Пильов В.О., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників. Том 4. Основи САПР ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

З іншого боку, для традиційних монометалевих алюмінієвих поршнів

швидкохідних дизелів середня температура стінок КЗ в зоні взаємодії з па-

ливним факелом практично не перевищує 300 °С на всіх експлуатаційних

режимах роботи двигуна. З цього приводу на другому етапі робіт важли-

вим є розв’язання задачі визначення впливу реальної температури стінки КЗ

на середньоексплуатаційні показники зовнішнього функціонального опису

двигуна.

За теоретичну модель екс-

плуатації двигуна оберемо цикл

випробувань автомобільних ди-

зелів за Правилами № 49.02 ЄЕК

ООН. Вказану модель подано в

табл.2.2.

Визначення середньоексп-

луатаційних показників питомої

витрати палива та викидів окси-

дів азоту виконаємо з викорис-

танням виразів (2.1), (2.2) та від-

повідних об’єктно

-орієнтованих

підсистем. Ці розрахунки здійс-

нимо для найбільш вагомих ре-

жимів 3 – 6 та 8 – 11 табл.2.2.

При цьому значення середньоексплуатаційних показників

та

знайдемо для трьох варіантів розрахунків: з урахуванням реального

розподілу температур в тілі поршня, який не охолоджується (розрахункові

значення температур стінок КЗ в залежності від режиму роботи двигуна

змінюються в межах 183 °С – 270 °С); те саме, для поршня, що охолоджу-

ється маслом шляхом розбризкування (температура стінок знаходиться в

межах 176 °С – 260 °

С); в разі незмінної для всіх режимів (умовної) темпе-

ратури стінок КЗ, яку приймемо на рівні 270 °С.

ср

Таблиця 2.2 – Теоретична модель

експлуатації автомобільного дизеля

Номер

режиму

N ,

Термін

роботи, %

1,7,13 0 min х.х. 25

2 8,3 70 8

3 20,7 70 8

4 41,4 70 8

5 62,2 70 8

6 83 70 25

8 100 100 10

9 75 100 2

10 50 100 2

11 25 100 2

12 10 100 2

Температурний стан поршнів для першого та другого варіантів роз-

рахунків визначався з використанням відповідної об’єктно-незалежної під-

системи. Отримані результати подано в табл.2.3. З цієї таблиці видно, що

для конструкцій поршнів з

відкритою КЗ вплив помірної температури сті-

нок на середньоексплуатаційні показники робочого процесу не є суттєвим.

Ця обставина і обумовлює можливість використання в САПР альтернатив-

ної, але еквівалентної до загальної схеми (і стратегії) проектування КЗ, яку

було зображено на рис. 2.14.

Таблиця 2.3 – Оцінка впливу температури стінок КЗ поршня

на показники робочого процесу

Варіанти розрахунку

1 2 3

Но-

мер

режи-

му

ст

ºС

г/(кВт·год)

ст

ºС

г/(кВт·год)

ст

ºС

г/(кВт·год)

3 183 233,10 20,22 176 233,65 20,41 231,34 19,62

4 205 212,16 19,14 198 212,16 19,16 211,62 18,44

5 228 205,36 18,04 220 205,63 18,55 205,22 17,84

6 248 215,15 15,61 242 215,15 15,63 215,29 15,50

8 270 227,39 11,51 260 227,53 11,53 227,53 11,52

9 242 226,58 13,16 233 226,58 13,18 226,30 13,07

10 215 229,70 15,45 207 229,43 15,39 228,62 15,27

11 187 274,58 17,74 181 274,72 17,76

270

270,91 17,27

Середньоексплуатаційні показники

– –

214,45 15,79

–

214,53 15,88

–

214,35 15,63

В цілому отримані результати дозволяють сформулювати основні

етапи альтернативної адаптивної стратегії проходження проекту КЗ порш-

ня:

Етап 1. Згідно з вимогами технічного завдання визначається конс-

трукція КЗ та поршня в цілому, здійснюється впровадження технічних за-

ходів, які повинні забезпечити міцність особливо термонавантажених зон

КЗ, виконується синтез геометричної моделі поршня (блок 1, рис.2.14).

Етап 2. За допомогою математичних моделей прогнозування показ-

ників робочого процесу, токсичності викидів (блоки 3,4) і температурного

стану поршня (блок 6) та відповідно до обраної моделі експлуатації двигу-

на (блок 2) встановлюється факт можливості використання альтернативної

до загальної схеми проектування КЗ.

