Системы автоматизации расчетов машиностроительных конструкций в САПР

Последовательность применения МКЭ в САПР для расчета напряжений, деформаций и температур в моделях объектов.

1. Объект разбивается на конечные элементы, связанные в узлах (треугольники или четырехугольники для двухмерных моделей и тетраэдры, призмы, параллелепипеды – для двухмерных), которые образуют сеть конечных элементов. Сеть КЭ может создаваться автоматически или вручную проектировщиком.

2. В соответствующих узлах прикладываются нагрузки и указываются закрепления.

3. Выполняется расчет МКЭ напряжений (температур) и деформаций во всех узлах объекта.

4. Осуществляется визуализация результатов в виде таблиц численных значений напряжений и деформаций в узлах сети КЭ или в виде изолиний напряжений. Для удобства анализа результатов цвет изолиний зависит от величины напряжений, а деформации объекта представляются в виде утрированно больших значений.

5. Осуществляется анализ результатов с целью определения высоконагруженных и недогруженных частей объекта.

6. На основании анализа изменяются конфигурация и параметры объекта с целью приближения к равнонапряженному его состоянию.

7. Проводится следующий имитационный эксперимент над измененной моделью.

8. Этот процесс выполняется до тех пор, пока модель объекта не будет удовлетворять предъявляемым к ней требованиям.

Системы должны быть реализованы в виде комплекса компьютерных программ, которые составляют инструментальную основу автоматизации расчетов машиностроительных конструкций в процессе проектирования, позволяющую получать рацио­нальные геометрические размеры элементов машиностроительных конструкций. Эти системы включают про­граммы расчета энергетических и кинематических параметров, прочности, жесткости и устойчивости, выносливости, надежности и износостойкости, динамических характеристик, с помощью которых можно выполнить автоматизированные расчеты:

- соединений деталей машин и элементов конструкций, включая ком­плексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных соединений и соеди­нений деталей вращения;

- всех типов зубчатых передач, а также червячных, ременных и цепных передач, и выполнения чертежей элементов этих передач в автоматическом режиме;

- винтовых передач;

- подшипников качения всех известных типов и подшипников скольже­ния;

- валов и осей;

- произвольных балочных конструкций;

- плоских ферменных и пространственных конструкций;

- напряженно-деформированного состояния деталей методом конечных элементов;

- трехмерных рамных конструкций;

- упругих элементов машин (пружин сжатия, растяжения и кручения, пло­ских пружины, а также тарельчатых пружин и торсионов);

- кулачковых механизмов с автоматическим генератором чертежей;

- рычажных механизмов произвольной структуры;

- приводов вращательного движения произвольной структуры;

- планетарных передач произвольного типа;

- оболочечных, пластинчатых и стержневых конструкций произволь­ного вида (а также их произвольных комбинаций) методом конечных элементов.

Каждый модуль предоставляет пользователю интегрированную среду, кото­рая включает: специализированный графический редактор, полный цикл вычислений, разнообразные средства представления результатов расчета, разветвленную систему подсказок.

В системе должна быть инженерная база данных для хранения существующих стандартов, доступная всему комплексу расчетных программ, и чертежно-графический ре­дактор.

Системы автоматизированного управления проектами на предприятиях (PDM)

PDM-системы помогают упорядочить коллективную работу с конструкторско-технологической документацией, касающейся производства изделий, что позволяет хранить, обрабатывать и сопровождать информацию, содержащую необходимый комплекс данных об изделиях, изготавливаемых на предприятии. Это дает возможность одновременной работы всего коллектива разработчиков, руководителей и вспомогательных служб над проектом в период разработки, внедрения и производства изделий. В основе архитектуры таких систем лежит спецификация - основной конструкторский документ, несущий информацию о составе изделия. Спецификация изделия определяет иерархические, количественные и иные взаимосвязи между объектами производства (деталями, сборочными единицами, стандартными изделиями и т.д.) и состоит из объектов спецификации, сгруппированных по разделам, имеющим следующие заголовки: документация, комплексы, сборочные единицы, детали, стандартные изделия, прочие изделия, материалы, комплекты. Причем в каждом разделе должны быть резервные строки для внесения изменений. В САПР текстовая часть может заполняться с использованием шаблонов заполнения.

Различают 2 вида спецификаций: не связанные со сборочным чертежом и чертежами деталей и связанные. В связанных спецификациях изменения объектов на чертежах (позиции, обозначения, наименования и др.) приводят к автоматическому соответствующему изменению содержания спецификаций и, наоборот, изменение содержания спецификаций автоматически изменяет соответствующую информацию об объектах на чертежах. Связанные спецификации создаются 2 способами:

1. Объекты спецификации создаются в сборочном чертеже, после чего к нему подключается спецификация и эти объекты передаются в спецификацию. Строки спецификации могу заполняться вручную, или путем подключения чертежей деталей.

