Современные средства и методы проектирования машиностроительных изд

тельные стенды с автоматизированной установкой режимов. Он позволяет имитировать реальные режимы работы, автоматически обрабатывать результаты, вести статистический анализ и документировать исследования. Но велика и ответственность инженера в этих исследованиях: четко поставленные цели испытаний и правильно принятое решение позволяют точно найти слабое место изделия, сократить затраты на доводку и итерационность процесса проектирования.

В настоящее время существует много программ, предназначенных для обработки экспериментальных данных. Их выбор зависитотцелей иусловийисследований, видарешаемыхзадач.

5.3. Формализованные методы

Знание законов, лежащих в основе работы создаваемых объектов и процессов, позволяет использовать формализованные методы.

Наличие в проектной деятельности формализованных процедур и широкое распространение компьютеров позволили разрешить противоречие между возрастающей сложностью технических объектов и требованием к эффективности проектирования. Автоматизация охватила все этапы жизненного цикла: автоматизированная система планирования (АСП), автоматизированная система научных исследований (АСНИ), система автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированный экспериментальный комплекс (АЭК), гибкое автоматизированное производство (ГАП) и автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП), автоматизированная система управления эксплуатацией (АСУ).

Формализованные методы строятся на основе четких указаний посредством языка схем, математических формул, формально-логических отношений и алгоритмов. Главной их чертой является независимость получаемых результатов от индивидуальных черт человека.

61

Формализованные методыимеют следующиедостоинства:

позволяют построить прогноз поведения технического объекта или процесса во времени и в пространстве;

позволяют сравнительно быстро и дешево рассчитать несколько вариантов решений, что служит основой для выбора лучшего и, следовательно, конкурентоспособного изделия;

позволяют определять параметры на ранних этапах проектных работ, когда вид создаваемых объектов или их макетов еще точно не известен;

позволяют поставить «чистый» эксперимент, т.е. исследовать свойства и характеристики в зависимости от заданных параметров при отсутствии влияния других параметров или их постоянстве;

обеспечивают психологический комфорт и снимают неопределенность и неуверенность в процессе решения задачи благодаря опыту и знаниям специалистов, создавших эти расчетные зависимости;

позволяют автоматизировать деятельность.

С другой стороны, «объективность» формализованных методов еще не гарантирует их полного соответствия действительности, поскольку точность результатов зависит от следующих факторов:

1)присутствие в расчетах ошибок как субъективных, допускаемых человеком, так и являющихся результатом некачественной работы или сбоя в работе используемого устройства (компьютеров, измерительно-управляющих систем и т.п.);

2)правильность выбора модели и метода, их адекватность

иточность (субъективный фактор);

3)полнота и достоверность исходной информации, корректность (точность) формулировок решаемой задачи.

При расчете по инженерным зависимостям следует помнить, что исходным данным всегда присуща погрешность. Перед проведением исследований или расчетов необходимо оценить максимальную погрешность данных, допустим, составляющую n%. Результаты расчетов и экспериментальных ис-

62

следований, лежащие в пределах ±n%, считаются тождественными. В машиностроении по умолчанию принимают погрешность равной 5 %. Снижение погрешности является сложной задачей и требует, в первую очередь, повышения точности знания свойств материалов (технологическая задача) и характеристик внешних нагрузок (экспериментальная задача).

Поиск различных вариантов решений является одной из важнейших задач проектирования: чем больше вариантов, тем лучше окончательное решение. Чаще всего конкретные варианты находят для различных допустимых сочетаний параметров (аналитически или численно). Универсальным является метод полного перебора. Его применяют в ответственных случаях и если позволяют возможности (наличие высокопроизводительной вычислительной техники, достаточность времени). При ограниченности ресурсов пользуются упрощенными методами, например, методом частичного (выборочного) перебора.

Анализ решений, найденных методом случайного или псевдослучайного поиска, позволяет получить дополнительную информацию: можно установить степень взаимосвязанности параметров, рассчитав коэффициент корреляции. Если для рассматриваемой пары, например, показателей качества этот коэффициент близок к единице, то показатели линейно зависимы и отображают разными словами одно и то же качество. В таком случае один из них можно отбросить, не потеряв общности задачи, но понизив ее размерность.

