Относительная оценка различных способов моделирования технических объектов

Показатели	Модели
	Мысленные	Математические	Физические
Точность оценки требований	Низкая	Средняя (высокая)	Высокая
Временные затраты на оценку требований	Малые	Средние (малые)	Большие
Стоимость оценки требований	Низкая	Средняя	Высокая
Вид задач	Выбор ФО, ФС, ФПД, ТР	Выбор ФПД, ТР, параметров	Выбор ТР, параметров

Исторически с незапамятных времен человек пользовался мысленными и физическими моделями. Около 2 тыс. лет назад для оценки отдельных требований уже применяли математические модели. Начиная с XVII— XVIII веков стало быстро расширяться использование математических моделей в связи с бурным развитием математики, механики, термодинамики и других наук. Еще большие возможности в создании математических моделей принесли появившиеся в середине XX века быстродействующие вычислительные машины.

У математических моделей в последнее время значительно расширилась область применения. Многие технические объекты сейчас можно создавать уже без использования физических моделей (например, ряд строительных конструкций и сооружений, электрических машин, элементов автоматики и т. д.). Однако существует большое число технических объектов, для которых математические модели не вытеснили и, очевидно, долго еще не смогут вытеснить мысленные и физические модели (например, при разработке реактивных двигателей). Это объясняется двумя причинами. Во-первых, существующие возможности математических моделей пока недостаточны для описания явлений и процессов в некоторых технических объектов. Во-вторых, темпы развития и возрастания сложности технических объектов опережают возрастание возможностей математических моделей.

В инженерной практике наряду с использованием в чистом виде указанных трех тиной моделей используют также их различные комбинации. Например, аналоговое моделирование представляет собой комбинацию математического и физического моделирования. Имеет также место комбинирование мысленных и математических моделей, когда в методике (алгоритме) расчета используют предварительные или последующие экспертные оценки.

Существует иерархия моделей, соответствующая иерархии списков требований. При этом для каждого технического объекта существует такая же иерархия моделей, в которой каждая последующая модель более детально оценивает технический объект и содержит все предыдущие опенки. Иерархия моделей согласуется также с иерархической последовательностью задач выбора проектно-конструкторских решений.

Моделирование технических объектов достаточно глубоко изучено. Однако отдельные места в этой области знаний разработаны слабо илн еще не затронуты.

Слабо исследованы пока вопросы мысленного и интуитивного моделирования, актуальность которого со временем не понижается.

Любая сложная машина представляет собой совокупность более простых преобразователей (механизмов), соединенных между собой определенным образом – имеет присущую только ей структуру. Каждый механизм осуществляет свое элементарное преобразование параметров движения. В ряде случаев некоторые простые механизмы состоят из совокупности еще более простых механизмов. Чем совершеннее машина, тем больше в ней механизмов (преобразователей), тем сложнее связи между ними. Сложность ТС определяется не суммой узлов, агрегатов, элементов, составляющих систему, а их взаимодействием. Сложность взаимодействия составляющих определяется количеством связей между элементами и между системой и средой [3].

Сложная техническая система состоит из совокупности типовых и специальных преобразователей (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема сложной технической системы

Специальные преобразователи встречаются редко, применяются в виде исключения и представляют собой устройства, присущие только данной машине, типовые встречаются во многих видах технических устройств. Соединяются между собой преобразователи с помощью четырех видов связей: механической, электрической, гидравлической, пневматической. В сложных ТС могут применяться как один вид связи, так и совокупность нескольких (мотор-колесо). По своей природе и преобразователи делятся на механические, электрические, гидравлические и пневматические. Т.к. в ТС могут применяться их различные сочетания, то созданы прямые и обратные комбинированные преобразователи, позволяющие передавать параметры между преобразователями разных групп. Например, для соединения механических преобразователей с электрическими применяют прямые (электродвигатели, электромагниты) и обратные (сельсины, потенциометры) преобразователи.

Преобразователь (механизм) конструируют из функциональных деталей, служащих для выполнения его функционального назначения, и деталей обслуживания, обеспечивающих нормальную работу конструкции, не оказывая непосредственного влияния на функцию преобразования параметров.

