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

боты до выработки концепции. Ниже показано, что, хотя морфологический подход и включает этап научно-исследо­ вательской работы, научные исследования должны прово­ диться отдельно, и их результаты затем сравниваются с ре­ зультатами этапов 1—5.

Рассмотрим этапы морфологического подхода.

Этап 1. Определение области исследования

На данном этапе осуществляется постановка задачи, формулировка идей и выработка концепции в форме па­ раметров и возможных вариантов, перечисленных на мор­ фологической карте (фпг. 3.6). Параметры в общем виде описывают характерные особенности и функции изделия (каким должно быть изделие или что оно должно иметь). Возможные варианты обычно представляют собой описа­ ние способов или средств, обеспечивающих достижение требуемых параметров.

Морфологическая карта дает все возможные решения проблемы в рассматриваемых пределах и содержит наи­ лучшее решение. Исследование основных материалов край­ не важно для получения перечня параметров и возможных вариантов. Если в результате исследования найдены ком­ мерчески выгодные решения поставленной задачи, они дол­ жны быть перечислены на этой карте. Морфологический подход позволяет прп подготовке и пересмотре карты про­ водить анализ н синтез одновременно. Анализ выполняет­ ся для определения параметров и возможных вариантов, а синтез для отыскания окончательного решения (этап 5).

Этап 2. Выбор основы (или основ) для сравнения

На этапе 1 определяются все возможные варианты из­ делия при заданных ограничениях, на этапе 2 конструктор должен выбрать основу (плп основы) сравнения вариан­ тов и отобрать наплучший вариант. За основу сравнения можно принять такпе показатели, как стоимость, просто­ та, прочность или вес. Если за основу сравнения принима­ ется несколько критериев, то конструктор должен располо­ жить пх в порядке важности.

Этап 3. Количественное выражение основы (или основ) сравнения

На этапе 3 для основы сравнения устанавливаются оп­ ределенные пределы. Основа сравнения определяется как можно точнее путем выполнения научных исследований, изучения производственных возможностей, возможностей сбыта и принимаемых допущений или проведения кон­ сультаций с заказчиком.

Этап 4. Сужение области исследования

Используя основу (или основы) сравнения и метод ис­ ключения, область исследования можно сузить и свести к нескольким оптимальным решениям. Сужение можно вы­ полнять путем анализа строк и л и столбцов. Поскольку чис­ ло строк равно числу параметров, каждую строку можно анализировать отдельно. Меиее подходящие варианты в строке можно исключить (на фиг. 3.6 они не подчеркнуты) и, таким образом, получить оптимальное решение. После исключения в строках приступают к анализу столбцов, ко­ торый проводится более детально, требует тщательного исследования и должен выявить решение, успех которого наиболее вероятен.

Этап 5. Выбор окончательного решения

Сопоставляя оставшиеся в каждом столбце варианты с параметрами, получаем ряд решений. Затем эти решения сравниваются между собой и наилучшее из них выбира­ ется для анализа и эксперимента. Оно является оконча­ тельным решением, удовлетворяющим поставленной цели.

ОПТИМИЗАЦИЯ

Обеспечение оптимальных результатов при проектиро­ вании изделия (системы) — залог успешного проектирова­ ния. Проектирование будет оптимальным, если получены, например, наилучший внешний вид при минимальных за­ тратах, наибольшая мощность при минимальном весе или наилучшее качество при наименьшем расходе материалов. Конструкторы ищут оптимальные решения с момента вы­ дачи первого патента н, по-впдимому, с момента изобрете­ ния колеса, которое является хорошим примером оптималь­ ной конструкции. В последние годы процесс получения наилучшей конструкции или максимизации характеристик при минимальных затратах получил название оптимиза­ ции или оптимального проектирования.

Многие важные технические достижения появились благодаря оптимизации. Предварительно напряженный бетон явился результатом поисков более легких покрытий, способных выдерживать большие нагрузки на взлетно-по­ садочных полосах. Процесс декатирования был разработан для сведения к минимуму усадки тканей. Дюралюминий (сплав алюминия п стали) обеспечивает максимальную прочность при минимальном весе. Шариковая ручка ил­ люстрирует максимизацию подачи пишущего состава, удобства и качества прп минимизации стоимости. Любой из нас принимает оптимальные решения каждый день, совершая торговые сделки прп покупке товаров, выбирая кратчайший путь на работу н т. д.