Цей етап є

вирішальним для вибору однієї з двох стратегій проекту-

вання. Вирішальним правилом

є порівняння отриманих середньоексплуа-

таційних показників питомої витрати палива та викидів оксидів азоту з

урахуванням та без урахування зміни температури стінок КЗ залежно від

режиму роботи дизеля. На цьому етапі робіт поєднання блоків 3 та 6 здійс-

нюється за допоміжним потоком А-А.

Вирішальне правило має наступне формулювання: якщо зміна темпе-

ратури стінки КЗ не впливає на середньоексплуатаційні показники робочо-

го процесу (див. табл.2.3), то виконують перехід до етапу 3. У противному

разі реалізують використання загальної адаптивної стратегії проектування

поршня відповідно до схеми рис.2.11.

Етап 3. Здійснюється конструктивна оптимізація КЗ за критеріями

ефективності робочого процесу та токсичності викидів (блок 5). Коли ви-

мог ТЗ за цими показниками досягнуто, то здійснюють перехід до етапу 4,

в противному разі обирають нову геометричну модель поршня в блоці 1, а

проектування розпочинають з етапу 1.

Етап 4. Досягнення гарантованого ресурсу кромок КЗ перевіряється

шляхом використання моделей прогнозування термонапруженого стану

поршня (блоки 6,7) та тривалої міцності кромок (блок 8) відповідно до об-

раної моделі експлуатації (блок 2).

Коли ресурс КЗ відсутній, виконується конструктивна оптимізація

поршня (блок 9) шляхом зміни значень тих конструктивних параметрів, які

не впливають на значення критеріїв ефективності робочого процесу

і ток-

сичності викидів. У разі неможливості отримання рішення обирають нову

конструкцію в блоці 1, після чого проектування починають з етапу 1. Коли

ресурс забезпечено, здійснюють перехід до наступного, п’ятого етапу про-

ектування.

Етап 5. Розробляють конструкторську документацію на нову конс-

трукцію поршня (блок 10). В разі порушення вимог до конструкторсько-

технологічного опису поршня здійснюють повернення до етапу 1.

В цілому етап розробки конструкторської документації завершує ро-

боту розглянутої САПР КЗ, а проект передається до наступних підсистем.

Порівняємо схеми проектування КЗ, що подані на рис.2.11 і рис.2.14.

Неважко побачити, що зміна стратегії проектування приводить до зміни

зв’язків

в багатоетапній САПР. При цьому в спрощеній схемі рис.2.14

з’явився додатковий блок оптимізації (блок 5). Відповідно до структури

моделюючого комплексу САПР ДВЗ (рис.2.1) блок оптимізації є об’єктно-

незалежним модулем. Останнє означає, що загальна кількість підсистем

моделі оптимального проектування двигуна в даному випадку залишається

незмінною. Водночас зменшення критеріїв та параметрів оптимізації в

блоках 5 та 9 схеми рис.2.14 проти блоку схеми рис.2.11 значно скорочує

термін проходження проекту.

Крім того, виконання процедур проектування за загальною схемою

рис.2.11 вимагає ітераційного виконання операцій розрахунку робочого

процесу та температурного стану поршня до узгодження

зовнішніх функ-

ціональних описів цих процесів за температурою поверхні КЗ. Викорис-

тання альтернативної стратегії не потребує виконання вказаних ітерацій. В

цьому випадку зміна стратегії проектування може змінити

ієрархію зв’язків

між підсистемами, які розглядаються.

В цілому з наведеного видно, що

вибір певної стратегії проектуван-

ня за наявності навіть незмінного комплексу програмних, математичних,

технічних та інших засобів виконання проектних робіт може в значній

мірі визначати ефективність САПР

. Цим і пояснюється важливість роз-

робки методичного забезпечення як першого науково-технічного питання

(див. п.1.3), що потребує вирішення при системному підході до проекту-

вання двигунів внутрішнього згоряння.

Контрольні запитання і завдання

1. Що слід вважати компонентами методичного забезпечення

САПР?

2. Поясніть особливості основних видів стратегій проектування.

3. Чим відрізняється розгалужена стратегія проектування від

адаптивної?

4. Чи можна виконувати розрахунки робочого процесу і крутних ко-

ливань колінчастого вала двигуна одночасно, тобто з використанням роз-

галуженої стратегії проектування, і чому?

5. Чи можна виконувати розрахунки деталей

двигуна на міцність до

розрахунків робочого процесу і чому?

6. Чи можна виконувати розрахунки основних деталей двигуна на

міцність одночасно і чому?

7. Чи є відомим маршрут проектування певної деталі двигуна до за-

вершення її проектування: за лінійною стратегією, за адаптивною стратегі-

єю?

8. Чим відрізняються поняття підпроекту та шаблону підпроекту?

9. Поясніть поняття вирішальної операції та вирішального правила.

