Введение
В настоящее время большими темпами развиваются информационные технологии, что позволяет автоматизировать ручную работу в различных отраслях деятельности.

Развитие технического прогресса и промышленного производства безусловно приводит к появлению новых систем и комплексов, повышающих производительность и эффективность труда.

Под автоматизацией проектирования понимают систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ, и научно обоснованном выборе методов машинного решения задач.

Автоматизированное проектирование - это основной способ повышения производительности труда инженерных работников, занятых проектированием.

Термин "система" греческого происхождения и означает целое, составленное из отдельных частей. В настоящее время существует достаточно большое количество определений понятия "система". Определения понятия "система" изложены в работах Л. Фон Берталанфи, А. Холла, У. Гослинга, Р. Акоффа, К. Уотта и других. Наиболее близким определением, относящимся к информационным системам, является определение К. Уотта, согласно которому, система - это взаимодействующий информационный комплекс, характеризующийся многими причинно-следственными взаимосвязями. Другими словами, систему можно рассматривать как целенаправленный комплекс взаимосвязанных элементов. Обязательное существование элементов определяет общие для всех элементов целенаправленные правила взаимосвязей, обуславливающие целенаправленность системы в целом.

Система автоматизированного проектирования - система, объединяющая технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования.

Автоматизация процессов проектирования особенно эффективна, когда от автоматизации выполнения отдельных инженерных расчетов переходят к комплексной автоматизации, создавая для этой цели системы автоматизированного проектирования (САПР).

1. Моделирование процессов и систем
1.1 Моделирование одноканальных СМО
Цель работы: изучение средств GPSS для построения имитационных моделей одноканальных бесприоритетных систем. Исследование моделей на ЭВМ, обработка результатов моделирования.

Задание:

Одноканальная СМО состоит из буферного накопителя емкостью L=9 и обслуживающего прибора. В систему поступает поток заявок в интервале [30. .60] мин. Если последующая заявка застает накопитель заполненным, то она получает отказ. Длительность обслуживания Тобсл. =160 с отклонением=30 мин.

Требуется определить вероятность отказа в обслуживании, среднее время ожидания, среднюю длину очереди в течение 1000 мин.

Программный код:

generate 45,15

test l q$LINE,5,MET1

QUEUE LINE

SEIZE UST1

DEPART LINE

ADVANCE 160,30

RELEASE UST1

TERMINATE

MET1 TERMINATE

GENERATE 1000

TERMINATE 1

Блок-схема модели

Результаты работы:

GPSS World Simulation Report - Untitled.9.1

Thursday, September 18, 2008 10:38:28

START TIME END TIME BLOCKS FACILITIES STORAGES

0.000 1000.000 11 1 0

NAME VALUE

LINE 10000.000

MET1 9.000

UST1 10001.000

LABEL LOC BLOCK TYPE ENTRY COUNT CURRENT COUNT RETRY

1 GENERATE 22 0 0

2 TEST 22 0 0

3 QUEUE 11 5 0

4 SEIZE 6 0 0

5 DEPART 6 0 0

6 ADVANCE 6 1 0

7 RELEASE 5 0 0

8 TERMINATE 5 0 0

MET1 9 TERMINATE 11 0 0

10 GENERATE 1 0 0

11 TERMINATE 1 0 0

FACILITY ENTRIES UTIL. AVE. TIME AVAIL. OWNER PEND INTER RETRY DELAY

UST1 6 0.945 157.455 1 7 0 0 0 5

QUEUE MAX CONT. ENTRY ENTRY(0) AVE.CONT. AVE.TIME AVE.(-0) RETRY

LINE 5 5 11 1 3.901 354.667 390.134 0

FEC XN PRI BDT ASSEM CURRENT NEXT PARAMETER VALUE

24 0 1006.530 24 0 1

7 0 1084.178 7 6 7

25 0 2000.000 25 0 10

Вывод:

Среднее время ожидания в очереди 354, 667 мин, средняя длина очереди 3 человека, вероятность отказа равна 11/22 или 50%.

1.2 Моделирование систем с организацией списков
Цель работы: изучение средств GPSS для моделирования и исследование характеристик моделей с различными дисциплинами обслуживания, исследование Пуассоновских потоков событий, оценка точности моделирования.

