1.3 Законы строения и развития техники

Строение и развитие каждого ТО и техники в целом подчиняются определенным законам и закономерностям, которые указывают на наличие устойчивых качественных и количественных причинно- следственных связей между функциями ТО, критериями эффективности, составом, параметрами структуры и внешними факторами. К законам и закономерностям строения ТО относят устойчивые признаки в ФС, ПР и ТР которые остаются неизменными на протяжении многих поколений в историческом развитии ТО.

Наивысший уровень инженерного творчества заключается в выявлении и формировании законов и закономерностей строения и развития техники и в сознательном их использовании при поиске эффективных и рациональных проектно-технологических решений.

Выявление и обоснование отдельных законов – одно из важнейших современных направлений фундаментальных исследований. Законы техники, а также частные закономерности могут иметь многоплановое приложение в научно-техническом творчестве. Во-первых, на основе законов и закономерностей техники могут быть разработаны наиболее эффективные методология и методы инженерного творчества. Во-вторых, привязка законов и закономерностей к конкретному классу ТО позволяет определить облик и характеристики ТО следующих поколений. Законы техники сформированы на естественнонаучном, количественном уровне аналогично законам и закономерностям, известным в биологии, химии, физике.

1.3.1 Закон прогрессивной эволюции техники

Действие закона в мире техники аналогично действию закона естественного отбора в живой природе. Он отвечает на вопросы, почему происходит переход от одного поколения ТО к следующему улучшенному, при каких условиях и какие изменения состава и структуры ТО происходят при переходе от поколения к поколению.

В ТО с одинаковой функцией переход от поколения к поколению вызван необходимостью устранения выявленного главного недостатка (недостатков) ТО путем улучшения критериев развития и происходит при наличии необходимого научно-технического уровня и социально-экономической целесообразности следующими наиболее вероятными путями:

на первом этапе при неизменном ПР и ТР улучшают свойства ТО до приближения их значений к экстремуму, (повышение качества сырья, параметров технологических операций, уровня контроля процесса) до достижения максимально возможных для данного ТР значений свойств;

на втором этапе после исчерпания возможностей первого переходят к более рациональному ТР (функциональной структуре ТО) без изменения ПР, повторяя операции по улучшению свойств ТО до реализуемого максимума для данного ПР. При этом значения КР, как правило, изменяются в соответствии с функцией S-вида.

на третьем этапе после исчерпания возможностей улучшения свойств ТО исходной и улучшенной ФС, переходят к более рациональному ПР (вводят новые ФХЭ), что связано с революционными изменениями технологии, и повторяют операции по улучшению свойств ТО до реализуемого максимума для множества известных ФХЭ.

При этом на каждом этапе перехода от поколения к поколению в соответствии с частными закономерностями происходят изменения строения ТО, корреляционно связанные с характером выявленных дефектов у предшествующего поколения. Из всех возможных изменений параметров ТО реализуют в первую очередь то, которое дает необходимое или существенное устранение выявленного недостатка при минимальных интеллектуальных и производственных затратах.

Самое важное приложение закона прогрессивной эволюции техники заключается в построении на его основе методологии системного иерархического выбора оптимальных проектно-технологических решений. При этом решают иерархическую последовательность задач поискового проектирования, связанных с разработкой новых изделий и процессов:

1. Для заданной функции выбирают наиболее рациональную ФС разрабатываемого ТО;

2. Для выбранной ФС определяют наиболее эффективный ПР;

3. Для выбранного ПР осуществляют поиск наиболее рационального ТР;

4. проводят моделирование принятого ТР и оптимизацию его параметров.

Например, для многих наноструктурированных изделий при воздействии на них высоких температур одним из главных функциональных недостатков, снижающих срок эксплуатации конструкций, является недостаточный уровень сопротивляемости микро- и наноструктуры термическим напряжениям.

Физическими причинами возникновения этого недостатка является:

-укрупнение наноразмерных элементов структуры, снижающее преимущества использования наноструктурированных материалов и изделий

-присущая многим высокотемпературным материалам низкая величина коэффициента теплопроводности, приводящая к возникновению значительных градиентов температур в изделиях;

- относительно высокие значения коэффициента термического расширения материала, когда, возникающий градиент температур будет сопровождаться формированием поля механических напряжений, которые, при достижении критических значений, приведут к образованию и росту трещин.

Реализуемая для практического применения функциональная структура поликристаллического материала с повышенной трещиностойкостью должна содержать элементы, которые:

- снижают величину температурного градиента по объему изделия,

- уменьшают среднее значение коэффициента теплового расширения материала .

-препятствуют локализации энергии развития трещин.

Реализация улучшенных микроструктур может быть достигнута с использованием различных физико-химических эффектов. Во-первых, снижением средних значений коэффициентов теплопроводности и термического расширения композиций, за счет введения в состав материала веществ с более высокими значениями коэффициента теплопроводности, например, карбид кремния, графит, или с более низкими значениями коэффициента термического расширения, например, композиции периклаз-шпинель, корунд-муллит и др. Во-вторых, формированием в микроструктуре материала элементов, трансформирующих энергию движения трещин в другие виды энергии, например, полиморфное превращение диоксида циркония.

Определяющую роль в аномалиях механических свойств наноматериалов играют границы зерен. Нанокристаллический материал содержит два компонента. Различающихся по структуре: зерна –кристаллиты размером 5-20нм и межкристаллитные границы до 1,0нм. Хрупкие материалы (нанокерамика) становятся пластичными ниже критических размеров.

Моделирование оптимального ТР проводят проектированием микроструктуры материала, наиболее адекватной выбранному эффекту.

Методология системного выбора не позволяет останавливаться на частных улучшенных решениях и ориентирует на изучение и анализ всех возможных путей решения поставленной задачи и обоснованный выбор и использование наиболее эффективных и полностью реализуемых ТР. При достаточном информационном обеспечении методология дает гарантию, что разработанный ТО будет конкурентоспособным.

В то же время при наличии необходимого научно-технического потенциала может произойти скачок к новому ТР или ПР без исчерпания возможностей предыдущих, если при этом обеспечивается достижение эффективности, существенно превышающей дополнительные интеллектуальные и производственные затраты.

Проведение исследований, связанных с осмыслением и привязкой гипотезы о законе прогрессивной эволюции к конкретному классу ТО, по которому ведется разработка, позволяет дать уточненную объективно-ориентированную формулировку закона, конкретизировать критерии развития, главные недостатки и закономерности изменения конструкции ТО.