Современные средства и методы проектирования машиностроительных изд

возрастает важность учета следующих положений, удачно изложенных в работе Хорошева [38]:

1)деятельность должна быть целенаправленной, устремленной на удовлетворение действительных потребностей заказчика. Под заказчиком подразумевается реальный потребитель (человек, фирма, отрасль) или определенная социальная, возрастная или иная группа людей. Потребности должны определять цели проектирования и стимулировать деятельность по их достижению. Однако стоит помнить, что цели бывают как очевидными, так и неявными, кажущимися второстепенными или проявляющимися позднее, спустя некоторое время;

2)деятельность должна быть целесообразной. Удовлетворение не всех новых потребностей нуждается в создании новых объектов, следовательно, в проведении соответствующих разработок. Важно вскрыть причины, препятствующие использованию существующих объектов для удовлетворения новых потребностей. В свою очередь, причины вызываются противоречиями, возникающими как внутри старых объектов, так и вне их, в эксплуатирующем их обществе. Выявление ключевых противоречий позволяет концентрировать усилия на решении главных задач, конкретизирует деятельность, что сокращает затраты на проектирование и сроки проведения разработки;

3)деятельность должна быть обоснованной и эффективной. Окружающий нас мир многообразен и, следовательно, удовлетворение потребности возможно разными путями. Разумным будет использование не любого решения задачи, а поиск оптимального варианта, т.е. наилучшего среди допустимых при наличии правила предпочтения одного другому. Такое правило называется критерием оптимальности, а мерой предпочтения будут служить показатели качества.

Можно говорить об оптимальном решении только при удовлетворении двух условий: наличия хотя бы одного критерия и наличия не менее двух сравниваемых вариантов (необходимость осуществления выбора).

41

Каждый выбор лучшего варианта конкретен, поскольку производится на соответствие определенным критериям. Следовательно, говоря об оптимальном решении, всегда нужно указывать эти критерии (т.е. оптимальный по ...). И то, что может быть оптимальным при одном критерии, не обязательно будет таковым при другом. Поэтому недомолвки недопустимы.

По ГОСТ 15467–79 под качеством продукции подразумевается совокупность свойств, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с назначением. К показателям предъявляются следующие требования:

монотонная связь с качеством при условии постоянства остальных показателей;

простота определения, измерения и контроля;

наглядностьотображениясвойствобъекта илипроцесса;

соответствие рассматриваемым свойствам;

хорошая чувствительность к изменению этих свойств;

устойчивость к случайным помехам.

Качество продукции обычно характеризуется рядом показателей [42]. Например, камера для гидравлических испытаний изделий должна обеспечивать заданный уровень максимального давления, обладать высокой надежностью и безопасностью, ресурсом, точностью регистрируемых показателей, удобством обслуживания и т.д. Состав показателей зависит от назначения проектируемого технологического оборудования, условий его функционирования и других факторов. Пытаться учесть как можно больше показателей в стремлении максимально полно охарактеризовать проектируемый объект делает задачу проектирования практически не решаемой. Важно выделять главные показатели, отражающие наиболее существенные потребительские свойства объекта.

Критериальный подход к проектированию позволяет не только отыскивать эффективные решения, максимально удовлетворяющие потребности заказчика, но аргументированно объяснять причины их выбора, обосновывать принятые решения.

42

Единство составных частей. Эффективность решения задачи по данным работы [38] зависит и от того, насколько полно учтены все связи, как между частями рассматриваемого объекта, так и с взаимодействующими с ним другими объектами.

Целесообразно любой объект, сложный ли он или простой, рассматривать как систему, внутри которой можно выделить логически связанные более простые части – подсистемы, единство частных свойств которых и образует качественно новые свойства объекта-системы. С другой стороны, ряд объек- тов-систем могут быть взаимосвязанными и образовывать более общую систему, которую называют надсистемой. Например, объект-система – пусковое устройство для запуска ракетоносителей (рис. 3.1) включает в себя подсистемы стартовый стол, газоотбойник с газоотводными каналами, мачты обслуживания и другие функциональные элементы, в то же время является частью надсистемы «стартовый комплекс».

1

2

3

Рис. 3.1. Общий вид стартового комплекса космодрома «Восточный»: 1 – стартовый стол; 2 – газоотбойник; 3 – мачты обслуживания

Все три понятия – подсистема, система, надсистема – относительны и их конкретное содержание определяется назначением объекта и условиями его применения. Так, в рассмот-

43

ренном примере система «стартовый комплекс» в свою очередь является подсистемой для системы «космодром».

Разрабатываемые объекты предназначены для людей, ими создаются и эксплуатируются. Поэтому человек также обязан рассматриваться в качестве одной из взаимодействующих систем. Приэтом должно приниматься во внимание не только физическое взаимодействие, но и духовно-эстетическое воздействие.

