конструкторской документации

до 8

0

Итого

52

13

2.4 Требования к «АРЗМ»

2.4.1 Общие требования к «АРЗМ»

Система должна состоять из интерфейсного модуля и набора модулей для решения каждой из задач проектирования.

Связь для информационного обмена между подсистемами будет обеспечивать интерфейсный модуль.

Интерфейсный модуль должен предусматривать расширяемость системы, то есть подключение дополнительных модулей для решения других типов задач механики.

Система «АРЗМ» должна обеспечивать создание командного файла, выполняющего построение и анализ модели исследования и его перенос в ANSYS.

Вывод результатов проектирования и анализа должен производиться в виде стандартной проектной документации. При этом должно обеспечиваться представлении выходной расчетной информации в текстовом (файл результатов расчета и таблицы с дополнительной информацией анализа) и графическом (эскиз модели, эпюры распределения нагрузок и прочие диаграммы) виде.

Должны быть автоматизированы промежуточный стадии проектирования, не связанные с творческой деятельностью проектирования, такие как:

вычисление реальных констант, используемых при описании физических свойств модели;

построение исследуемой модели;

построение геометрической модели;

построение дискретной модели;

передача исходных данных расчета системе ANSYS в виде командного файла;

проведение конечно-элементного анализа;

выбор формы представления результирующих данных;

документооборот между системами ANSYS и «АРЗМ», необходимый для переноса результатов анализа и оптимизации с наименьшим участием проектировщика.

Так в дальнейшем предполагается интеграция в данную систему подсистемы автоматизированного расчета статически неопределимых стержневых систем (далее «АРЗМ»), то к разрабатываемой системе дополнительно выдвигается следующий ряд требований:

должна быть обеспечена совместимость документооборота между «АРЗМ» и «АРСНСС»;

при решении задач система «АРЗМ» не должна создавать помех работе и не должна искажать результаты расчетов системы «АРСНСС».

2.4.2 Требования к информационному обеспечению

При разработке «АРЗМ» необходимо выполнить следующие требования к информационному обеспечению:

при разработке структуры информационных потоков должно быть обеспечено получение целостной, не избыточной, достоверной, не протиречивой информации об объекте анализа для получения корректного решения;

система должна обеспечивать контроль правильности ввода исходных данных;

САПР должна иметь диалоговый и пакетный человеко-машинный интерфейс;

разработать концептуальную, логическую и физическую модели данных и потоков информации для новой схемы проектирования;

связь для информационного обмена между подсистемами должен обеспечивать интерфейсный модуль;

САПР должна подготавливать исходные данные для расчета в стандартном для системы ANSYS виде.

2.4.3 Требования к лингвистическому обеспечению

язык программирования, на котором будет разрабатываться САПР, должен поддерживать объектно-ориентированную модель данных ит обеспечивать получение выполняемого модуля для выбранной операционной системы;

разработать структуру и систему входного языка, структуру и состав диалогов для каждой из четырех подсистем, обеспечивающих создание и редактирование моделей;

обеспечить поддержку внутреннего языка, предназначенного для взаимодействия САПР и системы ANSYS;

разработать структуру и систему выходного языка для вывода текстовых результатов расчета.

2.4.4 Требования к программному обеспечению:

Разработать структуру и состав системного, прикладного и базового программного обеспечения.

2.4.4. 1 Требования к общесистемному программному обеспечению

обеспечение стабильной и бесперебойной работы КТС;

доступность;

распространенность;

легкость и простота установки/настройки;

поддержка GUI.

2.4.4. 2 Требования к базовому программному обеспечению

универсальность;

возможность использования ANSYS 6. 0/7. 0, Windows 98/2000/ХР;

поддержка языком программирования объектно-ориентированного подхода к программированию;

наличие для языка программирования компилятора для выбранного общесистемного программного обеспечения.

2.4.4. 3 Требования к прикладному программному обеспечению

обеспечить модульную структуру системы;

обеспечить приемлемый уровень быстродействия системы;

создать соглашения о правилах написания кода;

разработать руководство программиста по созданию системы «АРЗМ»;

создать программный код;

провести тестирование на основе тестов с различными конфигурациями технических и программных средств.

