ELEMENTY PROJEKTOWANIA INŻYNIERSKIEGO(Cz. Cichoń)

1

Studia I i II stopnia ?

Nauczanie powinno dotyczyć:

‐ Wiedzy:  podstawowe zasady, ich interpretacje i opis zastosowań

‐ Biegłości:  przyswajanie dzięki praktyce (np. posługiwania się sprzętem)

‐ Umiejętności : praktycznego stosowania wiedzy i biegłości (jak ?, studia I stopnia)

‐ Rozumienia: pozwalającego na działalność kreatywną (dlaczego ?, studia II stopnia)

2

Cel przedmiotu

Kontynuacja przedmiotu Projektowanie inżynierskie, wykładanego na studiach I stopnia, którego  treści  ograniczały  się do  wykorzystania  technik  wspomagania  komputerowego  w projektowaniu elementów maszyn i urządzeń (ogólnie: konstrukcji). 

Projektowanie w szerszym rozumieniu jest świadomym działaniem zmierzającym do zmiany

określonego stanu rzeczy. Traktowane coraz bardziej kompleksowo obejmuje problematykę

inżynierską, ekonomiczną, z zakresu ochrony środowiska, psychologiczną, społeczną,…

W konsekwencji projektowania powstaje nowy „wyrób” (fabryka, most, samochód, komórka,…)

co zmieniać teżmoże otoczenie człowieka i warunki, w jakich on żyje.

Jest to więc bardzo istotna działalność, stąd nauczanie projektowania stanowi ważny cel

kształcenia przyszłych inżynierów.

3

Projektowanie techniczne

Ograniczając się do problemów projektowania elementów konstrukcyjnych (ogólnie nazywanych

przedmiotami technicznymi) wyróżnimy:

• etap 1 obmyślania (koncypowania) elementu (wybór geometrii, materiału, spodziewanych          obciążeń i innych oddziaływań) 

• etap 2 sprawdzania czy element spełnia wymagania wytrzymałościowe i sztywności (tzw.

obliczenia statyczno – wytrzymałościowe) oraz inne wymagania norm i przepisów 

• etap 3 sporządzania dokumentacji wykonawczej 

4

Efekty

Przyswojenie sobie podstawowych definicji i pojęć funkcjonujących w obszarze projektowania

inżynierskiego (efekt ogólny)

Bliższe poznanie zasad projektowania technicznego w części dotyczącej  obliczeń statyczno –

wytrzymałościowych, z wykorzystaniem nowoczesnych technik komputerowych obliczeń

oraz metod weryfikacji wyników obliczeń pod kątem bezpieczeństwa i zgodności z normami

(etap2, efekt szczegółowy)

Nie rozważane są problemy zarządzania produkcją wchodzące w zakres oddzielnego przedmiotu 

Informatyczne systemy zarządzania produkcją, omawiającego wszystkie sfery działalności

przedsiębiorstwa  (marketing, zaopatrzenie, techniczne przygotowanie produkcji i jej 

Sterowanie, dystrybucję, sprzedaż, finanse, gospodarka zasobami ludzkimi).

5

Program przedmiotu

Wykłady1. Podstawy teoretyczne projektowania inżynierskiego

2. Inżynieria systemów w projektowaniu

3. Charakterystyka procesu projektowania

4. Komputerowe wspomaganie projektowania

5. Przykład projektowania inżynierskiego – projektowanie elementów konstrukcji

6. Komputerowe wspomaganie projektowania – schemat numeryczne analizy konstrukcji

7. Metoda komputerowa analizy ‐metoda elementów skończonych (MES)

8. Polskie normy

Laboratoria1. Wprowadzenie do systemu MATLAB/CALFEM

2. Projektowanie elementów konstrukcji obciążonych statycznie, dynamicznie oraz

polem temperatury w systemie MATLAB/CALFEM

6

Wykłady – obecność na wykładach oraz zaliczenie końcowego kolokwium. Możliwe

są tylko 3 terminy zaliczania kolokwium.

Laboratoria  ‐ wykonanie i zaliczenie na zajęciach laboratoryjnych trzech zadań

rozwiązywanych w systemie MATLAB.

Przedmiot jest zaliczony jeśli jednocześnie zaliczone sąwykłady i laboratoria  !

7

Warunki zaliczenia przedmiotu

Literatura

1. Gąsiorek, E., Podstawy projektowania inżynierskiego, Podręcznik Akademii Ekonomicznej, Wrocław 2006.

2. Cichoń, Cz., Metody obliczeniowe, Podręcznik Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2005.

3. Rudra Pratap, Matlab 7 dla naukowców i inżynierów, PWN warszawa 2007.

4. CALFEM, A Finite Element Toolbox, LTH Sweden 2004.

8

Podstawy teoretyczne projektowania inżynierskiego

1. Projekt – projektowanie – projektant2. Podstawowe pojęcia3. Rozpoznanie potrzeb projektowania4. Cykl życia produktu5. Czynniki projektowania

9

Projekt – projektowanie ‐ projektant

Projekt:

1. Wynik wymyślania, robienia planów (wstępne założenia i koncepcje)

2. Rysunki lub wzory służące do wykonania określonego obiektu – dokumentacja projektowo –

wykonawcza (domu, urządzenia,…) 

3.     Zamierzone złożone przedsięwzięcie specjalnego rodzaju (np. rozbudowa albo budowa zakładu, reorganizacja struktur przedsiębiorstwa,…)

10

Podstawowe pojęcia

Projektowanie techniczne – oznacza obmyślanie zamierzonego do wykonania przedmiotu (obiektu) technicznego , jego zaprojektowanie w formie możliwej do wykonania (wzorzec lub dokumentacja) oraz podanie sposobu (metody) wykonania.