Функционирующие объекты активно взаимодействуют с окружающей средой, испытывая влияние внешних нагрузок, изменения температуры, влажности и других факторов. В то же время объекты сами оказывают влияние на эту среду, загрязняя ее продуктами износа и утечками веществ, выделяя тепло и т.п.

Внешняя или, как ее еще называют, жизненная среда, также должна рассматриваться в качестве системы, взаимосвязанной с проектируемым объектом. Жизненная среда конкретизирует условия применения и производства объекта проектирования, влияет на выбор показателей качества.

Изменяемость во времени. Объекты проектирования существуют не мгновение, а, как и живой организм, последовательно «проживают» ряд этапов [38]:

постановка цели и планирование работы,

проведение исследований и проектирование,

производство,

эксплуатация,

утилизация (переработка и захоронение вышедшего из употребления изделия).

Все вместе, т.е. период от возникновения потребности в создании объекта до его ликвидации вследствие исчерпания потребительских качеств, составляет жизненный цикл. Учет этапов жизненного цикла позволяет уменьшить издержки или даже предотвратить возможную катастрофу вследствие действия «непредусмотренных» обстоятельств, рационально спланировать деятельность по созданию и обслуживанию объекта.

44

С другой стороны, новое изделие возникает не на пустом месте. Важно учитывать историю и предусматривать перспективы развития и применения разрабатываемого объекта, а также областей техники, на достижениях которых базируются соответствующие разработки.

Контрольные вопросы

1.Что такое системотехническое проектирование?

2.Чем отличается системотехническое проектирование от традиционного?

3.Раскройте, в чем заключается практическая полезность системотехнического подхода?

4.В чем заключается единство составных частей системотехнического проектирования?

5.Как связано системотехническое проектирование с учетом изменяемости системы во времени?

45

4. МОДЕЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

При проектировании нового технического объекта разработчики анализируют, изобретают, принимают решения. Инженерный анализ проектной ситуации – одна из важнейших процедур поиска и обоснования нового технического решения. При выполнении этой процедуры часто прибегают к моделированию, в котором анализу подвергают уже не сам проектируемый объект, а его модель.

Есть несколько формализованных определений, раскрывающих суть термина «модель». Приведем одно них.

Моделью называется техническая или знаковая система, искусственная конструкция, определенные свойства которой согласованы с основными свойствами оригинала и из поведения которой могут быть получены объективно верные выводы о поведении или некоторых качествах оригинала.

Модели подразделяются на физические, вещественноматематические, логико-математические, механические, фотооптические, аналоговые, цифровые, знаковые, атакжена макеты.

ГОСТ 15.101–98 определяет макет как упрощенное воспроизведение в определенном масштабе изделия или его части, на котором исследуются отдельные характеристики изделия, а также оценивается правильность принятых технических и художественных решений. Знаковыми моделями являются карты, формулы, рассматриваемые в качестве аналога какоголибо явления.

В практической деятельности возможно решение двух видов задач:

1)разработка нового объекта (задача синтеза). Здесь конечный вид объекта еще неизвестен и приходится иметь дело с его приближенными представлениями;

2)исследование реального объекта (задача анализа). Удобство проведения такого исследования людьми с разным уровнем квалификации требуют упрощения изучаемого объекта и исключения из рассмотрения второстепенных факторов.

46

Упрощенное представление реального объекта и/или протекающих в нем процессов называется моделью. Построение моделей – моделирование – облегчает изучение имеющихся в объекте объективных свойств и закономерностей. Моделирование является обязательной частью исследований и разработок, поскольку сложность любого материального объекта бесконечна вследствие неисчерпаемости материи и форм ее взаимодействия внутри себя и с окружающей средой.

Проектирование тесно связано с моделированием, так как не только включает в себя обе эти задачи, но и основывается на умении выбора и применения тех или иных видов моделей. Поэтому напомним основные понятия, используемые в моделировании.

4.1. Требования к моделям

Моделирование всегда предполагает принятие допущений той или иной степени важности. При этом должны удовлетворяться следующие требования:

1)адекватность, т.е. соответствие модели исходному объекту и учет, прежде всего, наиболее важных качеств, связей и характеристик. Оценить адекватность выбранной модели, особенно на начальной стадии проектирования, когда вид создаваемого объекта еще неизвестен, очень сложно. Здесь полагаются на опыт предшествующих разработок или применяют определенные методы, например, метод последовательных приближений;

2)точность, т.е. степень совпадения полученных в процессе моделирования результатов с заранее установленными, желаемыми. Важной задачей здесь является оценка требуемой точности результатов и точности исходных данных, согласование их как между собой, таки сточностью используемоймодели;

3)универсальность, т.е. применимость модели к анализу

ряда однотипных объектов в одном или нескольких режимах функционирования. Это позволяет расширить область поиска решений;

47

4) целесообразная экономичность, т.е. точность получаемых результатов и общность решения задачи должны увязываться с затратами на моделирование. Как показывает практика, удачный выбор модели – результат компромисса между отпущенными ресурсами и особенностями используемой модели.