2.4.5 Требования к техническому обеспечению

разработать варианты структуры и состава минимальных конфигураций комплекса технических средств;

провести тестирование наиболее типичных конфигураций комплексов технических средств с целью определения возможной производительности работы «АРЗМ»;

разработать методику определения необходимого расширения минимальной конфигурации в зависимости от конкретной задачи.

2.4.6 Требования к методическому обеспечению

Методическое обеспечение должно отображать описание системы, методику автоматизированного проектирования и анализа по новой схеме и должно включать:

описание «АРЗМ» и ее модулей;

руководство системного программиста;

руководство пользователя;

руководство по установке.

Также должны выполняться следующие работы:

необходимо разработать технологию, методику эффективной работы с «АРЗМ»;

необходимо разработать структуру и состав интерактивной документации, описывающую работу в «АРЗМ»;

необходимо разработать структуру и состав демонстрационных примеров, освещающих основные аспекты работы в «АРЗМ».

2.4.7 Требования к организационному обеспечению

разработать структуру и описать функционирование проектно-конструкторского отдела, состоящего из пяти человек;

разработать структуру взаимодействия между проектировщиками и системой «АРЗМ».

2.5 Календарный план

Календарный план выполнения проектных работ представлен в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Календарный план

Стадии проектирования

Этапы проектирования

Сроки выполнения

Отчетность

Предпроектные исследования

Анализ существующих методов автоматизированного проектирования и моделирования

01.7 04−01. 10 04

Отчет по преддипломной практике

Эскизный проект

Техническая концепция основных параметров «АРЗМ», уточнение ТЗ

01. 10 04−22. 10 04

Уточненное техническое задание

Разработка общей концепции технологии работы в «АРЗМ»

01. 10 04−14. 10 04

Описание концепции «АРЗМ»

Разработка обобщенной объектно-ориентированной математической модели

14. 10 04−29. 10. 04

Описание объектно-ориентированной модели

Разработка концептуальной и логической информационных моделей

29. 10. 04−12. 11 04

Описание концептуальной и логической моделей данных

Разработка состава и структуры общесистемного, прикладного и базового ПО

29. 10. 04−12. 11 04

Эскизный проект программного обеспечения

Разработка структуры языка проектирования и выходных форм

29. 10. 04−12. 11 04

Описание структуры языков

Разработка общей структуры и состава необходимого КТС

29. 10. 04−12. 11 04

Описание структуры и состава КТС

Технический проект

Разработка физической модели данных

12. 11 04−26. 11. 04

Описание баз данных и СУБД

Разработка руководства программиста

12. 11 04−10. 12. 04

Руководство программиста

Окончательная разработка языков общения в «АРЗМ»

12. 11 04−10. 12. 04

Описание языка проектирования, внутреннего и выходных языков

Определение минимальной конфигурации КТС

12. 11 04−19. 11. 04

Рекомендации пользователю по составу КТС

3. Информационное обеспечение

3.1 Структура информационных потоков

Для того, чтобы определить ожидаемые нагрузки на конструкцию, либо ее (конструкции) динамические параметры, необходимо провести исследования на макроуровне при использовании ПМК ANSYS. Конструкторский отдел ставит задачу моделирования и подает сведения об объекте анализа, исполнителю, который, в свою очередь, определяет требуемые параметры расчетной модели в ПМК ANSYS. На основе полученных исходных данных в ПМК ANSYS производится расчет требуемого параметра, в частности величины напряжений, динамических перемещений, частот и т. д. Полученные после проведения анализа данные используются в дальнейшем конструкторским отделом. Структура информационных потоков представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 — Структура информационных потоков

3.2 Структура документооборота

В соответствии с описанными выше потоками информации можно предложить структуру документооборота, которая будет иметь место при использовании разрабатываемого комплекта ММ в среде ПМК ANSYS (рисунок 3. 2).