2. Создаются объекты в спецификации, которая подключается к сборочному чертежу и каждый объект спецификации подключается к соответствующей сборочной единице или к детали.

Ключевым объектом представления информации в системе является элемент.

Элемент - единица описания информации об изделии, что может входить в один из разделов спецификации. Элемент имеет следующие признаки: обозначение, наименование, формат, раздел спецификации, в который он будет включаться (документация, комплексы, сборочные единицы, детали, стандартные изделия, прочие изделия, материалы, комплекты). Элементы связаны в иерархию состава, то есть определенные типы элементов (сборочные единицы, комплекты, комплексы) могут состоять из неограниченного количества других элементов. Причем, информация об элементах не дублируется, а связывается отношениями типа "состав-применяемость". Кроме формальных параметров описания элемента, необходимых для формирования спецификации, каждый элемент может иметь неограниченное количество документов.

Документ - файл определенного типа, относящийся к определенному элементу. К каждому элементу можно "привязать" любое количество документов различных типов (чертежей, моделей изделий и технологических процессов, программ для оборудования с ЧПУ, результатов расчетных задач, фрагментов чертежей, фотографий и рисунков) в любом графическом формате. Кроме документов, каждый элемент может иметь набор атрибутов.

Атрибут - это характеристика элемента, которая не обязательна для формирования спецификации, но содержит необходимую дополнительную конструкторскую, технологическую, экономическую или иную информацию об элементе, например: масса, материал, маршрут прохождения, нормы расхода материалов, исполнитель, цена, себестоимость и др., причем для каждого элемента может быть определено любое количество атрибутов.

Совместная работа в PDM может вестись с учетом разделения доступа, когда каждый элемент системы имеет набор прав на просмотр и изменение для определенного круга работников: администраторов, операторов и обычных пользователей.

Администраторы - круг лиц, определяющих общие вопросы функционирования системы: список проектов, список пользователей системы, набор возможных атрибутов и т.п. Администраторы имеют неограниченные права для доступа ко всей информации.

Операторы - круг лиц, осуществляющих ведение серийных проектов, они имеют неограниченные права к проектируемым и серийным элементам, но не могут определять привилегии для обычных пользователей.

Обычные пользователи - это конструкторы, технологи, работники вспомогательных служб, то есть непосредственные исполнители работ по проектированию и сопровождению изделий. Они имеют права, определенные администратором.

Для каждого пользователя определяется набор привилегий: просмотр информации (запрещено вносить изменения), полный доступ - пользователь может вносить изменения в информацию, администрирование (пользователь имеет полный доступ к информации и, кроме того, может назначать привилегии другим пользователям).

При создании системы управления проектом изделия в PDM вводится информация по каждому элементу изделия и к каждому элементу подключаются требуемые документы и атрибуты. После этого возможно выполнение следующих основных режимов: показать состав, редактировать данные состава, найти элемент, сформировать выборку, создавать и редактировать документы и атрибуты, определять применяемость, создавать отчеты, создавать и редактировать извещения.

В режиме " показать состав" область элементов отображает состав текущей сборочной единицы.

В режиме " редактировать данные" можно изменить все данные об элементе (кроме типа). Можно создать копию элемента, удалить его, вырезать из состава, вставить в состав, взять состав из другой сборки.

В режиме " быстрый поиск" осуществляется нахождение элементов по обозначению или наименованию.

Выборки представляют собой наборы элементов, определенные условиями, аналогичными тем, которые пользователь задает при выполнении поиска. Можно формировать выборки по обозначению, наименованию, набору значений атрибутов.

В режиме управления документами возможно создания нового документа для активного элемента, просмотр, редактирование создание копий документов, переименование и удаление их.

В режиме управление атрибутами возможно создание, удаление, копирование, вставка атрибутов, изменение их значений, а также создание карточек ввода, позволяющих удобно вводить комплексы атрибутов.

В режиме управления элементами списка применяемости в специальной области отображается список элементов (с указанием позиции, обозначения, наименования, количества), в которых применяется текущий элемент.

В режиме формирования отчетов возможно автоматизированное создание спецификаций элементов, ведомостей спецификаций, ведомостей покупных изделий.

Основные компоненты САПР

Виды обеспечения САПР: методическое, математическое, лингвистическое, программное, информационное, техническое, организационное.

