Математические модели оптимального проектирования. - раздел Производство, ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Математические Модели Оптимального Проектирования Технологического Процесса П...
Математические модели оптимального проектирования технологического процесса представляют собой формализованное описание критерия качества, условий, обеспечивающих выполнение заданных функций процесс-сом, требований, предъявляемым к отдельным параметрам процесса и др.
Именно в формировании математической модели заключается постановка задачи оптимального проектирования технологического процесса, которой предшествует определение цели и соответствующего критерия оптимизации. Например, при проектировании технологического процесса цели оптимизации могут состоять в обеспечении его минимальной трудоемкости, максимальной производительности, минимальной технологической себестоимости и др. Каждой их перечисленных целей оптимального проектирования соответствует свой критерий оптимальности (трудоемкость, производительность, технологическая себестоимость и др.). Критерии оптимальности выражают целевыми функциями Q(х), представляющие собой математические зависимости их значений от параметров проектируемого технологического процесса.
Цели оптимизации могут иметь и более сложный характер, когда число показателей качества проектируемого технологического процесса (критериев оптимальности) более одного. В реальных условиях оптимизационной задачи часто носит многокритериальный характер.
На первом этапе разработки математической модели оптимального проектирования выявляют параметры процесса, влияющие на критерий (критерии) оптимальности последнего (последних) от этих параметров. Далее определяют параметрические, дискретизирующие и функциональные ограничения, накладываемые на параметры технологического процесса, для обеспечения выполнения им заданных функций.
Если всей совокупности параметров технологического процесса поставить соответствие некоторые n-мерное декартовое пространство проектирования Rn , то оно будет состоять их двух частей – подпространство реальных процессов (допустимого подпространства проектирования D) и подпространство нереальных процессов. При этом подпространство реальных процессов образуется точками, координаты которых соответствуют значению параметров технологического процесса, удовлетворяющим указанным выше параметрическим, дискретизирующим и функциональным ограничениям.
Параметрическим называют ограничение M1 вида
x`i ≤ xi ≤ x``i (1)
где xi - i-тый параметр технологического процесса, x`i и x``i - соответственно минимально и максимально допустимые значения i-того параметра.
Совокупность ограничений (1) образует n-мерный параллелепипед в пространстве проектирования Rn .
Дискретизирующие ограничения М2 имеет вид
xj = { xj1, xj2,...., xjm } (2)
где xj – j-тый параметр технического объекта, xjk –допустимые дискретные значения j-того параметра ( k=1,2,...,m)
Ограничениями (2) n-мерный параллелепипед, образованный ограничениями (1), разрывается, и подпространство реальных процессов размерности n переходит в совокупность подпространств размерности n-m. Так, если n=3, а m=1, то подпространство реальных процессов, представляющие собой трехмерный параллелепипед, переходит в совокупность его плоских сечений в точках множества (2).
Ограничения вида (2) накладывают на значения параметров либо в связи с их физической сущностью (например, параметр «число инструментов» в наладке может принимать только целые значения в некотором интервале), либо в связи с требованиями ГОСТов, ОСТов и др.
Функциональные ограничения M3, накладываемые на параметры процессов, представляет собой условия связи их значений. Эти ограничения имеют вид
gi (x)≤ 0; gj (x)=0; gk (x) <0. (3)
Функциональные ограничения еще более уменьшают объем допустимого подпространства проектирования и усложняют его форму. Функциональными ограничениями при оптимальном проектировании технологических процессов могут быть условия: прочности, жесткости, точности, герметичности, и др. эти условия обеспечивают желаемые значения тех или иных технических характеристик и экономических показателей.
Таким образом, допустимое подпространство проектирования D представляет собой множество точек, удовлетворяющих ограничениям (1) -(3).
Определение ограничений (1)-(3) является чрезвычайно ответственным этапом в процессе постановки и решения задач оптимального проектирования. Неучет каких-либо ограничений может привести к таким нежелательным эффектам, как невозможность реализации технологического процесса или низкий уровень технико-экономических и других показателей процесса. Вместе с тем, избыточные ограничения повышают сложность модели, используемых алгоритмов и методов решения задач, а также увеличивают затраты машинного времени.