Dwa możliwe typy projektowania:

Projektowanie zorientowane obiektowo – ma na celu stworzenie lub zmianę obiektów materialnych, takich jak produkty, obiekty budowlane, systemy techniczne (maszyny, urządzenia, linie technologiczne, zakłady przemysłowe) itd. 

Projektowanie zorientowane procesowo – ma na celu stworzenie lub zmianę procesów , takich jak procesy technologiczne, procesy obróbki montażu, procesy kontroli itd.

11

Rozpoznanie potrzeb projektowania

1. Jakie potrzeby występują

2. Jakie są składowe tych potrzeb

3. Jak długo utrzyma się dana potrzeba

4. Jakie są tendencje w zakresie zmian charakteru danej potrzeby

Metody rozpoznawania potrzeb:

1. Metoda ankietowania

2. Specjalnie prowadzone wywiady

3. Metoda prób rynkowych (wypuszczanie na rynek krótkich serii

Proces realizacyjny – od identyfikacji potrzeby do jej zaspokojenia (mam pieniądze i pomysł –

uruchamiam produkcję i dystrybucję)

12

Cykl życia produktu

Każdy produkt wprowadzany na rynek ma swój cykl życia , składający się z czterech faz:

1. Wprowadzenie – umieszczenie produktu na rynku i stopniowy wzrost sprzedaży

2. Wzrost – jeśli produkt zostanie zaakceptowany

3. Dojrzałość – tempo wzrostu sprzedaży maleje (jużmyślimy o nowej generacji)

4. Spadek – zmniejszenie się sprzedaży (może następować powoli, ale w sposób ciągły)

13

Czynniki projektowania

W  projektowaniu technicznym  wyróżnia  się zwykle  osiem  czynników  projektowania,  a mianowicie:

1. Zadanie projektowe 

2. Podmiot projektujący 

3. Narzędzia projektowania 

4. Proces projektowania 

5. Wytwór projektowania 

6. Podmiot realizujący projekt 

7. Proces wytwarzania 

8. Przedmiot projektowany

14

Rysunek 4

15

Zadanie projektowe  ‐ określa  zasadnicze wymagania  stawiane przedmiotowi projektowanemu oraz istniejące ograniczenia.

Podmiotem projektującym – może być indywidualny projektant lub zespół projektowy.

Narzędzia projektowania – obejmują metody projektowania oraz narzędzia właściwe, czyli tzw. pomoce projektowe (np. komputer z oprogramowaniem).

Proces projektowania – będący uporządkowanym  (logicznie  i organizacyjnie) ciągiem czynności projektowych  o  charakterze  twórczym,  wiąże  podmiot  projektujący    z  przedmiotem projektowanym.

16

Wytwór projektowania (projekt) – stanowi etap pośredni w procesie realizacyjnym, gdyż kończy proces projektowania i stanowi punkt wyjścia do działań w sterze materialnej.

Podmiotem  realizującym projekt  jest osoba,  zakład  lub przedsiębiorstwo wraz  z materiałami  i energią, niezbędnymi do realizacji projektu.

Proces wytwarzania  to  ciąg  czynności podejmowanych w  celu  fizycznej  (materialnej)  realizacji wytworu projektowania.

Przedmiot  projektowany  powstaje  po  wykonaniu,  czyli  materialnym  zrealizowaniu  wytworu projektowania.

17

Inżynieria systemów w projektowaniu

1. Podstawowe definicje

2. Dwa podejścia w badaniach systemowych

3. System i jego otoczenie

4. Zastosowanie inżynierii systemów w projektowaniu

5. Podsumowanie

18

19

System – byt przejawiający swe istnienie poprzez synergiczne współdziałanieswych elementów.

Teoria systemów – przedstawia ogólne prawidłowości i zasady, prawa praw,wyartykułowane dla lepszego zrozumienia człowieka i jego środowiska(dostarcza  ogólny język ułatwiający połączenie różnych dziedzin wiedzy).

Inżynieria systemów – służy optymalizacji wysiłku, efektu i ryzyka przy powoływaniudo życia i funkcjonowaniu nowych systemów w istniejącym środowisku.

20

W badaniach systemowych wyróżnia się dwa podejścia:

Podejście redukcjonistyczne (mechanistyczne) – badając problem (system) dzielimygo na części i w ten sposób staramy się poznać jak działa całość. Metoda skuteczna przy badaniu maszyn i prostych systemów (Newton, Kartezjusz).

Podejście systemowe (holistyczne – całościowe) – nakazuje postrzegać rzeczywistośćw sposób kompleksowy, co oznacza zespołowe patrzenie na całość poprzez rolęi funkcję części w całości z uwzględnieniem powiązania przyczynowo‐skutkowego,często niejawnego i nieliniowego, oraz skutków naszych decyzji (paradygmat Kuhna,lata 60. XX w.) 

