- •Системотехническое проектирование оружия и систем вооружения
- •Введение Место предмета в структуре общеинженерной подготовки
- •Теоретические основы инженерного творчества
- •1. Основные инвариантные понятия техники
- •1.1. О принципах выбора понятий
- •1.2.Технический объект и технология
- •1.3. Иерархия описания технических объектов
- •1.4. Систематика задач поиска и выбора
- •1.5. Окружающая среда технического объекта
- •1.6. Список требований
- •1.7. Критерии развития, показатели качества
- •1.8. Модель технического объекта
- •2. Функционально-физический анализ технических объектов
- •2.1. Построение конструктивной функциональной структуры
- •2.2. Построение потоковой функциональной структуры
- •2.3. Описание физического принципа действия
- •2.4.Обобщенные структуры различных технических объектов
- •2.5.Синтез физических принципов действия
- •3.1. Требования к выбору и описанию критериев развития то
- •3.2.Функциональные критерии развития то
- •3.3. Технологические критерии развития то
- •3.4. Экономические критерии развития то
- •3.5. Антропологические критерии развития то
- •Часть вторая методы инженерного творчества
- •4. Постановка и анализ задачи
- •4.1. Предварительная постановка задачи
- •4.2. Уточненная постановка задачи
- •4.3. Составление морфологических таблиц
- •4.4.Выбор наиболее эффективных технических решений
- •4.5.Пример решения задачи
- •2. Описание потребности (функции) электроплитки.
- •6. Разделение электроплитки (прототипа) на элементы.
- •9. Оформление предварительных эскизов тр и их описание.
- •5. Автоматизированный синтез технических решений
- •5.1. Использование многоуровневых морфологических таблиц
- •5.2. Построение и-или-дерева технических решений
- •5.3. Составление списка требований
- •Фрагмент списка требований к чайникам для кипячения воды
- •5.4. Разработка модели оценки технических решений
- •5.5. Алгоритмы поиска решения на и-или – дереве
- •1. Преобразование формы
- •2. Преобразование структуры.
- •3. Преобразования в пространстве.
- •4. Преобразования во времени
- •5. Преобразование движения и силы
- •6. Преобразование материала и вещества
- •7. Приемы дифференциации
- •8. Количественные изменения
- •9. Использование профилактических мер
- •10. Использование резервов
- •11. Преобразования по аналогии
- •12. Повышение технологичности
2.5.Синтез физических принципов действия
ПО ЗАДАННОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ
Существуют элементарные структуры ФПД, которые основываются на одном ФТЭ. Для поиска (синтеза) этих ФПД определяют соответствие между физической операцией, которую требуется реализовать, и ФТЭ, с помощью которого можно осуществить такую реализацию. Если принять во внимание формализованное описание физической операции и ФТЭ по формулам (3) и (4), можно отметить следующее соответствие компонент:
АТ А, СТ С (5)
Так, например, для физической операции АТ — «сила», СТ — «линейная деформация» будет найден ФТЭ: закон Гука ( А — сила, напряжение; С — линейная деформация, В — упругое тело), на котором основаны пружинные весы.
В технике также распространен другой тип элементарной структуры ФПД, основанный на многократном или суммарном использовании одного и того же ФТЭ.
Например, в катушках индуктивности каждый виток проводника реализует преобразование электрического тока в электромагнитное поле. Аналогичную структуру ФПД имеют аккумуляторные батареи, выпрямители, конденсаторы, усилители и. т. д.
Однако, большинство ФПД изделий имеют сложную структуру, в которой используется одновременно несколько различных ФТЭ.
Синтез и работа этих ФПД основывается на слёдующем правиле совместимости ФТЭ.
Два последовательно расположенных ФТЭ
(Аi, Bi, Ci), (Ai+1, Вi+1, Ci+1)
будем считать совместимыми, если результат воздействия Сi предыдущего ФТЭ эквивалентен входному воздействию Аi+1 последующего ФТЭ, т. е. если Сi и Ai+1 характеризуются одними и теми же физическими величинами и имеют совпадающие значения этих величин.
