5.2.2.2. Составление функционально-физической схемы

Имея функциональную схему, переходят к составлению функционально-физической схемы или, при необходимости детального физического анализа, — к физической.

Отыскание для каждого элементарного действия соответствующего физического эффекта и их состыковка — непростая задача. На этапе синтеза принципа действия еще точно неизвестно, что является носителем потребной функции, какой энергией обладает, насколько эффективно будет решение.

В ТЗ обычно присутствуют указания на вид объекта воздействия (Н₂, рис.17б) и выполняемую функцию (Ф). Из анализа физической сущности этой функции можно установить энергетическое состояние (Э₂) объекта воздействия. Например, из задания «устройство для перемещения груза» следует, что объект воздействия — условно твердые тела (кирпичи, бочки с водой, мешки с песком и т.п.), которым нужно сообщить кинетическую энергию.

Сведения по виду проектируемого объекта (Н₁) и его энергетическому состоянию могут либо отсутствовать (следовательно, могут быть любыми), либо определяться функцией источника действия (Ф_и), либо выбираться с учетом дополнительных требований ТЗ.

Наиболее часто поиск физической схемы ведется эвристическими методами.

В автоматизированных системах широко используется метод синтеза, который основан на поиске в базе данных пар сопряженных физических эффектов и построения из них цепочек так, чтобы удовлетворить заданному выходному и возможному входному воздействиям. Такой метод подобен решению задачи с краевыми граничными условиями.

5.2.2.3. Анализ и развитие схемы

Анализ требований ТЗ с целью выявления явных или скрытых физических условий и ограничений уменьшает вариантность, но делает задачу целенаправленной. Основными такими требованиями являются:

• доступность источника энергии. Исследуется место эксплуатации разрабатываемого объекта и выясняется, какие источники энергии там имеются или какую энергию можно подвести;

• мощность источника энергии. Она должна обеспечить функционирование объекта. Мощность оценивают из закона сохранения энергии, т.е. подводимая энергия должна быть не меньше необходимой для работы объекта. И «производительность» каждого физического эффекта в цепочке должна соответствовать этой мощности. Аналогично проверяют на способность развивать требуемое усилие;

• промышленная реализация: возможность получения необходимого количества требуемых материалов и последующей их обработки;

• стоимость используемой энергии, безопасность, экологичность и другие показатели качества.

• Оценка принципа действия по количеству используемых эффектов не всегда верна. Так, работа лампы накаливания основана на двух физических эффектах, а лампы дневного света — порядка 5, хотя последняя применяется все чаще. Однако замечено, что удачные принципы действия отличает следующее:

• совмещение носителей энергии, т.е. использование одного и того же объекта в нескольких физических эффектах (например, в лампе нить накаливания — проводник и источник света);

• минимальное число преобразований одних видов энергии в другие, т.е. выполнение объекта однородными;

• совмещение функций в физическом эффекте (например, лампа-обогреватель — нить светит и греет).

При разработке объекта сначала подбирают принцип действия для главной функции, потом — для выявленных вспомогательных (тех, которые создают условия выполнения главной функции) и т.д. Далее, предложенные отдельные принципы действия состыковывают и совершенствуют (например, за счет совмещения функций и носителей).

Создание оригинальной как функциональной, так и физической схемы служит признаком патентоспособности разрабатываемого объекта.

В процессе проектирования не всегда проходят этап синтеза принципа действия (особенно при проектировании по аналогии или при улучшении прежнего объекта, в рамках заданного принципа). Однако анализ принципа позволяет установить резервы развития использующей его объекта и пути его совершенствования, проверить корректность модели функционирования. Физическая постановка проектной задачи также позволяет получить дополнительные сведения:

• знание физического закона конкретизирует условия реализации — уточняется вид и характер связей, сопутствующие явления, возможные последствия. Например, при нагреве твердого тела происходит не только тепловое излучение, но и изменение его размеров и сопротивления, а при перегреве — оно может и расплавиться;

• математическая формулировка физического закона очерчивает круг основных параметров, характеризующих процесс функционирования, их взаимосвязь и степень влияния на конечный результат;

• физический принцип и его математическая формулировка составляют основу построения модели функционирования проектируемого объекта.

• Выявление принципа действия и поиск возможных его вариантов — первое, с чего начинается конструирование, даже если берутся готовые изделия: анализ их особенностей позволит выбрать лучший вариант или подтвердить традиционный выбор.

Подводя итоги, перечислим основные этапы синтеза принципа действия:

1. Разработка функциональной структуры.

1.1. Выбор на основе ТЗ исходной функциональной структуры, уточнение видов объектов и связей между ними.

1.2. Детализация исходной структуры, выделение элементарных действий.

1.3. Развитие структуры, выявление дополнительных функций.

2. Разработка функционально-физической структуры.

2.1. Замена элементов функциональной структуры на физические аналоги — энергию и ее носители.

2.2. Подбор физических эффектов.

2.3. Построение цепочек физических эффектов.

2.4. Отбор предпочтительных вариантов.

3. Проверка функционально-физических схем на соответствие требованиям ТЗ.

4. Разработка принципов действия подсистем и состыковка их.