Paradygmat – przykład w celu udowodnienia lub porównania, wzór, wzorzec.

21

Podstawowe cechy paradygmatu Kuhna:• dostarcza podstaw naukowych, metod i technik dla rozwiązywania problemówpoprzednio nierozwiązywalnych.

• tworzy nową silniejszą platformę rozwiązywania problemów, zachowując i aplikującjednocześnie wszystkie uprzednie dokonania. 

Powtórzmy: podejście systemowe to zespołowe patrzenie na całość poprzez rolęi funkcję części w całości, z uwzględnieniem powiązań przyczynowo skutkowych,często niejawnych i nieliniowych, z uwzględnieniem dalekosiężnych skutków (ryzyko)naszych decyzji !!

22

Przykład

Kraj A – lekarze mają wysokie specjalizacje, a brak jest lekarzy domowych.Boli nas głowa. Do kogo pójść ? Do specjalisty gardła i uszu, do okulisty, neurologa ?Możemy stracić dużo czasu i pieniędzy i nie wyzwolić się z bólu głowy.

Kraj B – służba zdrowia oparta jest o lekarzy domowych, skupionych na zdrowiu ogólnympacjenta, a nie poszczególnych dolegliwościach. Lekarz domowy zna pacjenta i łatwiejmu znaleźć przyczynę choroby i wie do jakiego specjalisty skierować pacjenta.Służba zdrowia jest zatem lepiej zorganizowana funkcjonalnie, działa szybciej i taniej, mimo, że oba kraje mogąmieć specjalistów tej samej klasy !

Patrząc na to systemowo, możemy powiedzieć, że opieka zdrowotna w kraju B zorganizowanawedług innego paradygmatu (wzorca), bazuje na holistycznym podejściu do zdrowia pacjenta (lekarz domowy nie jest lepszy, on jest lekarzem innego rodzaju – jest generalistą).

W projektowaniu inżynierskim korzysta się doświadczeń inżynierii systemów i paradygmatu

holistycznego, w szczególności opracowując metody analizy systemów (badania ich właściwości) oraz metody ich syntezy (projektowania struktur spełniających określone funkcje).

Do podstawowych pojęć inżynierii systemów należą: system oraz otoczenie.

23

System  jest opisywany przez dwie cechy:

integralność – system jedynie jako całość jest w stanie  zrealizować w pełni założone zadania (Arystoteles: całość to coś więcej niż suma części składowych !).

modułowa struktura – umożliwiająca dekompozycję systemu na mniejsze podsystemy (będące

z kolei zespołami składników systemu).

Otoczenie systemu jest to zespół obiektów nie należących do rozpatrywanego systemu, lecz wzajemnie na siebie oddziaływujących.

Na przykład, otoczeniem bliższym dla zakładu produkcyjnego są: baza surowcowa, lokalny rynek zbytu, oraz firmy konkurencyjne.  Otoczeniem dalszym będą: polityka podatkowa, polityka kredytowa, import itp.

24

Również na potrzeby projektowania inżynierskiego, wyróżnia się otoczenie bliższe i dalsze co przedstawiono na rysunku.

25

Zastosowanie inżynierii systemów w projektowaniu

Z punktu widzenia zasad inżynierii systemów można wyróżnić w projektowaniu następujące systemy podstawowe:

‐ Proces zaspakajania potrzeb jako nadsystem projektowania,

‐ Projektowanie,

‐ Podmiot projektujący,

‐ Przedmiot projektowany.

Szczególnie istotne znaczenie ma wykorzystanie inżynierii systemów w przypadku przedmiotu

projektowanego, zwłaszcza jeśli jest złożony. Analiza systemowa pozwala ustalićnajkorzystniejsze

struktury systemu, a więc podziału systemu na podsystemy, oraz ustalenie relacji i sprzężeń

zwrotnych zarówno między podsystemami, jak teżmiędzy systemem a otoczeniem.

26

27

W ten sposób określona struktura definiuje system w stanie statycznym i dla właściwejoptymalizacji musimy wprowadzić: energię, materiały, informację, aby system przeszedł wstan dynamiczny , w którym dopiero mogą zachodzić pewne procesy, w efekcie którychpojawia się finalny produkt działalności systemu.

Jeśli projektowanym systemem jest system produkcyjny, to na wejściu znajdą się: surowce,materiały pomocnicze, maszyny i urządzenia, załoga, energia oraz informacje, natomiast na wyjściu: produkty, odpady i ścieki, maszyny i urządzenia, załoga oraz informacje.

28

Systemowe ujęcie procesu produkcyjnego pozwala więc wyróżnić elementy składowe,które w różnym stopniu wpływają na końcowy efekt ekonomiczny firmy; np. operacjei procesy jednostkowe składające się na proces technologiczny dodają produktowinowych wartości, należy je doskonalić i doinwestowywać, natomiast operacje transportowe(niezbędne) nie dodają wartości, stąd powinny być ograniczone do niezbędnego minimum.Podobne ograniczone powinny być operacje magazynowania i składowania.

Podział systemu na podsystemy ułatwia optymalizację systemu jako całości, uwzględniającjednakże relacje z innymi podsystemami.

Podział systemu na podsystemy jest korzystny również ze względu na typizację to jestkorzystanie ze składników typowych (ich zestawienie, dopasowanie wejść i wyjść).