Два совместимых ФТЭ могут быть объединены, при этом входное воздействие Аi будет вызывать результат Сi+1, т. е. получается преобразователь
Аi Вi (Сi Аi+1) Вi+1 Сi+1 (6)
В связи с этим в дополнение к п. 3 гл. 1 дадим еще одно определение ФПД.
Физическим принципом действия ТО будем называть структуру совместимых и объединенных ФТЭ, обеспечивающих преобразование заданного начального входного воздействия А1 в заданный конечный результат (выходной эффект) Сn. Здесь имеется в виду, что число используемых ФТЭ не менее n.
Уточним понятие совместимости ФТЭ. Для имеющегося фонда ФТЭ имеет место три вида совместимости:
качественная совместимость по совпадению наименований входов и выходов (пример совместимости: «электрический ток — электрический ток»);
качественная совместимость по совпадению качественных характеристик входов и выходов (пример несовместимости: «электрический ток переменный — электрический ток постоянный»);
количественная совместимость по совпадению значений физических величин (пример совместимости: «электрический ток постоянный I == 10 A, U = 110 В — электрический ток постоянный I == 5—20 А, U = 60—127 В»).
Поиск допустимых ФПД.
Опишем порядок работы с учебной системой автоматизированного синтеза ФПД. Работа по поиску допустимых ФПД состоит из четырех этапов.
1-й этап. Подготовка технического задания.
При подготовке технического задания составляют описание функции разрабатываемого ТО и его физической операции. Описание физической операции рекомендуется делать с учетом синонимов в наименованиях «выходов» и «входов», т. е. в итоге может получиться несколько вариантов операции. Если имеется словарь технических функций, то эта работа выполняется значительно быстрее и правильнее.
После формулировки вариантов физической операции по компонентам АТ, СТ с помощью словаря «входов» и «выходов» описывают совпадающие или близкие по содержанию входы и выходы, т.е. выявляют соответствия
(АТ А1), (Ст Сn).
Наличие таких соответствий позволяет сформулировать одно или несколько технических заданий
A1 Cn (7)
2-й этап. Синтез возможных ФПД.
По техническому заданию (7) ЭВМ выбирает из фонда ФТЭ такие, у которых одновременно выполняются условия
Aj A1 и Сj Сn
Все эти ФТЭ представляют ФПД, использующие один ФТЭ.
Далее из фонда ФТЭ выбираются такие, которые обеспечивают выполнение условия
Ai A1 , i = 1, .... , k (8)
или
Сj Сn , j = 1, ... , m (9)
Из множеств ФТЭ (8) и (9) выбирают такие пары ФТЭ, у которых выполняется условие пересечения
Ci Aj , (10)
указывающее на то, что эти пары ФТЭ совместимы и образуют ФПД из двух ФТЭ по формуле (7)
Аi Вi (Сi Аj ) Вj Сj (11)
Для множеств ФТЭ, отобранных по условиям (8) и (9), при невыполнении условия (10) проверяется возможность образования цепочек из трех ФТЭ:
Аi Bi (С At) Bt (Ct Aj) Вj Сj .
где i = 1, ... , k; j = 1 , ... , m; t = 1, ... , km.
Далее для тех же множеств проверяется возможность образования цепочек из четырех ФТЭ по условию:
Ai Ci, где li = 1, ... , Li; i = l , ..., k;
Csj Aj, где sj = 1, ..., Sj; j = 1, ..., m;
Сli Asj, где li = 1, ..., Li; i = l, ..., k;
Sj = 1, ..., Sj; j = 1, ...., m,
и из пяти ФТЭ по условию:
А
r
Сli,
li = 1, ...,Li; 1= 1 ,... , k;
Sj = 1, ..., Sj; j = 1, ..., m,
Сr Аsj, r = 1, ..., Li Sj,.
