3.3. Функциональная структура (ФС)

тированного графа, вершины которого - наименования элементов техни­ ческих объектов, а ребра - функции элементов или (и) потоки вещества, энергии и информации, передаваемые от одного элемента к другому. Ис­ ходя из этого, можно выделить три типа функциональных структур.

Первый тип - конструктивная функциональная структура, когда элементы имеют определенные функциональные связи друг с другом.

Эта структура представляет собой ориентированный граф, вершина­ ми которого являются наименования элементов, а ребрамифункции элементов, описанные по формуле (3.1).

Второй тип - потоковая функциональная структура, т.е. взаимосвя­ занный набор физических операций, реализующих один определенный по­ ток преобразований вещества, энергии или сигналов либо несколько взаи­ мосвязанных потоков. Потоковая ФС представляет собой граф, вершинами которого являются наименования элементов ТО или наименования опера­ ций Коллера Е, а ребрами - входные АТи выходные Ст потоки (факторы).

Различают две разновидности потоковой функциональной структу­ ры: конкретизированную потоковую ФС, у которой в вершинах графа ука­ заны наименования элементов; абстрагированную потоковую ФС, у кото­ рой в вершинах графа указаны наименования операций Коллера.

Абстрагированную потоковую функциональную структуру называ­ ют также структурой физических операций.

К третьему типу относят совмещенные функциональные структу­ ры, у которых ребра могут быть представлены и функциями (3.1) и пото­ ками (3.2). Например, в прокатном стане на входе такого потока имеются заготовки сечением 2 0 0 x200 мм, а на выходе - стальная лента толщиной

1 мм, шириной 2 м; в гидроэлектростанции на входе - поток воды с на­ пором 20 м и расходом 150 м3/с, а на выходе - электрический ток напря­ жением 380 В и частотой 50 Гц. Такие потоки определенным образом объединяют и связывают элементы технических объектов и соответст­ венно их физических операций.

В сложных технических объектах часто присутствуют несколько взаимосвязанных потоков.

3.4. Описание физического принципа действия

Физическим принципом действия (ФПД) технической системы называ­ ется структура совместимых и объединенных физических эффектов, обеспе­ чивающих преобразование заданного начального входного воздействия А\ в заданный конечный результат (выходной эффект) С„. Физический принцип действия дает описание технических объектов на физическом уровне и ука­ зывает, с помощью каких физических эффектов и явлений реализуются функции и подфункции в функциональной структуре. Принцип действия то­ же представляет собой ориентированный граф, который строится на основе потоковой ФС, где для операции Коллера указывают реализующие их физи­ ческие эффекты. Под ФПД будем понимать ориентированный граф, верши­ нами которого являются наименования физических объектов В, а ребрами - входные А и выходные С потоки вещества, энергии и сигналов.

Таким образом, во многих случаях ФПД легко построить с помощью потоковой функциональной структуры путем замены наименований эле­ ментов или физических операций на наименования объектов В.

Описание ФПД, как правило, включает в себя принципиальную схему ТО, где в упрощенно-идеализированной форме показаны основные конст­ руктивные элементы, обеспечивающие реализацию ФПД, а также направ­ ления потоков и основные физические величины, характеризующие ис­ пользуемые физико-технические эффекты. Принципиальная схема облег­ чает последующую разработку технического решения.

Следует заметить, что преобразование начального воздействия А\ в

конечный результат С„, как правило, соответствует описанию функции технического объекта F по формуле

F=(N^R),

где знак «—►» указывает на преобразование начального состояния N в ко­ нечный результат R. При этом ФПД представляет собой необходимое ус­ ловие реализации этой функции. Достаточные условия заключаются в вы­ полнении ряда ограничений, накладываемых на реализацию функции.

Выделим характерные типы структур ФПД. Структуры первого ти­ па —элементарные, основываются на одном физическом эффекте, напри­ мер ФПД пружинных весов (рис. 3.2,а) и пьезоэлектрического звукоснимате­ ля (рис. 3.2,6).

Довольно распространен также в технике тип элементарной структу­ ры ФПД, основанный на многократном или суммарном использовании од­ ного и того же физического эффекта. Например, в катушках индуктивности каждый виток проводника реализует преобразование электрического тока в электромагнитное поле. Аналогичную структуру ФПД имеют многие акку­ муляторные батареи, выпрямители, конденсаторы, усилители и т.д.

Структуры второго типа - линейные, основываются на цепочке из нескольких совместимых ФЭ. На рис. 3.3 приведен пример линейной структуры ФПД люминесцентной лампы.

Рис. 3.3. Л инейная ст рукт ура Ф П Д лю м инесцент ной лам пы с описанием

ком понент ов Ф Э

В табл. 3.4 приведены примеры сложных физических эффектов с не­ сколькими физическими воздействиями.