Podsumowanie

Zastosowanie inżynierii systemów w projektowaniu umożliwia:

1. Wyodrębnienie badanego lub projektowanego systemu z otoczenia, zdefiniowanie systemu

i otoczenia.

2. Określenie celu funkcjonowania systemu.

3. Dekompozycję systemu na podsystemy i elementy składowe oraz syntezę systemu z elementów i podsystemów.

4. Badanie struktury systemu, powiązańmiędzy elementami systemu oraz między systemem a otoczeniem.

5. Analizę wejść i wyjść systemu oraz operatora przekształcającego wejścia na wyjścia.

6. Analizę systemu jako całości zależnej od własności jego elementów składowych, wartościowanie rozwiązań projektowych systemu.

7. Planowanie oraz harmonogramowanie prac systemu projektującego.

29

Charakterystyka procesu projektowania

1.    Istota procesu projektowania

2.    Struktura procesu projektowania

3. Metody działań podstawowych w procesie projektowania

4. Metody poszukiwania rozwiązań, wybór i optymalizacja

30

1. Istota procesu projektowania

Proces projektowania jest procesem informacyjno – decyzyjnym polegającym na przetwarzaniu i generowaniu informacji w celu podjęcia ostatecznych decyzji.

Nie ma jednoznacznych modeli procesu projektowania, ale cechą wspólną, charakterystyczną

dla wszystkich procesów projektowania, jest etapowość co oznacza, że realizowane sąposzczególne fazy projektu, po zakończeniu których ocenia się wyniki i podejmuje dalsze decyzje.

Proces projektowania udoskonala się poprzez:

1. Ustalanie optymalnej struktury procesu projektowania.

2. Stosowanie właściwych metod projektowania.

31

2. Struktura procesu projektowania

Strukturą procesu projektowania nazywa się porządek działań tego procesu, wyróżnionych ze względu na określone kryterium, lub zbiór relacji pomiędzy określonymi elementami procesu, wyróżniony ze względu na odpowiednie kryterium.

Wyróżnia się :

strukturę pionową (makrostrukturę) ‐ w której podziału procesu projektowania dokonuje siębiorąc pod uwagę fazy różniące się stopniem szczegółowości 

strukturę poziomą (mikrostrukturę) – w której uwzględnia się działania typowe dla zadań

elementarnych

strukturę operacyjną – w której dokonywany jest podział procesu na działania przydzielone

odpowiednim wykonawcom.       

32

33

Struktura pionowaStrukturę tą tworzy sieć typowych stadiów (faz) projektowania obejmujących cały procesprojektowania:• studia i analizy przedprojektowe, mające na celu dostarczenie informacji niezbędnychdo właściwego projektowania,

• opracowane koncepcji projektowej, mającej postać założeń techniczno‐ekonomicznych (ZTE), pozwalających na rozpoczęcie realizacji przedmiotu projektowanego,

• weryfikacja rozwiązania projektowego, mająca na celu wykrycie ewentualnych jego wad,• opracowanie projektu technicznego, czyli szczegółowej dokumentacji wykonawczejprzedmiotu projektowanego.

Stadia projektowe są ustalane indywidualnie przez głównego projektanta i ich optymalizacjapolega na takim podziale, który gwarantuje minimalizację kosztów i czasu projektowania orazmaksymalizację jakości uzyskanego rozwiązania.

Do wyniku dochodzi się w sposób sekwencyjny (liniowy).

34

Struktura poziomaStrukturę tą tworzą pewne stale powtarzające się sekwencja działań podstawowych,realizowanych najczęściej przez jednego człowieka (pojedyncze działania).

W takim przypadku optymalizacja polega na iteracyjnym dochodzeniu do wyniku.

W odróżnieniu od makrostruktury, w mikrostrukturze wyniki kolejnych etapów niemuszą być dokumentowane.

35

Struktura operacyjna (dekompozycyjna)Strukturę operacyjną tworzą działania składowe, tzn. takie, które jako do pewnego stopnia autonomiczne, mogą być wyodrębnione i przydzielone do wykonania określonym podsystemom systemu projektującego (zespołom, projektantom). 

Zadania składowe są rozwiązywane osobno, po czym następuje ich połączenie. 

Optymalizacja struktury operacyjnej ma na celu właściwy podział zadań większych na zadania mniejsze.

3. Metody działań podstawowych w procesie projektowania

Metodą jest świadome i celowe działanie zmierzające do rozwiązania danego problemu w skończonej liczbie kroków.

Metody mogą być algorytmiczne, jeśli problem jest  jednoznacznie sformułowany, albo – w przeciwnym przypadku ‐ heurystyczne (oparte na doświadczeniu).