Формализованные методы – наиболее исследованная область человеческой деятельности. Они – основа создаваемых программ и автоматизации процедур.

Поскольку экспериментальные и формализованные методы используются человеком, то в них в той или иной степени присутствует элемент эвристики. Человек может как усиливать эффективность решения благодаря творческому началу, так и вносить ошибки и искажать результаты (осознанно или неосознанно) в силу субъективности.

63

5.4. Алгоритмические методы

Алгоритмические методы – это формализованные методы, доведенные до математических алгоритмов процедуры проектирования.

К алгоритмическим относятся методы:

морфологических карт;

графов зависимостей;

сеток связей;

«через разделение к целому»;

элементарных комбинаций;

исключения избыточности;

структурных карт;

феноменологических и математических моделей;

прямой минимизации при косвенном ограничении;

сложной оптимизации.

Применение метода позволяет найти то или иное решение. Те из них, которые будут обладать отличными характеристиками и высокой эффективностью, часто называют сильными решениями [38].

Применение метода завершается выбором окончательного варианта, т.е. принятием технического решения.

Контрольные вопросы

1.Перечислите различные методы проектирования.

2.Что такое эвристические методы? Их роль в современном проектировании.

3.Перечислите возможные эвристические методы.

4.В чем суть экспериментальных методов и областей их применения?

5.Что такое формализованный метод? Для каких условий его целесообразно применить?

6.Дайте краткую характеристику алгоритмическим методам. Назовите области их рационального применения.

64

6.ОБЗОР РЯДА ЭВРИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Впредыдущей теме были перечислены различные эвристические методы. В данной главе кратко остановимся на характеристике методов, рассмотренных в работе [18], но не всех, а только наиболее часто упоминаемых в отечественной и зарубежной литературе по проектированию.

6.1. Метод морфологического ящика

Метод морфологического ящика разработан Ф. Цвикки в 1969 году [46]. Основная цель метода состоит в построении всех возможных вариантов реализации исследуемого объекта, как правило, для определения возможных границ его улучшения. Блок-схема одной из модификаций метода приведена в табл. 6.1.

Таблица 6 . 1

Блок-схема морфологического исследования объекта, разработанная Ф. Цвикки

65

Окончание табл. 6 . 1

V. Выбор решения (морфологический синтез)

Проектирование объекта по этому методу выполняют в следующем порядке:

1.Дают точную формулировку проблемы, подлежащей решению. На этом этапе очень важно привести общее описание исследуемого объекта.

2.Формируют (выявляют) важные характеристики (свойства, функции) объекта, совокупность которых обеспечивает

66

существование и функционирование объекта, решение проблемы.

3.Раскрывают возможные варианты реализации каждой характеристики (свойства, функции).

4.Совокупность полученных вариантов сводят в морфологическую матрицу, или морфологический ящик.

5.Выбирают решения из морфологического ящика и определяют их функциональную ценность.

Применение метода морфологического ящика находит на стадии реализации выбранного направления решения проблемы в то время, когда конкретное техническое средство окончательно еще не выбрано. Метод используют также при прогнозировании развития технических систем, в работе экспертов, определяющих новизну технических решений.

6.2. Метод матриц открытия А. Моля

Метод матриц открытия А. Моля по описанию В.М. Одрина в работе [24] близок к известному морфологическому методу Ф. Цвикки, но имеет свои специфические особенности. Как и в методе Ф. Цвикки, он преследует цель систематически исследовать все мыслимые варианты, вытекающие из закономерностей строения (морфологии) совершенствуемого объекта и изучения поля возможных технических решений. Но метод А. Моля дает возможность гораздо проще ограничить рассматриваемые варианты приемлемым их числом. В наиболее простом виде суть метода матриц открытия заключается в построении матрицы, в которой пересекаются два ряда характеристик (вертикальный и горизонтальный). Ряды могут быть упорядоченными и неупорядоченными, выражены количественно и качественно. Если в морфологическом ящике все выбранные характеристики относятся к объекту, то у А. Моля часть из них может относиться, например, к условиям производства, потребления, эксплуатации и т.п.