Методическое обеспечение САПР – документы, регламентирующие правила эксплуатации САПР: описание структур баз данных, инструкции по их использованию и ведению, руководства пользователя и программиста.

Математическое обеспечение САПР – алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение. Оно подразделяется на:

- математические методы, с помощью которых разрабатываются математические модели;

- формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

Математические методы используются для создания и анализа математических моделей объектов.

Математическая модель технического объекта – система математических символов (чисел, переменных, матриц, множеств и др.) и отношений между ними, отражающая свойства проектируемого объекта, существенные для его создания и функционирования. Модель должна быть адекватной.

В САПР используются, в основном, методы: имитационного моделирования, логического синтеза, оптимизации, синтеза геометрических моделей объектов.

Методы имитационного моделирования используются для создания имитационной модели объекта и экспериментирования с ней в условиях реальных ограничений с целью выбора удовлетворяющего варианта объекта.

В САПР различают кинематическую, динамическую имитацию и имитацию сложных динамических систем.

Кинематическая имитация – определений коллизий (столкновений, несовпадений и др.) при возможных положениях элементов объекта и в процессе взаимного перемещения элементов объекта. Используются контрольные сборки, выполняется исследование движения составляющих элементов объекта.

Динамическая имитация – исследование напряженно-деформированного и теплонапряженного состояния объекта в условиях реальных ограничений и нагрузок. Используются численные методы решения задач, чаще всего, метод конечных элементов.

Имитация сложных производственных систем – исследование поведения сложных систем (например, ГПС) в условиях реальных ограничений и возможных изменениях элементов систем (например, при изменении номенклатуры изготавливаемых на ГПС изделий, в случае возникновения поломок и др.). Используется теория и системы массового обслуживания. Для моделирования разработаны специальные языки программирования: Симскрипт, Симула, GPSS.

Методы логического синтеза используются для создания математических моделей объектов с помощью описания логических правил и аналитических зависимостей между исходными данными проектируемого решения и возможными его вариантами.

В САПР К и ТП используется 3 вида математических моделей логического синтеза: табличная, сетевая, перестановочная.

Табличная модель – каждому набору исходных данных соответствует единственный вариант решения (конструкции изделия или техпроцесса его изготовления). Табличная модель устанавливает соответствие между каждым исходным параметром, и параметрами решения, например: между типом, основными размерными параметрами, квалитетом точности, шероховатостью поверхности и операциями, оборудованием, оснасткой, инструментами для ее обработки. Табличная модель представляется в виде таблицы соответствия (матрицы). Часто используется для поиска унифицированных решений.

Сетевая модель – каждому набору исходных данных соответствует несколько возможных вариантов решения, что позволяет выбрать из них наиболее рациональный вариант. Например: для изготовления одной детали разрабатывается несколько технологических процессов ее изготовления, что позволяет выбрать наиболее рациональный, удовлетворяющий, например, критерию наименьшей себестоимости. Такую модель удобно представлять в виде графов. Например: элементы графа – операции техпроцесса, а дуги графа определяют последовательность выполнения операций. Порядок следования элементов может быть только в одном направлении.

Перестановочная модель – позволяет разработать несколько вариантов решения, но последовательность может быть не только в одном направлении.

Методы оптимизации – используются для определения наиболее рационального варианта решения задачи из возможных вариантов. Это задача поиска экстремума целевой функции F(X) путем варьирования проектных параметров X в пределах допустимой области:

extr F(X),

X0Dx

где F(X) – целевая функция;

X – вектор управляемых (проектных) переменных;

Dx – допустимая область изменения X.

Выбор критерия эффективности осуществляется индивидуально в соответствии с конкретными условиями. Оптимизация может быть по одному и нескольким критериям (многокритериальная оптимизация).

При многокритериальной оптимизации одновременно учитываются несколько критериев. Создается компромиссный критерий, в котором учитываются одновременно несколько выбранных критериев E₁, E₂,..., E_r (E_i-локальные критерии).

Для каждого E_i решается задача оптимизации и вычисляются их экстремальные значения E_i^* (i=1,2,...,r).

Записываются уравнения отклонений каждого критерия от оптимального значения:

Q_i= E_i - E_i^*

Для каждого критерия определяются весовые коэффициенты 8_i (0#8_i#1 и 38_i=1. Записывается компромиссный критерий с помощью аддитивной функции свертки:

Q = 3 Q_i 8_i

после чего решается задача оптимизации.

Методы решения задач оптимизации: аналитические, имитационные, аналитико-имитационные.

Аналитические методы используют аппарат математического программирования. Находится целевая функция: F=F(x₁,x₂,...,x_n), где x₁,x₂,...,x_n – переменные. Графическая интерпретация: если одна переменная – 2D, две переменных – 3D.

