книги из ГПНТБ / Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования, научное обоснование решений
.pdfСтремление придерживаться заведенного порядка или следовать установившейся практике
Отказ в приеме на работу творчески мыслящим инженерам по той причине, что «им не нравится структура нашей организации»
Разумные руководители сумеют извлечь выгоду из зна комства с этим перечнем и честно спросят себя, имеются ли во всех звеньях их организации возможности для твор ческой работы сотрудников.
УПРАЖНЕНИЯ
1. Один инженер, работая в субботу вечером па лужай ке у своего дома, задумался о том, как совместить мотор ную газонокосилку с разбрасывателем удобрений. Его идея состояла в том, чтобы прикрепить к задней раме косилки пластмассовый ящик для удобрений и удобрять лужайку в процессе движения газонокосилки. Перечислите как можно больше идей, связанных с комбинацией отдельных эле ментов с целью экономии времени или усилий. (Указание: подумайте о кухне, ванной комнате, автомобиле, самолете, ручном инструменте, туристском лагере, т. е. о тех облас тях, где у вас имеется некоторый опыт.)
2. Представьте себе, что вы работаете на мыловарен ном заводе в цехе кускового мыла. Ваша задача состоит в том, чтобы найти как можно больше различных способов употребления кускового мыла, помимо мытья и стирки. Ваша основная задача — добиться увеличения продажи мыла. Назовите как можно больше различных способов употребления мыла, которые, по вашему мнению, могли бы способствовать продаже этого товара.
3.Возьмите обычные плоскогубцы. Перечислите воз можные способы улучшения их конструкции, позволяющие сделать их более совершенным инструментом. После это го предложите еще три усовершенствования.
4.Укажите все возможные способы использования зуб ной щетки после того, как она отслужит свой срок.
5.Ниже перечислены несколько известных приборов и устройств:
а) настольный радиоприемник, б) пылесос, в) газонокосилка,
г) подвесной мотор.
Укажите все недостатки каждого из них и возможные усовершенствования существующей конструкции. Про
смотрев каждый перечень, определите потребность в но вом, более совершенном изделии, которое сможет найти сбыт.
6. Применив метод наглядного представления заданной функции, дайте новую формулировку следующих задач с тем, чтобы конструктор смог прежде всего получить пред ставление о назначении изделия:
а) разработайте новую настольную лампу, которая мог ла бы конкурировать с лампами дневного света;
б) разработайте усовершенствованный снегоочисти тель;
в) разработайте ручку или карандаш, способные кон курировать с шариковыми ручками;
г) предложите методы совершенствования городских транспортных систем.
7. Представьте себе, что вам поручено создать новый инструмент для открывания консервных банок, способный конкурировать с консервным ножом. Выберете три неза висимые переменные и составьте трехмерную матрицу идей путем разделения каждой переменной. Сколько идей позволяет получить ваша матрица?
8. На фиг. 2.1 показана типичная диаграмма идей для создания новой транспортной системы. Однако эта диаграмма является неполной. Скопируйте диаграмму, до полнив ее настолько, насколько позволяет ваш опыт. Пос ле изучения диаграммы предложите хотя бы одну эффек тивную транспортную систему каждого типа (наземную, водную и воздушную).
9. Применение канцелярской скрепки. Соберите следу ющие предметы, которые обычно можно найти в любом столе: 12 канцелярских скрепок, .1 лезвие безопасной брит вы, 6 кнопок, 2 английские булавки, 4 карандаша, 9 рези
новых |
зажимов, 2 листа |
писчей бумаги (216X279 мм), |
1 лист |
алюминиевой фольги (216X279 мм), 4 гибкие бу |
|
лавки, 60 см изолированного провода. |
||
Используя в качестве |
элементов вашей конструкции |
|
только эти предметы, придумайте и изготовьте что-нибудь полезное.
10. Назовите как можно больше причин, препятствую щих творчеству (личного или организационного порядка), которые, по вашему мнению, затрудняют рождение новых идей на вашем предприятии.
t
ПРОЦЕСС
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ИНЖЕНЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Проектировать — это творить, создавать что-то повое. Результатом проектирования часто оказываются изделия, обеспечивающие получение прибыли. Инженерное проек тирование — это непрерывный процесс, в котором научная и техническая информация используется для создания но вой системы, нового устройства и л и процесса, приносящих обществу определенную пользу.
