Разработка средств автоматизации проектной процедуры анализа статики в САПР электростатических подвесов

За последние годы работы по созданию принципиально новых видов железнодорожного транспорта практически не ведутся.

Как известно, в электромагнитном подвесе, вес подвешиваемого тела и действующих на него нагрузок уравновешивается силами магнитного или электрического поля, называемыми в электротехнике пондеромоторными, в результате такого уравновешивания осуществляется свободное «парение» (левитация) подвешиваемого тела без соприкосновения с окружающими предметами.

В настоящее время электромагнитные пондеромоторные взаимодействия достаточно хорошо известны и широко используются в технике, в том числе и для подвешивания железнодорожных транспортных средств, а электростатические — плохо изучены. Аналитические расчёты пондеромоторных электростатических взаимодействий сложны и в настоящее время выполнены лишь для простейших систем.

Пондеромоторные электростатические взаимодействия используются в различного рода устройствах — электростатических измерительных приборах, подшипниках и т. п. Они могут быть применены и для подвешивания транспортных средств. Срок службы электростатического подвеса определяется ресурсом работы электронной аппаратуры, но её надёжность столь высока, что безотказность гарантируется в течение нескольких десятков лет. Помимо этого, отсутствие износа, шума, возможность нормального функционирования в вакууме, агрессивных средах, широкий температурный диапазон делают такие подвесы всё более перспективными.

Объектом проектирования в данной диссертационной работе является электростатический подвес. Как известно из электротехники, электростатические подвесы по типу поддерживающего силового поля бывают двух видов — с регулируемым и нерегулируемым поддерживающим силовым полем.

Специалисты в области создания электростатических подвесов считают, что наиболее перспективным является подвес на основе зарядов в воздушной среде. Подвес такого типа относится к подвесам с нерегулируемым поддерживающим силовым полем, и представляет собой равномерно заряженные бесконечные нити в воздушной среде.

Именно этот вид электростатического подвеса и рассматривается в диссертационной работе.

Создание электростатического подвеса представляет собой довольно сложную техническую задачу, включающую в себя, в общем случае, все стадии функционального, конструкторского и технологического проектирования. Ни один из этих аспектов проектирования в полной мере не автоматизирован и традиционное выполнение проектных процедур чрезвычайно трудоёмко. Поэтому задача автоматизации всех проектных процедур, связанных с созданием электростатического подвеса является актуальной.

Автоматизация всех аспектов проектирования является достаточно сложной задачей, решить которую один человек не может.

Проектирование электростатического подвеса ведут различные специалисты, отдельно на этапе функционального, конструкторского и технологического проектирования.

Весь процесс проектирования начинается с решения задач функционального проектирования, которыми занимаются наиболее квалифицированные специалисты, именно на них и рассчитаны, предлагаемые в данной диссертационной работе, инструментальные средства автоматизированного проектирования.

В диссертационной работе рассматривается функциональное проектирование электростатического подвеса. На этапе функционального проектирования приходится решать множество задач, связанных с выполнением проектных процедур анализа и синтеза. Эти проектные процедуры плохо поддаются формализации и, отнимают значительные материальные и человеческие ресурсы.

В диссертационной работе решаются задачи, связанные с анализом статики электростатического подвеса:

• задача формулировки требований к системе подвеса,.

• задача выбора структуры подвеса,.

• задача расчётов параметров элементов подвеса,.

• задача расчёта выходных параметров подвеса (линейной /т и (или) А поверхностной fm плотности подъёмной силы), для решения которой проводится расчёт статических выходных параметров подвеса в различных статических режимах, с помощью многократного выполнения процедуры одновариантного анализа;

• задача поиска оптимальных значений внутренних параметров подвеса (линейной плотности заряда к1 /-ой нити и координатах i-ой нити (хг,.уг) в Декартовой системе координат) при заданной, в качестве целевой функции, поверхностной плотности подъёмной силы на железнодорожном транспорте, равной отношению веса вагона к занимаемой им площади на железнодорожном полотне, /жд~104Н/м2.