Однако недостаточно оптимизировать лишь процесс проектирования. Весь процесс — от творческого вдохнове­ ния до получения конечного продукта — должен быть оп­ тимизирован, чтобы получить наилучшпй из возможных результатов. Необходимо оптимизировать время разработ­ ки, этап научных исследований, руководство созданием но­ вых изделий и анализ возможностей сбыта, однако не сле­ дует возлагать больших надежд, если проектирование уже находится на одном из завершающих этапов. Оптимальное проектирование как метод играет наиболее важную роль в

процессе аналпза, эксперимента п на этапе производства. Некоторую помощь в обеспечении оптимального проекти­ рования инженеру могут оказать следующие процедуры.

Принятие субъективных решений

Оптимизация должна быть своего рода психологиче­ ской установкой il должна осуществляться инженером пу­ тем непрерывного пересмотра конструкции на основе его опыта. Он должен учитывать при этом стоимость, расход материалов, методы производства, спмпатпп п антипатии клиентов, должен быть осведомлен о новых разработках, о конкуренции и т. д. Пересмотр приводит к принятию ин­ туитивного решения, близкого к оптимальному, относитель­ но каждой мелкой детали конструкции.

Общие принципы

В процессе учебы и дальнейшего приобретения опыта инженер знакомится с определенными фактами и так на­ зываемыми «эмпирическими правилами», которые он при­ меняет в процессе проектирования автоматически. И хотя эти общие принципы иногда применяются неосознанно, онн являются общепринятым методом оптимизации. Например, чем больше поршней в двигателе, тем легче достигается динамическое равновесие; элементы фермы пли конструк­ ции геометрически располагаются таким образом, чтобы нагрузка распределялась равномерно; следует устранять острые углы, выемки и закругления малого радиуса на на­ пряженных деталях, поскольку они приводят к концентра­ ции напряжения; нельзя запускать электродвигатель при полной нагрузке; изгибающие напряжения можно умень­ шить, увеличив момент инерцпп сеченпя, н т. д.

Графические и аналитические методы

Для оптимизации проектирования применяются графи­ ческие и аналитические методы. При графическом методе для проверки конструкции на соответствие определенным критериям выполняют в масштабе чертеж изделия (дешев­ ле изготовить чертеж, чем само изделие). Чертеж можно изменять многократно (пока конструктор не достигнет це­ ли), а изменять реальную систему обычно очень дорого. Примеры графической оптимизации: выбор размеров вет­ рового стекла автомобиля для обеспечения водителю мак­ симального обзора; проектирование автомобильных стекло­ очистителей, очищающих максимально возможную пло-

стекла.

Аналитические методы оптимизации основаны на сос­ тавлении уравнения, удовлетворяющего некоторым усло­ виям и содержащего оптимизируемые показатели (стои­ мость, вес, геометрические размеры, объем и скорость). После того как уравнение составлено, беглый анализ его членов часто позволяет определить поведение некоторых переменных при изменении (увеличении или уменьшении) физических характеристик изделия. Если уравнение сос­ тавлено верно, его можно дифференцировать и строить по нему графики и номограммы.

Поиск компромиссных решений

К сожалению, реальный мир не содействует конструк­ тору в его поисках оптимальных решений. Известно, что нельзя получить самую прочную и в то же время самую легкую конструкцию; нельзя, чтобы на мелкие детали ложилась основная нагрузка; поверхности, имеющие наи­ меньшую площадь, не могут охватывать наибольший объ­ ем. Инженер должен постоянно искать, чем можно посту­ питься, чтобы обеспечить оптимальность одной или не­ скольких характеристик. Так, чтобы получить наибольшую прочность, необходимо пойти на увеличение веса и стои­ мости; чтобы с вероятностью 95% обеспечить размещение мужчины-оператора, следует отказаться от плавных ли­ ний и перейти к прямоугольным кабинам; чтобы обеспе­ чить максимальный прием радио- и телевизионных пере­ дач, встроенные антенны необходимо заменить выносными.

НАДЕЖНОСТЬ

Конечная цель инженера-конструктора — создать уст­ ройство или систему, оптимально удовлетворяющую по­ ставленным требованиям, соответствующую техническому заданию и удовлетворительно функционирующую в тече­ ние заданного промежутка времени при прогнозируемых окружающих условиях. Последняя характеристика изде­ лия рассматривается как конструктивный параметр с мо­ мента появления в начале 1950-х гг. метода расчетов, основанного на теории надежности. Надежность изделия представляет собой вероятность того, что изделие будет функционировать нормально в течение заданного проме­ жутка времени при известных рабочих условиях (услови-