Умение проектировать — это одновременно и наука и искусство. Как науку проектирование можно постигнуть путем систематических занятий, накопления опыта и ре шения проблем. Как искусство проектирование требует полной отдачи от тех, кто стремится овладеть им. Проекти рование предполагает применение анализа и синтеза. Од нако нередко анализ отождествляют с проектированием, ибо считают, что если в данной ситуации проведен хоро ший анализ, то и проектирование выполнено хорошо. Ана лиз, т. е. расчленение рассматриваемой ситуации на конт ролируемые элементы и изучение каждого элемента в от дельности, выполняется при проектировании для проверки первоначально поставленных целей. Синтез — объедине ние элементов в единое целое — ближе к проектированию, чем любой другой процесс, но он должен быть творческим, чтобы комбинация объединяемых элементов была ориги нальной. В процессе проектирования наука и искусство, анализ и синтез неотделимы друг от друга и проявляются одновременно.
При проектировании устройства, системы или процес са можно базироваться на одном из двух принципов: 1) эволюционные изменения и 2) создание нового. Метод эволюционных изменений характерен для первых лет про мышленной революции, когда конкуренция товаров была слабой, технология совершенствовалась медленно и риск при вложении капиталов был минимальным. Если изделие совершенствуется в течение определенного промежутка
времени путем внесения лишь незначительных улучшений, то риск допустить крупные ошибки невелик и конструктор может проявить свои творческие способности.
В настоящее время в большей степени, чем когда-либо, проектирование связано с непрерывным созданием новых изделий. Бурный рост научных и технических открытий, конкуренция между фирмами за рынки сбыта выдвинули на первый план создание новых изделий, что настоятельно требует внедрения технических новшеств. В этом случае творческих навыков конструктора и его способностей к ана лизу бывает недостаточно, поскольку нет опыта, на основе которого можно было бы принимать решения. Поэтому та кая практика проектирования сопряжена с большим рис ком. Подобно тому как наука неотделима от искусства и анализ связан с синтезом, эволюционные изменения и появление нового происходят одновременно. С самого нача ла мысль конструктора должна быть направлена на созда ние нового, на поиск жизнеспособной идеи, обладающей оригинальностью. По мере работы над проектом конструк тор непрерывно сверяет свои идеи с прошлым и текущим состоянием вопроса. Проектирование может быть нацелено на будущее, но его результаты должны основываться на том, что было известно в прошлом. Таким образом, кон структор одновременно создает новое и осуществляет эволю ционные изменения.
Наибольших успехов в проектировании может достиг нуть тот, кому присущи следующие качества, приобретае мые в процессе обучения (в том числе путем самообразова ния), а также благодаря внутренней дисциплине и любви к творчеству.
Грамотность
Конструктор должен знать физические законы и осно вы математики.
Мастерство
Конструктор должен разрабатывать и непрерывно со вершенствовать аналитические и графические методы ре шения задач, методы экспериментальной работы, устные и письменные способы передачи идей.
Заинтересованность
Важно, чтобы конструктор проявлял заинтересован ность и активную любознательность, обладал гибкостью мышления, проявлял научную добросовестность, ответст-
вепность за разрабатываемую конструкцию, охотно прини мал решения, умел излагать и отстаивать свои идеи и стре мился выносить суждения на основе опыта.
Творчество
Успех зависит также от желания избегать традицион ных решений, стремления добиваться оригинальных ре зультатов и искать области применения устройств, а так же от убежденности в том, что творческое решение суще ствует.
НАУЧНЫЙ МЕТОД
Прежде чем обсуждать методику проектирования, со поставим «метод проектирования» с «научным методом» для проведения сравнения между ними. Хотя оба эти ме тода не связаны друг с другом, их существование обуслов лено относительными успехами каждого из них. Результа ты, получаемые при проектировании, обычно обогащают научные исследования, которые в свою очередь дают кон структору дополнительную информацию для новых разра боток.
На фиг. 3.1 схематично представлены основные этапы в научном методе и методе проектирования, каждый из ко торых можно разбить на ряд подэтапов.
