1.4. Задача предмета «инженерное проектирование»
Задача этого предмета состоит в том, чтобы помочь студентам научиться применять свои знания, приобретенные ими при изучении теоретических, технических, общественных и гуманитарных дисциплин, к решению задач инженерной практики. Задача состоит не в том, чтобы студент изучил еще одну инженерную дисциплину или специальный технический предмет, а скорее в том, чтобы он научился целеустремленно и эффективно использовать уже имеющиеся у него знания. Научные и инженерные проблемы, связанные с проектированием, возникают в различных областях строительства, химии, электротехники и машиностроения. Таким образом, проектирование не ограничивается традиционной областью машиностроения, а включает теплотехнику, гидромеханику, электронику и другие области.
Задача инженерного проектирования почти всегда формулируется следующим образом: разработать при некоторых ограничениях, обусловленных способом решения, элемент, систему или процесс, обеспечивающие оптимальное выполнение поставленной задачи при некоторых ограничениях, налагаемых на решение. Слова «при некоторых ограничениях» встречаются в этом определении дважды и имеют целью подчеркнуть важную особенность инженерного проектирования. Дело в том, что при решении инженерных задач имеют место ограничения двух видов. Одна группа ограничений относится к методу решения задачи и охватывает такие вопросы, как наличие знаний, сроки и имеющиеся в распоряжении лабораторное оборудование и вычислительная техника. Другая группа ограничений относится к самому решению задачи и связана с действием таких факторов, как естественные (физические) ограничения, издержки, наличие материалов, оборудования или производственного мастерства. Одна из целей изучаемой дисциплины состоит в том, чтобы помочь студентам приобрести определенные навыки и взгляды, которые повысят возможности успешного решения инженерных задач с учетом ограничений обоих видов.
При этом студенту нужно осознать, что понимание и изучение процесса решения, связанного с проектированием и анализом (и его успехов, и неудач), повысят вероятность успеха в будущем.
1.5. Процесс инженерного проектирования
Первым этапом инженерного проектирования является изучение и уяснение цели или задачи. Цель может определяться заданием или вытекать из характера работы (например, разработка патентуемого изделия или проектирование верстака для домашней мастерской). В любом случае первым этапом процесса инженерного проектирования является четкое определение цели, которая должна быть достигнута, или требования, которое должно быть удовлетворено. На рис. 1.2 этот этап называется уяснением цели.
Вторым этапом процесса инженерного проектирования является описание более конкретной задачи, которая должна быть решена для достижения общей цели. Если, например, общей целью является получение пресной воды из моря, то возможным путем решения нашей задачи будет создание ядерной энергетической установки для опреснения морской воды методом испарения. Другим путем решения этой же задачи может быть также создание установки для химического опреснения воды или солнечной установки. Заметим, что выбор пути решения задачи предполагает принятие решения.
Рис. 1.2. Блок-схема процесса инженерного проектирования
На следующем этапе инженерного проектирования обычно требуется, чтобы инженер-проектировщик получил некоторую идею – новую или старую, по-новому примененную к решению его задачи. Ему нужно сформулировать способ решения или составить общее представление о задаче. Иногда для этого требуется огромное творческое воображение, искусство и изобретательность. Иногда это просто шаблонное применение известного принципа или его пересмотренного варианта. В значительной мере качество решения определяется качеством идеи или принципа, использованного на данном этапе. В определенном смысле этот этап представляет собой основу процесса проектирования. На рис. 1.2 он назван формированием идеи.
Как только идея или способ решения задачи найдены (т. е. произошло принятие еще одного решения), инженер должен проанализировать принятую идею. Инженерный анализ требует четкого определения задачи или вопроса, который должен решаться. Он требует построения модели (на бумаге или в лабораторных условиях), которая будет настолько простой, что ее можно будет проанализировать за приемлемое время, и в то же время настолько сложной, что полученные на ней результаты будут достаточно содержательны. Инженерный анализ этой модели должен основываться на применении физических принципов (использовании результатов научных или технических дисциплин) и нахождении численных результатов. Сюда входят также проверка, оценка, обобщение и оптимизация результатов. В данном конспекте процессу инженерного анализа отводится большое место, поскольку он имеет важное значение для всего процесса инженерного проектирования в целом.
Если в результате анализа получены благоприятные результаты, то инженер должен переработать свое решение с учетом производственных возможностей. Мы называем этот этап конкретизацией решения, и возникающие здесь вопросы будут связаны с тем, «как сделать эту вещь?», а не с тем, «как она будет работать?» После этого разрабатываемое изделие будет запущено в производство и затем его начнут распределять, продавать и использовать.
Заметим, что на рис. 1.2, где схематически показан весь процесс инженерного проектирования, мы использовали двунаправленные стрелки. Это должно показать, что в действительности процесс инженерного проектирования не состоит непосредственно из одних переходов от этапа к этапу. При решении любой задачи может потребоваться многократное повторение любого из этапов, и в значительной мере движение будет происходить как вперед, так и назад. Редко задача оказывается столь простой, а инженеру-проектировщику сопутствует такая удача, что идея, пришедшая первой, позволит разработать изделие, которое
работает,
работает хорошо,
работает в оптимальном режиме,
может быть изготовлено с небольшими издержками,
может иметь сбыт,
просто в обслуживании и т. д.
На рис. 1.3 показан другой подход к процессу проектирования. На этой схеме задача инженерного проектирования состоит в отыскании системы или элемента, который будет давать определенный выход (результат) при заданном воздействии на его вход. Как показано на этой схеме, другие виды деятельности – науку и анализ – также можно описать аналогичным образом. Задача науки состоит в открытии законов, а задача анализа – в определении воздействия на входе системы для получения заданного выхода или определения выхода по заданному входному воздействию – все зависит от обстоятельств. Вследствие того что анализ связан главным образом с такими случаями, когда задан выход, задача нахождения воздействия на входе при требуемом выходе называется инверсным анализом.
Рис. 1.3. Другой вариант схемы процесса инженерного проектирования
Это краткое схематическое представление служит наглядной иллюстрацией основного различия между инженерным проектированием и другими видами научно-технической деятельности.