Важное значение при постановке задач оптимального проектирования: имеет анализ совместимости параметрических, дискретизирующих и функциональных ограничений. При этом если окажется, что
D={x│M1, M2 , M3 }=Ǿ,
т.е. допустимое подпространство проектирования является пустым множеством, то следует пересмотреть ограничения (1) - (3) и выяснить противоречащие. Поиск оптимальных решений возможен, если D содержит хотя бы две точки. Указанный анализ можно выполнить проверкой выполнения ограничений на реальном процессе или зондированием подпространства D на ЭВМ.
Таким образом, задачу оптимального проектирования формулируют следующим образом. Найти такое x*Є D, для которого Q (х*)=min Q(x ), xЄ D
Найденное в результате решения задачи х* называется оптимальным решением, а Q (х*) оптимальным значением критерия оптимальности.
Сложнее формулировать многокритериальные задачи оптимального проектирования, в которых требуется определить такое значение вектора параметров x*Є D, которое обеспечивало бы минимум одновременно по всем критериям оптимальности. При этом среди последних обычно есть и противоречивые, оптимизация по каждому из которых в отдельности приводит к разным значениям x*. В этих случаях, задача состоит в определении некоторого компромиссного решения, для чего критерии оптимальности объединяют в один - обобщенный критерий.
Известно множество способов построения обобщенных критериев. Среди них наиболее часто используют метод взвешенных сумм, согласно которому обобщенный критерий
Q(x)=∑ λi Qi(x),
где Qi(x), - i -й критерий оптимальности; λi – весовой коэффициент.
Значения весового коэффициента устанавливают исходя из степени важности того или иного критерия на основе опыта, интуиции или метода экспертных оценок. Наличие элемента субъективизма в определении λi - недостаток рассматриваемого метода. Известен и такой подход, когда задачу решают для нескольких сочетаний весовых коэффициентов, а затем выбирают наиболее подходящее решение.
Метод взвешенных сумм наиболее удобен для критериев оптимальности, измеряемых в одинаковых единицах или в относительных величинах.
Для равноценных критериев оптимальности обобщенный вектор можно построить в виде суммы
Q(x)=∑ {[Qi(x)- Q*i (x)]/ Q*i(x)}
где Qi(x) - i -й критерий оптимальности; Q*i(x), - оптимальное значение i-того критерия, найденное при решении задачи с целевой функцией Q0(x)= Qi(x)
Если построение обобщенного критерия оптимальности невозможно или нецелесообразно, то используют способы оптимизации главного из многих критериев или последовательной оптимизации всех критериев. В первом случае по тем или иным соображениям выбирают наиболее важный критерий и оптимизацию выполняют по нему. Остальные критерии учитывают в виде ограничений на их значения. При последовательной оптимизации всех критериев поступают следующим образом. Сначала устанавливают последовательность оптимизации критериев. Затем решают задачу оптимизации с одним первым критерием и находят его оптимальное значение Q*1 . После этого решают задачу оптимизации по второму критерию, но при этом в модель вводят дополнительное ограничение
Q1(x)= Q*1 +δ1
где δ1 - уступка по первому критерию.
Аналогично решают задачи оптимизации по остальным критериям с добавлением на каждом шаге в модель ограничений по предыдущим критериям. Таким образом, полученное в итоге оптимальное решение x* во многом определяется значениями компонент вектора уступок δ1 .
Для определения их наилучших значений можно решать задачу оптимизации по критерию
T(x)=min max (Qi(x)- Q*i - δ1 )
После решения задачи многокритериальной оптимизации исследователю предстоит на основе интуиции и опыта оценить полученные результаты. При этом мажет оказаться необходимым повторить решение задачи с другим обобщенным критерием или при других значениях весовых коэффициентов, вектора уступок и т.д. В этих условиях особое значение приобретают системы диалогового взаимодействия человека с ЭВМ в процессе решения задач многокритериальной оптимизации.
