Современные технологии проектирования

Содержание

1. Введение                                                                                                                                                                                       3

2. Технологии проектирования                                                                                                                                     4

3. Программа GeODin                                                                                                                                                            8

4. Программный комплекс Plaxis                                                                                                                            11

5. Программа AutoCAD Civil 3D                                                                                                                             13

6. Заключение                                                                                                                                                                             16

7. Список используемой литературы                                                                                                                  17

1.   Введение

    Определяющими факторами успеха в промышленном производстве являются уменьшение времени выхода продукции на рынок, повышение качества, снижение ее стоимости. Практическая реализация этих требований требует модернизации проектно-технологических и производственных процессов как в рамках отдельных предприятий, так и в условиях «расширенного предприятия», объединяющего всех поставщиков, соисполнителей и участников проектирования и производства продукции. В настоящее время наиболее радикальным средством решения задач модернизации является внедрение интегрированных информационных технологий на базе использования современных средств вычислительной техники и сетевых решений. К числу наиболее эффективных технологий, дающих весомый выигрыш в короткие сроки, принадлежат системы автоматизированного проектирования, инженерного анализа и технологической подготовки (системы CAD/CAM/CAE), а также системы управления производственной информацией (системы PDM).

       Первым, наиболее значительным результатом в области разработки программных средств САПР является создание интерактивных графических редакторов для работы с двумерными и трехмерными геометрическими объектами или, иными словами, систем автоматизированного черчения (CADD — Computer-Aided Design and Drafting). При глобальном рассмотрении все графические редакторы работают одинаково: для них определены элементарные геометрические объекты (примитивы), а также процедуры манипулирования с этими объектами (редактирование). Поэтому в таких редакторах реализованы упрощенные представления о процессе проектирования как о процессе создания геометрических объектов путем манипуляции с набором неких элементарных геометрических объектов — геометрических примитивов. Очевидно, что такие представления недостаточно точно отражают работу инженера-конструктора, не позволяют ему отличить ее от деятельности чертежника, которая полностью ограничивается рамками изготовления технической документации.

      Специализация графических редакторов для САПР привела к появлению целого ряда утилит, одни из которых встраивались в ядро редактора (например, утилита образмеривания), а другие предполагалось применять как независимые сервисные программы (утилита параметрического проектирования и пр.). Это, безусловно, улучшило эффективность использования САПР, но ничего не изменило принципиально. В настоящее время развитие программных средств САПР идет в направлении решения довольно небольшого круга проблем, к которым в первую очередь относятся: проблема эффективности твердотельного моделирования, проблема параметризации, а также проблема ассоциативности и программного интерфейса.

     Однако современное представление о процессе проектирования исходит из его «генетического» единства с процессом производства. С этой точки зрения проектирование является информационной моделью производства, а никак не процессом изготовления технической документации. Следует отметить, что ранее конструкторы не имели инструментов для проверки адекватности указанных процессов, поэтому и появилась специальность технолога, который, по сути дела, осуществляет «переформатирование» описания из форм, адекватных процессу проектирования, в форму, адекватную процессу производства. Но с появлением современных средств вычислительной техники стала возможна непосредственная передача информации от компьютеров к элементам производства (к таким, например, как станки с ЧПУ), хотя, как правило, необходимость изготовления технической документации сохраняется.

2.   Технологии проектирования

         Первые шаги в организации «единого информационного пространства» были предприняты в 1980-х годах в оборонном комплексе США, где возникла необходимость в обеспечении оперативного обмена данными между заказчиком, производителем и потребителем вооружений, а также в сокращении бумажного документопотока. Первоначально данная концепция получила обозначение CALS (Computer Aided Logistic Support — компьютерная поддержка поставок) и охватывала в основном фазы производства и эксплуатации. В дальнейшем концепция CALS начала активно применяться в промышленности, строительстве, транспорте и других отраслях экономики, расширяясь и охватывая все этапы «жизненного цикла» продукта — от маркетинга до утилизации.

