книги из ГПНТБ / Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования, научное обоснование решений

статьи, озаглавленной «Сжигание листьев осенью увели­ чивает загрязнение воздуха», он приходит к выводу, что существует настоятельная потребность в устройстве, уби­ рающем опавшие листья. После тщательного обдумывания и разговоров с соседями он сформулировал цель в следу­ ющем виде: «Разработать устройство (или систему) для уборки опавших листьев с пригородных лужаек и газонов; устройство должно быть безопасным, простым в эксплуа­ тации и не увеличивать загрязнение воздуха».

Научные исследования

Чтобы изделие новой конструкции имело шансы на ус­ пех (т. е. пользовалось спросом), необходим сбор всей до­ ступной информации, связанной с достижением поставлен­ ной цели. Для этого можно использовать следующие ис­ точники информации: технические и профессиональные журналы, реферативные журналы, отчеты о научных ис­ следованиях (в правительственных и частных организаци­ ях), технические библиотеки, каталоги поставщиков ком­ плектующих элементов, материалы патентного бюро США. Эта информация может отражать уже полученные резуль­ таты, современное состояние вопроса и наличие оборудова­ ния, необходимого для достижения поставленной цели. Не­ редко результатом сбора информации является изменение или отказ от цели, так как оказывается, что подобное из­ делие уже существует. Безусловно, такая информация избавит конструктора и фирму от многих затруднений и позволит сэкономить время и деньги.

Формулировка задания

На этом этапе конструктор должен перечислить все ос­ новные данные, определяющие разработку изделия и обес­ печивающие достижение поставленной цели. Важно иметь в виду, что формулировка задания должна представлять собой не свод правил для конструктора, а скорее памятку, помогающую направить усилия на достижение поставлен­ ной цели. Поскольку на этом этапе конструктор должен уметь творчески мыслить, охватывая все этапы работы над изделием, то он может подвергнуть сомнению поставлен­ ную цель, может пересмотреть ее или даже отказаться от проекта.

Возвращаясь к приведенному выше примеру, следую­ щий неполный перечень можно рассматривать как некото­ рую часть формулировки задания:

Фиг. 3.3. Эскизы возможных вариантов (концепции).

3 — к водопроводному крану.

Д.Подборщик листьев-газонокосилка-разбрасыватель извести.

Е.Переносная печь для сжигания листьев.

Фиг. 3.4. Матрица решений.

ствует весовой коэффициент, принимающий значение от О до 1. Сумма всех весовых коэффициентов равна 1. Если критерии хорошо известны, то можно сразу написать со­ ответствующие коэффициенты. В противном случае еди­ ницу делят на число критериев (например, 1/С„ = 1/9 = = 0,11) и полученное число изменяют в соответствии с от­ носительной важностью критерия и его влиянием на изде­ лие, сохраняя сумму коэффициентов равной 1. Эта величи­ на дает представление о коммерческой пригодности из­ делия.

Каждый вариант в зависимости от его соответствия конструктивным критериям получает соответствующее число баллов (от 0 до 10). Отметим, что при рассмотрении критерия стоимости варианты, требующие больших за­ трат, получают наименьшее число баллов. Это число, за­ писанное в верхней половине клетки матрицы, умножает­ ся на весовые коэффициенты (произведение записывается в нижней половине), затем вычисляется сумма, которая показывает, какой из вариантов наилучшим образом соот­ ветствует поставленной цели. На фиг. 3.4 варианты Б а Г имеют самые большие значения суммы произведений (оч­ ков), поэтому эти концепции заслуживают перехода па следующий этап. Для варианта Г шансы на успех соответ­ ствуют от 8,18 до 10, а для варианта Б — от 8,14 до 10 оч­ ков. (Наибольшее число очков равно 10.) Если же сумма очков меньше 5, то концепция вряд ли заслуживает даль­ нейшего рассмотрения. Поскольку создание прототипов двух устройств для проведения испытаний и эксперимен­ тов требует больших затрат, целесообразно составить под­ матрицу решений для этих двух вариантов. После анали­ за подматрицы выбирают один из вариантов, который бу­ дет допущен на последующие этапы проектирования. Впдпо, что исключительно важное значение для точности данных, на основе которых принимается окончательное решение, имеет правильный выбор значений весовых коэф­ фициентов и числа баллов. Следовательно, выбор коэффи­ циентов и числа баллов должен проводиться на основе мак­ симально возможного объема информации при полном по­ нимании решаемой задачи н полном проявлении здравого смысла.