Działania podstawowe w procesie projektowania:

1. Sformułowanie zadania projektowego – określenie celu projektowania

2. Analiza zadania projektowego – określenie wymagań projektowych i ich optymalizacja (racjonalizacja ?)

3. Poszukiwanie możliwych rozwiązań ‐ spełniających wymagania projektowe, bez błędów, możliwych do realizacji

4. Wybór i optymalizacja (kryterium optymalizacji, funkcja celu, zmienne decyzyjne)

5. Sporządzanie dokumentacji

36

4. Metody poszukiwania rozwiązań

1. Metoda prób i błędów (trial and error method) – stopniowe dochodzenie do rozwiązań

2. Metoda pytań (check‐list method) – symulowanie wyobraźni projektanta za pomocą pytań

3. Burza mózgów (brainstorming) – grupowe, spontaniczne myślenie (jak najwięcej pomysłów, nie dbając o możliwość ich realizacji)

4. Metoda morfologiczna (morphological method) – jej podstawową tezą jest twierdzenie, że każdy system można określić zbiorem charakterystycznych cech (parametrów), każdą zaścechę (będącą zmienną niezależną) – zbiorem środków jej spełnienia. Cechy i warianty ich spełnienia są zbiorem różnych koncepcji rozwiązania

5. Metoda drzewa rozwiązań – w metodzie tej tworzy się strukturę drzewiastąmożliwych rozwiązań, uwzględniając na jednym poziomie szczegółowości tylko jedną cechę (nie tak  jak w p.4 !).

Np. Ochrona garażu (pień): np. zniechęcić złodziei (duża gałąź): zagrozić konsekwencjami prawnymi, lub stworzyć pozory, że włamanie jest bardzo trudne, lub stworzyć pozory, że garaż jest stale pod obserwacją, lub inne (małe gałęzie)

6.    Metoda systemowa  (wcześniej omówiona!)

37

5. Wybór i optymalizacja

Mając wiele rozwiązań należy dokonać wyboru !!

Metody preferencyjne – w metodach optymalizacji oznacza to przyjęcie jednej funkcji celu, np. całkowity koszt czy zysk, możliwe też są kryteria techniczne (niezawodność lub ciężar)

Metody generacyjne – na początku ustala się zbiór kryteriów i szuka się według nich zbioru rozwiązań efektywnych. Następnie z udziałem eksperta wybiera się rozwiązanie kompromisowe uwzględniając odpowiedni system wartości

Optymalizacja ma zastosowania szczególne w zadaniach konstrukcyjnych : programowanie liniowe, nieliniowe, wielokryterialne (wiele funkcji celu), wielopoziomowe (kilka zbiorów ograniczeń). Wymaga zdefiniowania funkcji celu, zmiennych decyzyjnych i ograniczeń.

Sporządzanie dokumentacji rozwiązania zadania projektowego

Jest to ostatni etap procesu projektowania (komputer !!)

38

Komputerowe wspomaganie projektowania technicznego

1. Istota komputerowego wspomagania projektowania

2.    Metody komputerowego wspomagania projektowania

3. Zastosowanie systemów komputerowego wspomagania projektowania

4. Wspomaganie podejmowania decyzji

5. Tworzenie dokumentacji technicznej

39

40

1. Istota komputerowego wspomagania projektowania 

Komputerowym wspomaganiem projektowania (KWP)nazywa się proces użytkowaniazbioru metod i środków informatycznych (komputerowych) wspomagających możliwości Twórcze konstruktora czy projektanta.

W dalszym ciągu szczególną uwagę skupimy na wybranych czynnikach projektowania jakimisąmetody projektowania oraz pomoce projektowe.

Wśród metod projektowania inżynierskiego (technicznego) konstruowania maszyn i innych elementów konstrukcyjnych  są szczególnie nas interesujące metody komputerowe obliczeń, a wśród nich metoda elementów skończonych (MES).

Pomocami technicznymi są komputery z oprogramowaniem ( właśnie MES: Abaqus,Robot, Matlab,…) , normy, katalogi, sprzęt kreślarski…

2.  Metody komputerowego wspomagania projektowania (KWP)

KWP  jest stosowane na różnych etapach szeroko pojmowanego projektowania inżynierskiego.

Oczywiście musi być spełniony podstawowy warunek: aby można było wykorzystać komputer

do wspomożenia rozwiązania problemu to problem ten musi być algorytmiczny !!!

CAM  (Computer Aided Manufacturing)  – wspomagane  komputerowo  sterowanie  procesem wytwarzania  (MasterCAM, EdgeCAM,…).

CADD    (Computer Aided Design  and Drafting)  – wspomagane  komputerowo  geometryczne modelowanie  (rysowanie)  w  zintegrowanym  procesie  konstruowania  i projektowania (AutoCAD, Solid Works,…).

CIM    (Computer Integrated Manufacturing)  – komputerowo  zintegrowane  wytwarzanie (integracja  zarządzania,  planowania,  projektowania  konstrukcyjnego  i  technologicznego, programowanie urządzeń sterowanych numerycznie, sterowania produkcją, gospodarowania zasobami magazynowymi,…).

41

CAT (computer Aided Testing) – sterowany komputerowo proces kontroli technicznej w procesie wytwarzania.

CAE  (Computer Aided Engineering)  – komputerowe  wspomaganie  prac  inżynierskich  (MES, obsługa eksperymentu, bazy danych,…, Abaqus, Adina, Robot, Matlab,…).

CAP (Computer Aided Planning) – komputerowo wspomagane planowanie.

CAPP  (Computer Aided Process Planning) – komputerowo wspomagane planowanie procesów (szersza klasa CAP).

CAQ (Computer Aided Quality Control) – komputerowo wspomagane sterowanie jakością.

