Исследование и разработка подсистемы САПР гетерогенных конструкций электрических машин

В проектировании электрических машин часто встречаются конструкции, обладающие свойствами гетерогенности, т. е. состоящие из физически разнородных компонентов [13]. Количество таких компонентов может варьироваться от единиц до сотен или тысяч компонентов в одном сборочной единице. Так как эти компоненты входят в сборочную единицу, они определяют ее свойства, такие как масса, объем, габаритные размеры, центр тяжести, функциональные и технологические характеристики, поэтому при проектировании, свойства этих компонентов обязательно должны быть учтены. САПР, имеющие развитые средства геометрического моделирования обеспечивают успешное решение конструкторских задач только в том случае, когда геометрическая модель отражает все конструкционные требования к проектируемому изделию. Но в конструкции электрической машины встречаются такие компоненты, которые по своим физическим свойствам тяжело поддаются моделированию, тем самым, усложняя проектирование в САПР (жидкие элементы, обмоточная изоляция, многослойные прокладки с неоднородными свойствами и т. д.). К примеру, важным условием, предъявляемым при моделировании компонента, представляющего жидкость является то, что при неизменном объеме, геометрия модели этого компонента должна изменяться в соответствии с геометрией граней окружающих компонентов, с которыми она вступает в контакт. Смоделировать в стационарном состоянии этот компонент возможно, если форма окружающих граней достаточно проста. Если форма сложна и к тому же изменчива и при этом происходит количественное изменение граней, с которыми граничит модель компонента (вырождение поверхностей, дробление и замещение поверхностей) — задача моделирования становится достаточно сложной. Второй аналогичный пример — моделирование изделии из эластичных материалов в конструкциях, узлы которых в силу конструкционных особенностей изделия испытывают некоторые перемещения или деформации, что приводит к изменению формы. Эти перемещения описываются системами дифференциальных уравнений в частных производных, которые решаются на практике методом конечных элементов. Этот процесс является дорогим и отнимающим слишком много времени, а затраты на него зачастую не окупаются полученными результатами. Существуют более сложные примеры, когда в модели сборочной единицы сочетаются различные компоненты с описанными выше свойствами, например как показано на рис. 1,.

1 23.

ШИШ.

4 5 6.

Г уГ~.

Я X X гшш.

МЫЫ iiiiiiiiiiiii.

VVVVVVVV V S7.

Рис. 1. Сечение сборочной единицы, состоящей из разнородных компонентов.

1,4,5 — диэлектрические прокладки- 2 — медный проводник- 3,6 — обмоточная изоляция- 7 — замазка.

При геометрическом моделировании подобных сборочных единиц необходимо определить те важнейшие свойства, которые нужно получить от входящего компонента для дальнейшего моделирования. Эти свойства могут отражаться как параметрическими, так и геометрическими характеристиками (в большинстве случаев это геометрическая информация). После моделирования сборочной единицы ее внутренняя структура проектировщику интересна, как правило, лишь тогда, когда он приступает к ее редактированию. Если при формировании модели подобного сборочной единицы пытаться полностью смоделировать каждый входящий в нее компонент, возникнут следующие проблемы:

— весьма высокая трудоемкость;

— повышенная загрузка системных ресурсов графической станции;

— сложность параметризации конечной геометрической модели;

— повышенная продолжительность регенерации геометрии модели.

При обычном подходе к моделированию таких разнородных сборочных единиц, как правило, становится невозможной не только параметризация, но и моделирование отдельных входящих в нее компонентов. В то же время, если рассматривать конструкционные требования, предъявляемые к модели детали или сборочной единицы для дальнейшего проектирования изделия, а также требования ко всей моделируемой конструкции в целом, зачастую оказывается, что внутренняя структура многих единиц или наборов компонентов в объемном представлении не требуется. В большинстве случаев нужны только отдельные параметры и характеристики, которые определяются набором критических для данных компонентов сечений, а то и вообще один параметр. Аналогию здесь можно провести следующую: при конструкционном моделировании однородной детали не моделируют ее кристаллическую решетку и атомарную структуру, вместо этого, чтобы задать физические свойства такой модели используют одну физическую величину — плотность. В этом случае можно получить большинство физических свойств компонента (масса, центр тяжести и т. д.). Отсюда вытекает вопрос: нужно ли моделировать полностью все компоненты в гетерогенных конструкциях?

Цель трехмерных систем автоматизированного проектирования заключается в том, чтобы получить информационную модель конструкции, достаточную для проверки конструктивных решений и ее изготовления. Следовательно, каждый входящий компонент конструкции, смоделирован он или нет, должен быть отражен в ее информационной модели.