Анализ

После того как выбрана концепция, определяющая воз­ можное решение поставленной задачи, ее проверяют на со­ ответствие физическим законам. Эта проверка называется анализом. Вместе с выработкой концепции анализ образу-

3*

ет итеративный процесс. Часто в результате анализа тре­ буется изменить концепцию или сформулировать новую идею. После этого новая концепция снова подвергается анализу. Таким образом, осуществляется непрерывный переход от анализа к выработке концепции, и обратно, пока разработка не начнет приобретать реальное содер­ жание.

Анализ протекает в двух основных формах: оценка и следующее за ней определение порядка величины. Оценка представляет собой суждение, основанное на опыте, однако это не догадка. Инженер может легко оценить внутренние размеры гаража для одного или двух современных легко­ вых автомобилей, но когда он попытается предсказать, ка­ кие размеры будет иметь легковой автомобиль через десять лет, то это будет чистой догадкой. Если же он имеет опыт в области перспективных разработок автомобилей, то его суждение будет не догадкой, а оценкой. Оценка, если она возможна, дает конструктору общее представление о кон­ цепции и помогает конкретизировать некоторые детали. После оценки определяется порядок величины. Как извест­ но, изменение величины на порядок означает ее изменение примерно в 10 раз; например, в интервале от ІО-4 до ІО5 величина изменяется на порядок девять раз. Поскольку анализ требует больших затрат, является утомительным занятием и поглощает много времени, конструктор дол­ жен установить, когда для получения необходимой инфор­ мации следует проводить анализ первого порядка (т. е. грубый подсчет) и когда проводить анализ более высокого порядка. Быстродействующие вычислительные машппы при наличии соответствующей программы в настоящее вре­ мя позволяют проводить анализ более высокого порядка при приемлемых затратах.

Эксперимент

В классическом смысле эксперимент представляет со­ бой совокупность наблюдений, выполняемых в контроли­ руемых условиях. Классическая статистика требует, что­ бы условия, в которых проводится эксперимент, постоянно находились под контролем. При проектировании введение контроля с целью обеспечения постоянства окружающих условий часто превращает реальную ситуацию в непред­ ставительную систему. В результате получают неполные и л и неточные данные, если их рассматривать с точки зре­ ния реальной ситуации. (Настоящие испытания автомоби­ ля должны проводиться на испытательном полигоне, а не в лаборатории.)

При инженерном проектировании на стадии экспери­ мента создаваемое изделие (или процесс) испытывается для проверки правильности выбранной концепции и про­ веденного анализа с тонки зрения работоспособности изде­ лия, прочности и соответствия рабочим характеристикам. На данной стадии идеи, выраженные на бумаге, превраща­ ются в реальные вещи: макет, модель или прототип изде­ лия.

Макет изделия обычно создается в масштабе и изготав­ ливается из пластмассы, дерева пли картона. Он использу­ ется для проверки величины зазоров, методов сборки, спо­ собов изготовления и для демонстрации внешнего вида. Макет служит также для убеждения руководителей фир­ мы или заказчика в правильности выбранной идеи. Хотя макет не дает большого количества информации, его изго­ товление сравнительно несложно и не требует много вре­ мени. В химической промышленности изготавливаются масштабные недействующие лабораторные макеты для иллюстрации процессов о ч и с т к и , позволяющие получить наглядное представление о реальной системе.

Более дорогостоящим методом накопления эксперимен­ тальных данных является создание модели, отражающей реальную систему по принципу подобия элементов. Для прогнозирования поведепия реальной системы использу­ ются следующие четыре типа моделей: полная, физичес­ кая, частичная и математическая. Полная модель, как сле­ дует из ее названия, является геометрически точным ото­ бражением реальной системы, она построена в масштабе и удовлетворяет всем ограничениям, налагаемым конструк­ тивными параметрами. Физическая модель создается для проверки определенных характеристик конструкции и не предназначается для получения информации о всей кон­ струкции. В частичной модели специально вводится откло­ нение от одного или большего числа конструктивных пара­ метров. Такие модели используются в том случае, когда выполнение определенных условий вследствие нехватки времени, отсутствия материалов и т. д. невозможно и ког­ да ожидается, что искажение параметров обеспечит полу­ чение надежной информации. Математические модели не имеют очевидного сходства с реальной системой, но благо­ даря соответствующим аналогиям дают точную информа­ цию о поведении системы. Примером моделей такого типа являются аналоговые вычислительные устройства.