В настоящий момент CALS понимается как Continuous Acquisition and Life Cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия. По своей сути CALS является глобальной стратегией повышения эффективности бизнес-процессов, выполняемых в ходе жизненного цикла изделия за счет информационной интеграции и преемственности информации, порождаемой на всех этапах жизненного цикла. Возможность совместного использования информации определяется применением компьютерных сетей и стандартизации форматов данных, обеспечивающей их корректную интерпретацию. Интегрированная модель продукта и обмен конструкторскими данными между проектировщиком и производителем является источником информации для расчета потребности в материалах, создания электронных справочников по эксплуатации продукта и т. д. Очевидно, что решение указанных проблем возможно только вследствие унификации способов представления, интерпретации и использования информации, которые реализованы в стандарте ISO 10303 STEP (Standard for the Exchange of Product). Модель изделия в соответствии с этим стандартом включает: геометрические данные, информацию о конфигурации изделия, данные об изменениях, согласованиях и утверждениях. Стандарт ISO 10303 STEP построен таким образом, что помимо базовых элементов (интегрированных ресурсов) в его состав входят так называемые прикладные протоколы, определяющие конкретную структуру информационной модели для различных предметных областей (автомобиле- и судостроение, строительство, электроника и т. п.). Стандартный способ представления конструкторско - технологических данных позволяет решать проблему обмена информацией между различными подразделениями предприятия, а также участниками кооперации, оснащенными разнородными системами проектирования. В рамках технологии CALS развиваются современные технологии управления производственной информацией, часто называемые PDM-сис - темами (Product Data Management). Они следят за большими, постоянно обновляющимися массивами данных и инженерно-технической информации. В отличие от баз данных, PDM-системы интегрируют информацию любых форматов и типов, поступающую от различных источников, предоставляя ее пользователям в структурированном виде, привязанном к особенностям современного промышленного производства. Системы PDM отличаются также и от интегрированных систем офисного документооборота, поскольку текстовые документы являются далеко не самыми «нужными» на производстве (куда важнее геометрические модели, данные для функционирования автоматических линий, станков с ЧПУ и т. п.). Системы PDM обобщают такие широко известные технологии, как управление инженерными данными (Engineering Data Management — EDM), управление документами, управление информацией об изделии (Product Information Management — PIM), управление техническими данными (Technical Data Management — TDM), управление технической информацией (Technical Information Management — TIM), управление изображениями и пр.

Иначе говоря, любая информация, необходимая на том или ином этапе жизненного цикла изделия, может управляться системой PDM, которая предоставляет корректные данные всем пользователям и всем промышленным информационным системам. Наряду с данными, PDM управляет и проектом — процессом разработки изделия, контролируя собственно информацию об изделии, о состоянии объектов данных, об утверждении вносимых изменений, осуществляя авторизацию и другие операции, которые влияют на данные об изделии и режимы доступа к ним каждого конкретного пользователя.

Системы PDM играют роль связующего звена между этапом инженерноконструкторской подготовки нового изделия и системами MRP

(Manufacturing Resource Planning) или, другими словами, разного рода АСУ, решающими задачи автоматизации управления финансами, складским хозяйством, снабжением и сбытом, а также техническим обслуживанием. О важности такого рода систем свидетельствует хотя бы такой факт, что только 25 % рабочего времени персонала компании, начиная от проектировщика и кончая руководителем проекта, тратится на собственно творческую работу, а остальное — на поиск информации и стыковку потоков данных, поступающих от разных подразделений. Часто оказывается, что проще заново разработать деталь, чем найти информацию, подготовленную некоторое время назад.

Место систем PDM в общей производственной цепочке показано на рис. 1.1. Они занимают промежуточное положение между системами MPR и системами CAD/CAM/CAE, которые в русскоязычной литературе называют одним термином — интегрированные САПР. В англоязычной литературе под указанными терминами понимают следующее:

CAD (Computer-Aided Design) — общий термин для обозначения всех аспектов проектирования с использованием средств вычислительной техники; обычно охватывает создание геометрических моделей изделия (твердотельных, трехмерных, составных), а также генерацию чертежей изделия и их сопровождений;

САМ (Computer-Aided Manufacturing) — общий термин для обозначения программных систем подготовки информации для станков с ЧПУ; традиционно исходными данными для таких систем были геометрические модели деталей, получаемые из систем CAD;

CAE (Computer-Aided Engineering) — общий термин для обозначения информационного обеспечения автоматизированного анализа проекта (прочностные расчеты, коллизии кинематики и т. п.) или оптимизации производственных возможностей.

Главное направление развития современных САПР— повышение их интеллектуальных функций, т. е. способности «понимать» намерения конструкторов. В простейшем случае в системе запоминается лишь «история» или последовательность шагов, выполняемых проектировщиком. 