Применяется 14 методов оптимизации: общий поиск, деления интервала пополам, дихотомии, золотого сечения, Фиббоначи, покоординатного подъема, исключения областей, случайного поиска, градиентный, Флетчера-Ривса, Дэвидона-Флетчера-Пауэлла, конфигураций Хука-Дживса, Розенбока, симплекс-метод.

Математические модели синтеза геометрических моделей объектов обеспечивают создание цифровых образов объектов, возможных для обработки на ЭВМ.

Геометрические модели представляются совокупностью уравнений кривых, поверхностей, объемов, аналитических зависимостей, алгебраических соотношений, графов, списков и др. и создаются с использованием методов аналитической геометрии, дифференциальной геометрии, линейной алгебры, теории множеств, теории графов, алгебры логики.

Геометрические модели применяются для описания геометрических свойств объектов (формы, размерных параметров, расположения в пространстве), решения позиционных и метрических задач, преобразования формы и положения геометрических объектов, оформления чертежей.

Формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

Это алгоритмы работы САПР.

Алгоритмы определяют последовательность проектирования и интерактивное взаимодействие проектировщика с САПР.

Алгоритм - это подробная схема программы. Фактически это уже программа, но написанная на языке, недостаточно формализованном для того, чтобы ее мог обработать транслятор ЭВМ.

Для записи алгоритмов используют: псевдокод (специальная словарная запись – "почти программа") и блок-схемы алгоритмов (специальные графические изображения по ГОСТ 19.002-80).

Алгоритм должен быть понятным, а, следовательно, он должен быть простым. Сложность задачи, решаемой в САПР, может привести к тому, созданный для нее алгоритм будет длинным и запутанным: с множеством условий, выборов, разветвляющихся и пересекающихся цепочек действий. Этого можно избежать, используя метод последовательной детализации алгоритма "сверху вниз", используя модульный принцип. Такой метод используется, например, при проектировании технических объектов, когда, например, сначала прорабатывается общий вид объекта, затем узлы, а далее детали.

Алгоритмы САПР разрабатываются как для работы САПР в целом, так и для отдельных ее составляющих модулей, то есть они определяют:

-структуру комплекса программ создаваемой САПР;

- структуру каждой программы, используемой в САПР;

Для записи алгоритмов естественный язык, как правило, неудобен, поэтому используются специальная словарная запись, так называемый псевдокод, или специальные графические изображения, с помощью которых разрабатываются, так называемые, блок-схемы алгоритмов.

Основные принципы псевдокода заключаются в следующем.

Алгоритм, записываемый на псевдокоде, разделяется на сегменты (модули) каждый из которых содержит описание законченной функции и может детализироваться в последующих сегментах. Желательно, чтобы каждый сегмент занимал не более одной страницы, то есть был бы полностью обозрим разработчиком. Сегмент имеет вид:

Наименование функции

Описание функции

КОНЕЦ

"Наименование функции" - это заголовок сегмента (текст).

"Описание функции" - это текст, описывающий характер действий и условия их выполнения. Он может быть записан на естественном языке и/или в виде последовательности математических формул.

"КОНЕЦ" - служебное слово, закрывающее сегмент.

Оформление алгоритма на псевдокоде для повышения наглядности предусматривает ступенчатую запись текста. Для этого существуют следующие правила:

- каждое обозначение действия описания функции должно начинаться с новой строки;

- описание функции в сегменте должно смещаться на 3 позиции относительно ее наименования;

- каждое последующее обозначение действия в описании функции должно начинаться с той же позиции, что и предыдущее;

- при записи управляющих структур должны соблюдаться сдвиги обозначений действий на 3 позиции относительно служебных слов.

Правила псевдокода предусматривают организацию управляющих структур типа: "Принятие решения", "Цикл".

"Принятие решения" - это процедура проверки выполнения какого-либо условия или комплекса условий и выбор направления ("ветви") дальнейших действий.

"Цикл" - многократное выполнение последовательности действий, но каждый раз с новыми данными. Однократное выполнение этих действий называется шагом цикла. Например, при формировании графического изображения детали "вал ступенчатый", можно описать последовательность действий по изображению на чертеже одной ступени и повторить эту последовательность в цикле по числу ступеней.