Задание:

4. Одноканальная СМО состоит из буферного накопителя с емкостью L=10 и обслуживающего прибора. В систему поступает Пуассоновский поток заявок с параметром =0.05. Если поступающая заявка застает накопитель заполненным, то она получает отказ. Выбор заявок на обслуживание осуществляется по динамическому приоритету, выбирается заявка имеющая наименьшее время обслуживания. Длительность обслуживания - сл. величина, распределенная нормально со средним Тоб=16 и стандартным отклонением об=3.

Требуется определить вероятность отказа в обслуживании, среднее время ожидания в очереди, среднюю длину очереди.

Блок-схема модели

Программный код:

XPDIS FUNCTION RN1,C24 ; распределение ПУАССОНА

0,0/.100,.104/.200,.222/.300,.355/.400,.509

.500,.690/.600,.915/.700,1.200/.750,1.380

.800,1.600/.840,1.830/.880,2.120/.900,2.300

.920,2.520/.940,2.810/.950,2.990/.960,3.200

.970,3.500/.980,3.900/.990,4.600/.995,5.300

.998,6.200/.999,7/1,8

SNORM FUNCTION RN1,C25 ; нормальное распределение

0.0,-5/0.00003,-4./.00135,-3.0/.00621,-2.5/.02275,-2./.06681,-1.5

.11507,-1.2/.15866,-1./.21186,-.8/.27425,-.6/.34458,-.4/.42074,-.2

.5,0.0/.57926,.2/.65542,.4/.72575,.6/.78814,.8/.84134,1/.88493,1.2

.93319,1.5/.97125,2/.99379,2.5/.99865,3/.99997,4.0/1.0,5.0

obsl fvariable 26+3#fn$snorm

slu variable rn1@ch$buf

generate 20,fn$xpdis

assign 1,v$obsl

gate nu ust,aaa

bbb seize ust

advance p1

release ust

unlink buf,bbb,1

terminate

aaa test l ch$buf,10,ccc

link buf,fifo

ccc terminate

generate 28800

terminate 1

Результаты работы:

GPSS World Simulation Report - лаб№4.4.1

Thursday, October 23, 2008 10:01:55

START TIME END TIME BLOCKS FACILITIES STORAGES

0.000 28800.000 13 1 0

NAME VALUE

AAA 9.000

BBB 4.000

BUF 10005.000

CCC 11.000

OBSL 10002.000

SLU 10003.000

SNORM 10001.000

UST 10004.000

XPDIS 10000.000

LABEL LOC BLOCK TYPE ENTRY COUNT CURRENT COUNT RETRY

1 GENERATE 1439 0 0

2 ASSIGN 1439 0 0

3 GATE 1439 0 0

BBB 4 SEIZE 1439 0 0

5 ADVANCE 1439 0 0

6 RELEASE 1439 0 0

7 UNLINK 1439 0 0

8 TERMINATE 1439 0 0

AAA 9 TEST 1141 0 0

10 LINK 1141 0 0

CCC 11 TERMINATE 0 0 0

12 GENERATE 1 0 0

13 TERMINATE 1 0 0

FACILITY ENTRIES UTIL. AVE. TIME AVAIL. OWNER PEND INTER RETRY DELAY

UST 1439 0.794 15.882 1 0 0 0 0 0

USER CHAIN SIZE RETRY AVE.CONT ENTRIES MAX AVE.TIME

BUF 0 0 1.255 1141 10 31.674

FEC XN PRI BDT ASSEM CURRENT NEXT PARAMETER VALUE

1441 0 28808.069 1441 0 1

1442 0 57600.000 1442 0 12

Режим	Вероятность отказа в обслужи-вании	Среднее время ожидания в очереди	Среднее время обслужива-ния	Коэф-т использо-вания оборудо-вания	Макси-мальная длина очереди	Кол-во обрабо-танных заявок	Кол-во покинув-ших заявок
FIFO L=	0	3157.179	25.836	0.999	327	1113	0
FIFO L=10	22.16%	205.859	25.841	0.998	10	1111	319
LIFO L=	0	3138.789	25.813	0.999	326	1114	0
LIFO L=10	22.16%	206.498	25.858	0.998	10	1111	319
Динам Приоритет, L=	0	2739.101	24.876	0.999	284	1156	0
Динам Приоритет, L=10	21.96%	208.735	25.812	0.999	10	1114	316

Вывод:

Из полученных результатов видно, что при ограниченной очереди лучший результат получен при использовании дисциплины обслуживания FIFO, так как среднее время простоя в очереди минимальное.