Хранение

        САШСАМ/САЕ                     информации MRP

        Эскиз                                     Аудит             Финансы

        Деталировка                          Контроль        Склады

        Спецификация                      Планирование Заказы

       Сборочный чертеж '              процессов       Реализация

PDM

                                Рис.       1.1.      Взаимосвязь       систем      автоматизации

производственных процессов

       Такие системы удобны при создании библиотек стандартных деталей и элементов, но для более сложных ситуаций требуется более «интеллектуальная» реализация пользовательского интерфейса. Поэтому в САПР начинает все шире использоваться объектная технология, в соответствии с которой САПР не должны работать с файлами, они должны обрабатывать объекты. Объекты образуют собой «целостности», включающие множественные непротиворечивые представления одной и той же «сущности». Например, деталь может представлять интерес для дизайнера с позиции эстетики формы, для инженера с позиции вычислительной сложности поверхности, для технолога с позиции применимости процесса штамповки для ее изготовления. Объект позволяет объединить подобные представления, а это открывает прямой путь к эффективной реализации идей С-технологии, т. е. параллельного проектирования и инжиниринга (concurrent design and engineering).

С-технология (конструкторско-технологическое проектирование) — это принципиально новый, интегрированный подход к проектированию. В ее основе лежит идея совмещенного проектирования изделия, а также процессов его изготовления и сопровождения, координируемых с помощью специально создаваемой для этой цели распределенной информационной среды. Подобная технология позволяет использовать проектные данные, начиная с самых ранних стадий проектирования, одновременно различными группами специалистов. Например, в трех главных конструкторских бюро компании Boeing действуют 220 групп «проектирование—производство», которые координируют параллельные разработки и состоят из специалистов таких разнообразных областей, как конструирование, технология материалов, производство и взаимодействие с клиентами. С-технология обеспечивает устранение известных недостатков последовательного проектирования, в частности, в случае, когда ошибки проекта изделия неожиданно обнаруживаются на последних его стадиях. Кроме того, появляется возможность легко и быстро вносить изменения в проект, причем таким образом, чтобы изменения не вызывали повторного проектирования созданных деталей и узлов. Сегодня «перепроектирование» продолжает оставаться существенной затратной компонентой любой разработки.

В заключение следует обратить внимание на интересные инициативы в области САПР, возникшие в Германии. Они связаны с проблемой роста несовместимости решений, предлагаемых многочисленными производителями информационной техники, включая и CAD/CAM/CAE - системы. Решение этих проблем стало настолько насущным, что поставлен вопрос о стандартизации систем CAD/CAM/CAE и информационной техники в целом. Концерн Daimler-Benz выступил с предложением под названием «Инициатива по передовой информационной технике», которое поддержали British Aerospace, FIAT, Renault, SAAB, Volkswagen и многие другие компании. Другой проект под названием CAD2000 объединил компании Audi, BMW, Mercedes-Benz, Porsche, Volkswagen. Эти проекты пытаются решить громадную по масштабам и сложности проблему поиска стандартных решений, способных удовлетворить огромное множество прикладных требований от проектирования до изготовления, а также управления информационными данными и библиотеками стандартных компонентов.

3.   Программа GeODin

      Эта программа предназначена для обработки данных инженерногеологических изысканий.

Инженерно–геологические изыскания — необходимый этап предпроектного исследования территории, предусмотренной для строительства. Результаты, полученные на этом этапе, во многом определяют технологию проектирования и строительства, а также дают необходимые данные по характеристикам грунтов, которые используются при расчетном обосновании.

      Для решения задач обработки данных полевых и лабораторных исследований в рассматриваемой технологической цепочке предлагается использовать программу GeODin разработки немецкой компании FUGRO. Эта  программа позволяет выполнить не только обработку данных с получением необходимых графиков и таблиц, но также создать Базу Геологических Данных территории, которая может пополняться, корректироваться и использоваться при проектировании других объектов. На рисунках представлены графические материалы, полученные в GeODin в результате обработки данных инженерно — геологических изысканий.