Предусматривается, что из конструкторского отдела исполнителю будет передаваться задание на анализ конструкции в виде документа «технологическое задание на анализ расчетной модели». Исполнителем анализа расчетной модели является инженер-конструктор, работающий с ПМК ANSYS. После проведения работ по анализу исполнитель передает отчет о проделанной работе и полученных результатах в конструкторский отдел, из которого данные либо участвуют в дальнейших исследованиях, проводимых конструкторским отделом, либо передаются непосредственно заказчику в случае, если в дальнейших исследованиях необходимость отсутствует.

Рисунок 3.2 — Структура документооборота

3.3 Концептуальная модель данных

Рассмотрим объект анализа как систему, характеризуемую отдельными параметрами. Параметры влияют каждый в отдельности на всю систему, а в совокупности и определяют свойства объекта как системы. Поскольку моделирование предполагает создание виртуальной модели физического образца, то совершенно очевидно, что объект необходимо рассматривать как взаимосвязь отдельных компонентов. Описывая отдельный компонент набором свойств (характерных для системы, но в приложении к дискретному элементу) достигают полного отражения свойств и характеристик всего объекта.

Концептуальная модель объекта анализа представлена на рисунке 3.3 Конструкция представляется в виде системы, состоящей из конечных элементов, узлы которых связанны между собой определенной структурой. Каждая конструкция имеет название, характеризуется количеством элементов, топологией и действующими на нее нагрузками. Элементы в свою очередь характеризуются собственным номером, типом, геометрией, материалом. Каждому элементу соответствует определенные узлы. Узлы описываются пространственными координатами, степенями свободы и порядковым номером. Структура конструкции характеризуется последовательностью и способом соединения узлов.

Рисунок 3.3 — Концептуальная модель объектов анализа

3.4 Логическая модель данных

Логическая модель, отображающая основные взаимосвязи и составляющие объекта анализа, представлена на рисунке 4. По коду объекта, которому соответствуют название объекта, количество элементов, этот объект составляющих, топология объекта и действующие нагрузки, определяются элементы и структуры. По коду элемента определяются номера узлов, принадлежащих этому элементу, и их пространственные координаты. По номерам узлов определяются способы их соединения.

объекты анализа

код объекта

название

количество элементов

топо-логия

нагрузки

элементы

код объекта

код элемента

тип элемента

геометрия

материал

структуры

код объекта

номер узла

способ соединения узлов

начальная точка

конечная точка

узлы

код элемента

номер узла

координа-ты узла

степени свободы

Рисунок 3.4 — Логическая модель объектов анализа

3.5 Физическая модель данных

Рассмотренная логическая модель данных представляется в виде исходного файла в соответствии с требованиями, предъявляемыми к формату представления исходных данных для ПМК ANSYS. Файл имеет произвольное имя, выбранное пользователем по желанию. Расширение командного файла — bat. Порядок и формат данных оговаривается в разделе «Лингвистическое обеспечение».

Структура исходных данных представлена в таблице.1 в виде физической модели объекта.

Таблица 3.1 Описание структуры файла нормативно-справочной информации

Название поля

Тип, размер

Описание

Таблица Elements

11.

Category

Текст, 100

Категория объекта

.2.

Element

Текст, 100

Наименование объекта

33.

ModelPict

Графика, 1

Изображение объекта

44.

ElemType

Текст, 100

Тип элемента

55.

ModelConst

Мемо, 100

Константы объекта

66.

MaterialProp

Мемо, 100

Свойства материала

77.

ModelBuild

Мемо, 20

Команды построения объекта

Таблица Materials

11.

Material

Текст, 20

Материалы объектов

22.

EX

Текст, 10

Модуль упругости

33.

NUXY

Текст, 10

Коэффициент Пуассона

44.

DENS

Текст, 10

Плотность

4. Лингвистическое обеспечение

4.1 Выбор языка программирования

В качестве языка программирования мною был выбран язык Object Pascal в силу следующих его свойств:

объектная ориентация этого языка, позволяющая разрабатывать приложения проще и быстрее;

поддержка баз данных;

использование технологии визуального проектирования, позволяющее сосредоточить усилия не на разработке интерфейса, а на реализации логики программы.