Для записи принятия решений и циклов в псевдокоде предусмотрены четыре основные управляющие структуры:

ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ ВЫБОР ПОКА-ЦИКЛ ЦИКЛ-ДО Структура

ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ используется, когда нужно описать проверку выполнения условия и выбор одного из двух действий в зависимости от выполнения или невыполнения данного условия (так называемый двухпозиционный переключатель):

ЕСЛИ Обозначение условия ТО

Обозначение действий А ИНАЧЕ

Обозначение действий В ВСЕ ЕСЛИ

Для записи условий чаще всего используются функции, которые называют логическими:

= (равно) /= (не равно) < (меньше) <= (меньше или равно) >

(больше) >= (больше или равно) AND (логическое И) OR

(логическое ИЛИ) NOT (логическое НЕ) Последние три функции

дают возможность строить сложные

условия из простых.

Пример фрагмента алгоритма, в котором использована структура ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ:

ЕСЛИ размер A > 100 ТО

Выбрать масштаб 1:2 ИНАЧЕ

Выбрать масштаб 1:1

ВСЕ ЕСЛИ

Структура ВЫБОР применяется в том случае, если существует несколько (больше двух) вариантов действий, причем выбор конкретного варианта зависит от значения некоторой переменной (так называемый многопозиционный переключатель):

ВЫБОР Обозначение переменной ИЗ

СЛУЧАЙ 1 (Значение переменной 1)

Обозначение действий А СЛУЧАЙ 2 (Значение переменной 2)

Обозначение действий В................................ СЛУЧАЙ N (Значение переменной N)

Обозначение действий Z

ВСЕ ВЫБОР

При выполнении этой функции ищется вариант действий ("случай"), соответствующий данному значению переменной, который и выполняется, например:

ВЫБОР по типу детали ИЗ

СЛУЧАЙ 1 (тип детали - вал)

Сформировать чертеж вала СЛУЧАЙ 2 (тип детали - зубчатое колесо)

Сформировать чертеж зубчатого колеса СЛУЧАЙ 3 (тип детали - втулка)

Сформировать чертеж втулки

ВСЕ ВЫБОР

Структура ПОКА-ЦИКЛ используется, если последовательность действий требуется повторять многократно (в цикле) до тех пор, пока выполняется некоторое условие, причем цикл начинается с поверки условия, и если оно не выполняется перед началом цикла, то действия в цикле не выполняются ни разу. Структура имеет следующий вид:

ПОКА Обозначение условия ЦИКЛ

Обозначение действий

ВСЕ ЦИКЛ ПОКА

Структура ЦИКЛ-ДО используется для тех же целей, что и структура ЦИКЛ-ПОКА. Отличие заключается лишь в том, что проверка условий происходит после выполнения действий, т.е., по крайней мере, один шаг цикла будет выполнен в любом случае. Структура оформляется следующим образом:

ЦИКЛ ДО Обозначение условия

Обозначение действий ВСЕ ЦИКЛ ДО

Любой из двух последних структур достаточно для описания любого цикла. Однако в конкретных случаях удобно использовать ту или иную структуру.

Например, при построении изображения ступенчатого вала, имеющего N ступеней, отличающихся параметрами, фрагмент алгоритма, обеспечивающего решение этой задачи с использованием структуры ЦИКЛ-ДО имеет вид:

Ввести количество ступеней вала N I=1 ЦИКЛ ДО обработки последней ступени (I=N)

Ввести параметры очередной I-ой ступени Сформировать изображение I-ой ступени Увеличить I на единицу (I=I+1)

ВСЕ ЦИКЛ ДО

Наряду со словесной формой описания алгоритмов с помощью псевдокода, широко используется графический способ описания, при котором отдельные функции алгоритмов отображаются в виде условных графических изображений (так называемых "Блок-схем", которые устанавливаются ГОСТ19.003-80, а правила записи алгоритмов с использованием этих изображений, устанавливаются ГОСТ 19.002-80.

Основные условные графические изображения: - п р о ц е с с

- выполнение операции или группы операций, в результате которых изменяется значение, форма представления или расположение данных;

- р е ш е н и е - выбор направления выполнения алгоритма или программы в зависимости от некоторых переменных условий;

- м о д и ф и к а ц и я - выполнение операций, меняющих команды или группу команд, изменяющих программу;

- п р е д о п р е д е л е н н ы й п р о ц е с с - использование ранее созданных или отдельно описанных алгоритмов или программ;

- в в о д - в ы в о д - преобразование данных в форму, пригодную для обработки (ввод) или отображения результатов обработки (вывод);

- д о к у м е н т - ввод-вывод данных, носителем которых служит бумага;

В некоторых случаях удобно использовать смешанный способ описания алгоритмов, когда, например, главный алгоритм изображается в виде графической схемы, а вспомогательные алгоритмы описываются с помощью псевдокода.