Рис. 2. Колонка

Рис.3. Отчет по статическому зондированию

Рис. 4. Геологический разрез

4.   Программный комплекс Plaxis

        Данный комплекс предназначен для выполнения расчетного обоснования проекта, учитывающего совместную работу конструктивных элементов в сложной геотехнической системе «сооружение-основание» с учетом технологии строительства объекта и его дальнейшей эксплуатации. Для линейных сооружений прежде всего выполняются расчеты для обоснования проектов дорожных насыпей разного назначения. При выполнении этих расчетов инженер-проектировщик сталкивается с большим количеством сложных геотехнических задач. Эти задачи связаны с необходимостью учета в проекте ряда важных положений и факторов, к которым можно отнести:

•       геологическое строение неоднородного грунтового основания, свойства грунтов и протекающие в них механические процессы;

•       особые условия строительства, связанные с близостью существующих сооружений, наличием инженерных коммуникаций;

•       технологии строительства земляного полотна и технологии искусственного улучшения грунтов основания;

•       применение комбинированных строительных конструкций наземных и подземных сооружений и их взаимодействие с грунтом;

•       статические и динамические условия нагружения при строительстве и эксплуатации сооружения.

         Правильный выбор решения стоящих перед проектировщиками задач определяет высокие показатели экономичности и надежности возводимых и эксплуатируемых объектов транспортного строительства.

Одним из современных программных средств для геотехнических расчетов является программный комплекс Plaxis, представляющий собой пакет прикладных вычислительных программ для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния сложных геотехнических систем. Ниже приведены общие характеристики двух проектов насыпей автомобильных дорог и некоторые результаты их расчетного обоснования с помощью Plaxis.

         Первый пример связан с проектом насыпи участка кольцевой автомобильной дороги (КАД) вокруг Санкт-Петербурга, выполненным ОАО «Трансмост».

Инженерные изыскания выявили достаточно сложное геологическое строение участка со слабыми обводненными техногенными отложениями переменной мощности. Для усиления слабого грунтового основания по рекомендации «СоюздорНИИ» в проекте было предложено использовать грунтоцементные сваи, объединенные гибким ростверком из двух слоев георешетки «TENAX». Насыпь имеет облицовочную стенку с металлическими оцинкованными анкерами из арматурной стали и армирована геосинтетическим материалом «Stabilenka».

В качестве второго примера рассмотрен проект реконструкции участка автодороги «Раздольное — Хасан» в Приморском крае, выполненный ОАО «Ленгипротранс».

Результаты инженерно-геологических изысканий выявили сложное неоднородное строение грунтового основания, представленного слабыми водонасыщенными грунтами разного вида и состояния. Обеспечение общей и местной устойчивости земляного полотна дороги на слабом основании предусматривает устройство пригрузочных берм и укладку в тело насыпи геотекстиля «Stabilenka» с послойной отсыпкой песчаного грунта полным фронтом, его уплотнением и выдержкой по времени.

Приведенные ниже рисунки иллюстрируют некоторые результаты расчетов, выполненных с учетом основных этапов строительного периода и протекающего за это время процесса консолидации слабых водонасыщенных грунтов основания.

Полученные результаты позволяют оценить совместную работу насыпи и основания, а также работу отдельных конструкционных элементов сооружения. Программный комплекс Plaxis давно занимает ведущее место среди специальных компьютерных программ и пользуется заслуженной популярностью у инженеров-проектировщиков в различных областях строительства, как надежный и простой в работе инструмент проектирования.

Рис. 4. Вертикальные перемещения системы "основание-насыпь"  для автодороги "Раздольное - Хасан"

5.   Программа AutoCAD Civil 3D

      Программа предлагает технологию проектирования будущего. Использование этой программы позволяет решить задачи обработки данных геодезических изысканий (создания топоплана и цифровой модели рельефа) и проектирования транспортных объектов в единой информационной среде. Это практически исключает необходимость конвертации данных из одной программы в другую, что, как правило, связано с потерей времени, а иногда и самих данных. Но самое главное, в AutoCAD Civil 3D реализован подход проектирования дороги как единого трехмерного объекта. Необходимая рабочая документация — чертежи плана, профиля, сечений, ведомости и таблицы создаются на основе этой модели.

     Все объекты Civil 3D имеют логические связи между собой. Структуру этих связей можно проследить на следующей схеме:

Благодаря этой взаимосвязи, 3D модель проектируемого объекта является динамической, т.е. при изменении исходных данных она целиком обновляется. Например, после внесения изменений в данные о поверхности земли, обновляется продольный профиль, перестраивается коридор, меняются поперечники, пересчитываются объемы и вносятся новые параметры в таблицы и чертежи. Таким образом, вся работа ведется только на основе актуальных данных.

