Современные средства и методы проектирования машиностроительных изд
..pdf5.5.* Выберите наиболее экономичные варианты (5.3, 5.4,
М8), позволяющие решать задачу при минимальных затратах: материалов, эксплуатационных, технологических и т.п.
5.6.Выберите ТР, которые по основным показателям не ниже лучших мировых образцов (5.3, 5.4, М2А, М8).
5.7.Выберите ТР, в которых возможна наибольшая доля
стандартных узлов и деталей (5.3, 5.4, М2, М4).
5.8.* Выберите ТР, наиболее полно реализующие сформулированную функцию, главные цели требования (1.2, 2.6, 2.10,
3.6, 5.3, 5.4, М8).
5.9.* Выберите ТР, наиболее полно устраняющие главные противоречия улучшения ТО (3.11–3.13, 5.3, 5.4).
5.10.Выберите ТР, требующие минимального или значительного изменения в смежных ТО (2.13, 2.14, 3.10, 5.3, 5.4,
М8). Такие ТР часто представляют наибольший интерес для анализа и последующего выбора наилучших ТР.
5.11.* Выберите наилучшие ТР на основе анализа резуль-
татов по пп. 5.5–5.10. Рекомендуется окончательно отобрать не более 10 вариантов, так как при большем количестве затрудняется по времени и трудоемкости дальнейшая конструктивная доработка.
Этап 6. Доработка выбранных технических решений.
На этом этапе производится более детальная проработка выбранных в п. 5.11 ТР, их дальнейшее улучшение, эксперимен-
тальная или опытная проверка.
6.1.* Проверьте наилучшие ТР на их соответствие полному списку требований (3.2, 3.3, 3.5, 5.11). Выделите ТР,
удовлетворяющие и не удовлетворяющие полному списку тре-
бований.
6.2.* Преобразуйте недопустимые ТР в допустимые (6.1,
М4). Для этого рекомендуется использовать процедуры 4-го
и5-го этапов, рассматривая недопустимые ТР и их узлы как
прототипы.
6.3.* Попытайтесь улучшить допустимые функциональ-
ные узлы (6.1, 6.2, М4) во всех наилучших допустимых ТР, ис-
161
пользуя также процедуры 4-го и 5-го этапов. Составьте уточненный список наилучших ТР.
6.4.Определите возможные изменения в смежных ТО всего комплекса, включающего разрабатываемый ТО (2.13, 2.14, 3.10, 6.3). Попытайтесь снизить затраты на эти изменения, используя процедуры 4-го и 5-го этапов.
6.5.Определите оптимальные значения основных пара-
метров наилучших ТР (6.3, 6.4). При этом рекомендуется использовать специальные методы оптимизации. (В данном учебном пособии методы оптимизации не рассматриваются.)
6.6.Проведите ранжировку наилучших ТР (6.3–6.5, М8)
по степени эффективности, достижения главной цели и т.д. Для более точного построения последовательности от самого лучшего ТР до худшего рекомендуется использовать методы экспертных оценок, квалиметрического анализа и другие, указанные в М8. (В пособии эти методы не описываются.)
6.7.РазработайтепроектныечертежинаилучшихТР(6.6).
6.8.Проведите экспериментальную или опытную проверку наилучших ТР в порядке ранжировки (6.6, 6.7).
6.9.Выявите недостатки ТР после экспериментальной
(опытной) проверки (6.8). Устраните выявленные недостатки. Если выявленные недостатки существенны и при этом не очевидны пути их устранения, то рекомендуется снова использовать процедуры 4-го и 5-го этапов.
Этап 7. Анализ технико-экономических показателей
найденных ТР и оценка перспектив их внедрения.
7.1.* Оцените ожидаемый эффект от использования по-
лученных ТР (1.2, 1.5, 2.12, 2.14, 2.15, 3.1–3.3, 3.6, 3.13, 6.5–6.9,
М2, М2А, М8, М7). Оценка производится по различным показателям в относительных величинах по сравнению с существующими наилучшими практически используемыми ТО.