Наиболее дорогостоящим и обеспечивающим наиболь­ шее количество полезной информации экспериментальным методом является создание прототипа. Прототип — это по­ строенная в натуральную величину действующая реальная

система. На прототипе конструктор может отработать спо­ собы изготовления, методы сборки, работоспособность, прочность и рабочие характеристики изделпя в реальных условиях. Наибольшие затруднения при создании прототи­ па обусловлены нехваткой времени, затратами и нежела­ нней изменять пли совершенствовать конструкцию, когда конечный продукт уже налицо.

Как правило, для обеспечения многократного перехода от выработки концепции к апализу и обратно па стадии эксперимента вначале необходимо изготовить макет, затем модель к, наконец, после того как на макете и модели будет показана реальная ценность изделия, создавать прототпп.

Решение

На этом этапе требуется конкретная информация об устройстве, системе пли процессе. Конструктор должен из­ ложить на бумаге своп мысли о проекте так, чтобы он мог убедить руководителей фирмы или заказчика в правиль­ ности идеи. Кроме того, он дает предложения по изготов­ лению изделия п организации обслуживания его па начальных этапах массового производства. Решение пред­ ставляется в форме отчета, содержащего детальное описа­ ние устройства (а также его соответствия потребности п функционирования), чертежи деталей и сборочные черте­ жи, техническое задание на изготовление, перечень стан­ дартных деталей, калькуляцию затрат и некоторые допол­ нительные сведеппя.

Изготовление изделия

На этапе изготовления конструктор работает совместно с другими специалистами, так как необходимо учитывать наличие производственного оборудования п запасов, подго­ товку персонала, объем производства, срокп выпуска гото­ вой продукции, контроль качества н т. д. Опытный конст­ руктор должен знать производственные возможности своей фирмы или фирмы заказчика и в процессе проектирова­ ния поддерживать тесный контакт с инженером-техно- логом.

Распределение продукции

Распределение продукции связано с организацией массо­ вого производства (см. гл. 1). К сожалению, в настоящее время конструктор практически не участвует в распреде­ лении, так как обычно этим вопросом занимаются другие

специалисты. На этом этапе решаются такие задали, как отправка продукции на рынок, установление конкуренто­ способных цен, определение наплучшего времени сбыта продукции, организация рекламы, выпуск рекламных про­ спектов, проверка рынков сбыта, изучение прибылей и т. д. Поэтому целесообразно, чтобы руководители фирмы консультировались с конструктором, поскольку он знает изделие лучше, чем кто-либо другой, и может иметь идеи, способные обеспечить хороший сбыт продукции.

Потребление

Точные записи и исследования, выполненные на этапе потребления, могут значительно облегчить изменение мо­ делей существующих изделий и оказать большую помощь в успешной разработке новых изделий. На этом этапе оп­ ределяются круг покупателей и области использования изделия, учитываются претензия п замечания покупателей, реакция конкурентов, проводится ремонт и обслуживание. Информация такого рода собирается в основном продав­ цами.

Хотя этап потребления всего лишь завершающий этап процесса проектирования, именно на потребление нацелен весь процесс проектирования п именно на этом этапе из­ делие проходит настоящую проверку как с точки зрения репутации фирмы, так и с точки зрения обеспечения при­ были.

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД

Морфологический подход (morphological approach) — это подход, «связанный с теорией, структурой п формой организации или системы». Специалисты по проектирова­ нию этим термином называют метод логической организа­ ции идей при проектировании, который отличается от тра­ диционных методов, основанных на интуиции и опыте.

Морфологический подход в проектировании представ­ ляет собой довольно строгий математический метод выбо­ ра и комбинирования различных этапов для достижения поставленной цели. Неопытному конструктору он помога­ ет с самого начала активно включиться в решение пробле­ мы и служит средством организации и ведения работы в наиболее плодотворном направлении. На фиг. 3.5 показано применение морфологического подхода на разных этапах процесса проектирования. Видно, что данный подход охва­ тывает в основном этапы от научно-исследовательской ра-