Лингвистическое обеспечение САПР – специальные языковые средства, предназначенные для взаимодействия проектировщика с системой, описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений.

Языки программирования (ЯП) – для написания программного обеспечения; являются средствами программиста САПР.

Язык программирования (ЯП) – формальный язык, с помощью которого возможно описание объектов и манипулирование с ними. Оригинальный формальный язык разработать не сложно. Правила, с помощью которых осуществляется описание объектов, называется грамматикой языка:

G = <V,W,P>,

где V – алфавит символов (примитивов), W – алфавит комплексов (сегментов), P – множество правил языка.

Формальный язык не может восприниматься процессором ЭВМ, поэтому программа, написанная на ЯП переводится на язык ЭВМ с помощью специальной программы – транслятора, который должен быть для каждого ЯП. Имеется два вида трансляторов: интерпретаторы и компиляторы.

С помощью интерпретатора последовательно осуществляется трансляция и исполнение каждой строки программы. Это значительно сокращает быстродействие программы, но позволяет определять строки программы, где имеются синтаксические ошибки, возможные при написании программ программистом. Поэтому этот способ удобно использовать при отладке программ. Для работы интерпретатора и программы необходим исходный текст программы. Поэтому в этом случае необходимы специальные средства защиты авторских прав разработчика программ.

Компилятор создает загрузочный (исполняемый) файл программы в машинных кодах. В этом случае для работы программы не требуется ее исходного текста. Это позволяет, в какой-то степени, защитить авторские права разработчика. Кроме того, быстродействие программы значительно выше, чем при интерпретации. Процесс создания программы осуществляется в следующей последовательности: создаются отдельные модули программы (могут быть написаны на различных ЯП), из которых с помощью соответствующих компиляторов формируются, так называемые, объектные модули на языке команд ЭВМ, после чего специальная программа – компоновщик задач – формирует загрузочный модуль, готовый для исполнения.

Требования к языкам программирования:

- наличие средств автоматического выявления синтаксических ошибок;

- удобство использования – min затраты на освоение языка и написание программ.

- универсальность – написание любых программ для заданной САПР;

- эффективность – наименьшие затраты машинного времени;

- простота освоения и использования – должны включать информационно-справочные и обучающие подсистемы.

ЯП: машинно-ориентированные, процедурно-ориентированные, проблемно-ориентированные.

Машинно-ориентированные ЯП (ассемблер, автокод) – близки к машинным командам, поэтому являются наиболее универсальными и эффективными. Программирование на МОЯП требует знания не только алгоритма, грамматики и синтаксиса ЯП, но и структуры, технических особенностей ЭВМ, поэтому они сложны и неудобны для использования неспециалистами в данной области. Они применяются для решения специальных задач, например, при написании операционных систем, при создании программ для технологического оборудования.

Процедурно – ориентированные ЯП (Паскаль, СИ, Бейсик и др.) – так называемые языки высокого уровня, удобны для использования человеком, так как они не сложны в освоении и упрощают процессы написания и отладки программ. ПОЯП универсальны в использовании.

Проблемно – ориентированные ЯП – для использования в специальных областях, например, AutoLISP используется для разработки программ создания графических изображений способом графического программирования.

Программное обеспечение САПР – совокупность всех программ, обеспечивающих реализацию функций САПР.

Системное ПО – обеспечивает организацию эффективного функционирования технических и программных средств вычислительного комплекса в процессе автоматизированного проектирования.

Основные функции СПО:

- управление процессом вычислений (например, одновременное решение нескольких задач);

- диалоговая связь с пользователем;

- решение общематематических задач;

- ввод – вывод информации (хранение, поиск, сортировка, модификация файлов, защита их целостности, защита от несанкционированного доступа);

- контроль и диагностика работы вычислительного комплекса.

Операционная система обеспечивает: поддержку работы всех программ и их взаимодействие с техническими средствами вычислительного комплекса, предоставление пользователям возможностей управления ВК.

Операционные системы подразделяются на 3 типа: мультипрограммирования, с разделением времени, реального времени.

ОС мультипрограммирования – работа в пакетном режиме.

ОС с разделением времени позволяют решать одновременно несколько задач (наиболее распространены).

ОС реального времени используются для управления технологическим оборудованием.

Файловая система – хранилище всей информации ВК.

Одна из основных функций ОС - организация файловой системы.

Файл - это место хранения информации (программ, данных, текстов, закодированных изображений и др.). Реализуются файлы как участки памяти на внешних носителях ("гибких" и "жестких" магнитных дисках, компакт-дисках и др.). Каждый файл имеет имя, зарегистрированное в каталоге - оглавлении файлов. Каталог (иногда его называют директорием) доступен пользователю с помощью командного языка операционной системы. Его можно просматривать, переименовывать зарегистрированные в нем файлы, переносить их содержимое на новое место и удалять. Каталог имеет свое собственное имя и может храниться в другом каталоге наряду с обычными файлами.