После построения математической модели оптимального проектирования в первом приближении встает задача ее анализа, к целям которого относятся: выявление выпуклости, вогнутости, унимодальности (наличия у целевой функции одной точки экстремума и ее совпадение с глобальным экстремумом), многоэкстремальности (наличие у целевой функции нескольких локальных экстремумов), исследование совместимости ограничений; исследование допустимого подпространства проектирования, образуемого ограничениями; выявление адекватности модели проектируемому процессу.
Результаты анализа математической модели имеют важное значение для правильного выбора необходимых при решении задачи математических методов оптимизации.
Все темы данного раздела:
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Учебное пособие
Москва 2009
Технологичность конструкции самолета
1.5.1. Понятие технологичности конструкции………………….……32
1.5.2. Технологичность - основа повышения эффективности
целевой отдачи авиационной техники…………….............36
1.5.
Понятие качества.
1.7.1. Особенности качества, применительно к авиационному производству……………………………………………………..84
1.7.2. Инструменты управления качеством.
Методы достижения качества…………………….……….….87
Требования к точности обводов агрегатов и их взаимному
положению………………………….…………………………………….135
2.4. Взаимосвязь конструкции и технологии……………....…………..136
2.5. Схема сборочны
Теория и практика разработки автоматизированных систем
технологической обработки……………………………………………195
3.2. Анализ современных подходов к разработке САПР-ТП…………..198
3.2.1. Обзор р
Становление и развитие технологии производства летательных аппаратов от ремесленного искусства (XVIII в.) до науки (XX в.)
Авиация – область науки и промышленности, которая сегодня развивается чрезвычайно быстро, что требует постоянного совершенствования, внедрения современных технологий в теори
Структура предприятий и производственный процесс.
Структуру практически любого самолетостроительного предприятия можно представить в виде рис. 1.1
Рис 1.1 Производственная структур
Основные составляющие части ЛА.
Деталь – первичная монолитная часть самолета – получается из исходных материалов, полуфабрикатов и заготовок в результате различных технологических процессов.
Виды производства
Различие в программе выпуска изделий привело к условному разделению производства на три типа: единичное (опытное), серийное и массовое.
Единичное производство —
Технологический процесс - основа производства.
Особенностями авиационного производства являются:
а) частая сменяемость объектов производства,
б) повышение насыщенности изделий элементами электро
Понятие о технологическом процессе и его составляющих.
Технологический процесс - это сложный комплекс действий оборудования и исполнителей по преобразованию исходных материалов в готовое изделие.
Пер
Структура технологического процесса.
Ø Технологический процесс
Ø Технологическая операция
Ø Технологические переходы
Ø Технологические проходы
Понятие технологичности конструкции
Технологичность является одним из основных параметров самолета, который должен быть обеспечен при проектировании наряду с летными характеристиками, надежностью, ресурсом и др. Это з
Технологичность - основа повышения эффективности целевой отдачи авиационной техники
Характеристика технологичности и направления ее решения.
Развитие авиации характер
Технологичность наружных обводов и членение планера.
Технологичность самолетов в значительной степени определяется рациональным выбором аэродинамических обводов, к которым предъявляются следующие требования:
1) простота аэро
Качественная оценка технологичности
Качественная оценка технологичности конструкции изделия выражается понятием "хорошо - плохо", "соответствует - не соответствует", "технологично-нетехнологи
Факторы, определяющие требования к деталям различного производств
Вид деталей
Конструктивно-технологические факторы
Количественная оценка технологичности.
Оптимальное сочетание применяемых в конструктивно-технологических решениях (элементной базы, компоновки, базовых несущих конструкций, принципов коммутации, материалов, теплофизическ
Производства.
Помимо непосредственного назначения самолета, условий его функционирования, уровня развития науки и техники, конструкция летательного аппарата определяется конкретным перечнем требований, выработан
Особенности качества, применительно к авиационному производству.
Таким образом, качество в первую очередь это способность удовлетворять требованиям заказчика.
Стадии качества:
1. Фаза отбраковки (потребитель должен получ
Методы достижения качества.
В своем развитии методы достижения качества прошли определенную эволюцию. Современный подход к обеспечению качества базируется на управлении всеми объектами деятельности организации по достижению з
Обеспечение качества ЛА.