В процессе создания электростатического подвеса на этапе функционального проектирования возникает необходимость многократного проведения анализа и синтеза, что приводит к высоким затратам времени и сильно усложняет работу проектировщиков. Наряду, с вышеперечисленным, существуют проблемы, связанные с выбором математических моделей и алгоритмов, необходимых для создания такого рода устройств, что также повышает стоимость производимых проектных работ и затрат, в том числе, снижает экономическую эффективность от использования, полученных на этой стадии проектирования, результатов. Использование ПЭВМ позволяет автоматизировать функциональное проектирование и решить все эти проблемы, а значит: сократить материальные затраты, уменьшить сроки проектирования и повысить производительность труда проектировщиков.

Задачами диссертации являются:

1. Разработка и выбор функциональной математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий на метауровне проектирования.

2. Разработка алгоритмов и программ, применимых для анализа и синтеза математической модели подвеса.

3. Разработка и анализ новых систем подвеса с помощью САПР.

4. Разработка рекомендаций по применению методики математического моделирования для исследования пондеромоторных электростатических взаимодействий на этапе функционального проектирования подвеса.

При создании функциональной математической модели пондеромоторных электростатических взаимодействий, а также для анализа и синтеза различных систем подвеса были использованы:

• метод Гаусса,.

• метод изображений,.

• метод инверсии,.

• метод конформного отображения.

В диссертационной работе при проведении математического моделирования на этапе функционального проектирования электростатического подвеса применялись:

• методика построения математических объектов проектирования для создания функциональных математических моделей пондеромоторных электростатических взаимодействий на микро-, макрои метауровнях проектирования;

• методика разработки САПР для создания САПР.

При создании программно-методического обеспечения САПР применялись методы структурного и объектно-ориентированного программирования.

При анализе экономической эффективности САПР применялись следующие методы:

• метод сравнения соответствующих показателей в базовом и оцениваемом способах проектирования при полном обеспечении их сопоставимости;

• метод приведённых затрат (при расчёте годового экономического эффекта).

1. Л. А. Сена «Единицы физических величин и их размерности», М., «Наука», 1977.

2. Д. В. Сивухин «Общий курс физики», т. З, М., «Наука», 1977.

3. И. В. Савельев «Курс общей физики «, т.2, М., «Наука», 1973.

4. Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц «Теоретическая физика», т.8, М., «Наука», 1982.

5. Мик Дж., Крегс Дж. «Электрический пробой в газах», М., «Мир», 1970.

6. Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц «Электродинамика сплошных сред», т.8, М., «Наука», 1982.

7. Г. Корн, Т. Корн «Справочник по математике для научных работников и инженеров», М., «Наука», 1977.

8. И. П. Норенков, В. Б. Маничев «Основы теории и проектирования САПР», М., «Высшая школа», 1990.

9. Г. Г. Казеннов, А. Г. Соколов «Основы построения САПР и АСТПП», М., «Высшая школа», 1989.

10. В. А. Трудоношин, Н. В. Пивоварова «Математические модели технических объектов», М., «Высшая школа», 1986.

11. П. К. Кузьмик, В. Б. Маничев «Автоматизация функционального проектирования», М., «Высшая школа», 1986.

12. В. М. Черненький «Имитационное моделирование», М., «Высшая школа», 1990.

13. А. Н. Данчул, Л. Я. Полуян «Системо-технические задачи создания САПР», М., «Высшая школа», 1990.

14. В. И. Артемьев, В. Ю. Строганов «Организация диалога в САПР», М., «Высшая школа», 1990.

15. А. В. Петров, В. М. Черненький «Проблемы и принципы создания САПР», М., «Высшая школа», 1990.

16. И. П. Норенков «Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем», М., «Высшая школа», 1986.17.