7.2.Оцените перспективность найденных ТР (1.2, 1.5, 2.2–2.6, 2.11–2.16, 3.2, 3.3, 3.6, 3.13, 5.5–5.10, 6.5–6.9, 7.1, М2,
М2А, М5, М8, М7). Ответьте на вопрос, как и в какой мере найденные ТР изменят существующую ситуацию в различных
162
отраслях и областях техники, откроют ли новые возможности для удовлетворения существующих потребностей, создадут ли новые потребности и новые трудности.
7.3.* Определите область практического применения полученных ТР в рассматриваемой области техники (2.2–2.4, 2.12–2.15, 3.2, 3.7, 5.5–5.10, 6.5, 6.6,7.1, 7.2) в настоящем и в будущем. Оцените объемы реализации новых ТО.
7.4. Определите область применения аналогичных ТР в ведущей и других областях и отраслях техники (1.3, 2.5, 3.1, 3.3, 5.5–5.10, 6.5–6.9, 7.1–7.3, М7) в настоящее время и в буду-
щем. Оцените также объем реализации новых ТС. Для более полного охвата возможных вариантов рекомендуется использовать стандарты и тезаурусы отраслевой терминологии, классификаторы патентных описаний, ключевые слова библиографических описаний и т.д.
7.5.* Оцените ожидаемый экономический эффект (7.1– 7.4, М8) в зависимости от объемов реализации новых ТО.
7.6. Составьте заявки на изобретения для найденных ТР
(2.9, 2.14, 2.16, 4.1–4.12, 5.5–5.10, 6.2–6.5, М2, М2А, М3, М7).
После решения задачи и получения удовлетворительных результатов рекомендуется проанализировать ход ее решения и выявить методические средства (новые эвристические приемы), с помощью которых были получены наиболее эффективные новые ТР. Включите эти методические средства в массив М6. Дополните массив М2 наилучшими найденными ТР.
Результаты обработки информации по рекомендациям каждой процедуры должны соответствующим образом документироваться в виде текстового описания, списка, графической схемы и т.д. Документированная информация обычно много раз используется при выполнении других процедур. Поэтому почти в каждой процедуре после ее наименования указывается используемая информация, полученная с помощью предыдущих процедур или из информационных фондов.
163
Контрольные вопросы
1.Для чего используется метод эвристических приемов?
2.Дайте характеристику межотраслевого фонда эвристических приемов.
3.ПеречислитеизвестныегруппымежотраслевогофондаЭП.
4.Как работает метод ЭП? В чем его суть?
5.Что такое обобщенный эвристический метод?
6.Какова структура и процедуры обобщенного эвристического метода проектирования?
164
10.ВИРТУАЛЬНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Взавершение необходимо ознакомиться с самым передовым и перспективным направлением в технологии проектирования – виртуальной инженерией. Именно в технологии, а не в методологии проектирования состоит новизна, скорость, качество разработок виртуальной инженерии [47–49].
Вглаве будет рассмотрен не весь цикл разработки и производства продукта, входящий в понятие «виртуальная инженерия», а лишь его части, касающиеся собственно процесса проектирования.
Понятие «виртуальная инженерия» по своему смыслу далеко выходит за рамки собственно процесса проектирования
[10].Оно включает в себя имитацию различных видов инженерной деятельности, таких как машинная обработка, сборка, управление производственными линиями, осмотр и оценка, а также, естественно, процесс проектирования. После того как смоделированы детали (т.е. выявлен их облик, установлены пропорции, размеры), имитируется их машинная обработка (изготовление) и сборка. Затем, также с помощью имитации, собранный прототип тестируется и в его конструкцию вносятся необходимые изменения. Когда прототип одобрен, имитируется производственная система и ее функционирование.
Врамках задач изучаемого курса ограничимся рассмотрением только процессов проектирования технических систем.
Виртуальная инженерия дает совершенно новый подход к инженерным задачам. Использование имитации устранит необходимость в дорогостоящих физических прототипах и физических экспериментах. Время разработки коренным образом сократится, появится возможность проверить большее количество альтернативных вариантов технических решений, повысить качество конечного продукта – изделия машиностроения.