42

43

3. Zastosowanie systemów komputerowego wspomagania projektowania

Problemy projektowe, które mogą być rozwiązane za pomocą komputera:

Przechowywanie informacjiW procesie projektowania informacje są:‐ Wyszukiwane‐ Gromadzone‐ Przetwarzane‐ Przechowywane

Informacje są przechowywane w bazie danych. W tym celu wykorzystujemy, na przykład,

system zarządzania relacyjną bazą danych, który składa się z oprogramowanychProcedur wprowadzania danych, zapisu i przetwarzania danych.

44

Modelowanie geometryczneBardzo ważne przy projektowaniu grafiki, lub kształtów projektowanych przedmiotów.Elementy geometryczne określamy poprzez użycie:‐ Opisu analitycznego w danym układzie współrzędnych‐ Opisu parametrycznego, nie posługujemy się układem współrzędnych tylko pewnymi atrybutami przypisanymi  do obiektów geometrycznych jak promień, wysokośćwalca,…

Modele geometryczne mogą być zapisane cyfrowo w CAD techniką 2D lub 3D.W modelowaniu 3D wyróżniamy:Model krawędziowy (drutowy) – odpowiednio ułożone i połączone krawędzieModel powierzchniowy – tworzony za pomocą punktów, krawędzi i płaskich ścianModel bryłowy – tworzony z brył geometrycznych (slajd 56)

45

Wykonywanie obliczeńObszary zastosowań obliczeń wspomaganych komputerowo wynikają z przebiegu procesu projektowania:Etap ogólnego formułowania problemuMatematyczne sformułowanie zadania, obliczenia komputerowe (slajd 65, 66)Etap poszukiwania zbioru rozwiązańWykonanie serii obliczeń dla różnych danych wejściowychEtap oceny zbioru rozwiązańWybór rozwiązania optymalnego stosownie do przyjętego kryterium

4. Wspomaganie podejmowania decyzji

Systemy ekspertowe 

Składowe systemu ekspertowego:

1. Baza wiedzy (zbiór reguł: GDY coś zajdzie … TO coś się stanie )

2. Baza danych

3. Reguły wnioskowania – dostępne i jednoznaczne !!!

4. Procedury objaśniające strategię wnioskowania

5. Procedury sterowania dialogiem między użytkownikiem i programem

6. Procedury umożliwiające rozszerzanie oraz modyfikację wiedzy (pozyskiwanie wiedzy).

Jeśli reguły wnioskowania nie są jednoznaczne (wiedza niejawna) to wówczas w sukurs 

systemom ekspertowym przychodzi następna warstwa sztucznej inteligencji – sieci neuronowe.

46

47

5. Tworzenie dokumentacji technicznej

Jest to końcowy etap projektowania, czasochłonny i nużący bez użycia komputera!Wspomaganie komputerowe projektowania umożliwia:‐ Tworzenie rysunków technicznych na podstawie geometrycznych modeli 2D i 3D‐ Automatyczną aktualizację rysunków‐ Automatyczny wymiarowanie‐ Tworzenie dowolnych rzutów‐ Generowanie powierzchni przekrojów‐ Przeskalowywanie rysunków‐ Tworzenie opisów, tabel, zestawieńmateriałów‐ Przechowywanie dokumentacji w postaci elektronicznej‐Wykonywanie wielokrotnych kopii

Przykład projektowania inżynierskiego – projektowanie elementów  konstrukcji

1. Elementy konstrukcji

2. Algorytm projektowania

3. Przykład projektowania

48

1. Elementy konstrukcji

49

pręt rozciągany

belka zginana

płyta

2. Algorytm projektowania

50

Element konstrukcji (pręt, belka, płyta…)

Przyjęcie materiału (E, ν) i wstępnie przekroju poprzecznego (A, J, h)

Obliczenie: przemieszczeń, sił przekrojowych (N, Q, M)i naprężeń (obl. statyczne)

Projektowanie: sprawdzenie czy założony przekrój gwarantuje nie występowanie niebezpiecznego stanu zniszczenia 

(obl. wytrzymałościowe – wymiarowanie)

max σ ≤ fd imax Δl ≤ Δldop

Nie Tak

Stop

Nowy przekrój poprzeczny

3. Przykład projektowania pręta rozciąganegoZaprojektować pręt rozciągany o stałym przekroju poprzecznym

51

Projektowanie ze względu na niebezpieczny stan zniszczenia

Z wykresu sił podłużnych odczytujemy

Przyjęto przekrój poprzeczny

Obliczenie naprężeń

52

kNNN 251025max 3 =×=

242 1044,144,12,12,1 mcmA −×==×=

224

3

2056,1731044,11025max

mMN

mMN

AN

<=××

==−

σ

Projektowanie ze względu na niebezpieczny stan użytkowania

Sprawdzenie dopuszczalnego wydłużenia pręta

53

cmcmAE

lNl 5,0169,01044,110205

0,21025max49

3

<=×××

××=

××

=Δ−

Uogólnienie  procedury obliczeń wspomaganych komputerowo przedstawimy na 

ogólnym schemacie ,  obrazującym postępowanie od sformułowania  problemu do 

jego  komputerowego rozwiązania)

54

55

SL

SG

SW

UMRS

MESMEB

Obiektrzeczywisty

Modelmatematyczny

Modelobliczeniowy

Rozwiązaniedyskretne

idealizacja

błąd rozwiązania

rozwiązaniedyskretyzacja

błąd rozwiązania i dyskretyzacji

błąd modelowania, rozwiązania i dyskretyzacji

56

I teraz coś bliżej o metodzie elementów skończonych – co to za magiczna metoda,która jest podstawowym narzędziem  projektanta i konstruktora ?