В среде программирования Delphi для записи программ используется язык программирования Object Pascal. Программа на Object Pascal представляет собой последовательность инструкций, которые довольно часто называют операторами. Одна инструкция от другой отделяется точкой с запятой.

4.1.1 Идентификаторы и типы данных

Каждая инструкция состоит из идентификаторов.

Программа может оперировать данными различных типов: целыми и дробными числами, символами, строками символов, логическими величинами.

Язык Object Pascal поддерживает семь целых типов данных: shortint, smailint, Longint, Int64, Byte, Word и Longword.

Object Pascal поддерживает и наиболее универсальный целый тип — Integer, который эквивалентен Longint.

Язык Object Pascal поддерживает шесть вещественных типов: Reai48, single, Double, Extended, comp, Currency. Типы различаются между собой диапазоном допустимых значений, количеством значащих цифр и количеством байтов, необходимых для хранения данных в памяти компьютера.

Язык Object Pascal поддерживает и наиболее универсальный вещественный тип — Real, который эквивалентен Double.

Язык Object Pascal поддерживает два символьных типа: Ansichar и Widechar:

тип Ansichar — это символы в кодировке ANSI, которым соответствуют числа в диапазоне от 0 до 255;

тип widechar — это символы в кодировке Unicode, им соответствуют числа от 0 до 65 535.

Object Pascal поддерживает и наиболее универсальный символьный тип — Char, который эквивалентен Ansichar

Язык Object Pascal поддерживает три строковых типа: shortstring, Longstring, WideString:

тип shortstring представляет собой статически размещаемые в памяти компьютера строки длиной от 0 до 255 символов;

тип Longstring представляет собой динамически размещаемые в памяти строки, длина которых ограничена только объемом свободной памяти;

тип WideString представляет собой динамически размещаемые в памяти строки, длина которых ограничена только объемом свободной памяти. Каждый символ строки типа WideString является Unicode-символом.

В языке Object Pascal для обозначения строкового типа допускается использование идентификатора string. Тип string эквивалентен типу shortstring.

Логическая величина может принимать одно из двух значений True (истина) или False (ложь). В языке Delphi логические величины относят к типу Boolean.

4.1.2 Переменные

Переменная — это область памяти, в которой находятся данные, которыми оперирует программа. Когда программа манипулирует с данными, она, фактически, оперирует содержимым ячеек памяти, т. е. переменными.

Чтобы программа могла обратиться к переменной (области памяти), например, для того, чтобы получить исходные данные для расчета по формуле или сохранить результат, переменная должна иметь имя. Имя переменной придумывает программист.

В качестве имени переменной можно использовать последовательность из букв латинского алфавита, цифр и некоторых специальных символов. Первым символом в имени переменной должна быть буква. Пробел в имени переменной использовать нельзя.

Следует обратить внимание на то, что компилятор языка Object Pascal не различает прописные и строчные буквы в именах переменных, поэтому имена SUMMA, Summa и summa обозначают одну и ту же переменную.

В языке Object Pascal каждая переменная перед использованием должна быть объявлена. С помощью объявления устанавливается не только факт существования переменной, но и задается ее тип, чем указывается и диапазон допустимых значений.

В общем виде инструкция объявления переменной выглядит так:

Имя: тип;

где: имя — имя переменной;

тип — тип данных, для хранения которых предназначена переменная.

В тексте программы объявление каждой переменной, как правило, помещают на отдельной строке.

Если в программе имеется несколько переменных, относящихся к одному типу, то имена этих переменных можно перечислить в одной строке через запятую, а тип переменных указать после имени последней переменной через двоеточие.

4.1.3 Инструкция присваивания и выражения

Инструкция присваивания является основной вычислительной инструкцией. Если в программе надо выполнить вычисление, то нужно использовать инструкцию присваивания.

В результате выполнения инструкции присваивания значение переменной меняется, ей присваивается значение.

В общем виде инструкция присваивания выглядит так: Имя: = Выражение.