При неограниченной очереди лучший результат получен при динамическом приоритете, так как количество заявок максимальное, а время обслуживания минимальное.

1.3 Моделирование динамических процессов механических систем
Цель: Исследование механических систем.

Задание: Построить эквивалентную схему для рисунка 1, исследовать процессы функционирования системы и рассчитать коэффициент динамичности.

Входные параметры:

m1=1500 кг; m2=m3=m4=m5= 1000кг;

m6=m7= 500кг; l1=0,8 м;

S1= 0,006 м2; E1= 2*105 Н/м;

l2= 1,2 м; S2= 0,005 м2;

E2= 2*104 Н/м; F= 200H.

Рисунок 1.1 - Механическая схема

Рисунок 1.2 - Эквивалентная схема

Расчет коэффициента динамичности:

Кд UP6 =

Кд UP1 =

2. Техническое задание
2.1 Общие сведения
2.1.1 Наименование проекта и условные обозначения
Проектированию подлежит автоматизированная система расчета напряженно-деформированного состояния ферменных конструкций, именуемая в дальнейшем "АС".

2.1.2 Заказчик и разработчик
Заказчиком АС является кафедра Системы автоматизированного проектирования Карагандинского государственного технического университета. Разработчиком АС является студент группы ВТ-05-6, факультета информационных технологий Карагандинского государственного технического университета, Галимова Марьяна Игоревна.

2.1.3 Сроки выполнения работ
Начало работ по созданию АС 1.02.2009г.

Окончание работ - 30.04.2009 г.

2.1.4 Обоснование разработки
Основанием для проведения работ по созданию АС является приказ на дипломное проектирование ___________________________, утвержденный согласно учебному плану кафедры Системы автоматизированного проектирования по специальности 050704 "Вычислительная техника и программное обеспечение".

2.2 Назначение и цели создания системы
2.2.1 Назначение системы
Разрабатываемая АС предназначена для:

автоматизированного расчета напряженно-деформированного состояния ферменных конструкций;

построения модели ферменной конструкции;

хранения информации о расчетной схеме ферм;

проведения конечно-элементного анализа;

построения эпюр напряжений и деформаций;

поиска оптимального решения задачи;

анализа полученных результатов и подбора рекомендаций;

выдачи необходимых результатов расчета.

2.2.2 Цели создания системы
Цели создания АС:

повышение производительности работы инженера, занимающегося расчетом ферменных конструкций;

уменьшение затрат времени проектирования;

увеличение эффективности труда;

снижение вероятности появления ошибок при расчетах;

повышение точности расчетов;

снижение коммерческих потерь;

организация учебного процесса кафедры САПР.

2.2.3 Критерии эффективности функционирования системы
Критерием эффективности функционирования АС является отношение эффективности, получаемой от повышения производительности труда инженера-проектировщика, степень экономии рабочего времени, снижение ошибок в работе и формирование эпюр напряжений и деформаций.

2.3 Характеристика процессов проектирования
Объектом проектирования является процесс расчета напряженно-деформированного состояния ферменных конструкций.

Автоматизации подлежат следующие процедуры:

построение модели ферменной конструкции;

расчет напряженно-деформированного состояния ферм;

составление расчетной схемы;

оформление и вывод на экран результатов расчета.

2.4 Требования к системе
2.4.1 Общие требования
Система должна состоять из интерфейсного модуля и набора модулей для решения каждой из задач проектирования.

Связь для информационного обмена между подсистемами будет обеспечивать интерфейсный модуль.

АС должна обеспечивать создание командного файла, выполняющего построение и анализ модели исследования, и его перенос в ANSYS.

