Разработка системы Автоматизированное решение задач механики

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. Промышленная экология
9.1 Понятие экологии
9.2 Характеристика предприятия, как источника загрязнения атмосферного воздуха
9.3 Расчет вредных выбросов в атмосферу
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: ΣFx =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.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать полную версию