Мы сосредоточимся на механических преобразователях – передаточных механизмах (передачах), осуществляющих кинематические связи как между двигателем и рабочим органом, так и между отдельными механизмами. Их можно подразделить на следующие группы:

- со стабильным характером преобразования (передачи с постоянным передаточным отношением – зубчатые, червячные);

- с переменным характером преобразования, имеющие переменное или регулируемое передаточное отношение (рычажные передачи, кулачковые механизмы, фрикционные и зубчатые вариаторы);

- прерывного действия, в которых непрерывное механическое перемещение преобразуется в дискретное перемещение (мальтийские, храповые механизмы).

Структуру (схему) машины обычно выбирают путем параллельного анализа нескольких вариантов, которые подвергают сравнительной оценке по стоимости изготовления, энергоемкости, надежности действия, габаритам, металлоемкости и массе, технологичности, удобству обслуживания. При этом часто приходится выбирать вариант, не столько обладающий наибольшим числом достоинств, сколько имеющий наименьшее количество недостатков.

Исследованиями установлено, что в машиностроении на доводочное конструирование приходится около 56%, на пионерское (поисковое) конструирование – 24% и на конструирование вариантов из нормализованных элементов – 20% общего объема работ [6].

Главная задача пионерского проектирования – разработка конструктивной схемы ТС (машины, механизма), предполагающая: -разработку функциональной схемы или принципа действия; - определение типа и числа элементов, - расположение элементов; - составление общей конфигурации; - определение и простановку размеров.

Основным критерием пионерского конструирования является новое расположение известных или новых элементов. В соответствии с опытом большинство конструкторских разработок, называемых новыми конструкциями создаются путем не использовавшегося ранее сочетания элементов, давно известных как по принципу функционирования, так и по исполнению. Использование новых элементов предполагает, как правило, открытие новых физических принципов или изобретение новых рабочих принципов.

Конструктивная схема – это творческая реализация (воплощение) технического замысла изделия, его функциональной структуры и технологии изготовления. В процессе ее обдумывания и отображения осуществляется предварительный выбор материалов и технологии изготовления. Она должна обеспечивать возможность экономически целесообразного материального воплощения технической идеи [6].

Технологией будем называть способ, метод или программу преобразования вещества, энергии или информационных сигналов из заданного начального состояния и заданное конечное состояние с помощью определенных технические объекты.

Потребность. Это общепринятое и краткое описание на естественном языке назначения технического объекта или цели его создания (существования). При описании потребности отвечают на вопрос: «Что (каком результат) желательно иметь (получить) и каким особым условиям и ограничениям при этом нужно удовлетворить?»

Если рассматривать более детально описание потребности, то оно должно включать следующую информацию:

- необходимое действие (наименование действия);

- объект (предмет обработки), на которое направлено это действие;

- особые условия и ограничения.

Электроплитка	Нагревание (нагревает)	емкость с жидкостью	-
Мельница	размалывание (размалывает)	зерна (зерно)	на муку

Под свойством ТС понимается объективная особенность изделия (ТС), проявляющаяся при ее создании, эксплуатации (потреблении) [7]. Любая ТС создается для решения определенной технической задачи. При рассмотрении ТС с этой точки зрения становятся очевидными следующие ее «глобальные» свойства:

Наряду с понятием потребности в инженерной практике также широко используется понятие функции технических объектов. Было показано, что описания потребности и функции технических объектов тождественно совпадают. Различие между потребностью и функцией состоит в том, что понятие потребности всегда связано с человеком или автоматом (коллективом люден, автоматов), поставившим задачу реализации потребности и выполняющим проектирование соответствующего технического объекта и его изготовление. Понятие функции всегда связано с техническим объектом, реализующим эту потребность.

Техническая функция (ТФ). Описание ТФ содержит следующую информацию:

- потребность, которую может удовлетворить ТО;

- физическая операция (физическое превращение, пре­образование), с помощью которой реализуются потреб­ности.