Особенности производства самолета как изделия вызваны, прежде всего, предъявляемыми высокими требованиями к его аэродинамическому качеству, весовой эффективности и надежности.
Большое знач
Изготовления и сборки изделий.
Ø Взаимозаменяемость и точность изделия являются важными показателями качества изделия.
Ø Взаимозаменяемость - свойство части изделия, обеспечивающее возможно
Методы увязки размеров.
Различают 3 метода увязки:
1. связанный метод (Рис. 1.21.)
2. независимый метод (Рис. 1.22.)
3. метод компенсации (Рис. 1.23.)
1. dA
Точности
Рис. 1.24. Построение размерной цепи ступенчатого валика:
а- схема простановки размеров;
б – размерная цепь.
Реализация плазово-шаблонного метода.
Принципиальная схема увязки форм и размеров агрегатов при использовании плазово-шаблонного метода увязки. (Рис.1.25)
Основные шаблоны и конструкторские плазы.
Основные шаблоны:
Ø шаблон контрольно-контурный ШКК;
Ø отпечаток контрольный ОК;
Ø конструктивный плаз.
ШКК изготовляют
Краткая характеристика некоторых производственных шаблонов
Сокращенное обозначение шаблона
Название шаблона
Назначение шаблона
ШК
Шаблон контура
Изготовле
Структура себестоимости изделия. Технологическая себестоимость.
Для оценки экономической эффективности технологических процессов используются следующие показатели:
Ø Производительность труда
Ø Себестоимость продукции
&Os
Методы сокращения основного и вспомогательного времени изготовления изделия.
Условия обеспечения максимальной производительности труда:
1. Выбор рациональной структуры технологического процесса, наиболее прогрессивных процессов сборки и обработки;
Производственных систем.
ГПС (ГАП) – гибкая производственная система, гибкое автоматизированное производство.
Предпосылками послужили:
• Опыт эксплуатации жестко программируемых ав
Процессы изготовления деталей ЛА.
Государственное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)» на протяжении 75 лет(с 1932 года) является головной материаловедческой организацией, отве
Материалы для планера самолетов и вертолетов.
Материальный облик ЛА определяют более 120 конструкционных и функциональных материалов, внедренных в самолетах Ил-96М, Ту-204,Бе-200 и последних модификаций самолетов Ту-154М, Ил-86
Характерные полуфабрикаты и заготовки в производстве.
Материалы:
1. Алюминиевые сплавы:
Д16- листы, монолитные панели, прессованные профили (обливки, обтекатели работают до 2000С);
Д16АТ – термические
Заготовительно-обработочный процесс.
Рис.1.34. Классификация заготовительно-обработочных процессов.
Минимальный при
Механические процессы.
Резка ножницами и штампами - сдвиг одной части полуфабриката относительно другой. Рис. 1.37.
Рис. 1.37. Схема процесса резки:
а
Процессы холодного деформирования.
а) резка — отрезка, вырубка, пробивка, просечка:
б) гибка — гибка, скручивание;
в) вытяжка — вытяжка, обтяжка, протяжка;
г) формовка — рельефная формовка, растяжка, отбор
Обтяжка.
Рис.1.55. Схемы гибки профелей обтягиванием по оправке:
1-стол,
2-сменная оправа,
3-поворотная платформа,
4-цилиндр поворота платфо
Вытяжка.
Процесс преобразования незакрепленной по краям плоской заготовки в полую деталь замкнутого контура. Рис. 1.51.
Рис.1.51. Схема выт
Гибка профилированным инструментом. Универсальная матрица.
Рельефная формовка.
Рельефная формовка заключается в образовании местных углублений или выпуклостей за счет растяжения и частичного перемещения материала. Возможность ф
Аппаратов.
Создание такого сложного изделия, как вертолёт, представляло бы чрезвычайно трудную задачу, если бы в процессе эскизного и технического проектирования его не делили на законченные в конструктивном
Технологическая характеристика процессов сборки.
