Использование UML при проектировании АСНИ лепестковых подшипников

Лепестковые газодинамические подшипники (ЛГП) представляет собой самоустанавливающиеся опоры с упругой поверхностью, в которых в качестве смазочного материала используется воздух или другие газы. Высокоскоростные турбомашины с использованием лепестковых подшипников находят широкое применение в машиностроении, криогенной (низкотемпературной) технике, энергетике, газовой и химической промышленности.

Расчет лепестковых подшипников при проектировании является математически сложной задачей и часто требует проведения множества однотипных итераций. Вследствие этого, автоматизация расчетов, в том числе определение полей давления, деформаций упругих элементов, несущей способности и других характеристик работы подшипника, является значимой проблемой для турбопромышленности. Появление систем автоматизированного проектирования оказало огромное влияние на инженерную деятельность, а использование программных инструментальных средств для расчета сложных узлов, к которым относятся лепестковые подшипники, стало практически безальтернативным.

Автоматизированная система научных исследований лепестковых газодинамических подшипников (АСНИ ЛГП) - это программно-аппаратный комплекс на базе средств вычислительной техники, предназначенный для проведения научных исследований лепестковых опор путем использования модели исследуемого объекта, основанной на элементах теории гидродинамической смазки и теории упругости. Основная функция АСНИ ЛГП состоит в проведении пассивного эксперимента и исследовании модели ЛГП на основе применения математических методов и процедур управления экспериментом. Автоматизированные процедуры в АСНИ УЛГП состоят в том, что исследования объекта осуществляется путем взаимодействия пользователя с АСНИ в режиме диалога.

Целью создания АСНИ УЛГП является [1]:

• повышение эффективности и качества научных исследований на основе получения информации по результатам моделирования и уточнение с помощью АСНИ самой математической модели УЛГП;

• повышение эффективности разрабатываемых с помощью АСНИ опорных узлов, уменьшение затрат на их проектирование;

• сокращения сроков, уменьшения трудоемкости научных исследований и комплексных испытаний образцов проектируемых узлов.

UML (unified modeling language) с 1997 года является стандартом в области визуального объектно-ориентированного моделирования и широко используется на практике, будучи реализован в рамках многих CASE-средств [2]. На рисунке 1 изображена ситуация, существовавшая в программировании до создания языка UML. На нем показаны с одной стороны разработчики и воображаемые ими модели программ, с другой стороны - коды программ и объект автоматизации [3]. Как видно из рисунка, объединение исходного кода программы с объектом автоматизации осуществляется только в сознании программиста, а документальная связь между ними отсутствует.

Рисунок 1 – Технология программирования до появления UML

После появления UML (рисунок 2) диаграммы и спецификации языка UML связали исходный текст программ с характеристиками объекта автоматизации напрямую. При этом диаграммы опираются на теоретический фундамент в виде теории множеств и теории графов, наличие которого позволяет упростить операции преобразования UML диаграмм, созданных при помощи CASE-средств, в объекты в памяти ЭВМ.

Рисунок 2 – Технология программирования с использованием UML

Рисунок 2 также показывает, что на основе UML диаграмм можно генерировать исходный код (прямое преобразование) и наоборот исходный код может преобразовываться в диаграммы (обратное преобразование). В некоторых случаях прямое преобразование может осуществляться автоматически с помощью программ-конверторов (такая функция встроена также во многие CASE-средства, например Rational Rose). Обратное преобразование может выполнить только человек.

Язык UML предоставляет большое число типов диаграмм, последовательное создание которых позволяет получить полное представление обо всей проектируемой системе и об отдельных ее компонентах. В данной работе рассматриваются лишь два вида диаграмм:

• Use case diagram (диаграмма вариантов использования);

• Class diagram (диаграмма классов).

Диаграмма вариантов использования представляет концептуальную модель системы, которая является исходной схемой для построения всех остальных диаграмм. Она предназначена для определения требований к системе. Диаграмма классов является логической моделью, отражающей статические аспекты структурного построения системы. Диаграмма классов UML основана на широко распространенной модели «сущность-связь», введенной Ченом [4]. Данная нотация получила и другие варианты развития, например, CASE-метод Баркера [5], метод IDEF0 [6], который лежит в основе широко известного CASE-средства ERWin.

Таким образом, для описания функциональности разрабатываемой АСНИ целесообразно разработать диаграмму вариантов использования языка UML (рисунок 3).

Рисунок 3 – Диаграмма вариантов использования

Диаграмма описывает последовательность действий, которые может осуществлять система в ответ на внешние воздействия пользователя или измерительных устройств. Поскольку варианты использования отражают функциональность системы с точки зрения получения значимого результата для пользователя, то они позволяют более точно ранжировать функции, предоставляемые системой.

На диаграмме вариантов использования присутствуют два «актера» - внешних объекта, с которыми взаимодействует система. Во-первых, «пользователь» системы – человек, который использует систему для решения задачи расчета ЛГП. Во-вторых, «внешние устройства», которые могут передавать в систему необходимые данные на этапе формирования задания к системе.

Из рисунка 3 видно, что общую задачу расчета ЛГП можно представить совокупностью следующих вариантов:

• формирование задания к системе;

• расчет модели;

• обработка полученных результатов.

Пользователю также доступна функция работы со справочниками, которая не является обязательной, а расширяет возможности инструментальной системы.

В свою очередь задача формирования задания к системе включает в себя обязательные подзадачи определения параметров подшипника и ротора. В случае проведения серии вычислительных экспериментов задаются соответствующие условия (вариант «Провести серию экспериментов»). Также функционирование инструментальной системы предусматривает функцию взаимодействия с внешними устройствами, для получения исходных параметров моделирования.

На этапе обработки полученных результатов пользователь может выбрать способ отображения результатов:

• сформировать отчеты;

• выполнить визуализацию.

В случае проведения серии экспериментов система предоставляет в распоряжение пользователя средства для вторичной обработки полученных данных (вариант «Выполнить обработку серии экспериментов»), которые включает в себя оценку полученных результатов путем использования методов математической статистики. По итогам анализа серии экспериментов также возможно сформировать отчет.

Чтобы определить статическую структуру системы, необходимо разработать диаграмму классов, которая является ключевой при реализации объектно-ориентированного подхода. Сокращенное представление диаграммы классов (без детализации атрибутов и методов классов) представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 – Диаграмма классов

Основным классом, который служит для управления работой всей системы, является класс MainForm. Параметры и результаты расчета содержаться в классе Calculate, который агрегирует в себе классы FTBearing (подшипник), Rotor (ротор) и Lubricant (смазочный материал). В свою очередь класс Calculate входит в состав класса многопараметрического расчета Calculates, который представляет собой реализацию последовательных вычислений для одного или нескольких простых расчетов.

Непосредственно алгоритм моделирования [7,8] реализуется с помощью нескольких классов под управлением класса MainFuncs. Уравнение Рейнольдса решается методами класса ReynoldsEqution, уравнение баланса энергии – класса EnergyEqution, уравнения теории упругости – класса Deformation. В классе MathFuncs содержатся некоторые вспомогательные функции для реализации математических алгоритмов. Определение теплофизических свойств смазочного материала путем аппроксимации экспериментальных данных реализуется в классе LubricantFuncs, который использует класс StringExpression для вычисления строковых арифметических выражений.

Графическую визуализацию исходных параметров расчета и его результатов выполняет классы ImageManager (трехмерное изображение подшипника) и LubricantGraph (график свойств смазочного материала). Класс ImageManager в свою очередь использует классы Bearing, Foil и ColorMap для отображения корпуса подшипника, лепестка и карты распределения давлений и деформаций соответственно.

Для формирования отчетов различных форматов используется класс Report. Для подключения внешних устройств разработан интерфейс IDevice.

На основе разработанных статических диаграмм необходимо создать динамические диаграммы и диаграмму компонентов, которая показывает физическое представление разрабатываемой системы. Далее можно начинать непосредственно реализовать программный код системы.

Литература:

1. Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию автоматизированных систем научных исследований и комплексных испытаний образцов новой техники // Гос. ком. СССР по науке и технике. Москва, 1986.

2. Романовский К.Ю., Кузнецов С.В., Кознов Д.В. Объектно-ориентированный подход и диаграммы классов в UML. – ЗАО «Ланит-Терком». – 1999.

3. Л.В. Шуткин «Технологии разработки программных обеспечений компьютерных информационных систем» http://www.pvti.ru/stat/webkurs/index.html.

4. Yourdon E. Modern Structured Analysis. - Prentice-Hall, 1989.

5. Barker R. CASE Method. Entity-Relationship Modeling. Copyright Oracle Corporation UK Limited, Addison-Wesley Publishing Co., 1990

6. Горин С.В., Тандоев А.Ю. Применение CASE-средства ERWin 2.0 для информационного моделирования в системах обработки данных // СУБД. - 1995. - № 3.

7. Корчак, А. В. Инструментальные средства исследований упорных лепестковых газодинамических подшипников // Системы управления и информационные технологии, 1(43), 2011. - с. 81-85.

8. Корчак А.В. Моделирование и программа расчета упорных лепестковых газодинамических подшипников // Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 7. № 4. Воронеж: ВГТУ, 2011. - с. 138-142.