Вывод результатов проектирования и анализа должен производиться в виде стандартной проектной документации. При этом должно обеспечиваться представлении выходной расчетной информации в текстовом (файл результатов расчета и таблицы с дополнительной информацией анализа) и графическом (эскиз модели, эпюры распределения нагрузок и прочие диаграммы) виде. Должны быть автоматизированы промежуточные стадии проектирования, такие как:

вычисление констант, используемых при описании физических свойств модели;

построение исследуемой модели;

построение геометрической модели;

построение дискретной модели;

передача исходных данных расчета системе ANSYS в виде командного файла;

проведение конечно-элементного анализа;

поиск оптимального решения задачи;

выбор формы представления результирующих данных;

документооборот между системами ANSYS и АС, необходимый для переноса результатов анализа и оптимизации с наименьшим участием проектировщика.

2.4.2Требования к видам обеспечения
2.4.2.1 Требования к информационному обеспечению
При разработке АС необходимо выполнить следующие требования к информационному обеспечению:

при разработке структуры информационных потоков должно быть обеспечено получение целостной, неизбыточной, достоверной, непротиворечивой информации об объекте анализа для получения корректного решения;

система должна обеспечивать контроль правильности ввода исходных данных;

АС должна иметь диалоговый и пакетный человеко-машинный интерфейс;

разработать концептуальную, логическую и физическую модели данных и потоков информации для новой схемы проектирования;

связь для информационного обмена между подсистемами должен обеспечивать интерфейсный модуль;

АС должна подготавливать исходные данные для расчета в стандартном для системы ANSYS виде.

2.4.2.2 Требования к математическому обеспечению
Математическое обеспечение должно удовлетворять следующим требованиям:

адекватность данных;

точность;

экономичность, которая характеризуется затратами машинного времени и памяти.

Математическое обеспечение должно содержать:

математическую модель объектов проектирования;

обоснование выбора методов проектирования;

алгоритм выполнения расчетов.

2.4.2.3 Требования к лингвистическому обеспечению
2.4.2.3.1 Требования к языку программирования
Язык программирования, на котором будет разрабатываться АС, должен быть языком высокого уровня, а также поддерживать объектно-ориентированную модель данных и обеспечивать получение выполняемого модуля для выбранной операционной системы.

Кроме того, язык программирования должен удовлетворять следующим требованиям:

удобство использования, т.е. затраты времени программиста на освоения языка и главным образом на написание программ на этом языке;

универсальность, т.е. возможность использования языка для описания разнообразных алгоритмов, характерных для программного обеспечения САПР;

эффективность объектных программ, которая оценивается свойствами используемого транслятора, который, в свою очередь, зависит от свойств языка.

2.4.2.3.2 Требования к входным, выходным и промежуточным языкам
Входным языком являются формы для ввода информации о форме конструкции, о базовых размерах, о типе элемента, а также о свойствах используемого материала. Данные вводятся с клавиатуры.

Входной язык должен:

обеспечить ввод исходных данных;

обеспечивать удобочитаемость и компактность описаний;

должен быть простым в использовании.

Промежуточным языком является командный текстовый файл, который передает исходные данные расчета системе ANSYS.

Выходным языком являются результаты расчетов, которые представляются как в виде графической информации, т.е. эпюр, так и в виде текстовой информации, т.е. числовые данные.

Выходной язык должен:

в наглядной форме предоставлять данные решения задач;

обеспечивать соответствие результатов проектирования требованиям задачи.

2.4.2.4 Требования к программному обеспечению
2.4.2.4.1 Требования к общесистемному программному обеспечению
Общесистемное программное обеспечение должно обеспечивать функционирование базового и прикладного программного обеспечений системы. В качестве общесистемного программного обеспечения используется операционная система Microsoft Windows XP Professional, так как она является на данный момент более распространенной.

2.4.2.4.2 Требования к базовому программному обеспечению
Базовое программное обеспечение должно удовлетворять следующим требованиям:

универсальность;

возможность использования ПК ANSYS 8.0/9.0;

поддержка языком программирования объектно-ориентированного

подхода к программированию;

наличие для языка программирования компилятора для выбранного

общесистемного программного обеспечения.