К файловой системе имеет доступ также и любая прикладная программа, для чего во всех языках программирования имеются специальные процедуры.

Для осуществления взаимодействия пользователя с операционной системой в каждой ОС имеется командный язык, который позволяет выполнять те или иные действия: обращение к каталогу, разметку внешних носителей, запуск программ и др. Анализ и выполнение команд пользователя осуществляется командным процессором. Причем, кроме ввода отдельных программ, которые немедленно выполняются, командный процессор позволяет составлять целые программы на командном языке, с помощью которых можно создать довольно сложную последовательность действий, не прибегая к обычному языку программирования, что позволяет создать удобную операционную обстановку для конкретного пользователя, избавляя его от утомительных служебных операций.

Командный язык обеспечивает выполнение операций управления ВК (например: разметка дисков, копирование файлов и др.).

Драйверы внешних устройств обеспечивают подключение к ЭВМ внешних устройств, набор которых в вычислительном комплексе может быть большим. Это стандартные внешние устройства (дисплей, клавиатура, гибкие и жесткие диски, принтер) и дополнительные устройства ввода/вывода (графопостроитель, манипуляторы, проигрыватель компакт-дисков, дигитайзер, модемы для связи с телефонными линиями, контроллеры локальных сетей и др.).

Драйвер - специальная программа, предназначенная для управления внешним устройством. Для каждого типа внешнего устройства имеется свой драйвер. Драйверы стандартных устройств образуют в совокупности базовую систему ввода/вывода (BIOS), которая чаще всего заносится в постоянное запоминающее устройство системного блока ЭВМ. Драйверы дополнительных устройств могут подключаться к ОС при запуске ЭВМ.

Драйверы внешних устройств – программы, обеспечивающие подключение к ЭВМ и работу внешних устройств (дисплей, клавиатура, диски, принтер...)

Системы программирования позволяют осуществлять процесс создания программ (написание, отладку и трасляцию). Поэтому они включают в свой состав языки программирования, стандартные программы, редакторы текстов программ, и трансляторы).

В настоящее время интенсивно развивается область создания систем программирования, обеспечивающих автоматизацию процесса создания программного обеспечения для САПР (такие системы иногда называют САПР САПРов). Основной задачей таких систем является максимальное упрощение и снижение трудоемкости создания САПР. Такими системами являются так называемые системы визуального программирования.

Специальное программное обеспечение САПР предназначено для решения конкретных проектных задач. Оно состоит из пакетов прикладных программ, разработанных на основе созданного ранее математического обеспечения конкретной САПР.

При разработке специального программного обеспечения широко используются разработанные ранее программы и пакеты прикладных программ, которые могут входить в качестве модулей в разрабатываемую САПР (например, библиотека научных программ).

Информационное обеспечение САПР – система, обеспечивающая проектировщиков всей необходимой информацией в процессе проектирования (например: справочной, унифицированными и индивидуальными конструкторскими и технологическими решениями, данными о технологических возможностях предприятия и др.).

Основные функции ИО САПР:

- прием и обработка запросов проектировщиков с выдачей результатов в требуемой форме;

- хранение информации, обеспечение разделения доступа к ней, возможность восстановления информации при разрушении;

- быстрое внесение изменений (корректировка) информации;

- проверка корректности хранимой и вводимой информации;

- получение документов в алфавитно-цифровой и графической форме.

Эти задачи решаются с помощью банков данных (БнД).

БнД – совокупность средств для централизованного накопления и коллективного использования данных в САПР.

БнД = БД + СУБД

БД – данные всей необходимой информации, структурированные в соответствии с принятыми в БнД правилами.

СУБД – совокупность языковых и программных средств для создания, редактирования и использования базы данных проектировщиком и прикладными программами.

За ведение БД отвечает администратор баз данных.

Применение БнД решает основные проблемы манипулирования большими объемами информации: сокращение избыточности данных, обеспечение целостности и независимости представления данных.

Требования к БнД САПР:

- гибкость – возможность модификации, наращивания и адаптации данных при минимальных затратах;

- реорганизация БД не должна приводить к изменению прикладных программ;

- возможность параллельного доступа к данным;

- обработка как алфавитно-цифровой, так и графической информации;

- надежность – возможность восстановления данных в случае их разрушения;

- наглядность – представление информации в удобной для восприятия форме;

- экономичность – эффективное распределение памяти и исключение дублирования информации;

В БД БнД САПР хранится следующая информация:

- характеристики объектов проектирования (технические, эксплуатационные и др.);

- характеристики процессов проектирования (типовые конструкторские и технологические решения);

- нормативные и справочные данные.

