Заняття 13 Загальні підходи до проектування ДВЗ

1. Загальні відомості про проектування двигунів внутрішнього згорання.

2. Можливий ступінь автоматизації різних етапів розробки конструкції двигунів внутрішнього згорання.

3. Основні елементи системи САПР двигунів внутрішнього згорання.

1. Розробка системи автоматизованого проектування ДВЗ (САПР ДВЗ) є найактуальнішим завданням галузі, бо воно дозволить істотно підвищити темпи науково-технічного прогресу, зберегти висококваліфікованих спеціалістів, створити у короткі строки нові конструкції ДВЗ із високими техніко-економічними та екологічними показниками, а також сприятиме уніфікації як двигунів, так і їх елементів.

У наш час обов'язковою умовою ефективної виробничо-економічної діяльності в західних машинобудівних фірмах є використання інтегрованих систем автоматизації проектування і технології підготовки виробництва. Без цього фірми не здатні витримати конкуренцію. Ще більш актуальна розробка і впровадження цих систем у нашій країні, у тому числі для такої науково-, матеріало-, та енергоємкої галузі, як двигунобуду- вання.

Не дивлячись на актуальність проблеми, до цього часу в літературі не зустрічається жодного описання не тільки повної САПР ДВЗ, а й окремих її елементів, здатних виконувати самостійні функції. Безумовно, це свідчить про складність проблеми для такої високоскладної системи, як ДВЗ.

Процес проектування ДВЗ за допомогою САПР характеризується такими особливостями: на основі розробки досить складних математичних моделей і алгоритмів з тією чи іншою наближеністю їх до реальних процесів та автоматизацією їх рішень за допомогою швидкодіючих ЕОМ відкривається можливість значно підвищити ефективність аналітичного проектування. Реалізація на ЕОМ оптимізаційних моделей і методів дозволяє у великих масштабах оперативно проводити численні експерименти і з достатньою вірогідністю прогнозувати параметричні і конструктивні рішення, що дозволяє істотно зменшити об'єм доказових експериментальних робіт з натурними зразками на стендах та в експлуатації, що особливо важливо для таких складних об'єктів, як ДВЗ, а також зменшити графічні роботи, пов'язані з коректуванням технічної документації за результатами доказових експериментальних досліджень.

Проаналізуємо загальні принципи побудови САПР ДВЗ. У процесі проектування ДВЗ виділяються відповідні ієрархічні рівні, кожному із яких відповідає своя глибина проробки конструкції в цілому або окремих її елементів. Так, на нульовому рівні ДВЗ розглядається як єдине ціле без поділу на окремі елементи. На цьому рівні висуваються вимоги, які безпосередньо витікають із технічного завдання (ТЗ) на розробку ДВЗ.

На першому рівні вибирається прототип, розробляється ескізний проект ДВЗ, уточнюються тип сумішоутворення і форма камери згоряння та ін., вибираються окремі системи ДВЗ. Вимоги до них враховують результати роботи на попередньому нульовому рівні і уточнюються в процесі подальшого проектування.

На другому рівні розробляють технічний проект, за результатами попередніх робіт вибирають окремі елементи систем. Цей процес про-довжується до повної розробки конструкції двигуна.

При конструюванні ДВЗ широко використовуються уніфіковані вузли і деталі, що значно зберігає час та кошти на розробку.

При конструюванні ДВЗ необхідно розумне поєднання синтезу та аналізу. Задача синтезу - генерувати структуру ДВЗ, тобто він і складає суть конструювання.

Синтез можна поділити на різні рівні складності.

Перший рівень складності - синтез конструкції ДВЗ або його елементів, структура яких визначена в вимогах ТЗ або на основі попередніх досліджень. На цьому рівні синтез фактично відсутній.

Другий рівень складності - синтез конструкції шляхом перебирання варіантів із обмеженого набору прототипів, уніфікованих або стандар-тизованих елементів. Цей рівень характерний для конструювання елементів ДВЗ.

Третій рівень складності - вибір варіанта з урахуванням накладених обмежень (ТЗ або інші нормативні документи).

Четвертий рівень складності - завдання, які не мають прототипів або аналогів. Синтез конструкції із набору, що маємо, при цьому не можливий.

Синтез конструкції окремих систем, механізмів і вузлів ДВЗ найчас-тіше відноситься до другого - четвертого рівнів складності. Лише при розробці принципово нової конструкції його можна віднести до п'ятого рівня складності.

Важливим етапом при проектуванні ДВЗ є оптимізація конструкції як у цілому, так і окремих його елементів. Складність полягає у тому, що ДВЗ звичайно необхідно оптимізувати за багатьма параметрами: економічністю, екологічністю, потужністю, надійністю, масогабаритними показниками та ін. Таку оптимізацію здійснити неможливо, тому на практиці вибирають для оптимізації один-два найважливіших параметри, обмежуючи значення інших.