2.4.2.4.3 Требования к прикладному программному обеспечению
Основные требования к прикладному программному обеспечению:

обеспечить модульную структуру системы;

обеспечить приемлемый уровень быстродействия системы;

разработать руководство программиста по созданию АС;

2.4.2.5 Требования к техническому обеспечению
Техническое обеспечение должно удовлетворять следующим требованиям:

достаточная емкость накопителя на жестком магнитном диске;

приемлемый тип видеоадаптера и дисплея для работы пользователя;

достаточная производительность центрального процессора;

наличие возможности вывода информации на бумажный, магнитный носитель;

открытость для конфигурации и дальнейшего развития;

простота освоения, эксплуатации и обслуживания;

объем оперативной памяти должен позволять использовать выбранное общесистемное, а также базовое и прикладное программное обеспечения;

приемлемая стоимость составляющих комплекса технических средств.

2.4.2.6 Требования к методическому обеспечению
Методическое обеспечение должно отображать описание системы, методику автоматизированного проектирования и анализа, а также должно включать:

описание АС и ее модулей;

руководство пользователя;

руководство по установке.

2.5 Календарный план

Календарный план работ по разработке АС представлен в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Календарный план

Вид работы	Сроки выполнения	Вид документа
Предпроектные исследования	10.07.08 - 13.09.08	Предпроектные исследования
Разработка технического задания	10.07.08 - 13.09.08	Техническое задание
Разработка моделей данных	10.07.08 - 13.09.08	Информационное обеспечение
Описание математических методов и алгоритмов расчетов	1.02.09 - 15.02.09	Математическое обеспечение
Описание языков проектирования и программирования	15.02.09 - 25.02.09	Лингвистическое обеспечение
Обоснование выбора общесистемного и базового ПО	25.02.09 - 5.03.09	Программное обеспечение
Обоснование выбора комплекса технических средств	5.03.09 - 15.03.09	Техническое обеспечение
Разработка методических указаний	15.03.09 - 25.03.09	Методическое обеспечение
Расчет технико-экономической части	25.03.09 - 5.04.09	Технико-экономическое обоснование
Описание технических факторов, влияющих на экологию	5.04.09 -15.04.09	Промышленная экология
Описание технических факторов, влияющих на здоровье человека	30.03.09 -15.04.09	Охрана труда и техника безопасности
Выполнение и оформление графической части	15.04.09 -1.05.09	Графическая часть

2.6 Порядок контроля и приемки системы
После выполнения всех работ необходимо завизировать указанные разделы у курирующих преподавателей КарГТУ и сдать дипломный проект на рецензию лицу, утверждённому кафедрой САПР.

По возвращению с рецензии проект необходимо защитить Государственной аттестационной комиссии кафедры САПР.

На защиту дипломного проекта необходимо предоставить разработанную автоматизированную систему расчета напряженно-деформированного состояния ферменных конструкций. Перед комиссией необходимо представить пояснительную записку к дипломному проекту объёмом не менее 80 печатных листов, отвечающую всем требованиям стандартизации и нормоконтроля.

3. Информационное обеспечение

3.1 Структура информационных потоков
3.11 Информационные потоки до автоматизации
Процесс информационного потока до автоматизации:

заказчик выдает задание на расчет конструкции;

материалы передаются в расчетное отделение;

расчетный отдел производит необходимые расчеты и выкладки, а затем передает результаты в конструкторский отдел;

конструкторский отдел проверяет полученные результаты и проводит анализ данных, а также согласовывает полученные результаты с заказчиком;

после проверки окончательные результаты передаются заказчику.

Схема движения информационных потоков до автоматизации показана на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 - Структура информационных потоков до автоматизации

3.1.2 Информационные потоки после автоматизации
Процесс информационного потока после автоматизации:

заказчик выдает задание на проектирование;

инженер-проектировщик предоставляет входные данные в виде основных параметров конструкции автоматизированной системе;

АС формирует командный файл со всеми данными и посылает их для анализа в ПК ANSYS;

в ПМК ANSYS производится расчет в частности величины напряжений, динамических перемещений, частот и т.д.

инженер согласовывает полученные результаты с заказчиком и делает отчет о проделанной работе.

После автоматизации затраты времени на расчет и анализ данных значительно сокращаются. Таким образом, повышается производительность труда и уменьшается вероятность появления ошибок в ходе расчетов.