Процесс создания ЛА представлял бы чрезвычайно трудную задачу, если бы при эскизном и техническом проектировании не предлагалось членение – деление его на отдельные, законченные в конструктивном и
Взаимному положению.
При сборке планера самолета необходимо учитывать жесткие требования в отношении точности воспроизведения его аэродинамических обводов и достижения заданной точности узлов и агрегато
Схемы сборочных процессов
В зависимости от степени членения конструкции планера самолета на сборочные единицы и степени дифференциации, сборочных и монтажных работ сборочный процесс может выполняться по посл
Взаимосвязь конструкции и технологии.
Две стороны единого производственного процесса создания любого ЛА, а именно конструкция изделия и технология его изготовления, находятся в постоянной взаимосвязи и взаимозависимости.
Сущес
Пути повышения эффективности сборочных процессов.
Частая смена объектов производства или значительные по своим объемам и частоте модификации выпускаемых машин проводят к большим изменениям в технологии и перестройке производства. О
Методы сборки и сборочные базы.
Сборка – совокупность технологических операций по установке деталей в сборочное положение и соединению их в узлы, панели, агрегаты и самолет в целом.
В о
Бесплазовая увязка размеров в агрегатно-сборочном прозводстве)
Интегрированное количество самолетов, определяемое параметрами летно-эксплуатационных, ресурсных и экономических показателей, во многом зависит от технологии и организации производства ЛА. Одной из
Сущность метода бесплазовой увязки размеров.
Основным направлением в области совершенствования процессов сборки является создание автоматизированных систем на базе развития аппарата математического моделирования объектов и процессов производс
Сборки.
В зависимости от конструкции собираемого изделия, программы его выпуска, оснащения производства оборудованием и инструментом методы сборки и базирования характеризуются различными технико-экономиче
Виды и технологические характеристики соединений.
В конструкциях современных самолетов и вертолетов наиболее широко применяются заклепочные, болтовые, сварные, паяные, клеевые и комбинированные соединения. Вид соединения выбирают с учетом нагрузок
Выполнения соединения.
Соединения выполняются после взаимной ориентации, фиксации и закрепления собираемых элементов конструкции.
Первым этапомТП выполнения соединения является образование и обр
Силовые схемы соединений.
Все многообразие соединений можно разделить на подвижные и неподвижные. Подвижные обеспечивают в некоторых условиях подвижность одних элементов конструкции относительно других. Они применяются для
Показатели качества соединений.
Все показатели разбивают на четыре группы: конструктивные, технологические, эксплуатационные и экономические.
Конструктивные это те, которые определяются констр
Технологические методы соединения болтовых высокоресурсных соединений.
Ресурс конструкции – важнейший показатель ее качества. В наибольшей степени ресурс соединения определяется конструктивными и технологическими факторами Схема 2.2.
Технология выполнения высокоресурсных клеевых и клеесварных соединений.
Укрупненный технологический процесс склеивания включает следующие операции:
- предварительная сборки разборка узла;
- подготовка поверхностей деталей под склеивание;
- на
Изготовление конструкций с сотовым заполнителем.
Конструкции с сотовым заполнителем отличается высокой удельной прочностью, лучшими характеристиками по усталостной прочности, улучшенными аэродинамическими качествами, меньшим количеством деталей и
Изготовление сотового заполнителя.
Металлические соты изготавливают из фольги алюминиевых сплавов толщиной 0,03…0,15 мм. Толщина фольги, форма и размер ячейки определяются из условия обеспечения необходимой прочности и жесткости кон
Контроль качества сотовых агрегатов.
При изготовлении сотовых агрегатов значительный объем работ приходится на пооперационный и окончательный контроль.
Для контроля качества обезжиривания фольги применяется люминесцентная уст
Изготовление узлов с заполнителем в виде пенопласта.
При использовании в качестве легких заполнителей пенопластов возможны следующие методы изготовления: прессовый, беспрессовый и комбинированный.
На рис.2.22. приведенаттиповая конструкция у
Конструкционные и функциональные наноматериалы.
Наноматериалы – объекты с размером менее 100 нм. Объекты с наноразмерами имеют уникальные свойства вследствие значительной роли поверхностных прессов.