Данные в БнД структурированы с помощью модели данных (МД).

Модель данных – формализованное описание, отражающее состав и типы данных, взаимосвязи между ними.

Различают МД: иерархическая, сетевая, реляционная.

Иерархическая МД характеризуется тем, что создание записей, осуществляется на нескольких уровнях, причем каждая запись связана не более чем с одной записью более высокого уровня и может иметь несколько связей с записями подчиненного уровня (схема).

В сетевой МД каждая запись может быть связана с произвольным числом других записей, находящихся на любых уровнях иерархии. Поэтому возможны любые группирования записей и организация произвольных связей между ними. Представление связей между данными представляется с помощью графов (схема).

Реляционная МД характеризуется тем, что данные формируются в виде таблиц (пример). Получили наибольшее распространение (dBASE, PARADOX и др.).

Поиск информации в БнД осуществляется с помощью поисковых описаний – составных имен. Для выполнения операций с данными в БнД используются специальные языки манипулирования данными (SQL).

Техническое обеспечение САПР – совокупность устройств вычислительной и организационной техники, предназначенная для автоматизированного проектирования изделий и процессов.

ТО и общее системное программное обеспечение составляют инструментальную базу САПР.

ТО обеспечивает возможность функционирования программного и информационного обеспечения САПР: отображение информации с целью контроля и редактирования, возможность взаимодействия проектировщика с САПР, хранение информации.

Основные устройства технического обеспечения САПР:

- аппаратные средства ЭВМ;

- внешние запоминающие устройства;

- устройства ввода-вывода информации;

- устройства документирования информации;

- технические средства теледоступа и сетей ЭВМ.

Аппаратные средства ЭВМ:

- центральный процессор (процессоры);

- специализированные процессоры;

- оперативная память;

- процессоры ввода-вывода;

- устройства сопряжения интерфейсов.

Центральный процессор (ЦП) обеспечивает управление вычислительным процессом, осуществляя преобразование исходной информации в соответствии с выполняемой программой. Кроме того, ЦП выполняет управление всеми вычислительными устройствами ЭВМ. Основной параметр процессора – тактовая частота (МГц).

Специализированные процессоры предназначены для повышения производительности при выполнении специальных задач.

Оперативная память (ОЗУ) – часть памяти ЭВМ, предназначенная для временного хранения информации (данных, программ, результатов). Основные параметры ОЗУ – емкость и быстродействие.

Емкость ОЗУ – наибольшее количество единиц информации, которое может храниться в памяти (МБ).

Быстродействие ОЗУ – время на запись и считывание информации из памяти.

Сверхоперативная память (cach) предназначена для хранения копий наиболее часто используемых команд, что повышает быстродействие работы ЭВМ.

Процессоры ввода-вывода обеспечивают управление обменом информацией между ОЗУ и периферийными устройствами без участия центрального процессора.

Устройства сопряжения интерфейсов обеспечивают согласование работы каналов ввода-вывода с устройствами управления периферийными устройствами.

Внешние запоминающие устройства предназначены для хранения больших объемов информации. Они бывают с прямым и последовательным доступом. Используются накопители на магнитных и оптических дисках, на магнитных лентах. НМД – на "жестких" и "гибких" дисках.

Устройства ввода-вывода информации. Устройства ввода преобразуют входную информацию (текстовую, графическую) в электрические сигналы, воспринимаемые ЭВМ: клавиатура, манипулятор "мышь", дигитайзер, сканер.

Устройства вывода (документирование) информации: принтер, графопостроитель (плоттер).

Технические средства теледоступа и сетей ЭВМ – для коллективного использования САПР. Две группы средств:

- многотерминальная система – центральная ЭВМ обслуживает несколько терминалов (рабочих мест). Однако количество рабочих мест ограничивается быстродействием ЦЭВМ. Кроме того, при поломке ЦЭВМ все рабочие места прекращают работу;

- сеть ЭВМ – объединение независимых ЭВМ с целью коллективного использования аппаратных, программных и информационных ресурсов всей сети. Сети: глобальные и локальные. Типы сетей: линейная, кольцевая, типа "звезда", смешанная.

Организационное обеспечение САПР – комплект документов (приказы, инструкции и др.), устанавливающих правила автоматизированного проектирования: взаимодействие проектировщиков, ответственность, правила доступа, правила выпуска документов.