10. Наведіть приклади використання вирішальних правил при вико-

нанні процедури розрахунку робочого процесу в САПР ДВЗ.

11. Розподіліть блоки рис. 2.7 між функціональними підсистемами

САПР ДВЗ.

12. Знайдіть блоки, що вміщують вирішальні операції в підсистемах

САПР ДВЗ, які

подано на рис. 2.9 і 2.10.

13. Розробіть загальні схеми підсистем синтезу геометричної моделі

клапана, сідла клапана, шатуна, газорозподільного вала.

14. Розробіть загальні схеми багатоетапних систем проектування ша-

туна, газорозподільного механізму.

Глава 3. ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ САПР ДВЗ

3.1. Структура програмного забезпечення САПР

Програмне забезпечення є обов’язковою сполучною ланкою між

проблемним середовищем і технічними засобами комп’ютерної технології

проектування – реалізує потенційні можливості обчислювальної техніки

щодо її призначення. Саме тому ПЗ займає особливе місце в процесах роз-

робки, використання, модернізації САПР та визначає

функціональну пов-

ноту, ефективність, вартість автоматизованої системи в цілому. На сього-

дні загальні витрати людства на розробку ПЗ обчислюються сотнями міль-

ярдів доларів США та продовжують зростати. Цю тенденцію подано на

рис.3.1, звідки видно, що тільки за останнє десятиліття ХХ ст. ці витрати

зросли більше ніж у 3 рази.

Вартість розробки ПЗ, млрд. дол. США

1985 1990 2000

Роки

800

600

400

200

Рисунок 3.1 – Загальні світові витрати на розробку ПЗ

Нагадаємо, що в основу ПЗ покладено поняття алгоритму як попе-

редньо наданої послідовності інструкцій (команд, дій), виконання яких

приводить до результату розв’язання певної задачі. При цьому програмою

зветься алгоритм, який записано мовою програмування.

Програмне забезпечення об’єднує програми та програмну

документацію, що є необхідною для експлуатації програм.

Програмна документація (ПД) потрібна для розробки, використання,

модернізації програм. У загальному випадку до ПД залучають:

1) специфікацію;

2) опис області застосування і призначення програми;

3) опис функціонування програми;

4) схему алгоритму і пояснення до неї;

текст програми мовою програмування з неодхідними коментаря-

ми;

6) відомості щодо забезпечення кваліфікованої експлуатації програ-

ми;

7) методики випробування програми.

ПЗ САПР призначене для виконання двох наступних груп функцій:

1. Функцій забезпечення, котрі здійснюють структурне та функціо-

нальне об’єднання системи, її працездатність і розвиток.

2. Функцій користування, за допомогою яких безпосередньо здійс-

нюється процес проектування.

З урахуванням цих груп функцій в структурі ПЗ САПР відповідно до

рис. 3.2 виділяють:

 базове (системне) програмне забезпечення засобів обчислюваль-

ної техніки (БПЗ ЗОТ);

 базове загальносистемне програмне забезпечення САПР (БПЗ

САПР);

 спеціалізоване (прикладне) програмне забезпечення САПР (ППЗ

САПР).

До базового ПЗ ЗОТ залучають операційні системи (ОС),

системи програмування, сервісні програми.

Операційні системи займають найважливіше місце в сукупності си-

стемних програмних засобів.

ОС керує комп’ютером, запускає програми на виконання, забезпечує

розміщення, зберігання, захист даних, керує обміном інформацією із зов-

нішнім середовищем, виконує інші різноманітні операції за запитами і ко-

мандами користувача та програм. З цього приводу ОС знаходиться в осно-

ві організації обчислювального процесу, визначає якість використання

апаратних компонентів

АС, ефективність розв’язання проектних задач,

продуктивність інженерного персоналу проектної організації.

БПЗ ЗОТ

Операційні

системи

Системи

підготовки

текстів

Системи

машинної

графіки

Системи

мережної

обробки

даних

Системи

програмування

Сервісні

програми

ППЗ САПР

БПЗ САПР

Об’єктно-

орієнтоване ПЗ

СКБД

Проблемно-

орієнтоване ПЗ

ПЗ САПР

Рисунок 3.2 – Структурна схема ПЗ САПР

Системи програмування призначені для автоматизованого створення

програм і складаються з трансляторів (компіляторів або інтерпретаторів) та

інших програмних засобів, що забезпечують розробку, редагування та пе-

ретворення текстів програм, які написані мовою програмування, в машин-

ний код. Саме цей код утворює інструкції, що зрозумілі процесору, та які

призначені для покрокового автоматичного виконання задач

Сервісні програми повинні забезпечити різноманітні допоміжні фун-

кції загальносистемного призначення, наприклад підвищення ефективності

керування ОС, створення архівів даних і програм, діагностики роботи тех-

нічних пристроїв тощо.