Выбор модели и обеспечение точности моделирования считается одной из самых важных задач моделирования.

Погрешности моделирования вызываются как объективными причинами, связанными с упрощением реальных объектов и процессов, так и субъективными, обусловленными недостатком знаний и навыков, особенностями характера того или иного человека. Погрешности можно предотвратить, компенсировать или учесть. И всегда обязательна оценка правильности получаемых результатов. Быструю оценку часто проводят следующими способами:

проверяют соответствие результатов физическому (здравому) смыслу. Удобно это делать для частного случая модели, когда решение очевидно. Иногда даже говорят, что еще перед решением задачи проектант уже должен представлять характер

ипорядок ожидаемого результата. Правда, точность такого представления зависит от развитости физического воображения и опыта работы с подобными объектами;

проверяют выполнение частных очевидных условий задачи, что также позволяет отсечь неприемлемые решения;

проверяют соблюдение тенденции изменения величин и знаков результатов (монотонность, цикличность, плавность и т.п.);

проверяют правильность размерности полученного результата (еслиработа ведетсяс аналитическимизависимостями).

Известно, что посредством грубых измерений, использования приборов с низкой точностью или приближенных исходных данных невозможно получить точные результаты. С другой стороны, бессмысленно вести, например, расчет с точностью до грамма, если результат потом нужно округлять (ска-

48

жем, указывать в формуляре) с точностью до килограмма, или же определять среднюю величину, чем точнее составляющие

еезначений, и т.д. Поэтому важно помнить о следующем:

1)точность результатов расчетов и экспериментальных исследований не может превысить точности исходных данных, используемых приборов, измерительных инструментов и т.п.;

2)вид выбираемой модели должен согласовываться с точностью исходных данных и потребной точностью результатов;

3)желаемая точность результатов должна соответствовать нуждам и реалиям практики.

4.2. Виды моделей

По способу отображения действительности различают три основных вида моделей: эвристические, физические и математические.

Эвристические модели, как правило, представляют собой образы, рисуемые в воображении человека. Их описание ведется словами естественного языка и, обычно, неоднозначно и субъективно. Эти модели неформализуемы, т.е. не описываются формально логическими и математическими выражениями, хотя и рождаются на основе представления реальных процессов и явлений. Эвристическое моделирование – основное средство вырваться за рамки обыденного и устоявшегося. Но способность к такому моделированию зависит, прежде всего, от богатства фантазии человека, его опыта и эрудиции. Эвристические модели используются на начальных этапах проектирования, когда сведения о разрабатываемом объекте еще скудны. На последующих этапах проектирования эти модели заменяются на более конкретные и точные.

Физические модели материальны, но могут отличаться от реального объекта или его части размерами, числом и материалом элементов. Выбор размеров ведется с соблюдением теории подобия. К физическим моделям относятся реальные изделия, образцы, экспериментальные и натурные модели. Физические

49

модели подразделяются на объемные (модели и макеты) и плоские. В данном случае под физической моделью понимают изделие или устройство, являющееся упрощенным подобием исследуемого объекта или позволяющее воссоздать исследуемый процесс или явление.

Физическое моделирование – основа знаний и средство проверки гипотез и результатов расчетов. Физическая модель позволяет охватить явление или процесс во всем их многообразии, она наиболее адекватна и точна, но достаточно дорога, трудоемка и менее универсальна. В том или ином виде с физическими моделями работают на всех этапах проектирования.

Математические модели – формализуемые, т.е. представляют собой совокупность взаимосвязанных математических и формально-логических выражений, как правило, отображающих реальные процессы и явления (физические, психические, социальные и т.д.). По форме представления бывают:

аналитические модели, их решения ищутся в замкнутом виде, в виде функциональных зависимостей. Удобны при анализе сущности описываемого явления или процесса, использовании в других математических моделях, но отыскание их решений бывает весьма затруднено;

численные модели, их решения – дискретный ряд чисел (таблицы). Модели универсальны, удобны для решения сложных задач, но не наглядны и трудоемки при анализе и установлении взаимосвязей между параметрами. В настоящее время такие модели реализуют в виде программных комплексов – пакетов программ для расчета на компьютере. Программные комплексы бывают прикладные, привязанные к предметной области и конкретному объекту, явлению, процессу, и общие, реализующие универсальные математические соотношения (например, расчет системы алгебраических уравнений).

Построение математических моделей возможно следующими способами:

аналитическим путем, т.е. выводом из физических законов, математических аксиом или теорем;

50