Можно будет построить прототип продукта, который недоступен, слишком опасен или слишком дорог для того, чтобы создавать его в реальности. Такая возможность будет неоцени-
165
ма особенно в ракетно-космической, авиационной промышленности, для крупных или уникальных сложных технических систем в области общего машиностроения, где физические макеты стоят дорого, время разработки велико, изделия крайне сложны и требуется глубокая обратная связь от заказчиков. Например, трудно переоценить использование виртуальной инженерии при разработке буровой установки для сверхглубинного бурения, гигантского экскаватора и т.п.
Основная цель виртуального проектирования – позволить разработчику (проектанту) действовать интуитивным и естественным образом. В системах геометрического моделирования, даже притом, что современные CAD-системы предоставляют изощренные средства моделирования, взаимодействие проектанта с моделью ограничено. Возможности обзора ограничиваются изображением, спроектированным на монитор, а возможности ввода информации от проектанта – точечными манипуляциями с мышью. Таким образом, в рамках CADтехнологии сегодняшнего дня проектант является «одноглазым и однопалым».
Виртуальная среда представляет собой вычислительную структуру, позволяющую точно имитировать геометрические и физические свойства реальных систем.
Более естественное взаимодействие, обеспечиваемое технологиями виртуальной реальности, даст разработчику больше возможностей и позволит повысить свободу творчества при создании проекта технической системы. Вторая цель виртуального проектирования – на ранних стадиях проектирования учесть точку зрения потенциального пользователя разрабатываемого изделия. Учет будет производиться благодаря связи заказчика, пользователя, находящегося удаленно от проектанта, через интернет на основе удобного интерфейса, и, позволяя им заранее увидеть трехмерную модель изделия (технической системы) и, при необходимости, потребовать ввести конструктивные изменения.
166
Имея виртуальный прототип, можно произвести тонкую корректировку конструкции, анализируя его методом конечных элементов и другими методами. Полная имитация функциональности продукта может выявить конструктивные упущения и возможные усовершенствования. Путем сборки виртуального прототипа можно выявить конструктивные просчеты и внести изменения в проект, чтобы реальную сборку можно было выполнить с первой попытки. Имитация эксплуатационных характеристик продукта и возможности его производства дает инженерам возможность принимать правильные решения в процессе проектирования. Итеративная процедура виртуального прототипирования позволяет достичь более полной оптимизации проекта. В процессе проектирования могут быть
вполной мере оценены такие качества, как доступность и управляемость.
Третья цель – учесть при проектировании опыт экспертов
всборке или манипулировании деталями, узлами, агрегатами. Этот опыт сложен и трудно формализуем, но система виртуального проектирования может пролить свет на положение пользователя, его взаимодействие с объектами и последовательность операции сборки.
Визуализация также помогает инженерам лучше понять создаваемый технический объект или систему. Она позволяет легче уяснить идею технического решения, выявить особенности его функционирования и заранее проверить ее эксплуатационные качества.
Внастоящее время для этой цели используется главным образом кинематическая имитация твердых тел. Имитация моделей более высокого уровня с учетом воздействия тепловых потоков, движения жидкостей и псевдожидкостей, газовых потоков, многофазных сред требует моделирования физических эффектов, включая эффекты динамики твердого тела, газо- и гидродинамики, вибрации, акустики и деформации. Поэтому сложные имитации функционирования с использованием вир-
167
туальных прототипов помогут осуществить проверку рабочих характеристик системы быстрее и с меньшими затратами.
Рассмотрим аппаратуру, которая используется виртуальной инженерией. Считается, что виртуальная инженерия – чисто программная технология, и поэтому сама по себе не требует какого-либо специального оборудования. Однако для взаимодействия с пользователем необходимо оборудование виртуальной реальности, которого в «обычном» проектировании нет. Это оборудование включает в себя устройства как ввода, так и вывода.