Встречным наращиванием цепочек совместимых ФТЭ от A1 до Сn можно получать новые варианты ФПД, включающие и большее число ФТЭ. Однако при числе ФТЭ, превышающем пять, резко возрастает вычислительная сложность такого метода из-за комбинаторного характера задачи и существенного роста числа анализируемых промежуточных вариантов. Кроме того, ФПД с числом ФТЭ более пяти с практической точки зрения обычно относятся к наиболее рациональным.
Изложенный алгоритм представляет собой один из возможных простых способов синтеза ФПД.
Можно использовать и другие алгоритмы, ориентированные на предварительно организованную базу данных по ФТЭ.
Суть этой организации состоит в определенном построении сетевых графов из всех совместимых ФТЭ.
Система синтеза ФПД по введенному техническому заданию позволяет получать варианты ФПД. Кроме того, в ней в качестве дополнительных исходных данных могут быть использованы следующие ограничения:
максимальное число ФТЭ в цепочке (например, n 3);
число получаемых вариантов ФПД (например, m 20);
запрещение (или предпочтительность) использования определенных входов A и выходов С;
запрещение (или предпочтительность) использования определенных объектов В;
другие ограничения.
3-й этап. Анализ совместимости ФТЭ в цепочках.
Полученные на 2-м этапе цепочки возможных ФПД удовлетворяют только качественной совместимости по совпадению наименований входов и выходов. Хотя среди полученных ФПД ЭВМ может отсекать варианты по условию совместимости качественных характеристик, а в промышленной системе — по количественной совместимости, целесообразно предоставить студентам самим прочувствовать качественную и количественную совместимость ФПД при проведении самостоятельного анализа.
Анализ совместимости ведется для каждой пары стыкуемых ФТЭ. Количественная совместимость в основном оценивается по интервалам возможных значений входов и выходов.
Рис. 16. Пример устранения несовместимости ФЭ
Если окажется, что среди синтезированных на 2-м этапе вариантов нет ни одного допустимого (удовлетворяющего количественной совместимости ФТЭ), то выбирают ФПД с одной количественной несовместимостью и вводят дополнительные ФТЭ или готовые устройства (узлы), обеспечивающие такую совместимость. Так, для случая, показанного на рис. 16а, может быть введен «нагреватель» (рис. 16б), обеспечивающий на входе второго ФТЭ Т 210 °С. Рис.17а соответствует случаю несовместимости по перемещениям, которая может быть устранена введением преобразователя перемещений (рис. 17б), например, в виде рычага.
При анализе цепочек ФТЭ на количественную совместимость и при устранении несовместимостей необходимо достаточно хорошо представлять сущность ФТЭ. Для этого рекомендуется изучать описания ФТЭ в фонде ФТЭ, обращаться к рекомендуемой литературе или к экспертам (физикам и специалистам по данному классу ТО).
Рис. 17. Пример устранения несовместимости двух ФЭ
путем введения промежуточного ФЭ
4-й этап. Разработка принципиальной схемы. На основе варианта (вариантов) ФПД, удовлетворяющих качественной и количественной совместимости ФТЭ, разрабатывается изображение принципиальной схемы (см. п. 3 гл. 1) и дается ее описание. Для этого нужно выбрать или эскизно изобразить конструктивные элементы, соответствующие отдельным ФТЭ, и определить их взаимное расположение и компоновку. После этого описывается принцип работы полученного устройства (принципиальной схемы), т. е. указывается:
- какие потоки энергии, вещества или сигналов проходят через конструктивные элементы;
- под действием каких ФТЭ, как и с помощью каких конструктивных элементов происходит преобразование этих потоков.
Пример. Рассмотрим использование изложенной методики поиска допустимых ФПД.