Выражение состоит из операндов и операторов. Операторы находятся между операндами и обозначают действия, которые выполняются над операндами. В качестве операндов выражения можно использовать: переменную, константу, функцию или другое выражение. При записи выражений между операндом и оператором, за исключением операторов DIV и MOD, пробел можно не ставить.

Результат применения операторов +, —, * и / очевиден.

Оператор DIV позволяет получить целую часть результата деления одного числа на другое. Например, значение выражения is DIV i равно 2.

Оператор MOD, деление по модулю, позволяет получить остаток от деления одного числа на другое.

В простейшем случае выражение может представлять собой константу или переменную.

При вычислении значений выражений следует учитывать, что операторы имеют разный приоритет. Так у операторов *, /, DIV, MOD более высокий приоритет, чем у операторов + и —.

Приоритет операторов влияет на порядок их выполнения. При вычислении значения выражения в первую очередь выполняются операторы с более высоким приоритетом. Если приоритет операторов в выражении одинаковый, то сначала выполняется тот оператор, который находится левее.

Для задания нужного порядка выполнения операций в выражении можно использовать скобки.

Выражение, заключенное в скобки, трактуется как один операнд. Это означает, что операции над операндами в скобках будут выполняться в обычном порядке, но раньше, чем операции над операндами, находящимися за скобками. При записи выражений, содержащих скобки, должна соблюдаться парность скобок, т. е. число открывающих скобок должно быть равно числу закрывающих скобок.

4.1.4 Процедуры и функции

При возникновении события автоматически запускается процедура обработки события, которую и должен написать программист. Задачу вызова процедуры обработки при возникновении соответствующего события берет на себя Delphi.

В языке Object Pascal основной программной единицей является подпрограмма. Различают два вида подпрограмм: процедуры и функции. Как процедура, так и функция, представляют собой последовательность инструкций, предназначенных для выполнения некоторой работы. Чтобы выполнить инструкции подпрограммы, надо вызвать эту подпрограмму. Отличие функции от процедуры заключается в том, что с именем функции связано значение, поэтому имя функции можно использовать в выражениях.

Процедура начинается с заголовка, за которым следуют:

раздел объявления констант;

раздел объявления типов;

раздел объявления переменных;

раздел инструкций.

В общем виде процедура выглядит так:

procedure Имя (СписокПараметров);

const

// здесь объявления констант

type

// здесь объявления типов var

// здесь объявления переменных

begin

// здесь инструкции программы

end;

Заголовок процедуры состоит из слова procedure, за которым следует имя процедуры, которое используется для вызова процедуры, активизации ее выполнения. Если у процедуры есть параметры, то они указываются после имени процедуры, в скобках. Завершается заголовок процедуры символом «точка с запятой».

Если в процедуре используются именованные константы, то они объявляются в разделе объявления констант, который начинается словом const.

За разделом констант следует раздел объявления типов, начинающийся словом type.

После раздела объявления типов идет раздел объявления переменных, в котором объявляются (перечисляются) все переменные, используемые в программе. Раздел объявления переменных начинается словом var.

За разделом объявления переменных расположен раздел инструкций. Раздел инструкций начинается словом begin и заканчивается словом end, за которым следует символ «точка с запятой». В разделе инструкций находятся исполняемые инструкции процедуры.

Функция начинается с заголовка, за которым следуют разделы объявления констант, типов и переменных, а также раздел инструкций.

Объявление функции в общем виде выглядит следующим образом:

function Имя (СписокПараметров): Тип;

const // начало раздела объявления констант

type // начало раздела объявления типов

var // начало раздела объявления переменных

begin // начало раздела инструкций

result: = Значение; // связать с именем функции значение

end;

Заголовок функции начинается словом function, за которым следует имя функции. После имени функции в скобках приводится список параметров, за которым через двоеточие указывается тип значения, возвращаемого функцией (тип функции). Завершается заголовок функции символом «точка с запятой».

За заголовком функции следуют разделы объявления констант, типов и переменных.