Устройства вывода дают пользователю ощущение от виртуальной среды. Поскольку самый эффективный способ сенсорного восприятия – это зрение, главными компонентами системы виртуальной реальности являются устройства отображения. Эти устройства должны обеспечивать пользователю стереоскопический обзор с высоким качеством изображения.
Доступное в настоящий момент оборудование включает в себя головные дисплеи, бинокулярные всенаправленные мониторы, дисплеи пространственного погружения и специальные очки. Звук и осязание обогащают ощущения от виртуальной реальности, когда они используются в совокупности со зрительной системой.
Типичным примером звуковой аппаратуры могут служить наушники с пространственно расширенной звуковой системой. Аппаратура осязания – это приборы с силовой обратной связью. Популярными устройствами ввода являются системы распознавания речи, следящие системы и информационные перчатки (устройства осязания).
Таким образом, виртуальное проектирование сосредоточивается на альтернативном пользовательском интерфейсе. Вместо стандартных мониторов в настоящее время используются устройства отображения в виде крупных проекционных экранов в сочетании с акустическими системами (рис. 10.1).
168
1
2 
Рис. 10.1. Оборудование виртуальной реальности: 1 – проекционный экран; 2 – специальные очки
Вероятно, меню и кнопки будут заменены технологией распознавания речи или жестов. Если разработчик захочет изменить размеры модели, то вместо того чтобы указать на нее, он сможет взять ее в руки и растянуть. Используя технологии виртуальной реальности, проектанты могут погрузиться в виртуальную среду, создавать детали, узлы, агрегаты, модифицировать их, управлять различными устройствами и взаимодействовать с виртуальными объектами в процессе проектноконструкторской деятельности. Проектанты могут видеть объемное (стереоскопическое) изображение виртуальных объектов и слышать пространственный реалистичный звук. Эти изображение и звук возникают, когда рука оператора-разработчика снабжена виртуальной рукой, например, сенсорной перчаткой, на голову надеваются головные дисплеи или очки. Прикосновение к виртуальному объекту ощущается проектантом в виде обратной связи. Тем самым замысел эффективно воплощается в проекте и проверяется функциональное поведение конструкции.
Сегодня для реализации виртуальной реальности необходимо иметь суперкомпьютеры с очень мощными графическими процессорами. От графических средств требуется способность рисовать в реальном времени большое количество сборных
169
моделей и движущихся механизмов. Хотя современная графическая аппаратура достигла впечатляющих высот, ее возможностей все еще недостаточно для реалистичного отображения моделей и обновления их в реальном времени, либо соответствующее оборудование слишком дорого.
Программные приложения сегодня также отличаются от используемых в 3D-проектировании пакетов программ. Перенос данных из одной программной системы (создания твердотельных моделей) в другую (в программы анализа или имитации) в стандартном формате данных нередко приводит к потере части информации. Для преодоления этой трудности в современных CAD-системах предусмотрены дополнительные модули анализа и имитации, тесно интегрированные с системой моделирования. Эти модули позволяют решать задачи кинематического моделирования, анализа методом конечных элементов, генерации сетки и последующей обработки непосредственно в системе моделирования. Примерами дополнительных модулей могут служить системы I-DEAS Masters компании SDRC, предоставляющей полную линейку модулей компьютерного моделирования, CAM и тестирования, интегрированных с центральным модулем проектирования. Система
Pro/Engineer от Parametric Technology Corporation включает в себя модули Pro/Mechanica, выполняющие структурный, вибрационный, температурный и двигательный анализ. Pro/MESH и Pro/ I'EM POST – это пре- и постпроцессоры анализа по методу конечных элементов соответственно. Система САТIА от Dassault System включает в себя программу анализа по методу конечных элементов CATIA Finite Element Modeler и програм-
му компьютерного моделирования механизмов CATIA Kinematics. Система Unigraphics от Unigraphics Solutions имеет мо-
дуль пре- и постпроцессора UG/Sccnario и модуль анализа UG/FEM. Модуль UG/Mechanics используется для кинематического анализа и компьютерного моделирования конструкций.
Такое интегрированное решение предоставляет в распоряжение пользователя единообразную среду для моделирова-
170