1-й этап. Физическая операция разрабатываемого датчика для измерения давления жидкости: АТ — давление; СТ — электрический ток. Обращение к словарю входов и выходов фонда ФТЭ показало, Что имеется соответствие АТ и СТ. Таким образом, получаем техническое задание: давление электрический ток. Задается максимальное число ФТЭ в цепочках n 4 и число синтезируемых вариантов m 2.
Таблица 12
Синтезированные физические принципы действия
Наименование ФТЭ |
А |
В |
С |
Вариант 1 |
|||
1. Тепловое действие ударной волны |
Давление Р (импульсное) |
Твердое тело |
Температура Т (изменение) |
2. Эффект Зеебека |
Температура Т (градиент) |
Контакт металлов, сплавов, полупроводников |
Электрическое поле Е |
3. Эффект Ганна |
Электрическое поле Е > Екр |
Полупроводник |
Электрический ток (переменный) |
Вариант 2 |
|||
1, Силовое действие давления |
Давление Р (периодическое) |
Твердое тело |
Сила F (периодическая) |
2. Закон Гука |
Сила F (периодическая) |
Упругое тело |
Деформация (упругая) |
3. Тензорезистивный эффект |
Деформация (упругая) |
Металлы, полупроводники |
Сопротивление электрическое R (изменение) |
4. Закон Ома |
1. Сопротивление электрическое R (изменение) . 2. Электрическое поле U |
Проводник |
Электрический ток I (изменение) |
2-й этап. Полученное техническое задание кодируется в соответствии с инструкцией пользователя и вводится в ЭВМ. В табл. 13 приведена копия распечатки синтезированных ФПД, а на рис. 18 их изображение на экране дисплея.
3-й этап. Совместимость по качественным характеристикам в варианте 1 удовлетворяется. Для оценки количественной совместимости определим и рассмотрим интервалы возможных значений физических величин для каждого ФТЭ, которые приведены в табл. 13. Из сопоставления значений интервалов видно, что 2-й и 3-й ФТЭ не стыкуются, поскольку при действии эффекта Зеебека на выходе имеет место слабая напряженность электрического поля Е (до нескольких мкВ/м), а при действии на входе эффекта Ганна требуются сотни кВ/м.
В варианте 2 удовлетворяется и качественная и количественная (табл. 14) совместимости. Однако для реализации последнего ФТЭ требуется создать дополнительный вход — постоянное электрическое поле с напряжением U.
Вариант 1
Вариант 2
Рис. 18. ФПД датчика измерения давления
Таблица 13
Результаты анализа количественной совместимости ФТЭ в варианте 1
-
Номер ФТЭ
Вход А
Выход С
Обозначение величины
Интервал
значения
Обозначение
величины
Интервал значений
1
Р
10 МПа
Т
102—103 °С
2
Т
0—1010 ОС
Е
до мкВ/м
3
Е
102 кВ/м
I
(?)
Таблица 14
Результаты анализа количественной совместности ФТЭ в варианте 2
Номер ФТЭ |
Вход А |
Выход С |
||
Обозначение |
Интервал значений |
Обозначение |
Интервал значений |
|
1 |
Р |
0—104 МПа |
F |
0 — 1010 H |
2 |
Р |
0—104 Н |
= I/ I |
0 — 10-2 |
3 |
|
0—10-3 |
R |
Несколько ом |
4 |
R |
Несколько Ом |
I |
Несколько ампер |
4-й этап. Принципиальную схему имеет смысл разрабатывать только для варианта 2 (табл. 14).
Эскиз принципиальной схемы изображен на рис. 19.
Рис. 19. Принципиальная схема датчика измерения давления
Описание принципиальной схемы. Упругая мембрана 1 (рис. 19) под действием измеряемого давления Р деформируется. Деформация, пропорциональная давлению Р, передается тензорезистору 2, наклеенному на мембрану 1. Вследствие деформации тензорезистора его сопротивление изменяется по тензорезистивному эффекту. Изменение сопротивления тензорезистора 2 регистрируется измерительной (электрической) цепью
3. КРИТЕРИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