Схема движения информационных потоков после автоматизации показана на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Структура информационных потоков после автоматизации

3.2 Концептуальная модель данных
Концептуальная модель автоматизированной системы представлена на рисунке 3.3.

В ходе анализа автоматизированная система рассматривается из двух подсистем. В первой происходит построение модели объекта проектирования (ферменной конструкции), во второй формируются результаты работы.

Модель проектирования рассматривается из отдельных компонентов, которые имеют свои параметры. Параметры влияют каждый в отдельности на всю систему, а в совокупности и определяют свойства объекта как системы. Каждый отдельный компонент системы также описывается набором свойств.

Модель объекта проектирования (или ферменная конструкция) представляется в виде системы, состоящей из конечных элементов, узлы которых связаны между собой определенной структурой. Каждая конструкция имеет тип и геометрические параметры, которые задает пользователь. Элементы в свою очередь характеризуются собственным номером, типом, геометрией, материалом. Каждому элементу соответствует определенные узлы. Узлы описываются пространственными координатами и порядковым номером. Граничные условия задаются номером узла и типом закрепления. Нагрузка имеет вид нагружения и величину нагрузки, а также место приложения, которое также имеет координаты начального и конечного узлов.

Результаты представляются в виде эпюр, схем, деформаций и напряжений.

3.3 Логическая модель данных
Логическая модель, отображающая основные взаимосвязи и составляющие автоматизированной системы, представлена на рисунке 3.4 в виде алгоритма работы системы.

Вначале пользователь задает начальные параметры системы, по которым после проверки строится модель и формируется командный файл. Затем, командный файл передается в программу ANSYS, где происходит обработка данных, просчитываются различные комбинации параметров и типов конструкций. На основе анализа этих данных формируется отчет о проделанной работе, и пользователь получает результаты работы системы.

Рисунок 3.3 - Концептуальная модель автоматизированной системы

Рисунок 3.4 - Алгоритм работы АС

3.4 Физическая модель данных
Физическая модель данных для разрабатываемой АС представляется командным файлом, файлами промежуточных результатов, файлом результатов и графическими файлами (расчетная схема и эпюры).

Командный файл формируется при вводе пользователем исходных данных. Расширение командного файла - txt. Структура командного файла представлена в таблице 3.1

Промежуточные файлы используются для дополнительных расчетов в ходе исследования, которые также имеют расширение. txt. Конструкторско-проектная документация представлена файлом результата расчета и анализа, который представляет собой текстовый файл с расширением. doc.

В графических файлах организованно хранение расчетной схемы исследуемой конструкции и эпюр, построенных на основе результатов расчета. Расширение графических файлов - jpg. Описание структуры графических файлов приведены в таблице 3.2

Таблица 3.1 - Описание структуры командного файла

Описание переменной	Идентификатор	Размерность	Тип
1	2	3	4
Имя файла	/FILNAME	20	Строка
Заголовок задачи	/TITLE	20	Строка
Вход в препроцессор	/prep7	20	Строка
Тип анализа	ANTYPE	20	Строка
Тип элемента	ET,1	20	Строка
Свойства материала	MP	20	Строка
Ключевые точки	K	20	Строка
Линии	L	20	Строка
Разбиение линий	LESIZE	20	Строка
Выход из препроцессора	FINISH	20	Строка
Начало расчета	/SOLU	20	Строка
Приложение нагрузки	Fk	20	Строка
Закрепление	Dk	20	Строка
Расчет	Solve	20	Строка
Сохранение	Save	20	Строка
Завершение расчета	finish	20	Строка
Вход в постпроцессор	/post1	20	Строка
Вывод в файл	/OUT	20	Строка
Данные для вывода	*VWRITE	20	Строка

Таблица 3.2 - Описание структуры графического файла

Модель	Model	Jpeg 24 bit	Рисунок
N-ая эпюра	EpureN	Jpeg 24 bit	Рисунок

Заключение
В ходе выполнения данного курсового проекта были исследованы методы имитационного моделирования, были решены определенные задачи.

Также были изучены средства GPSS для построения имитационных моделей. Рассмотрена работа программы GRAPH-PA при исследовании механических систем.

В рамке программы данного курса было составлено техническое задание на дипломное проектирование, а также информационное обеспечение.