67

6.3. Метод ступенчатого подхода к решению задачи А. Фрейзера

А. Фрейзер предложил свой подход к решению сложных проблем, возникающих в технике. По своей сути это метод анализа причин, приведших к нежелательному эффекту [24]. Автор разделяет все задачи на два класса:

а) задачи по защите (работа в рамках существующей системы);

б) задачи по разработке (построению новой системы). Процесс решения задачи состоит из следующих этапов:

1.Определение конечных целей.

2.Выяснение причин.

3.Определение признаков.

4.Определение препятствий.

5.Поиск средств для преодоления препятствий.

6.Построение модели задачи.

7.Проверка правильности решения.

Как видно из данного короткого описания, шесть первых этапов – это сбор информации. А. Фрейзер дает подробное описание этапов, причем для задач различных типов они выполняются также различно. Метод может быть полезен на стадии постановки и уточнения задачи.

6.4. Метод функционального изобретательства К. Джоунса

Метод разработан на базе анализа развития технических систем [13]. Этот метод включает в себяследующиеосновныеэтапы:

1.Определение функций каждого конкретного элемента существующего решения.

2.Определение основной функции, для которой другие являются вспомогательными.

3.Определение любых изменений основной функции, которыемогутпривести ксовершенствованию даннойконструкции.

68

4.Объединение результатов 2-го и 3-го этапов для нахождения новой (измененной) основной функции.

5.Поиск альтернативных решений для деления новой основной функции на вспомогательные и закрепление каждой из них за конкретным элементом конструкции.

Автор утверждает, что метод функционального изобретательства предназначен для работы в условиях существенного изменения среды функционирования технических систем, т.е. в условиях, когда они уже не могут удовлетворительно выполнять свои функции.

В рамках метода предполагается совершать целенаправленный и системный поиск возможных изменений технической системы на основе существующих физических знаний. Интерес при анализе данного метода вызывает и то, что работа практически сразу проходит вокруг основной функции, иными словами, совершается довольно экономно. В какой-то мере первая часть метода похожа на построение диаграммы.

6.5. Метод проектирования Фанге

Проектирование по методу Фанге [13] состоит из шести основных этапов:

1.Определение основного направления.

2.Определение способа оценки результата.

3.Усовершенствование.

4.Поиск оптимального варианта.

5.Окончательное оформление.

6.Доказательство преимуществ нового решения.

Э. Фанге отмечает, что на этапе постановки задачи обычно нет полной уверенности в правильности выбранного направления, корректности и необходимости решения задачи. Отсутствие исследований по данной проблеме, даже неточности в формулировке задачи могут иметь очень серьезные последствия.

Второй этап заключается в определении способа оценки результата. Как правило, оценку полученных результатов мно-

69

гие склонны оставлять на самый последний момент. Эта процедура предполагает выявление определенных преимуществ нового объекта в отношении способа его производства, затрат на такое производство или в отношении спроса на рынках сбыта. Однако, как чаще всего бывает, в производственных условиях трудно выявить большинство из этих преимуществ. Целесообразно поэтому выявление набора критериев, учитываемых на промежуточных этапах работы.

Третий этап предусматривает усовершенствование. Фанге не останавливается подробно на особенностях творческого процесса, указывая лишь, что на этом этапе можно использовать самые различные методы поиска новых технических решений.

Четвертый этап заключается в поиске оптимального варианта. Э. Фанге считает важным выделить в своей программе этот этап в связи с недостаточным вниманием разработчиков к развитию найденных идей, внешнему оформлению решений, удобству обращения с ними.

Пятый этап предусматривает окончательное оформление. Э. Фанге обращает особое внимание на координацию работ между различными специалистами, подразделениями, участвующими в выполнении заданий, а также на подготовку отчета о проделанной работе, дает рекомендации по проведению данного этапа.

Шестой этап заключается в доказательстве преимуществ нового решения. Известно, что многие хорошие предложения не используются только из-за неумения авторов обосновать их полезность и эффективность. Как правило, можно говорить о том, что появление подобных предложений практически наносит ущерб, поскольку потребовало определенных затрат труда, а возможно, и иных ресурсов, которые в результате не окупились.

Фанге уделяет немало внимания процессу доказательства преимуществ нового решения и дает ряд рекомендаций. Следует постоянно поддерживать тесный контакт с лицом или лицами, непосредственно заинтересованными в данном проекте,

70