Tąmetodą były projektowane promy kosmiczne, największe budynki na świecie,…i jest ona w komputerze, w każdym biurze projektowym.Co to jest ??

Metoda komputerowa analizy ‐metoda elementów skończonych (MES) 

1.   Co to jest MES ?2.   Trochę teorii – jakimi równaniami dysponujemy ?3.   Idealizacja konstrukcji4.   Elementy skończone5.   Prosty przykład budowy równańMES (i znowu trochę teorii !)6.   Przykłady rozwiązań z Abaqusa

57

58

Co to jest MES ?

Obliczenie liczby Π (Archimedes, 250 B.C)

MES: dyskretyzacja + aproksymacja (interpolacja).

)/sin(/

)/sin(2

nndL

nLL

nrL

nn

ijn

ij

ππ

π

==

=

=

82848.2707107.04)45sin(4

454/180/,40

4

00

=×==

===

π

π nn

Idealizacja konstrukcji (na przykład budowlanej)

59

kratownica dachupręt

podpora

węzełObiekt rzeczywisty

Model obliczeniowy

Elementy skończone

6060

interpolacja

Przykładowa dyskretyzacja MES elementu konstrukcji

6161

> 1 milion stopni swobody

Prosty przykład 1D

62

x, u(x)L=1

EA(x)cosf(x)= xp

)1,0(∈x

dxdu

x =ε

Sformułowanie silne

0)0( =u

( ) 0=+ fAdxd

xσ

)( 0)1()1(dxduuuEAA x ≡′=′=σ

xx Eεσ =

Model matematyczny

63

Równanie Lamego:

)()( xfdxduxEA

dxd

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛− )1,0(∈x

Przyjmiemy EA(x)=EA=1:

)(2

2

xfdx

ud=− )1,0(∈x

0)1(0)0(

=′=

uu

- naturalny (statyczny) w.b.

Model matematyczny c.d.

64

∫ =+′′1

00))()()(( dxxfxuxv

Sformułowanie słabe

[ ] ∫ ∫ =++′′−′1

0

1

0

10 0)()()()()()()( dxxfxvdxxfxvxuxuxv

0

Sformułowanie wariacyjne

∫ ∫−=1

0

1

0)()(

21 dxxfxudxxxεσφ

0=δφ

Model obliczeniowy  MES ‐ dyskretyzacja, interpolacja

65

E=4le=0,25le xe

e

e

ee

e

ee

lxx

lxx =−= )(N1)(N e

2e1

u1 u2 u3 u4 u5

eeeeeeee uxNuxNxu 2211 )()()( +=

Równania równowagi MES

66

iee

ie PxxxF +=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−= ∫ 2

1

0

e1 dcos)(N

1111

25,01 πK

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

=

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−−

−−−

1197,01679,00

1679,0

44004840

04840048

5

4

3

2

uuuu

Rozwiązanie

67

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−−

=

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

20264,017297,010132,0

02968,0

5

4

3

2

uuuu

Podstawowe etapy procedury MES

68

1. Dyskretyzacja obszaru rozwiązania .Zastąpienie obszaru zbiorem elementów nazywamy generowaniem siatkiskończenie elementowej lub dyskretyzacją skończenie elementową.

2. Interpolacja w elemencie skończonym.Niewiadome funkcje rozwiązania (np. przemieszczenia) są aproksymowane w elemencie skończonym (funkcje kształtu są funkcjami bazowymi aproksymacji). Przyjmując stosowny model matematyczny analizowanego problemu budujemy dla każdego elementu skończonegomacierz sztywności i wektor obciążenia.

3. Budowa (nazywana agregacją) globalnego układu równań równowagi MES,w którym występują globalna macierz sztywności i globalny wektorobciążenia.W tym równaniu niewiadomymi są przemieszczenia uogólnione (liniowelub kątowe) węzłów siatki skończenie elementowej.

Znając te przemieszczenia możemy już obliczyć inne interesujące nas wielkościjak momenty zginające, siły poprzeczne i podłużne, odkształcenia, naprężenia. 

Program komputerowy wszystko to za nas wykonuje – my musimy tylko wiedziećco  naprawdę wykonuje, bo już za wyniki sami odpowiadamy !!

Przykład 3D

69

0.1m

E=200E9Pa

=0.3�

0.02m

p=50 MPa

R=0.0

15m

R=0.025m

0.0

5m

Rozwiązanie w systemie Abaqus – naprężenia zredukowane Misesa (H‐M‐H)

70

Polskie Normy

71

Polska Norma – jest dokumentem o  zasięgu  krajowym ustalającym pewne  jednolite  zasady w określonym obszarze działalności ludzkiej – projektowej, wytwórczej, eksploatacyjnej,…

Jest przyjmowana na zasadzie konsensusu  i  zatwierdzana przez Polski Komitet Normalizacyjny (PKN), powszechnie dostępna i oznaczona – na zasadzie wyłączności –symbolem PN.

Jako  dokument  obdarzony  zaufaniem  publicznym  PN  może  być powoływana  w  przepisach prawnych jak dobry sposób rozwiązywania zagadnień technicznych i spraw spornych.

Od  1  stycznia  2003  stosowanie  PN  jest  całkowicie  dobrowolne,  za  wyjątkiem  działańwykonywanych ze środków publicznych podlegających ustawie o zamówieniach publicznych oraz innych ustaw.

72

Polskie  Normy  są opracowywane  przez  Komitety  Techniczne  – ciała  złożone  z  ekspertów delegowanych przez  instytucje  zainteresowane normalizacją.  Zatwierdzenie przez PKN  jest tylko  formalnym stwierdzeniem zgodności normy  z  jej przepisami wewnętrznymi  i oznacza nadanie projektowi statusu normy krajowej.

Od chwili podpisania układu akcesyjnego z UE (1 maja 2004) PKN zajmuje się przede wszystkim wprowadzaniem do PN Norm Europejskich,  które  są ważnym elementem harmonizującym jednolity rynek europejski. 

Normy  Europejskie  nie  są powszechnie  dostępne  (nie  można  kupić Normy  Europejskiej),  sąnatomiast dostępne w implementacjach krajowych.

73

W  każdym  kraju  członkowskim  UE  i  EFTA  teksty  norm  krajowych  wprowadzających  Normy Europejskie są takie same. 

Polska Norma wprowadzająca Normę Europejskąma oznaczenie PN‐EN, niemiecka DIN‐EN itd.

PKN  współpracuje  z  Europejskimi  Organizacjami  Normalizacyjnymi  oraz  z międzynarodowymi organizacjami  normalizacyjnymi  ISO  i  IEC.  Normy  będące  efektem  tej  współpracy  mająodpowiednio oznaczenia PN‐ISO i PN‐IEC.

74

Możliwe oznaczenia norm:

PN‐B ‐PN    o  zasięgu  krajowym  (litera  B  oznacza  dziedzinę normalizacji,  tutaj Budownictwo)

PN‐ISO          ‐PN  wprowadzająca (metodą tłumaczenia) normęmiędzynarodową)

PN‐EN           ‐PN   wprowadzająca (metodą tłumaczenia) normę europejską

Każda norma posiada numer referencyjny  (np. 03200 i rok publikacji w Polsce (np. 1990).

Z dniem 1.10.2007 nastąpiło ujednolicenie zapisu numeru norm PKN w bazach Zintegrowanego Systemu Informatycznego (ZSI) NORMA opublikowanych do 1993 r0ku włącznie. I tak, numer na wydrukowanym dokumencie PN‐90/B‐03200 (Konstrukcje metalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie) ma w ZSI NORMA numer ujednolicony PN‐B‐03200:1990.

75

Kontynuacja

Specjalność: Informatyka w zarządzaniu i modelowaniu

Ścieżka dyplomowania S1: Modelowanie komputerowe  konstrukcji

76

Zestawienie pytań z zakresu wykładów

1. Objaśnij pojęcia: projektowanie techniczne, projektowanie zorientowane obiektowo

lub procesowo.

2. Jakie czynniki projektowania  występują w projektowaniu technicznym ? Opisz je krótko.

3. Zdefiniuj pojęcia: system, teoria systemów, inżynieria systemów.

4. Opisz jakie dwa podejścia (paradygmaty) wyróżnia się w badaniach systemowych.

5. Opisz pojęcia: system oraz otoczenie występujące w inżynierii systemów.

6. Jakie systemy podstawowe występują w inżynierii systemów? Jakie są zalety systemowego ujęcia procesu produkcyjnego ?

7. Opisz pojęcie procesu projektowania. 

8. Opisz strukturę pionową procesu projektowania.

9. Opisz strukturę poziomą procesu projektowania.

10. Opisz strukturę operacyjną procesu projektowania.

77

78

11.  Jakie są działania podstawowe w procesie projektowania ?12.Wymień i krótko opisz metody rozwiązań w procesie projektowania.13. Jakie mogą byćmetody wyboru rozwiązania w procesie projektowania ?14.Wymień i krótko opisz ważniejsze metody komputerowego wspomagania projektowania (KWP).15. Opisz cechy modelowania geometrycznego w KWP.16.Jakie etapy wykonywania obliczeń występują w KWP ?17.Jakie są składowe systemu ekspertowego ?18.Jak KWP pomaga w tworzeniu dokumentacji technicznej ?19.Co to jest Polska Norma, kto je opracowuje i zatwierdza?20.Co to są Normy Europejskie i jak jest oznaczana Polska Norma wprowadzająca takie normy ?21.Co znaczą oznaczenia norm: PN‐B, PN‐ISO, PN‐EN ? 

79

22. Podaj przykładowy algorytm projektowania inżynierskiego? Co w tym przykładzie jest przedmiotem projektowania  ?

23. Narysuj przykładowy schemat analizy konstrukcji („od obiektu rzeczywistego po rozwiązanie końcowe”).

24. Jakie są podstawowe nieznane funkcje w analizie statycznej konstrukcji ijakimi dysponujemy równaniami do ich wyznaczenia ?

25. Objaśnij na przykładzie obliczania liczby π podstawowe cechy metody elementów skończonych (MES).

26. Opisz podstawowe etapy procedury MES.