2. При розробці САПР ДВЗ треба виходити з того, що ЕОМ на будь- якій стадії проектування є і залишається лише інструментом, який здатний виконувати тільки ті функції, які заклав у неї розробник на стадії генерації.

Початком будь-якого процесу конструювання ДВЗ є розробка тех-нічного завдання (ТЗ). Головна мета цього нульового рівня проектування - визначення вимог і властивостей, які очікує від ДВЗ споживач. Звичайно в ТЗ закладаються:

- ефективна потужність і крутний момент;

- частота обертання двигуна;

- економічність по паливу та мастилу;

- токсичні показники;

- масово-габаритні показники;

- показники надійності роботи та ін.

На цьому етапі ЕОМ використовується лише для прискорення аналізу існуючих даних за наведеними вище показниками, тобто існують передумови для автоматизації і цього етапу.

На першому рівні вибирається прототип двигуна, що проектується, який найбільш повно відповідає вимогам ТЗ. Прототип вибирається із багатьох варіантів при накладенні необхідних обмежень. Цю задачу можна віднести до параметричного синтезу третього (а іноді і більш низького) рівня складності. Такі задачі відносяться до задач "бібліотечного пошуку", вони легко формалізуються і для них розроблені методи автоматизованого їх рішення. Крім того, на цьому етапі виконується ескізний проект ДВЗ, який може бути здійснений у автоматизованому режимі, у рамках інформації, яка знаходиться в пам'яті ЕОМ. Конструктор і ЕОМ виступають на цьому етапі як рівноправні партнери: творчу роботу виконує людина; трудоємку частину роботи, пов'язану з перебиранням, аналізом варіантів, розрахунками, підготовкою документації, - ЕОМ.

На другому рівні здійснюється робоче проектування. На цьому етапі на основі отриманих на попередніх стадіях даних виконується конструкторська і розрахункова проробка основних вузлів і деталей, видається робоча документація на виготовлення експериментального зразка. При необхідності розробки нових елементів двигуна на них видається технічна документація. Синтез цих елементів може бути здійснений як самим конструктором, так і ЕОМ за відповідними конструкторськими алгоритмами. Головною функцією ЕОМ на цьому рівні проектування є аналіз запропонованої конструкції за допомогою математичних моделей для підтвердження віропдності прийнятих рішень що істотно зменшить питому вагу експериментально-доказових робіт і розробку робочої документації на ДВЗ.

Наступний етап проектування - виготовлення експериментального зразка ДВЗ і його доводка Мета етапу практична перевірка прийнятих на стадії проектувань рішень На цьому етапі можуть бути автоматизовані два етапи: перший - виготовлення експериментального зразка в умовах впровадження гнучких автоматизованих виробництв (ГАВ); другии - усунення в конструкції недоліків за даними результатів експериментальних досліджень. Останній процес передбачає застосування ітераціиного способу. ЕОМ використовується при експериментальних дослідженнях, для управління ними як інструмент збирання, обробки та видачі інформації. Таким чином аналіз показав що повна автоматизація проектування ДВЗ на даному рівні розвитку техніки ще не можлива.

САПР ДВЗ - є людино-машинною системою, призначеною для вирішення конструкторських, технологічних та доводочних задач| які виникають в процесі, розробки ДВЗ, його систем, механізмів та елементів.

3. Структура САПР ДВЗ складається із систем: інформаційної, конс-трукторської, розрахункової, графічної, технологічної та аналізу конструкції.

У функції інформаційної системи (ІС) САПР ДВЗ входить зберігання, систематизація, пошук, видача інформації, необхідної для забезпечення конструювання ДВ3. До цієї інформації необхідно віднести: бібліотеку прототипів двигунів, їх систем, механізмів, елементів, відомості про стандартизовані та уніфіковані елементи конструкцій, креслення, довідково-нормативної документації, дані про фізичні властивості матеріалів, що застосовуються в ДВЗ, ДСТУ, алгоритми та програми розрахункових методик тощо.

Розробка ІС САПР ДВЗ – одне з найбільш складних і важливих зав-дань.

Основна функція конструкторської системи (КС) САПР ДВЗ - прий-няття рішень із конструкції окремих вузлів і деталей. Основну роботу тут виконує конструктор, бо вона носить творчий характер і не може бути автоматизована.

Основні функції графічної системи (ГС) САПР ДВЗ - виконання креслень і графічної документації. Вона найбільш автоматизована.

Функціями технологічної системи (ТС) САПР ДВЗ є ув'язування розроблюваної конструкції з можливостями виробництва. Ця система може бути функціональним зв'язком між проектуванням, випуском екс-периментальних зразків ДВЗ та їх доводкою. Для цього в систему за-кладаються дані про можливості виробництва, де планується виготовлення ДВЗ, вибір необхідного інструменту та інш.