Научный метод начинается с некоторого объема суще ствующих знаний в форме научных законов. Когда ученый наблюдает за природой в свете этих законов, его научная любознательность требует поиска, исследования или раз работки новой идеи, он принимает гипотезу, объясняющую изучаемое явление.
Затем он проводит логический анализ гипотезы, в ре зультате которого предложенное объяснение явления ли бо подтверждается, либо отвергается. Построение гипоте зы и анализ повторяются несколько раз, так как анализ часто показывает слабость или порочность гипотезы, кото рую необходимо изменить и затем проанализировать заново. Если гипотеза подтверждается, ученый должен дока зать ее справедливость своим коллегам. Наконец, идея со общается научной общественности, тем самым увеличи вается объем существующих знаний. На этом цепь попол нения знаний замыкается.
Метод проектирования начинается с получения инфор мации о состоянии данной области: сведения о техничес ких устройствах, материалах, методах изготовления, ком-
Научный метод |
Метод проектирования |
Фиг. 3.1. Научный метод и метод проектирования (основные этапы.]
понентах, процессах, состоянии рынка и т. д. Например, современное общество обеспокоено такими проблемами, как загрязнение окружающей среды и транспортные перегруз ки. Фирмы пытаются создать новые системы, процессы или устройства, а конструктор определяет потребность в систе ме, обеспечивающей решение подобной проблемы. Затем сформулированная потребность должна быть представлена в виде математической или графической модели, выража ющей концепцию. Осуществимость этой концепции прове ряется путем анализа. Как и для научного метода, повтор ный анализ и повторное формирование концепции не обя зательно приводят к тому, что идея достигает стадии про изводства. Производственный цикл замыкается, когда устройство оказывается приемлемым с точки зрения техно логии и расширяет круг существующих технических средств. Затем цикл повторяется снова.
Хотя эти два метода сходны друг с другом и требуют аналогичной умственной деятельности, онп существенно различаются мотивировкой и обстановкой, в которой про текают оба процесса. Ученым движет научная любозна тельность, потребность в профессиональном признании или престиже среди своих коллег, и он работает в условиях, когда время и деньги не являются определяющими факто
рами. В то же время ииженер-конструктор должен созда вать что-то полезное обществу. Он постоянно находится под давлением фактора времени, конкуренции, состояния рынка и затрат на разработку изделия; живет в состоянии неопределеиностп, даже когда разработанное им изделие принято, поскольку он обязан обеспечить оригинальность изделия и его сбыт, так как конкуренты стараются создать лучшее изделие.
ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ
При проектировании устройства, системы или процес са необходимо обеспечить выполнение ряда условий, свя занных с такими факторами, как затраты, время, критерии отбора, техническая осуществимость, рабочие характерис тики, производство, техническая эстетика. Для этого про ектирование должно осуществляться по методике, гаран тирующей получение действительно полезного изделия, имеющего шансы на успешный сбыт. Методика проекти рования — это не формула и даже ие инструкция, а после довательность событий, составляющих процесс проектиро вания, в рамках которого возможно логическое развитие конструкции. Процесс проектирования состоит из отдель ных этапов (фиг. 3.2), позволяющих определить фактиче ское состояние разработки и последующий этап. Этапы мо гут повторяться, так как в процессе работы над изделием требуется принимать ряд решений. Чаще всего происходит чередование этапов, пока, наконец, не будет достигнуто та кое состояние разработки, при котором возможен переход на следующий этап. Наиболее часто повторяются такие этапы, как выработка концепции и анализ, иа которых об щее представление о конструкции проверяется с использо ванием физических законов, многократно обдумывается и вновь проверяется возможность создания изделия. Форми рование новых идей может происходить на этапе, изобра женном на схеме, либо в зависимости от характера разра ботки еще раньше.
Ниже кратко описан каждый этап процесса проектиро вания.
Определение потребности. Конструктор, сталкиваясь с определенной ситуацией, которая его раздражает пли вол нует, стремится что-то сделать для ее изменения, и его творческое воображение под действием этого стимула оп ределяет существующую потребность.
Ѵ _ _____________ ______
Фиг. 3.2. Процесс проектирования.
Определение цели. Формулировка в общих выражени ях характеристик системы, устройства или процесса, кото рые удовлетворяют эту потребность.
