AUTOMATION OF DESIGN PROCESSES WHEN CREATING AND OPERATING SPECIAL CARS

Full Text

Введение Структурированность расчетных процессов начинается с создания объектно-ориентированной парадигмы. Раз- бивая приложение на основные элементы программа соз- дает классы для расчета, визуализации и формирования конструкторской документации проекта. Общая концепция будущей машины представляется в трехмерном видении. Объектно-ориентированное направление решения задачи выполняется при помощи мощного Computer Aided Software Engineering средства структурно-функционального анализа и моделирования с применением среды реализации IBM Rational Rose на языке Unified Modeling Language (UML). Программный продукт IBM Rational Rose позволяет строить профессиональные диаграммы UML с последующей ком- пиляцией на любой известный язык объектно-ориентиро- ванного программирования. Создание расчетных программ выполняется творческим коллективом разработчиков, осво- божденных от рутинных операций. В процессе разработок предложены новые реализации роторно-винтовых машин с уникальными запатентованны- ми конструкциями подвесок [8; 9], снижающих колебания машин (рис. 1). image image Рис. 1. Вездеход, оснащенный четырьмя движителями-роторами и имеющий упруго-вязкую подвеску Масштабирование расчетных и визуализированных процессов Закончилась эра программистов-одиночек. Современ- ные индустриальные рельсы программных продуктов по- зволяют выполнять масштабируемые программные систе- мы, дающие возможность проектировщику не владеющему языками программирования создать концепцию интерфейса для отображения необходимых расчетов. В данном случае великолепие пакета IBM Rational Rose Enterprise Edition по- зволило отобразить алгоритмы решения задач при помощи графически-понятных объектов языка UML (Unified Modeling Language). Расчет динамической нагруженности специальных ма- шин, оснащенных длинными винтовыми роторами структу- рирован при помощи диаграммы вариантов использования Use case - концепции проектируемой системы, содержащей список операций и классов решения проблематики. Описав поведение объектов системы на диаграмме Use case (рис. 2), программист последовательно уточняет их с за- казчиком. Процессы выполнения отдельных операций эле- ментами системы отображаются при помощи диаграммы последовательности (рис. 3). Главный акцент диаграммы последовательности - четкое осуществление порядка и динамики поведения отдельных событий. image Рис. 2. Диаграмма вариантов использования (Use Case) решения задачи автоматизации рабочих процессов Визуализация особенностей предложенных атрибутов и операций классов для представления алгоритмов их выпол- нения осуществляется при помощи диаграммы активности. Интуитивно понятный интерфейс диаграммы не представит особой сложности даже не продвинутому пользователю ин- формационной системы. Элементарные операции, выпол- няемые классами системы располагаются на «плавательных дорожках» - элементах, определяющих границы существо- вания отдельных объектов в системе. При помощи диаграммы активности весьма удобно ото- бразить масштабируемость системы, так как есть возмож- ность выполнения пакетов отдельных задач проектируемого продукта. Результатом активности может быть изменение состояния системы или возвращение заданного значения. Сценарии поведения объектов диаграммы активности при- водят к определению непосредственных задач и структур отдельных объектов и классов системы. Для выполнения непосредственно интерфейса расчетной базы в контексте объектно-ориентированного подхода необходимо перей- ти к созданию диаграммы классов. Ориентируясь на язык реализации С++ выполняется ключевая диаграмма Rational Rose - диаграмма классов (рис. 5). Взаимосвязи отдельных сущностей предметной области, их внутренняя структура и типы отношений представляются при помощи графов. Далле на основе диаграммы классов создается внутрен- няя структура системы, описывается наследование и взаим- ное положение классов друг относительно друга. В диаграм- ме классов описывается логическое представление системы. Классы - заготовки объектов, на основе которых будут опре- делены физические объекты. Завершение работы с объектно-ориентированной про- ектной системой IBM Rational Rose Enterprise Edition проис- ходит автоматический переход в процессор мощного про- граммного средства Microsoft Visual C++ [4, с. 361] где будут созданы шаблоны библиотек MFC (Microsoft Foundation Classes) с целью реализации интерфейса расчетной базы. image Рис. 3. Диаграмма последовательности (Sequence diagram) реализует разворот взаимодействия объектов проектируемой системы во времени image Рис. 4. Диаграмма активности (Activity diagram) для выполнения алгоритма работы информационной системы image Рис. 5. Диаграмма классов (Class diagram) реализует концепцию объектов системы Интеграция диаграмм реализации проекта в интерфейс программы Проведя генерацию кода на алгоритмическом язы- ке из диаграмм и выполнив структуру интерфейса можно получить готовый программный продукт для реализации расчетов отдельных агрегатов специальных дорожных ма- шин. На рис. 6 представлен визуализированный интерфейс расчета основных параметров роторно-винтовой машины, созданный в процессе работы над заданием выпускной ква- лификационной работы Н.