Нанотехнология
Нанотехнологии и наноматериалы.
В настоящее время технологическая гонка в сфере нанотехнологий приобрела мировой масштаб.
Наноматериалы обладают значительно большей удельной площадью поверхности в сравнении с традиционны
Теория и практика разработки автоматизированных систем технологической обработки.
Процесс технологической подготовки машиностроительного производства заключается в разработке различной технологической и плановой информации, в приобретении материалов и покупных ко
САПР-ТП.
Деление алгоритмического комплекса САПР-ТП на две части, каждая из которых относится к деталям с различным уровнем конструкторско-технологической унификации - тенденция, проявляющаяся у целого ряда
Организационное обеспечение САПР.
Стандарты по САПР требуют выделения в качестве самостоятельного компонента организационного обеспечения, которое включает в себя положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалифицированны
Разработка САПР-ТП на базе идей типизации.
При проектировании технологических процессов по типовым или групповым процессам АСТП представляет собой информационно-поисковую систему, в которой по определенным признакам отыскива
Стратегия, концепция, принципы CALS.
CALS- это аббревиатура, которая сменила несколько значения. Сегодня придерживаются мнения, что CALS(Coninuous Acquisition and Life cycle Support) – непрерывная информационная п
Этапы жизненного цикла изделий и развитие CALS.
К этапам ЖЦИ относятся маркетинговые исследования, проектирование, технологическая подготовка производства (ТПП), собственно производство, послепродажное обслуживание и эксплуатация продукции, утил
Причины появления и принципы CALS.
Исторически по ряду объективных и субъективных причин многие подсистемы САПР и АСУ создавались как автономные системы, не ориентированные на взаимодействие с другими АС. При этом каждая из АС успеш
Подготовки производства в авиастроении.
Рис.3.1
Авиационная промышленность России приступила к созданию ЛА нового поколения. Особенност
Основные принципы.
Наиболее актуальной проблемой модернизации производства на предприятии авиационного моторостроения является проблема внедрения современных информационных технологий и их последовательная интеграция
Реализация процессов в системе PDM.
Основой для любого высокотехнологического производства является цифровая мастер-модель, так как именно 3D-модель позволяет однозначно определить ее точную реализацию на станках ЧПУ. Это утверждение
Основные характеристики
Современная система PDM в наиболее полном объеме реализует функции управления составом изделия, структурой всех его составных частей, деталей, узлов и агрегатов. Кроме того, в управляемую структуру
Задачи оптимального проектирования в САПР технологического назначения.
Под оптимальным понимают такое проектирование, цель которого состоит в создании технологического процесса, не только выполняющего заданные функции, но и отвечающие некоторым заранее
Метод множителей Лагранжа.
Метод множителей Лагранжа в отличие от предыдущего подхода, позволяет решать задачи оптимизации того же порядка сложности, но с ограничения на переменные типа равенств. Суть метода заключается во в
Линейное программирование.
Линейное программирование – это математический аппарат для решения задач оптимизации, в которых целевая функция и ограничения линейны.
Задачу линейного программирования в общем виде можно
Затраты времени на обработку одного изделия для каждого из типов оборудования.
Тип оборудования
Затраты времени (станко-час) на изготовление одного изделия вида
Общий фонд рабочего времени оборудования (4)
Метод ветвей и границ.
Метод ветвей и границ заключается в разбиении конечного множества, на котором ищется экстремум, на несколько подмножеств и в выяснении перспективности каждого из них. Если подмножество неперспектив
Решение-цикл
Условие Сii=∞ принимается для того, чтобы исключить возможность появления в оптимальном решении значений Xii=I, не имеющих смысла.
Наилучшие результаты при реше
Производства.
Применение производственных систем (ГПС) повышает производительность труда, улучшает загрузку оборудования и сокращает затраты на транспортные работы.
При проектировании те
Математическая модель сборки и ее свойства.
Синтез технологических процессов - один из ответственейших этапов разработки ЛА. Можно выделить несколько видов задач синтеза технологии. Например, синтез технологии на первом уровне предполагает
Новости и инфо для студентов