В разделе инструкций, помимо переменных, перечисленных в разделе описания переменных, можно использовать переменную result. По завершении выполнения инструкций функции значение этой переменной становится значением функции. Поэтому среди инструкций функции обязательно должна быть инструкция, присваивающая переменной result значение. Как правило, эта инструкция является последней исполняемой инструкцией функции.

4.2 Элементы входного языка

Группа входных языков предназначена для описания проектируемых объектов и управления процессом проектирования. Данную группу можно рассмотреть как язык взаимодействия проектировщика с системой в виде меню и шаблонов (бланков). При выборе операций по меню предложение системы представляет собой перечень фраз, слов или сокращений на естественном языке. Каждый пункт меню может быть помечен порядковым номером, мнемокодом команды или клавиши. Меню является по сути дела подсказкой. Реакцией на непомеченный список альтернатив может служить ввод ключевого слова или аббревиатуры, выбор строки курсором или вводом управляющего кода. Реакцией на выбор того или иного пункта меню будет выполнение соответствующих действий системой.

Заказ, полученный для разработки проекта, может содержать:

чертежи различных форматов (А4-А0), выполненных на бумаге, а также представленных в электронном виде — в файлах форматов. dwg,. bmp,. jpeg, для представления геометрической формы и более полной детализации модели;

текстовую информацию, представленную как на бумаге, так и в электронном виде — в файлах форматов. doc,. txt для более полного уяснения полученной задачи, для выявления обязательных характеристик системы и пожеланий самого заказчика к проектируемой модели.

Все эти данные должны быть использованы инженером-проектировщиком для создания командного файла формата. bat, понятного программе Ansys, который непосредственно будет формироваться в нашей программе, а в дальнейшем отправляться для расчётов в программу Ansys.

Данные, входящие в командный файл, будут являться входными, и в зависимости от задания могут содержать:

материал модели;

константы для формирования условий функционирования модели;

геометрические размеры;

формы и вид нагрузок;

тип интересуемого расчёта;

тип интересующего результата.

Носителями данной информации являются заказчики разработки и непосредственно разработчики, что касается электронной информации, она хранится на дискетах емкостью 1,44 Мб или на CD-дисках емкостью 700 Мб. Размеры файлов зависят от заказа и могут быть как малыми (? 1 Мб), так и большими (? 500 Мб).

На входных формах будут располагаться элементы следующих типов:

типа TEdit — для отображения названия проекта;

типа TSpinEdit — для выбора типа расчета и номера варианта;

типа TLabeledEdit — для отображения набора вводимых параметров (длина участков, нагрузка и т. д.);

компоненты типа TComboBox — для выбора единиц измерения параметров (м, Н и т. д.);

компонент типа TMainMenu — для осуществления работы с проектом в меню;

компонент типа TStatusBar — для отображения интерактивных подсказок;

компонент типа TSpeedBar — для дублирования команд меню на панели инструментов;

компоненты типа TButton — для перехода между формами.

4.3 Элементы промежуточного языка

Промежуточным языком является язык командного файла. Команды, используемые в командном файле, передаваемом ПК ANSYS, перечислены в таблице 4. 1

Таблица 4.1 — Команды П К ANSYS

Команда

Выполняемое действие

1

2

/filname

Имя файла

/title

Заголовок задачи

/prep7

Вход в препроцессор

antype, static

Тип анализа (статический)

et, 1, link1

Тип элемента (2D лонжерон)

r, 1, area, istrn

Реальные константы (площадь поперечного сечения, начальная деформация)

n, 1, 0, 0

Узлы (номер, Х-координат, Y-координата)

real, 1

Текущий набор реальных констант (номер)

е, 1, 2

Элементы (начало, конец)

d, all, ux

Закрепления (номер узла либо все)

/SOLU

Начало расчета

finish

Завершение расчета

/post1

Вход в постпроцессор

/OUT

Вывод в файл

*VWRITE

Данные для вывода

4.4 Элементы выходного языка

Выходные языки ориентированы на вывод полученных в результате проектирования проектных решений в виде проектной документации, которая имеет естественный язык и пояснений не требует:

распечатки результата расчёта как графического изображения (обязательно цветного) или как текстовых документов на формате А4 (Приложение, А — Шаблоны выходных документов);

сохранение результатов в графическом формате. bmp или в текстовых форматах. doc,. txt, в электронном виде на различных носителях: на дискетах емкостью 1,44 Мб или на CD-дисках емкостью 700 Мб, размеры файлов зависят от заказа и могут быть как малыми (? 1 Мб), так и большими (? 500 Мб).