Функції системи аналізу конструкції (АК) САПР ДВЗ повністю ви-значаються типом і конструктивними особливостями ДВЗ, що розроб-ляються.

Завдяки цій системі ще на стадії проектування ДВЗ можна прогно-зувати його працездатність, виявити найбільш слабкі місця, визначити шляхи підвищення надійності роботи ДВЗ. Розробка цієї системи - найбільш складна задача при розробці САПР ДВЗ.

Система АК представляє собою упорядковану інформаційно- взаємопов'язану сукупність математичних моделей, що описують роботу ДВЗ та його елементів. До цієї системи входять: керуюча програма, проблемно-орієнтовані блоки та програми, що ними керують, пакет прикладних програм планування та обробки результатів експериментальних досліджень та ін.

Керуюча програма забезпечує можливість повного розрахунку всієї конструкції. У програмі передбачено введення всіх даних, визначення ресурсів для запиту на ЕОМ і т.д.

Проблемно-орієнтовані блоки (ПОБ) основні в (АК) САПР ДВЗ, вони призначені для моделювання роботи систем і агрегатів ДВ3. У цей блок включаються моделі трьох типів: емпіричного, аналітичного і чисельного, що зумовлено економічністю і токсичністю і враховується при вирішенні конкретних завдань. Програми, що керують роботою ПОБ, носять допоміжний характер і не включені в основну систему через те, що при можливих розбіжностях у результатах розрахунків відкриють можливість для перерахунків за усіченою схемою, що призведе до економії часу і коштів.

Пакет прикладних програм дозволить використовувати найбільш сучасні методи вирішення завдань, які розв'язуються в проблемно- орієнтованих блоках.

Стандартні програми планування і обробки результатів найчастіше використовуються в ході доказових робіт ДВЗ.

Функції розрахункової системи (РС) САПР ДВЗ - виконання необ-хідних розрахунків. Система поділяється на окремі підсистеми (рис.1) і передбачає вертикальний і горизонтальний поділ залежно від типу задач, що вирішуються.

Нульовий рівень у РС - робота керуючої програми, на цьому етапі вводяться дані про конструкцію ДВЗ і приблизні параметри режиму, що досліджується.

На першому рівні аналізується робота і характеристики ДВЗ і підси-стеми, що забезпечують робочий цикл - газообмін і паливоподачу. Основна мета цього етапу - визначення параметрів робочого циклу ДВЗ. Ці дані необхідні для наступних досліджень і розрахунків. На другому рівні аналізується робота механізмів і систем ДВЗ. Далі в межах функціональних підблоків виконуються розрахунки окремих елементів кожного блоку та повірочні розрахунки на міцність. На цьому рівні в системі можна виділити декілька головних напрямків за окремими системами ДВЗ і його характеристиками. Ці напрямки взаємопов'язані, між ними здійснюється обмін інформацією. Наприклад, для розрахунку механічних витрат ДВЗ необхідно знати витрати в циліндро-поршневій групі, підшипниках та окремих агрегатах ДВЗ. Нею передбачається наступний порядок виконання проектних робіт:

1. Формулювання ТЗ на розробку ДВЗ.

2. Пошук прототипів, які найбільшою мірою відповідають ТЗ. При позитивних результатах пошуку перехід до етапу 3, інакше - до етапу 5.

3. Аналіз прототипів для визначення їх можливостей. При позитивному результаті перехід до етапу 8, у протилежному випадку - до етапу 4.

4. Визначення можливості корекції ТЗ. Коли корекція можлива, вона здійснюється, а проектування повторюють з етапу 1. В іншому випадку переходять до етапу 5.

5. Прийняття рішень щодо розробки нових елементів ДВЗ.

6. Вибір, уточнення або розробка математичного апарату стосовно аналізу прийнятих рішень.

7. Аналіз прийнятих рішень. При позитивному результаті перехід до етапу 8, в протилежному випадку - до етапу 5.

8. Оптимізація прийнятих проектних рішень.

9. Остаточний вибір конструкції ДВЗ та його елементів: розробка конструкторської документації.

10. Технологічна підготовка виробництва (етап 11).

11. Виготовлення технологічної документації.

12. Виготовлення і складання дослідного зразка ДВЗ.

13. Випробування дослідного зразка ДВЗ та формування пропозицій щодо підготовки виробництва.

Ефективність розглянутої системи САПР ДВЗ буде тим вищою, чим менше буде повернень до початкової стадії проектування. Це одна з найважливіших проблем, яка залежить від методології автоматизованого проектування, досконалості математичного забезпечення проектних процедур, ефективного поєднання програмних засобів САПР.

Зараз автоматизоване проектування ДВЗ набуває все більшого розповсюдження.