1. Постановка задачи. Основные этапы оптимального проектирования

Термин “оптимальный” означает “наилучший”. Слово “оптимум” в значении “наиболее благоприятные условия для чего-либо” имеет латинское происхождение и употреблялось еще в Древнем Риме. Так, в “Медицинской энциклопедии” Авла Корнелия Цельса (I в.н.э.) сказано: “Optimum medikamentum guies est” (“Наилучшее лекарство – это покой”). Еще раньше, в Древнем Риме во времена Гая Гракха оптиматами, т.е. “лучшими” , составляющими “цвет общества”, называли представителей рабовладельческой аристократии.

Из определения понятия “оптимальный” следует, что бессмысленны выражения “самый оптимальный”, “более оптимальный”, “менее оптимальный” и т.п. Распространившееся в последнее время словосочетание “оптимальное проектирование конструкций” употребляется рядом авторов в значении “проектирование оптимальных конструкций”.

Стремление к тому, чтобы результаты деятельности были наилучшими, органически присуще человеку. Способность человека творить по законам красоты, т.е. добиваясь наилучшего результата, максимального приближения к идеалу, "соразмерности” частей между собой и в соответствии с целым, является таким же неотъемлемым свойством человека, как мысль, речь и труд. Задолго до того, как задачи оптимального проектирования выделились в отдельный класс задач, люди стремились проектировать наилучшим образом. Так, разрабатывая проект вала для редуктора, конструктор разумно выбирает материал, рационально принимает очертания детали (так, чтобы они, с одной стороны, могли быть реализованы при изготовлении с малыми затратами, а с другой стороны - приближались к форме равного сопротивления), целесообразно (т.е. с учетом имеющегося опыта и "здравого смысла") назначает чистоту поверхности и способ механообработки и т.д.

Рационально решая все эти и другие вопросы, конструктор сознательно или интуитивно сравнивает различные варианты решения задачи и в конечном счете из множества этих вариантов выбирает тот, который представляется ему наилучшим. Выбор такого варианта не представляет трудностей и не требует от опытного конструктора какой-то особой методологии, пока речь идет о сравнительно простых объектах.

При решении достаточно сложных задач возникает ряд противоречий, затрудняющих для конструктора принятие решения о выборе наилучшего варианта. Эти трудности, сводятся к следующему.

1. Варианты, образующие множество допустимых решений, разнообразны по своей структуре. Так, тормоза подъемно-транспортных машин могут быть колодочными (с длинноходовым или короткоходовым магнитом или с гидротолкателем), ленточными, осевыми (с коническими или плоскими фрикционными элементами). Стрелы портальных кранов могут быть прямыми (с уравнительным полиспастом, блоком или барабаном), сочлененными (с прямым или профилированным хоботом), телескопическими и т.д. На рис.2.1, для примера приводится классификация реализованных на практике структур крановых порталов. При этом не исключено, что действительно наилучший вариант не содержится в множестве известных, уже реализованных структур, а лежит вне его и может составить предмет изобретения.

2. Для каждой структуры можно предположить множество допустимых вариантов, различающихся между собой по числовым значениям параметров. Так, для коробчатого сечения балки при фиксированном моменте сопротивления существует бесчисленное множество сочетаний линейных размеров и толщин поясов и стенок, реализующих требуемый момент сопротивления. Для сочлененных стрел портальных кранов можно составить сколько угодно приемлемых сочетаний длин плеч хобота, стрелы, оттяжки, координат шарниров, блоков и т.д. Для рамных порталов кранов на колонне с крестообразным ригелем можно варьировать длины элементов пространственной рамы и сечения этих элементов.

3. Состав требований, предъявляемых к объекту, весьма разнообразен, а сами эти требования находятся часто между собой в диалектическом противоречии: изменение параметров объекта в направлении улучшения одних его свойств приводит к ухудшению других свойств.

Так, стрелы портальных кранов должны иметь возможно меньшую массу, мало уклоняющуюся от горизонтали траекторию груза, удовлетворительные характеристики изменения по вылету грузового неуравновешенного момента; они должны обладать статистической прочностью, сопротивлением усталости, статической и динамической жесткостью и т.д.

Порталы

С жесткими опорами

С одной шарнирной опорой