В цілому БПЗ ЗОТ є інваріантним до об’єкту проектування і виконує

функції забезпечення автоматизованого процесу проектування. Таким чи-

ном, БПЗ ЗОТ утворює операційне середовище

, в якому функціонує БПЗ

САПР та ППЗ САПР.

До базового програмного забезпечення САПР залучають програ-

ми і програмні комплекси міжгалузевого використання, призна-

ченням яких є виконання типових САПР-орієнтованих функцій

обслуговування процесу проектування

Пояснимо вказане на прикладі. В процесі конструювання ДВЗ вини-

кає потреба у виконанні креслярської документації елементів двигуна і

двигуна в цілому. Тут особливості подання конструкторського опису

об’єкту проектування не залежать від особливостей СТС, а визначаються

нормами ЄСКД. Графічну систему реалізації цих норм слід відносити до

підсистем обслуговування САПР і відповідно

до БПЗ САПР. Таким чином,

програми БПЗ САПР входять до моделі оптимального проектування ДВЗ

як компоненти модуля обслуговування (див. рис.2.1).

Відповідно до рис.3.2 БПЗ САПР складають системи підготовки тек-

стової і графічної документації, СКБД, мережне ПЗ тощо. Усі види БПЗ

САПР мають свою особисту класифікацію і місце в процесі обслуговуван-

ня процесу проектування.

Прикладне програмне забезпечення САПР призначене для вико-

нання зовнішнього функціонального опису ЦС, отримання про-

ектних рішень.

В основу ППЗ САПР покладено методи наукових дисциплін, що по-

требують використання в процесі проектування. Склад ППЗ САПР завжди

є індивідуальним і залежить від об’єкта проектування, обсягу задач, що

вирішує надана САПР, рівня досконалості цієї САПР.

Часто для отримання проектного рішення використовується не одна

програма, а пакет прикладних програм (ППП

), що утворює програмний

комплекс. За змістом певних задач проектування ці програми і комплекси

поділяють на проблемно-орієнтоване ПЗ (ПО ПЗ) і об’єктно-орієнтоване

ПЗ (ОО ПЗ).

ПО ПЗ використовують для виконання типових проектних процедур,

що не залежать від особливостей об’єкта проектування. Цей вид ПЗ пови-

нен допускати отримання рішень для об’єктів різного функціонального

призначення. Наприклад, проблемно-орієнтована система розрахунку тем-

пературного

стану деталей повинна розв’язувати задачу теплопровідності

для головки циліндрів, поршня, клапана, гільзи циліндрів, розпилювача

форсунки тощо. Усі ці деталі мають суттєво відмінну конфігурацію і знач-

но відмінні граничні умови теплообміну.

Таким чином, в межах розробленої САПР ДВЗ проблемно-

орієнтоване ПЗ обслуговує групу однотипних задач проектування різнома-

нітних елементів двигунів.

Склад цього виду забезпечення відповідає

складу об’єктно-незалежного модуля моделі оптимального проектування.

Залучення до САПР проблемно-орієнтованого ПЗ, яке реалізує типові про-

ектні процедури, суттєво зменшує витрати на створення ПЗ в цілому.

Об’єктно-орієнтоване ПЗ призначене для безпосереднього проекту-

вання ЦС наданої САПР. Цей вид ПЗ є повністю спеціалізованим

. Тут на-

віть для розв’язання однотипних задач, але на різних етапах проектування

двигунів, використовують різне ОО ПЗ. Це визначається особливостями

загального низхідного процесу проектування СТС. Так, наприклад, на по-

чаткових стадіях проектування, коли відомі лише загальні конструктивні

рішення, розрахунок робочого процесу здійснюють за спрощеними мате-

матичними моделями. Але після

уточнення конфігурації деталей КЗ, газо-

повітряних трактів, параметрів повітря- та паливопостачання, умов тепло-

обміну використовують уточнені моделі. Ясно, що склад ОО ПЗ відповідає

об’єктно-залежному модулю моделі оптимального проектування ДВЗ.

ОО ПЗ може бути створено лише за участю спеціалістів прикладної

сфери та повинно постійно оновлюватись у процесі удосконалення внут-

рішнього

функціонального опису СТС. Саме тому спеціалісти-проекту-

вальники двигунів внутрішнього згоряння повинні розуміти вимоги, що

ставляться до ПЗ САПР. Ці вимоги повністю базуються на принципах бу-

дови та відповідають цілям використання САПР ДВЗ. До вказаних вимог

віднесено: