В настоящее время различают два вида автоматизированных информационных систем САПР — банки данных и информационно-поисковые системы (ИПС). Эти системы различаются видом хранимой и обрабатываемой информации и информационным языком, с помощью которого осуществляется описание данных и манипуляции с ними.
Функционирование информационной системы обеспечивается программно-техническими средствами (машинная организация) и средствами внемашинной организации.
Программно-технические средства информационных систем — это, как правило, специальные пакеты прикладных программ (ППП), которые обеспечивают накопление (ввод, изменения, модификацию), хранение и поиск информации.
К средствам внемашинной организации данных в информационных системах относятся:
· система классификации и кодирования информации;
· система ведения информационных массивов (входные формы и таблицы, оперативные документы на изменение информации и т. д.);
· методические инструментальные материалы для "системного персонала (службы администрации).
Проектирование, организацию функционирования и развитие информационной системы обеспечивает системный персонал.
В информационно-поисковых системах САПР хранится и обрабатывается документальная информация. Единицей хранения информации в ИПС является описание конкретного документа. Прообразами накапливаемых в системе описаний документов служат некоторые внешние первичные документы, содержащие информацию, используемую в процессе автоматизированного проектирования. Такими первичными документами могут быть отчеты по научным и конструкторским работам, патенты, справочники, статьи, каталоги и т. д. С точки зрения пользователя, каждое описание документа представляет собой краткую библиографию источника информации (автор, заглавие, название источника, год выпуска, издательство, аннотация или реферат).
Совокупность документов в памяти ЭВМ образует последовательный массив (файл). Поиск информации в системе осуществляется путем сравнения понятий поискового образа документа и понятий запроса. При их полном или частичном совпадении (в зависимости от критерия выдачи) документ считается релевантным, т. е. соответствующим запросу.
Но при такой последовательной организации информации поиск и сравнение со всеми поисковыми образами заняли бы много времени. Для более эффективной организации информации в систему вводят инверсный (поисковый) массив, в котором каждому понятию поставлен в соответствие набор номеров документов, в которых это понятие встречается.
К функциям ППП для ИПС относятся:
· ведение и использование информационно-поискового языка;
· ввод, накопление и изменение информации;
· поддержка инверсного массива;
· поиск и выдача информации по запросам.
ИПС описанного выше типа называются документальными ИПС.
Наиболее высокой формой организации информационного обеспечения больших САПР являются банки данных. Они представляют собой проблемно-ориентированные информационно-справочные системы, которые обеспечивают ввод необходимой информации, автономное от конкретных задачведениеи сохранение информационных массивов, и выдачу необходимой информации по запросу пользователя или программы.
Пакетом прикладных программ этих информационных систем является система управления базами данных (СУБД), которая обеспечивает работу с информационной базой, организованной в виде структуры данных. По этой заранее сформированной структуре (модели) данных производится их описание, хранение и поиск.
В СУБД описание структуры информации принято называть схемой. В зависимости от уровня представления информации различают следующие типы схем:
· концептуальный (общее представление об информационной базе предметной области);
· внешний (представление информации со стороны пользователей или задач; при большом числе задач их представления могут пересекаться); внешних схем бывает несколько;
· внутренний (представление информации в базе данных, т. е. на физических носителях — магнитных дисках).
Концептуальный уровень связывает внешний уровень с внутренним и обеспечивает их относительную независимость, т. е. возможность изменения внешней схемы при неизменной внутренней и наоборот. Роль концептуального уровня состоит в том, что на нем отображается та часть общей информационной базы, которая должна быть представлена в виде базы данных. Концептуальный уровень обеспечивает независимость СУБД от конкретного вида ЭВМ. Формализованное описание информационной базы на концептуальном уровне осуществляется в терминах конкретной СУБД.
СУБД выполняет следующие основные функции:
· определение баз данных (т. е. описание концептуального, внешнего и внутреннего уровней схем);
· запись данных в базу;
· организацию хранения данных (изменение, дополнение, реорганизация данных);
· представление доступа к данным (поиск и выдача данных).
Для определения данных и доступа к ним в СУБД имеются языковые средства (специальные языки). Определение данных (описание концептуальной, внутренней и внешней структур) обеспечивается с помощью языка определения данных. Функции доступа к данным реализуются с помощью языка манипулирования данными и языка запросов.
По типу поддерживаемых структур различают следующие виды СУБД по одноименным моделям данных: иерархический, сетевой и реляционный.
ЛЕКЦИЯ 5
МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В САПР
Методы сопротивления материалов и строительной механики
Законы и теоремы общей механики позволяют рассчитать перемещение инженерной конструкции в пространстве. Перемещение отдельных точек конструкции относительно друг друга определяется методами математической теории упругости или сопротивления материалов — разделами общей механики. Теория упругости использует сложный математический аппарат при точной постановке задачи и полном анализе процесса деформирования тела. Сопротивление материалов позволяет определить прочность и жесткость отдельных «типичных» элементов конструкций, используя простые математические приемы. Термин «типичные» указывает на некие идеализированные элементы, к которым допустимо использовать упрощенные математические приемы.
При проектировании реальных конструкций для получения практического результата прибегают к упрощающим предположениям, которые подтверждаются сопоставлением расчетных данных со значениями, замеренными при проведении эксперимента. Составляются уравнения на базе зависимостей сопротивления материалов и дополняются коэффициентами, связывающими расчетные величины с реальными (замеренными при проведении эксперимента). Следует иметь в виду, что это сопоставление может распространяться на ограниченную группу конструкций, очень близких к экспериментальной конструкции. При создании приближенных методов расчета вместо эксперимента в настоящее время часто используют результаты численного анализа, выполненного методами теории упругости. Кроме того, на общих положениях сопротивления материалов создана строительная механика сооружений.
В курсе строительной механики рассматривается расчет геометрически неизменяемых систем (конструкций), то есть таких, перемещение отдельных точек которых возможны только в результате деформации систем. Геометрическая неизменяемость таких систем обеспечивается связями с опорами. Реакции, возникающие в опорах, вместе с заданными нагрузками представляют уравновешенную систему внешних сил, действующих на сооружение. Связи между отдельными точками (узлами) конструкции в строительной механике описываются стержнями — это элементы, воспринимающие нагрузку от сил, действующих по трем координатным осям, и моментов, действующих вокруг этих координатных осей. Если этих стержней (связей) в составе геометрически неизменяемой конструкции больше минимально необходимого числа (число реакций в опорах), то она является статически неопределимой. Статически неопределимую конструкцию нельзя рассчитать с помощью уравнений статики, для этого требуется составить дополнительные уравнения ее деформации от внутренних силовых факторов. Если при решении этих уравнений неизвестные связи заменяются силами, то используется метод сил, при котором сначала находят усилия, а затем перемещения. Если при решении этих уравнений неизвестные связи заменяют упругими перемещениями, то используется метод перемещений.
Численные методы расчета напряженного состояния конструкции
При проектировании конструкций перед инженером-проектировщиком стоит задача нахождения распределения напряжений, или поля напряжений. Иногда, чтобы узнать, нарушаются ли заданные зазоры между деталями конструкции, требуется вычислить перемещение лишь в определенных точках системы. В отдельных же случаях, особенно если нагрузки и поведение конструкции зависят от времени, проектировщику необходимо подсчитать полное распределение перемещений, или поле перемещений. Для рассчитанного поля напряжений должны выполняться в каждой точке условия равновесия, а перемещения при этом должны быть непрерывны (т. е. должны выполняться условия совместности).
Распределение перемещений и напряжений вычисляют, решая определяющие уравнения, описывающие условия равновесия и совместности. Основная трудность — это использование уравнений, адекватно отражающих выставляемые при проектировании требования к конструкции, не говоря уже об их разрешимости при принятой геометрии конструкции, характере нагрузок и свойств материала. Для трехмерных объектов — это уравнения с частными производными. Точные решения подобных уравнений редки и выполняются приближенно какими-либо методами аппроксимации.
Используются конечно-разностные методы, в которых дифференциальные уравнения аппроксимируются с помощью дискретных значений величин, заданных в выбранных точках. Возникающие в этих методах алгебраические уравнения, которые необходимо численно решить, часто имеют особенно простой вид, а имеющиеся теоремы сходимости позволяют быстро их решать. Однако задание этих дискретных величин — задача аналитическая.
Метод конечных элементов (МКЭ) является аналитической процедурой. При этом сплошная среда (конструкция в целом) моделируется путем разбиения ее на области (конечные элементы), в каждой из которых поведение среды описывается с помощью отдельного набора заданных функций, представляющих напряжения и перемещения в указанной области. Эти функции задаются в такой форме, чтобы удовлетворить условиям непрерывности описываемых ими характеристик во всей среде (в отдельных случаях они не обеспечивают непрерывности, но позволяют получить удовлетворительное решение).
Если поведение конструкции описывается единственным дифференциальным уравнением, то получить приближенное решение этого уравнения можно как МКЭ, так и с помощью техники разложения в ряды или конечно-разностных схем. Если же конструкция в целом неоднородна и состоит из большого количества отдельных конструктивных элементов, поведение каждого из которых описывается своим дифференциальным уравнением, то в этом случае, как правило, можно непосредственно применить лишь МКЭ.
Наряду с указанными альтернативными методиками численного решения прикладных задач механики конструкций в методе конечных элементов требуется строить и решать систему алгебраических уравнений. Особые преимущества метода заключаются в удобстве формирования уравнений и возможности представления совершенно нерегулярных и сложных конструкций и условий нагружения.