Научные исследования. Сбор всей доступной информа ции, связанной с решением поставленной цели.
Формулировка задания. Перечень данных и параметров, обеспечивающих достижение поставленной цели.
Формирование идей. Процесс рождения новых идей.
Выработка концепции. Оригинальная, новаторская, твор ческая, изобретательская деятельность в форме выработки вариантов возможных решений поставленной цели. На этом этапе обычно выполняются эскизы от руки.
Анализ. Проверка выбранных концепций на соответ ствие физическим законам.
Эксперимент. Создание опытного образца и лаборатор ные испытания (определение рабочих характеристик, ра ботоспособности, надежности и долговечности).
Решение. Описание системы, процесса или устройства в виде отчета, содержащего описание изделия, рабочие чер тежи, технические условия, перечень деталей и калькуля цию затрат.
Производство. Определение объема производства и по требности в производственном оборудовании; методы изго товления продукции, приобретение сырья и полуфабрика тов, автоматизация, календарное планирование, контроль качества и приемочный контроль.
Распределение продукции. Установление конкуренто способных цен, реклама, нахождение рынков сбыта, обес печение прибыли.
Потребление. Контакты с потребителями, ремонт, обслу живание.
ЭТАПЫ И МЕТОДЫ
Известно, что для создания одного удачного изделия требуется 55—60 идей (гл. 1), и поскольку по мере разра ботки изделия расходы возрастают, очевидно, что для за вершения цикла проектирования недостаточно только творческого мышления. По-видимому, наиболее важным в процессе проектирования является разрешение противоре чия между творческим мышлением и логическим анализом. Творческое мышление более продуктивно в том случае, когда воображение может свободно охватить сразу все сто роны рассматриваемой проблемы.
Анализ же дает наилучшие результаты при последова тельном, упорядоченном рассмотрении проблемы. В про цессе проектирования соблюдается разумный баланс меж ду творческим мышлением и логическим анализом, что крайне важно для успешного проектирования. Действи тельно, поскольку процесс проектирования представляет собой последовательность этапов, определяющих состояние разработки, то в данном случае можно легко проводить ло гический анализ. Кроме того, поскольку этапы определены довольно широко и могут повторяться, то творческое мыш ление также не ограничивается. Логический анализ и твор ческое мышление в рамках дапной схемы могут протекать
одновременно. Ниже рассмотрены этапы процесса проек тирования и некоторые известные методы, используемые для достижения определенного этапа и обеспечивающие оптимальный переход с одного этапа на другой.
Определение потребности
Процесс проектирования начинается с идеи. Нередко идея порождается настойчивым желанием фирмы выпус тить новую продукцию или стремлением решить ту или иную социальную проблему. Определение потребности, в некотором отношении полезной обществу, требует в выс шей степени творческого мышления. Для этого необходи мо заставлять работать воображение и, непрерывно следя за обстановкой, искать новые идеи. Если конструктор «на строен» на определение потребности в ситуации, которая не является идеальной, и он принимает решение изменить положение, то генерирование идей происходит более или менее автоматически. В таком состоянии следует прово дить предварительный отбор идей (выбрать наилучшую), прежде чем переходить к следующему этапу. На этом эта пе необходимо ответить на следующие вопросы: соответ ствует ли идея критериям фирмы, имеет ли она шансы на успех и можно ли ее реализовать при существующем раз витии техники за приемлемый промежуток времени. Если ответы утвердительны, то потребность (идея) существует, и можно приступить к следующему логическому этапу.
Определение цели
Определение потребности — это в основном умствен ная деятельность, приводящая к появлению идеи, которую необходимо перенести на бумагу, сформулировав ее как некоторую цель. Такая формулировка в общих выражени ях определяет, что должен сделать конструктор для удов летворения потребности, и представляет собой д о ео л ьн о общее описание требуемого конечного продукта. Многие трудности, встречающиеся при проектировании, часто обус ловлены тем, что цели формулируются неудовлетворитель но либо поспешно.
В качестве примера процесса проектирования на дан ном этапе рассмотрим случай, когда частнопрактикующего инженера (консультанта) беспокоит то, что уборка опав ших листьев с лужайки требует больших хлопот и отнима ет много1времени, которое он с большим удовольствием по тратил бы на игру в гольф. После прочитанной в газете