К вопросу моделирования гетерогенных конструкций так же относится вопрос параметризации геометрической модели конструкции в целом (описание функциональных свойств проектируемого объекта через систему уравнений). Какие параметры вводить, как и по каким условиям их создавать, как определять взаимосвязи параметров и как просматривать взаимосвязи в конечной модели. Эти механизмы в той или иной форме присутствуют в САПР, но они не так развиты, чтобы охватить проблему целиком. Задача параметризации, это задача не однозначная. Большей частью она основана на интуиции и опыте проектировщика и к тому же в одной и той же конструкции при изменении тех или иных технических и технологических требований могут серьезно измениться требования к модели. Это все целиком зависит от начальных условий, которые изменяются от проекта к проекту. Собственно, задача параметризации сводится к управлению параметрами модели и свойствами информации. Чтобы рассматривать параметрические зависимости всей модели конструкции, нужны специальные исследования.

В идеале, вся модель должна управляться только теми параметрами, которые даются в качестве исходных данных при проектировании изделия. Это накладывает на параметрические условия строгие ограничения, они должны отрабатываться строго в соответствии с логическим управлением всей информационной моделью изделия, т. е. должна существовать прямая связь между параметрами исходных данных и параметрами, лежащими на самом удаленном уровне дерева построения модели. Если эта связь обеспечивается, то модель изделия будет восприимчива к более широкому диапазону изменения исходных данных.

В работах, посвященных автоматизации проектирования и производства электрических машин [1, 14, 19, 27, 52, 54] рассматриваются подходы, связанные с автоматизацией расчетных, конструкторских и технологических проектных процедур. Приводятся математические модели и алгоритмы расчета конструкционных единиц и деталей. Вопросов, касающихся моделирования гетерогенных конструкций электрических машин не рассматривается.

В соответствии с изложенными обстоятельствами, разработка компонентов подсистемы автоматизации проектирования гетерогенных конструкций электрических машин и построение на их базе инструментов САПР, учитывающих описанные выше проблемы, является актуальным.

Предлагаемое в диссертационной работе решение описанной выше проблемы — это разработка в конструкторском моделировании методологии формирования информационной модели, позволяющей геометрическими и параметрическими методами аккумулировать в себе информацию по геометрическим, функциональным, технологическим и вспомогательным свойствам всей сборочной единицы или выбранного в ней набора деталей, моделирование которых является нецелесообразным. Геометрические объекты, сформированные с учетом такой информационной модели, предлагается в дальнейшем называть геометрическими гетерогенными объектами (ГГО). Реализация этой задачи возможна на разработке новой методологии конструкторского моделирования и соответствующего лингвистического и программного обеспечений подсистемы САПР гетерогенных конструкций электрических машин.

Основываясь на этом предложении, проектируемая гетерогенная конструкция может быть представлена единым геометрическим объектом, содержащим в себе информацию по внутренней структуре, на базе которой можно получить необходимую для проектирования и производства информацию по входящим в нее компонентам. Такой вид представления конструкции может широко применяться при проектировании средствами САПР, так как он позволит исключить значительное количество операций, которые пришлось бы создавать при существующем способе геометрического моделирования сборочных единиц.

Основные выводы и результаты работы.

Работы по диссертации проводились в отрасли энергетического машиностроения. Основные результаты проведенных работ сводятся к следующему:

1. Исследованы принципы и подходы построения современных САПР в области проектирования электрических машин, а так же методы конструкторского моделирования сложных изделий.

2. В качестве метода, позволяющего упростить моделирование сложных гетерогенных конструкций электрических машин, предлагается использование нового метода геометрического моделирования — представление гетерогенной конструкции электрической машины или набора ее компонентов в виде единого геометрического объекта. Введено определение типа этого объекта — геометрический гетерогенный объект.

3. Определены критерии моделирования геометрических гетерогенных объектов и разработаны алгоритмы, позволяющие осуществлять их верификацию на предмет соответствия этим критериям.

4. Предложена методика переноса информационной модели гетерогенной конструкции или набора ее компонентов в единый геометрический объект — формирование структуры геометрического гетерогенного объекта.

5. Проведен анализ процессов моделирования гетерогенных конструкций электрических машин. Исследованы геометрические модели, алгоритмы и методы их построения.

6. Разработана обобщенная методология моделирования геометрических гетерогенных объектов и их классификация. Предложена структура программного обеспечения САПР, позволяющая реализовать разработанные методы моделирования.

7. Реализована генерация программного кода на основе классов гетерогенных объектов в среде САПР UNIGRAPHICS. Разработано описание и методика применения программного обеспечения моделирования гетерогенных объектов.

8. Тестирование разработанного программного обеспечения в сравнении с традиционными способами геометрического моделирования показало следующие преимущества его использования: существенное уменьшение загрузки ресурсов графических станций (в некоторых случаях достигает 75%) и сокращение количества операции моделирования, что в совокупности приводит к уменьшению трудоемкости моделирования и уменьшению времени проектирования сложных гетерогенных конструкций электрических машин.

9. Разработанное программное обеспечение внедрено в филиале ОАО «Силовые машины — Электросила», СПб, на базе САПР Unigraphics.

Программное обеспечение на базе разработанной методологии геометрического моделирования геометрических гетерогенных объектов может быть реализовано во всех САПР, имеющих параметрическое геометрическое ядро (parametric modeler). Разработанная информационная модель и методология ее формирования может быть применена во всех отраслях, где используются средства трехмерного геометрического моделирования.