Выбор критериев оптимизации.

Сложность оптимизации заключается в необходимости глубокого понимания происходящих явлений, правильного отражения их в формально модели объекта, а также грамотного выбора критериев оптимизации. Когда невозможно получить решение на основе формально – логического подхода, выбор критериев приходится осуществлять интуитивно. Полученное таким образом решение следует называть не оптимальным, а оптимизированным, так как из – за недостаточно строгого учета всех факторов оптимизации, найденный оптимум будет только условным, близким к оптимуму функции. Затрудняется еще и тем, что возможные критерии оптимизации часто противоречат друг другу.

А качестве оптимизации принятого решения можно использовать оценки технического уровня и качества изделия.

Например: оптимизацию часов можно вести по обобщенному показателю качества, в основу которого положено точность хода часов. Можно оптимизировать конструкцию, добиваясь равнопрочности его составных частей, или минимальной массы и габаритов. Оптимизация по критериям надежности может дать результат в значительной мере противоположный тому, который получается при оптимизации по себестоимости изделия.

В качестве экономических критериев оптимизации можно использовать трудоемкость изделия, а при проектировании его элементов – их трудоемкость. При этом необходимо учитывать возможное противоречие между низкой себестоимостью деталей, или составных частей изделия и повышающийся из – за этого стоимостью изготовления, или эксплуатации самого изделия. Например более рентабельно использование в измерительных приборах алмазных наконечниках, по сравнению со стальными.

Оптимизация нагружения, материала, надежности работы.

Один из основных способов уменьшения массы – оптимизация нагружения деталей с максимальным использованием материала. При изгибе сечение работает преимущественно крайними точками , расположенными в плоскости действия силы. По мере приближения к нейтральной оси напряжения изменяются вплоть до 0 (рис. 1.5 а). В случае кручения все точки периферии нагружены одинаково. Однако напряжения в кольцевых сечениях убывают по мере приближения к центру, где они становятся равными 0.

Наиболее выгоден случай растяжения-сжатия, когда все точки сечения работают при одинаковом напряжении и материал используется наиболее полно. Где только можно, следует заменять изгиб растяжением-сжатием, как это делается в стержневых и ферменных системах.

а)

б)

Там, где изгиб неизбежен по функциональному назначению детали, его отрицательное влияние следует компенсировать следующими конструкторскими мерами:

-применять рациональные сечения с разноской материала по направлению действия максимальных напряжений (например, сечение рельса);

-уменьшать изгибающий момент сокращением плеча изгибающей силы, т.е. уменьшать пролеты между опорами, рационально расставлять опоры и устранять консольное нагружение (рис. 1.5, б), невыгодное по напряжениям и деформациям.

Максимального снижения массы (при оптимальной марке материала) можно достичь приданием деталям равнопрочности. Идеальный случай, ко-гда напряжения в каждом сечении детали по ее продольной оси и в каждой точке этого сечения одинаковые, возможен только при некоторых видах нагружения, когда нагрузку воспринимает все сечение детали (растяжение–

Рис. 1.6. Распределение напряжений по сечению детали

сжатие и отчасти сдвиг) и когда отсутствуют значимые концентраторы напряжений

При изгибе, кручении и сложных напряженных состояниях напряжения по сечению распространяются неравномерно. Они максимальны в край-них точках сечения, а в других могут снижаться до нуля. В этих случаях можно только приблизиться к условию полной равнопрочности выравниванием напряжений по сечению, удалением металла из наименее напряженных участков сечения и сосредоточением его в наиболее напряженных местах – на периферии сечения.

Напряжения в массивной детали круглого сечения ( нормальные при изгибе и напряжения сдвига/касательные/при кручении) распределяются по закону прямой линии, проходящей через центр сечения распределяются по закону прямой линии, проходящей через центр сечения. Удаление слабонагруженного металла из центра сечения, т.е. придание сечению кольцевой формы, обеспечивает более равномерное распределение напряжений в оставшейся части. Чем тоньше стенки кольца, то есть чем больше отношение внутреннего диаметра сечения к наружному, тем равномернее распределение напряжений. При сохранении постоянного наружного диаметра уровень напряжений в стенках, естественно, повышается. Наибольшим увеличением наружного диаметра легко привести напряжения к прежнему уровню или даже значительно снизить их.

Этот принцип, называемый принципом равного напряжения по сечению, применим к сечению любой формы.

Свойство изделия сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки, называется надежностью.

Показателями надежности являются безотказность (отказ – любая вынужденная остановка), ремонтопригодность, сохраняемость и долговечность, а также резервирование (наличие резервных элементов, работающих параллельно)

Практика показывает, что повышение надежности Т связано с дополнительными расходами Q пропорциональной зависимостью

Q=Q₆ (T/T₆)

Где Q₆ и T₆ – соответственно стоимость и показатель надежности базового образца.

Обычно повышение надежности оказывается рентабельным, что и рекомендуется учитывать при проектировании. Но в ряде случаев оно может оказаться бесполезным, из-зп невозможности использовать полученный эффект, например, вследствие ограничения срока службы изделия или его морального износа.

Повышения (оптимизация) надежности изделий может быть достигнуто с помощью ряда конструктивных, технологических и организационно – технических мер:

- упрощением принципиальной схемы изделия, уменьшением количества ее элементов или, наоборот, дублированием элементов, работающих параллельно (резервированием);

- применением рациональных форм и взаимного расположения деталей; конфигурацией, обеспечивающей равномерность распределения нагрузок и напряжений, плавными переходами, устраняющими концентрацию напряжений; применением форм сечений, обеспечивающих повышенную жестокость (оребрение, сводчатые формы) и др.;

- изменением размеров деталей;

- повышением точности (в частности изготовления) элементов изделия, точности изделия в целом;

- применением материалов с более высокими показателями по данному свойств взамен универсальных (в подшипниках камни вместо металла);

- использованием эффективных методов обработки – таких как термообработка, покрытие, упрочнение и т.д.;

- применением организационно-технических мероприятий.