Сообщения пользователю АРЗМ разделяются на сообщения-результаты проверки модели исследования и на сообщения об ошибках, предупреждения и информационные сообщения, выдаваемые в ходе работы с АРЗМ.

Результаты проверки модели исследования в зависимости от степени определенности нарушения разделяются на ошибки и предупреждения. В таблице 4.2 приводится перечень ошибок и предупреждений, возможных для каждого конкретного класса объектов модели исследования.

Таблица 4.2 — Перечень ошибок и предупреждений, выявляемых после проверки модели исследования.

Вид

Сообщение

1

Ошибка

Ошибочные данные

2

Предупреждение

Введены не все данные

Сообщения, выдаваемые по ходу работы, выдаются в диалоговых окнах. Вывод всех сообщений дублируются также в log-файл.

Сообщения об ошибках разделяются на критические, фатальные и исправимые.

Возникновение критических ошибок приводит к прерыванию работы с АРЗМ, выходу из программы и, возможно, к перезагрузке системы. Данный тип ошибок обуславливается только ошибками программирования АРЗМ, необнаруженных на этапе тестирования. При появлении такой ошибки выдается либо стандартное сообщение Windows «Программа выполнила недопустимую операцию и будет закрыта», при этом не представляется возможность сохранить текущую работу, либо выдается сообщение АРЗМ о необходимости прервать работу, сохранить текущую работу и выйти из программы.

Фатальные ошибки приводят к прерыванию обработки текущей выполняемой команды без нарушения целостности системы. Данный тип ошибок возникает из-за ошибок в описании модели исследования: неполное описание, взаимоисключающее и т. д. После появления такой ошибки необходимо проверить модель командами проверки и повторить процедуру.

Сообщения об исправимых ошибках информируют пользователя о таковой и переводят программу в диалоговый режим, предоставляя пользователю возможность скорректировать исходные данные либо прервать обработку.

Предупреждающие сообщения информируют пользователя о возможности появления ошибок в дальнейшем, либо о возможной некорректности исходных данных, которая может привести к большим погрешностям вычислений.

Информационные сообщения выдают пользователю порции вспомогательной информации о ходе работы, которая никак не отражается на процессе работы системы. Такая информация позволяет пользователю отследить ход вычисления или нескольких параллельных вычислений.

На выходных формах будут располагаться элементы следующих типов:

элемент типа TTreeView — для отображения дерева проектов;

элемент типа TGraphChildForm — для отображения графической информации проекта;

элемент типа TTextChildForm — для отображения текстовой информации проекта.

5. Программное обеспечение

5.1 Выбор базового программного обеспечения

При разработке дипломного проекта нами использовались следующие базовые программные средства:

ANSYS 6.0 (анализ модели, созданной в САПР «UIRZM-CAE»);

Borland Delphi 6.0 (среда создания САПР «UIRZM-CAE»);

Microsoft Word 2000 (оформление документации);

Macromedia Flash FX (создание мультимедиа-презентации);

InstallShield Express Borland Limited (создание программы инсталляции САПР «АРЗМ»).

Исходя из требований к САПР «АРЗМ», в качестве программы моделирования необходимо использовать ANSYS 6.0. Программа Ansys представляет собой компьютерный код для проектирования и выполнения конечно-элементного анализа. Она используется, чтобы выяснить, как выполненная проектная разработка будет вести себя в эксплуатационном режиме. Также программу ANSYS можно использовать для оптимизации соответствующего проекта при различных эксплуатационных режимах. В программе ANSYS можно работать в интерактивном или пакетном режиме. Пакетный режим означает функционирование программы ANSYS под управлением командного файла.