Данная динамическая трехмерная модель одновременно с мощным функционалом программы позволяют заметно сократить время рассмотрения нескольких вариантов, разработки проектов любой сложности, внесения изменений.

С помощью программы AutoCAD Civil 3D можно разрабатывать проекты как строительства новых, так и реконструкции существующих автомобильных и железных дорог, транспортных развязок и многих других объектов инфраструктуры.

В качестве примера, можно рассмотреть несколько типовых проектов, выполненных в программе AutoCAD Civil 3D.

Первый проект — это двухуровневая транспортная развязка типа «клеверный лист». В рамках этого проекта была создана трехмерная модель всего объекта. Исходными данными служили точки поверхности, трассы пересекающихся главных дорог с продольными профилями и типовые поперечники.

Учитывая геометрию поперечников, первоначально были запроектированы круговые съезды, а затем — правосторонние. Отвод поперечного уклона на съездах с 20% до 40% обеспечивался с помощью дополнительного продольного профиля по внешней кромке съезда.

Модели всех съездов и главных дорог были созданы как отдельные коридоры, что позволило определить объемы земляных работ и материалов отдельно по каждому съезду и по каждой дороге.

Второй проект — это реконструкция городской улицы. В рамках этого проекта были решены задачи реконструкции проезжей части проспекта с прилегающими тротуарами и сохранением красных линий.

Динамическая модель, создаваемая в программе AutoCAD Civil 3D, позволила быстро определить оптимальную отметку оси проезжей части, учитывая положение водосборных колодцев и отметки красных линий.

Третий проект — это реконструкция перекрестка. Для обеспечения водоотвода были запроектированы продольные профили по лоткам, а непростая геометрия описана с помощью дополнительных трасс. Привязка модели коридора к дополнительным трассам и профилям позволила учесть все нюансы городского перекрестка.

Работа в программе AutoCAD Civil 3D основана на работе с объектами и их типами, поэтому задавая новый тип можно легко менять вид объектов на экране или в чертеже. Такой подход дает возможность настройки на отраслевые стандарты оформления чертежей.

6.   Заключение 

      На сегодняшний день задачу автоматизированного проектирования в той или иной степени решают большинство проектных организаций, при этом вопрос коллективной работы и управления проектами зачастую остается нерешенным. Для решения такой задачи компания Autodesk предлагает приложение Vault, которое входит в поставку AutoCAD Civil 3D. Программа Autodesk Vault позволяет организовывать проекты, доступные пользователям с определенными правами. Преимуществом этой системы является возможность добавления к проектам и дальнейшей работы абсолютно с любыми файлами. Любое изменение фиксируется в журнале проекта, что позволяет отследить, кто и когда редактировал данные и, в случае необходимости, восстановить любую версию файла.

      Отличительной особенностью программы Autodesk Vault является интеграция ее в Civil 3D. Это позволяет получить доступ к проекту непосредственно из программы AutoCAD Civil 3D, а также создавать ссылки на отдельные объекты чертежа: поверхности, трассы, профили и др.

      Современные условия эксплуатации объектов инфраструктуры предъявляют постоянно возрастающие требования к проектным работам как нового строительства, так ремонта и реконструкции. Соответствовать таким требованиям можно лишь при условии внедрения новых технологий проектирования и использования современного программного обеспечения:

          GeODin для обработки данных инженерно-геологических изысканий;              Plaxis для геотехнических расчетов;         AutoCAD Civil 3D для проектирования.

7.  Список используемой литературы

1.     Взятышев В.Ф. Методология проектирования в инновационном образовании//Инновационное образование и инженерное творчество. - М.

2.     Пахомова Н.Ю. Метод учебного проекта в образовательном учреждении: Пособие для учителей и студентов педагогических вузов. - М.: АРКТИ. 

3.     Пахомова Н.Ю. Метод проектов. /Информатика и образование.

Международны специальный журнал: Технологическое образование. 

4.     Пахомова Н.Ю. Методика использования учебных проектов для изучения отдельной темы или крупного блока содержания. /Глобальные телекоммуникации в образовании" сб. докладов научно-практической конференции. М. 

 Интернет-Ресурсы: 

•      http://www.nipinfor.ru/publications/10065/

•      https://msd.com.ua/kompyuternoe-proektirovanie-i-podgotovkaproizvodstva-svarnyx-konstrukcij/sovremennye-texnologiiproektirovaniya-i-graficheskogo-modelirovaniya-2/