А. Иванчук Следующим этапом масштабируемой информационной системы бало подклю- чение библиотек для непосредственного расчета отдельных характеристик машины, являющихся важными в процессе эксплуатации. image Рис. 6. Один из итогов работы над проектом - создание единой базы данных машин с длинными винтовыми роторами Применение современных информационных техноло- гий, таких как Visual Studio и, грамотно настроенного паке- та IBM Rational Rose Enterprise Edition, адаптированного для совместного проектирования и консолидированного с Mic- rosoft Visual C++ позволяет создать программу для поиска, расчета и отображения машины, имеющей необходимые параметры для выполнения поставленной задачи. Стратегия расчета динамики роторно-винтовой машины на пассажиров. Поэтому, для расчетов подбора элементов упруго-вязкой подвески роторов, автором были примене- ны специальные расчетные системы уравнений, отдельным этапом в которых производился введение уравнений ли- нейной зависимости перемещений крайних точек шнеков- роторов. При построении системы уравнений виброперемеще- ний роторно-винтовой машины по колебательной визуали- зированной системе (рис. 8) были пременены следующие обозначения: Z0, φ, X0, α, Y0, β - углы поворота кузова ма- шины и характеристики перемещения центра тяжести; z1, z2, Расчет динамики роторно-винтовой машиной - пракz , z - перемещения по вертикали точек кузова; x , x , x , 3 4 1 2 3 тически стратегическая задача. Для просторов нашей роx4 - перемещения по горизонтали продольные точек кузодины вездеходный автомобиль, не имеющий ограничений ва; y , y , y , y - перемещения по горизонтали поперечные 1 2 3 4 в опоной поверхности (роторно-винтовая амфибия не может перемещаться только по асфальту). Существенным не- достатком РВМ является ее высокая вибронагруженность. точек кузова. Перемещения движителей-роторов машины представля- ются векторами ξ , ξ , ξ , ξ . Когда РВМ наезжает на препят- 1 2 3 4 Движетели - роторы имеют весьма длинный линейный контакт с опорной поверхностью. Ожидать, что под каждым из роторов окажется идентичная опорная поверхность - ствие усилие срабатывания подвески передается основанием шнека на заднюю подвеску, следовательно, величины ξ2, ξ напрямую влияют на перемещения ξ , ξ рис. 2: 3 задача не реальная. Как ни удачно бы решали поставленные задачи математические процессоры, основу расчетной формульной базы создает человек, ориентируясь на знание законов физических процессов, протекающих в агрегатах 1 4 1  sin L  2 ; 4 3    sin L   . (1) автомашины. Из рис. 7 видно насколько грамотно подобранная пру- жинная подвеска машины может снизить колебания кузова РВМ и уменьшить негативное влияние вибронагружения Справедливо заметить, что система уравнений 3, когда перемещения координат движителей зависимы друг от друга: ξ1 от ξ2 и ξ4 от ξ3 справедлива только при решении задач динами РВМ. Z0 image Z0 φ φ β α X0 1 x1 α X0 β 1 y1 x1 y1 Y0 b1 B b Y0 z1 1 z B 1 2 x2 2 y2 2 x ξ 2 y2 ξ2 z2 z2 b2 ξ 1 ξ1 b2 x4 4 3 x3 4 x4 3 ξ4 y3 ξ4 x3 y3 y4 z3 y4 z4 z4 z3 ξ 4 ξ4 l1 l2 l l L 1 2 L Рис. 7. Расчетная визуализированная система определения нагружений на движители роторно-винтовой машины Z0 φ z1 z2 image z1 Z0 z2 x1 x2 φ y1 y2 x1 x2 b1 y1 y2 B b1 ξ 2 ξ2 ξ 1 B ξ1 X0 b2 X0 α z 2 b α z4 z3 4 z3 β x4 x3 β Y0 y4 y3 x4 Y0 x3 y y4 3 ξ4 ξ 4 ξ 4 ξ4 l1 l2 l l 1 2 L L Рис. 8. Колебания роторно-винтовой машины в системе координат Силы Zn, Xn, Yn взаимодействия масс машины (см. рис. 8) в процессе расчетов полностью реализуют динамические процессы упруго вязкой подвески машины. Zp - сила от рабо- ты упругого элемента и Za - от гасящего воздействия аморти- затора, объединяются силой Zn. Система уравнений, постро- енная по закону Лагранжа, сил Zn, Xn, Yn выглядит следующим образом: Zn  2Cp z1   1   2k1 z 1   1 ;  кузова машины относительно роторов в горизонтальном положении, т.е. происходит колебание машины вдоль оси Z0 и повороты при изменении углов α и β. Соответственно обобщенные системы дифференциальных уравнений при- нимают вид. Для неподрессоренных масс: m2  1  sin L  2k 2 1 z 1  z 2  sinL     2! p 21 z1  z2  sin L  Hz t ;  1 1   (3) Zn  2Cp z2   2   2k2 z 2   2 ;  m2  4  sin L  2k 2 4 z 4  z 3  sinL  2 2   3 3 Zn  2Cp z3   3   2k1 z 3  ξ 3 ;  2! p 24 z4  z3  sin L  Hz t .   Zn  2Cp z4   4   2k4 z 4   4 ; (2) Xn1  Zn1 tg; Xn2  Zn2 4 4  tg;   И для подрессоренных масс: Yn  Zn tg ; Yn  Zn tg; 1 1 2 2   M Z 0  2k z 1  z 2  z 3  z 4   4k  1  sin L   4     n n  X  Z tg; 3 3 Yn  Zn tg ; n n X  Z tg; 4 4 Yn  Zn tg.  2! p z1  z2  z3  z4   4! p 1  sin L  4   Hz t ;   3 3 4 4  z p 1 2 4 3 M2   2! bz  z  z  z   4! p b1  sin L  4    (4) Связь силовых и геометрических характеристик в урав- нениях динамики в данном случае позволила отобразить 2kbz 1  z 2  z 4  z 3   4kb 1  sin L   4   M t ;  2  проблематику пространственных перемещений РВМ при пе- Mz   2! p l z  z  z  z   4! pl sin L   ремещении машины по бездорожью. Для подрессоренных и неподрессоренных масс M и m1, 2 выводятся системы урав- 1 4 2 3  2kl z 1  z 4  z 2  z 3   4kl sin L  M t .  нений равновесия (3) для неподрессоренных масс и уравнения равновесия для подрессоренных масс (4). Колебания являются пространственными, перемещения кузова машины на подвеске не ограничены во всех направ- лениях, что в реальности практически невозможно. Предло- женная запатентованная конструкция роторно-винтовой ма- шины явственно демонстрирует ограничение перемещений Продолжение решения представленных дифференциальных уравнений второго порядка приводит к получению систем уравнений ужасающего вида. Современные матема- тические пакеты позволяют производить решение и более сложных систем уравнений. Но, не смотря на весьма дру- жественный интерфейс инженеру-машиностроителю порой не хватает времени для его изучения. Поэтому, для решения формул динамики машины и анализа построенного множества амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик предложена объектно-о- риентированная система, полученная в ходе реализации исследований. Выбор оптимальных значений жесткостей пружин и коэффициентов сопротивления амортизаторов получается при анализе полученных автоматизированным путем графиков. Автоматизированное представление частотных характеристик Совмещая процессы ручного описания формул динами- ческого процесса, протекающего в элементах упруго-вязкой подвески роторно-винтовой машины, и автоматизирован- ного представления амплитудно- и фазо-частотных характеристик можно получить наглядное представление графиков, благодаря которым и производится подбор жесткости пру- жин и коэффициентов сопротивления амортизаторов рис. 9 и рис. 10. Теоретические и практические манипуляции параметра- ми упруго-вязкой подвески позволяют инженерам создать машину, имеющую оптимальные критерии вибронагружен- ности. Удобный и интуитивно-понятный интерфейс расчет- ной базы не позволит затратить много времени на рутинные расчетные процессы. Синтез-методология объектно-ориен- тированного программирования вывела на новый уровень процесс совместной работы системного администратора проектируемой информационной системы и инженера-со- зидателя, проектировщика новых машин, в значительно степени увеличив скорость и производительность проекти- ровочных процессов. image |Wa|, м/с2 8 6 4 2 0 2 4 6 8 0 0 2 4 6 8 f, Гц f, Гц 0 image |Wa|, м/с2 12 10 8 6 4 2 Рис. 9. Амплитудно-частотные характеристики, полученные для разных значений коэффициентов сопротивления амортизаторов и жесткостей пружин роторно-винтовой машины Θ° image 0 2 4 6 8 10 f, Гц image Θ° 0 2 4 6 8 10 f, Гц Рис. 10. Фазо-частотные характеристики, полученные для разных значений коэффициентов сопротивления амортизаторов и жесткостей пружин роторно-винтовой машины Выводы В представленных изысканиях получены следующие ре- зультаты: Получены современные информационные методологии расчетов и визуализации рабочих процессов дорожных ма- шин на основе CASE технологий. Разработаны модели автоматизации и информатизации для оптимизации процессов выбора специальных машин, оснащенных длинными винтовыми роторами. Получена программа, предназначенная для автоматиче- ского определения операций выбора действий и расчетов, рекомендуемых при определении наилучших параметров и характеристик движителей роторно-винтовых машин. Создана информационно-справочная система по строи- тельным и дорожным машинная при использовании современных мультимедийных и веб-технологий, которая позво- ляет наглядно просматривать и быстро производить подбор необходимой машины по заданным характеристикам. Заключение В настоящей работе целью поставлены предопределе- ние общей структурированной информационной направлен- ности в дорожной отрасли на ближайший период, которая должна быть реализована в достижении требуемого эффек- та при минимизации затрат финансовых и трудовых ресур- сов, а так же повышение эксплуатационных качеств (плав- ности хода, комфортности) специальных дорожных машин, оснащенных длинными винтовыми роторами, путем при- менения новых математических аппаратов и конструкций вибро- и шумопогасающих элементов машин.

About the authors

Irina Gennadevna Kuklina

Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering

Email: istkuklina@rambler.ru
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Information Systems and Technologies; associate professor of the Department of Information Systems and Technologies Nizhny Novgorod, Russian Federation

References

Supplementary files