В качестве средств программирования выбрана среда Rapid Application Development (Быстрой Разработки Приложений) Borland Delphi 6.0 Interprise Edition. Выбор среды разработки обуславливается следующими соображениями. Во-первых, компиляторы языка Object Pascal разработаны для операционных систем Windows и Linux, что позволяет мобильно переходить от одной операционной системы к другой. Во-вторых, Delphi предоставляет широчайшие возможности по разработке пользовательского интерфейса. В-третьих, язык Object Pascal наиболее хорошо нами изучен, а также существует большое количество документации по среде проектирования Delphi.

В качестве средства оформления документации мы выбираем MS Word 2000, так как этот программный продукт представляет большие возможности при простом интерфейсе пользователя, а также наиболее широко используется в качестве стандартного офисного приложения.

Для оформления мультимедийной презентации мы используем Macromedia Flash MX, который относится к мультимедийным приложениям, как для Интернет, так и для автономных презентаций. К достоинствам Flash MX можно отнести следующие:

является наилучшим средством для организации Web-страниц, презентаций, художественного оформления иллюстраций;

является эффектной программой для создания анимации;

Flash — анимация воспроизводится значительно быстрее, чем Web анимация в формате GIF;

независимость от размера изображения;

простота использования;

автоматическое изменение масштаба в соответствии с размерами окна;

является эффективным инструментальным средством для создания графики и анимации, предназначенных для использования другими приложениями;

легкость сопряжения со звуковой дорожкой.

Для создания программы инсталляции «АРЗМ» мы выбираем InstallShield Express из комплекта поставки Borland Delphi 6.0 Interprise Edition. Эта программа создания инсталляции представляет удобный пользовательский интерфейс, а также поддерживает установку BDE на компьютер.

5.2 Выбор общесистемного программного обеспечения

Наша программа разрабатывалась для работы на компьютерах типа PC и работает только под руководством операционных систем с ядром Win32.

Программа ANSYS разрабатывалась для использования на рабочих станциях SUN, Silicon Graphics, DEC, а также суперкомпьютерах Cray. Все эти вычислительные системы используют в качестве операционной системы разновидности ОС UNIX. Также существует версия под MS-DOS, в 1997 году создана версия для работы в среде Windows.

ОС Windows характеризуется тем, что предоставляет приложениям возможность создания пользовательского интерфейса на высоком уровне эргономичности и удобства.

ОС UNIX является антиподом Windows — практически отсутствие графического интерфейса, за исключением дополнительно загружаемой графической подсистемы X-Window. В отличие от Windows, код UNIX специально рассчитан под используемое оборудование, что привело к отсутствию понятия Plug& Play, но зато дало возможность создания высокопроизводительных приложений, интенсивно использующих комплекс технических средств.

Так как пользователь работает с программами «АРЗМ» и ANSYS, на его машине достаточно установить операционную систему на базе Windows. Наиболее подходящая — ОС Windows ХР, являющейся недорогой, но в тоже время довольно мощной операционной системой, поддерживающей большинство современных технологий программирования.

5.3 Структура и состав прикладного программного обеспечения

САПР «АРЗМ» предназначена для интегрированного автоматизированного проектирования и анализа на основе программы ANSYS. Интеграция с нашей программой заключается в таком объединении этих программ, при котором пользователь, подготавливая модель, не задумывается, каким образом будет производится моделирование и анализ исследуемой модели.

В настоящее время системы проектирования и анализа развиваются двумя различными путями: улучшение интерфейса с пользователем и наращивание вычислительных возможностей. В связи с высокой конкуренцией эти два пути пересекутся, но в настоящее время степень пересечения незначительна.

В нашей системе для решения задачи обеспечения интеграции этих систем выбран подход асинхронного проектирования и моделирования: пользователь работает в среде «АРЗМ», в то время как автоматизированное моделирование производится в фоновом режиме. Интеграция заключается в эмулировании моделирования САПР «АРЗМ».

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой