1.4.Методология конструирования

Методология конструирования базируется на вскрытии основ­ных зако­но­мерностей решаемой задачи, формулировке основных про­ти­­воречий и выборе способа их разрешения, нахождении луч­шего варианта решения в виде конкретной схемы или конструкции.

Разработка новых конструкций основано на результатах раци­ональ­ного проектирования. Идеальное (т.е. соответст­вующее идее, удовлетворяющее всем требованиям и полностью устраня­ющее осознанную неопре­делённость) решение прикладных задачи не достижимо, на практике можно иметь только несколько прибли­жённых к нему вариантов. Поиск оптималь­ного из них (лучшего из возможных) происходит по шагам, иногда с возвратом назад или повторением шагов ранее сделанных. Для минимизации количества шагов нужна их направлен­ность, оптимизирующая поис­ка варианта. «…Людскому уму мало одних част­нос­тей: необ­хо­­димы сперва сис­тематические обобщения, т. е. класси­фи­кация, разде­ле­ние общего, потом нужны законы, т.е. формулированные соотношения различ­ных изучаемых предметов или явлений; наконец, необходимы гипотезы и теории, или тот класс соображений, при помощи которых из одного или немногих допущений выясняется вся картина частностей во всём их разнообразии. Если ещё нет развития всех или хоть большей части этих обобщений, знание ещё не наука, не сила, а рабство перед изучаемым» (Д.И.Менделеев).

Неопределённость абсолютна, относительна лишь её степень. Сведения, снижающие неопределённость, называются информа­цией, а приближающие к идеальному решению (цели, как к субъ­ективному образу будущего результата) - достоверной инфо­рма­цией. Решение задачи конструирования имеет обобщённую мето­до­логическую основу (рис.1.2) и состоит из следующих основных этапов, причинно-следственно связанных между собой и после­довательно реализуемых по порядку убывания их информа­тив­ности:

1. Определение объекта проектирования, выделение его наиболее значимых сторон (факторов), в результате которых должна быть постро­ена его функциональная модель. Этап начинается с понимания назначения объекта, ответа на вопросы “Зачем, для чего нужен, что делает объект? Какую функцию выполняет?”, осознания предва­рительных сведений о нём (опыта эксплуа­та­ции и проекти­рования подобных ему, экономической эффективности, общест­вен­ной значи­мости, и т.д.). К на­и­более значимым факторам (от лат. factor- дела­ющий, произ­во­дя­щий) отно­сят­ся технические характе­ристики (показатели надё­ж­­ности, произво­ди­тель­ность, габари­ты и др.), струк­тура объекта, сос­тав­ляющих его деталей и характер их вза­имо­­действия. Эффек­тив­ность этапа зависит от опыта и вни­ма­тель­­ности ис­сле­до­ва­­теля к осо­бен­нос­тям за­да­­­чи, способности дифферен­ци­ро­ван­но вос­принимать инфор­ма­цию об объ­ек­те, расчленять его на отдельные элемен­ты и выделять ту его часть, которая становится предметом проекти­рования. На него и должно быть направлено основное внимание конструктора. Уже здесь требуется общее представ­ле­ние о пред­ме­те, для того, что­бы было на что «цеплять» факты. «Если я занимаюсь ка­ким-либо предметом, я сначала про­извожу опыты, а потом делаю выводы и строю доказательства.

Рис.1.2. Алгоритм поиска и многовариантность решения задач рационального проектирования

Таков метод, ко­то­ро­му надо следовать, изучая явления природы» - говорил Леонардо да Винчи. Поми­мо фак­то­ров «очевид­ных», отне­сён­ных к су­щест­вен­­ным в рам­ками тра­ди­ци­онных пред­став­лений об объекте, иног­да необходимо проявить фак­торы скрытые. Пренеб­ре­жение неко­то­рыми из них может при­вес­ти к некорректной поста­новке задачи. Поэтому нетради­ционные пред­став­­ления об объек­те или новые методы получения инфор­ма­ции здесь могут оказаться наиболее эффективными. На этом этапе долж­на быть построена функ­ци­ональная модель объекта, то есть его условное изображение на основе представлений о его использовании и принципе действия. При этом решается ряд подзадач.

1. Изучение свойств объекта контроля, как источника информации.

2. Выбор информативных параметров.

3. Установление связей информационных параметров с состоянием объекта.

4. Создание или выявление условий, при которых изменение информативных параметров будут наиболее явными.

На выбор того или иного информативного параметра влияют следующие факторы.

1. Агрегатное состояние объекта контроля (газовое, жидкое, твердое).

2. Физическое состояние объекта (диэлектрик, проводник, магнетик).

3. Вид структуры материала (аморфное строение, монокристаллическое или поликристаллическое, изотропное или анизотропное).

4. Способность взаимодействия с проходящим излучением (слабое или сильное поглощение, слабое или сильное рассеяние или отражение).

5. Условия контроля (в вакууме, в жидкости, при какой температуре, при каком давлении).

6. Размеры и конфигурацией объекта контроля, его конструктивные особенности.

7. Вид решаемой задачи (дефектоскопия, толщинометрия, интроскопия, структуроскопия и т. д.)

2. Составление физической модели проектируемых деталей, узлов, приборов или систем. В боль­­шинстве случаев ­спо­соб­­ность элементов приборов вы­пол­нять задан­­ные функции опре­де­ляется их физическими свойствами, учесть ко­то­­рые можно пос­редст­вом построения физической модели. Мо­дель состав­ляется путём увязывания выделенных на пре­ды­ду­щем этапе функци­ональ­ных факторов с обобщёнными физи­чес­кими свойствами в единый образ с помощью физичес­ких за­­ко­нов, допущений или гипотез. При рассмотрении объектов механики это пространст­вен­но-вре­менные и силовые факторы, инерционные, вязко-упругие, дефор­ма­ционно-проч­ност­ные, и др. свойства, законы или гипотезы класс­и­ческой механики, «сопротив­ления мате­ри­­алов», механики дефор­ми­руемого твёр­до­го тела и т. д. Поскольку закономерности носят обоб­щённый характер, то здесь также происходит упрощение объекта. В зависимости от того, какие функци­ональные стороны объекта рассмат­ри­ваются, для одной и той же детали можно предложить различные физические модели, а одной и той же моделью можно описать поведение различных деталей. Например, при расчёте на устойчивость винта (стержня болта) можно не учитывать «искажения» его формы резьбой и представить его в виде стержня круглого поперечного сечения. В то же время, при оценке его прочности наличие резьбы, существенно уменьшающей площадь попе­реч­ного сечения, приходится учиты­вать. Поэтому построение физичес­кой мо­дели объекта начи­на­ется с выбора из ряда свойств (как правило, также на основе опыта эксплуатации подобных объектов) и фор­му­ли­ровки его главного качественного признака, физического свойства (проч­ности, жёсткости, ус­той­чивости, изно­со­стойкости, виб­ро­стойкости или тепло­­стой­кости), определяющего способность выпол­нять задан­ные функции – кри­терия ра­бо­тоспособ­ности.

Физичес­кие мо­дели деталей составляются в виде их натурных имитаций (расчётных схем) - некоего образа объ­екта, да­ющего возможность экспе­ри­мен­тально иссле­до­вать или вообразить экспе­ри­мент и качественно описать состояние детали или механизма. Чем больше существен­ных сторон объекта учитывает модель, тем точнее ре­зуль­тат исследования, тем меньше требуется корректировок самой схемы и экспе­ри­ментальных исследований при её модернизации или проверке. Однако чрез­мер­ная сложность модели затрудняет работу с ней. В результа­те сос­тав­­ле­ния фи­зи­ческой модели между фак­­то­рами устанав­ли­ваются качествен­­ные соот­но­ше­ния, опре­деляющие пригодность объекта с конкретными физи­чес­кими свойст­ва­ми вы­пол­нять опреде­лённые функции, даётся ответ на вопрос “Как, бла­годаря каким свойствам работает объект?”. Синтез модели сопро­вож­да­ет­ся её ана­лизом и проверкой на соответствие общим физическим пред­став­лениям.

3. Составление математической модели объекта проектирования. Математическая модель представ­ляет «верши­ну» абстрагирования, наиболее отвлечённый образ ис­сле­дуемого объекта и отображает количест­венные соотношения оп­ре­­­де­­ля­ю­щих его перемен­ных и посто­янных факторов. «Матема­тика - замеча­тель­ное орудие исследования. Она даёт возможность до тон­кости изучить явление и даже предугадать его» (А.М. Ляпунов). Переход от фи­зи­чес­кой модели к модели матема­ти­ческой проис­хо­дит путём вве­де­ния коли­чественных показателей физических свойств и коли­чест­вен­ных критериев, составлением их включающих выра­жений. Исполь­зуемый при этом матема­тический аппарат опре­де­ляется составленной физической моделью и имеющимися в арсе­нале иссле­дователя методами поиска решения. Модель может быть выполнена в графическом виде (например, выполненные с соблю­дением масштаба эскизы, планы положений, скоростей, ускорений, эпюры внутренних силовых факторов и др.), системы алгеб­ра­ических, дифференциальных, интегральных уравнений и пр.

4. Определение численных значений параметров модели.

Состоит в выборе метода и решении составленных урав­не­ний, неравенств или их систем. В частности, решение задач проек­тирования сводится, чаще всего, к выбору мате­риалов, определению размеров деталей посредством расчёта, выбору вари­антов конст­рук­ций (проектировочный расчёт), которые рас­смат­риваются как сво­бодные пере­менные про­­ектирования (выходные параметры расчёта). Входными пара­метрами (задан­ны­­ми к началу решения) являются, как пра­вило, параметры силовые, кинема­ти­ческие и энергетические. Входные и выход­ные параметры могут меняться местами, а на основе составленных моде­лей возможно решение и обратных задач -опре­деление значений силовых, кинема­тичес­ких или энергетических параметров по из­вестным гео­мет­рическим и механическим харак­те­ристикам (прове­рочный расчёт, расчёт по допускаемым нагрузкам).

В общем случае для любой детали можно составить систему таких урав­нений и неравенств с несколькими неизвестными пара­метрами. Из-за много­ва­риантности решений задача реше­ния этой сис­­темы иногда оказы­вается довольно сложной, и для её упро­щения умень­шают число неизвестных на основе исполь­­зования результатов эксперимента, накопленного опыта проек­тиро­вания и эксплуа­тации прибора, выраженного в виде различных рекомен­даций, ограни­че­ний или спра­вочной инфор­ма­ции. При использовании мате­ма­­ти­чес­ких мо­делей высокого уровня для поис­ка ре­шений при­ме­ня­ются раз­личные численные методы (наи­мень­ших квад­­ратов, ко­неч­ных элементов, имитационное компьютер­ное моде­лирование и др.).

5. Корректировка найденных значений параметров модели. Начинается «спуск» с вершины абстрагирования, приближение к реальному объек­ту. В процессе приближения учитываются до­пол­нительные факторы, не учтён­ные на стадии физического и матема­тичес­ко­го моделирования. Таковыми могут быть факторы эконо­ми­чес­кие, тех­но­логические, эстети­чес­кие. Приме­рами корректи­ровки явля­ются замена найденных из уравне­ний значений геометрических пара­метров стандарт­ными (производимая с целью обеспечения вза­имо­за­меня­емости проектируемых дета­лей), уточнение (из сооб­ра­жений сборки) размеров детали при составлении эскиза содер­жа­щего её узла или механизма, значений входящих в мате­матическую модель характеристик материала или нагружения детали. Кроме этого, выбранный метод измерения необходимо оценить по следующим критериям.

1. Безопасность для обслуживающего персонала.

2. Чувствительность измерения.

3. Точность и воспроизводимость результатов измерения.

4. Возможность механизации и автоматизации.

5. Обеспечение высокой производительности.

6. Сравнительная простота методики измерения.

7. Наличие и возможность использования серийной аппаратуры.

8. Стоимость прибора.

9. Возможность использования обслуживающего персонала невысокой квалификации.

При проектировании при­бо­ров и систем необходимо учитывать удобство работы, простоту сборки и разборки. Последнее важно ввиду сложности кинема­тических схем приборов и большого объема сборочных и юстиро­воч­ных работ (юстировка - регулирование, выверка, умень­шение погреш­ностей измерения).

6. Оценка степени соот­ветствия (адекватности) резуль­татов решений изучаемому объекту и ограничениям на значения расчётных параметров. Необходимость такой оценки (проверки результатов расчёта) связана с наличием погрешностей, которые накапливаются как при моделировании объекта, так и при полу­че­нии или корректировке самого решения. Оценку точности решения выполняют путём сравнения его резуль­татов с данными экспери­ментов или с результатами, полу­ченными на основе использования более представительных методов расчёта. «Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рож­дён­ных только воображением» - говорил М.В.Ломоносов. По резуль­татам оценки судят об эффек­тив­ности моде­­ли­рования. В случае значительных погрешностей расчёта модели либо моди­фици­ру­ют (увеличивают количество рассмат­ри­ва­емых факторов, изменяют ка­чест­ва рассматриваемых связей), либо используют модели более высокого уровня. По результатам этой проверки прини­мают реше­ние о завершении расчёта или необхо­ди­мос­ти возвращения к первоначальным этапам. Итера­цион­ная проце­дура повторяется до приведения в соответствие найденных значений задачам расчёта.

Примером результата разработки документации детали прибора, полученного на стадии проекти­ро­вания, является её рабочий чертёж, как выпол­ненная графически мате­ма­тическая модель детали. Дальнейшие операции по созданию детали пере­ходят в область её изготовления, где непосредственному матери­аль­ному воплощению объекта пред­шест­­вует модели­рова­ние техно­ло­гического про­цесса. В этом моде­ли­ро­ва­нии полученные при конструировании параметры явля­ются вход­ными и во многом определяют технологию изготовления.

Любое, даже самое детальное моделирование, содержит погреш­ности, последствия чего необходимо миними­зировать. В част­ности, неточность прочностных расчётов дета­лей машин ком­пен­сируют введением и кор­ректировкой коэффициентов запаса проч­ности. При этом необходимо иметь в виду, что занижение значения коэффи­ци­ен­тов может привести к преждев­ре­менному выходу из строя деталей, а завыше­ние – к необоснованному увели­чению габаритов и перерасходу материала. В уточнённых расчётах напря­жённо-дефор­ми­рованного состояния деталей машин исполь­зуют модели теории упругости в соче­тании с различными реали­зуемыми на ЭВМ численными методами реше­ния составляемых уравнений (наиболее часто используется метод конечных эле­ментов). Расчёт деформи­рованного и напря­жё­нного состояния при этом сводится к опре­делению перемещений узлов ко­нечно-элемен­тного аналога детали и усилий в этих узлах, напряжений в элементах аналога. Методом конечных элементов решены задачи контактного взаимодействия деталей.

Этапы проектирования реализуются по мере убывания их информативности, между этапами существует обратная информа­цион­ная взаимосвязь (обозначена обратными стрелками на рис. 1.2). Полученная непосредственно с помощью органов чувств или измерительных приборов первичная измерительная инфор­ма­ция, сло­жив­шиеся представ­ления об объекте и арсенал методических при­ёмов иссле­до­ва­теля определяют вид, категорию, класс, уровень, созда­ваемых мо­делей. В кон­це решения задачи прини­мается умозак­лючение о кор­рек­ти­ровке представ­ле­ний, понятий и постро­ен­ных на их основе моделей или о переходе к воз­дейст­вию на реальный объект – его изготовлению, диагности­рованию, ремонту, замене и т.п. Выде­ле­ние основ­ных факто­ров и построение мо­дели объекта исследования соответст­вует поня­тийному уров­ню познания, на пути к которому происходит переход от ощу­щений к их вос­при­ятию и к образ­ным представлениям об объекте. Работа с моделью, поиск конкретных ре­ше­­ний, их корректировка и проверка состав­ляют суть суждений и умоз­аклю­че­ний.

Сложность перехода от реального объекта к его условному упрощённому изображению (модели) и обратно представляют ос­нов­ную проблему в организации мыслительного процесса конструктора. Для ре­ше­ния проблемы необходимо раск­рыть содержание, форму и услов­ность перехода, многова­ри­ант­ность воз­можного и недостижимость абсолютно точного решения, связь погрешностей конструирования и методов их минимизации с эта­пами абстрагирования. Для дости­же­ния цели следует усвоить следующие общие принципы информа­ционной оптимизации:

1. Принцип неопределённости. Идеальное (абсолютно точное) решение задач конструирования не достижи­мо и в дейст­ви­тель­­ности может быть получено только несколько прибли­жа­ющих­ся к нему вариантов, количество которых задаёт степень осознанной неопределённости решения.

2. Принцип информативности. Конструирование является информаци­онно-техно­ло­ги­ческим процессом поис­ка наиболее ин­фор­ма­тивного пакета до­ку­ментов оптимального варианта измери­тель­ного прибора, создаваемого из функционально подчинённых его общему назначению деталей и узлов.

3.Принцип рациональности. Реше­ние конструкторской задачи направ­ляется последо­ва­тель­ным пост­ро­ением снижающих неопреде­лённость логически взаимосвя­занных и иерархически подчинённых моде­лей объектов констру­ирования по порядку убывания их информа­тивности с повы­ше­нием уровня абстраги­рования

На рис.1.4 представлены функциональные схемы некоторых приборов. Например, у часов со стрелочным циферблатом входным сигналом (первичной, измеряемой величиной) является время t (рис.1.4 а), вторичным – количество n колебаний маятника, инфор­мативными параметрами – положения часовой и минутной стрелок на циферблате. У акустико-эмиссионной системы (рис. 1.4 б) вход­ным сигналом является испускаемая с поверхности образца 1 упру­гая волна, которая преобразуется в электрический сигнал пьезо­пре­образователем 2, который далее усиливается и преобра­зуется в сиг­нал стандартной формы с помощью предварительного и

Рис.1.3. Принципы информационной оптимизации конструирования приборов.

I-область заказчика, II- область конструктора, III- область технолога.

а)

б)

в)

Рис.1.4. Функциональные схемы часов (а),

акустико-эмиссионной системы (б) и радиационного пирометра (в)

основного усилителей 3 и 4, блока обработки информации 5, контроллера 6 и компьютера 7, выдающим информацию о пара­метрах акустической эмиссии в численном и графическом виде. Действие радиационных пирометров (Рис.1.4 в) основано на использовании закона Стефана-Больцмана, выражающего зависи­мость излучаемой телом 1 энергии от его температуры. Приборы этого типа широко используют для измерения низких температур (20–100 °С). Преобразователями излучения служат линза 2 и термопара 3, индикатор 4 выполняет функцию средства отображения информации.

В таблице 1.1 представлена блок-схема проектирования и расчёта некоторых деталей механизма домкрата.

Таблица 1.1