ях окружающей среды). Легко представить трудности ав­ томобильной фирмы, которая должна создать стандартный легковой автомобиль, способный удовлетворительно рабо­ тать как в штате Мэн, так н в штатах Флорида и Калифор­ нии: окраска автомобиля должна выдерживать солнце пустыни, соль, разбрасываемую на дорогах против обледе­ нения, смог индустриальных центров п соленые брызги океана; владельцем автомобиля могут оказаться мужчи­ на п женщина средних лет, отчаянный лпхач и скромная старушка. К счастью, надежность имеет точный смысл. Можно не только дать определение надежности, можно вы­ числить, оценить, измерить, проверить, предсказать и обес­ печить необходимую надежность комплекса оборудования. Когда жизнь человека зависит от правильного функциони­ рования некоторых элементов системы, например, таких, как устройство герметизации в реактивном самолете, ру­ левое управление в автомобиле, искусственное сердце в операционный палате, надежность играет исключительно важную роль.

Как изготовитель, так и потребитель хотели бы иметь удовлетворительный уровень надежности всех выпускае­ мых изделий. При современном развитии техники дости­ жение этой цели вполне возможно; конструктор должен увеличить коэффициент надежности, рассчитывая каждый элемент системы с запасом. При этом система будет спро­ ектирована с запасом прочности. В прошлом, когда мате­ риалы были в избытке и хватало квалифицированной ра­ бочей силы, конкуренция отсутствовала и темпы техниче­ ского прогресса были медленными, такая практика была обычной. Однако в настоящее время при проектировании устройства пли системы необходимо стремиться к мини­ мальным затратам, минимальным весу и размерам, опти­ мальному расходу материалов и надежности, находящейся в допустимых пределах.

Определение количественного показателя надежности основано на теории вероятностей. Пример вычисления по­ казан на фиг. 3.7. В таблице на фиг. 3.7, а приведены экс­

тов оказалось, что 85 из них вышли из строя в течение первого часа, 43 — в течение второго, 24 — в течение тре­ тьего часа и т. д. Число отказов начинает выравниваться примерно через 8 ч работы. Эти данные подчиняются нор­ мальному закону распределения, при этом около 250 эле­ ментов (половина) при расчетном рабочем времени 50 ч продолжала работать после этого периода, а последний элемент вышел из строя после 99 ч работы. Рассматри-

пая надежность элементов как долю времени, в течение которого работает каждый из них, ее можно выразить ко­ личественно следующим образом:

По значениям надежности, вычисленным на основе экс­ периментальных данных для каждого часа, построен график завпснмостн надежности от времени работы (фиг. 3.7, б), который называется стандартной кривой на­ дежности. Кривая R = f(t) имеет экспоненциальную форму и проходит очень близко от теоретической кривой, описы­ ваемой уравнением /? = e_-Fi= e_,/i'r, где F — интенсивность отказов, а М= 1/F — средняя наработка па отказ. Это урав­ нение выражает экспоненциальный закон надежности.

Две кривые не совпадают друг с другом, так как закон R = e~FI осиоваи на постоянной интенсивности отказов F. Обычно это справедливо для готовой продукции, направ­ ляемой покупателю, поскольку при испытаниях первых промышленных образцов изготовитель производит отйраковку продукция.

По данным таблицы (фиг. 3.7, а) вычислим интенсив­ ность отказов F, т. е. долю элементов, вышедших из строя за единицу времени, и N — среднюю численность со­ вокупности в рассматриваемом промежутке времени:

F (12 ч) = — = 0,013,

У297

По этим данным построена кривая интенсивности от­ казов элементов (фиг. 3.7, в) как функция времени ра­ боты. Из графика видно, что в результате приработочиых отказов интенсивность отказов в период испытаний, прово­ димых изготовителем, убывает. Во время работы интенсив­ ность отказов невелика и постоянна, элементы выходят из строя случайным образом до конца расчетного срока службы (50 ч). Можно ожидать, что почти половина эле­ ментов будет функционировать после расчетного срока службы при непрерывном увеличении интенсивности от­ казов. Итак, из экспериментальных данных следует, что для изготовителя важно проводить начальные испытания

изделий для отбраковки продукции. При соответствующем контроле качества число вышедших из строя изделий мож­

строя). Если же речь идет о телевизоре, то его элементы необходимо заменять перед концом расчетного срока служ­

теоретически при плановом техническом обслуживании и замене элементов система должна работать бесконечно долго.

На фиг. 3. 7, г приведены зависимости надежности от затрат. Как и следовало ожидать, начальные затраты воз­ растают при увеличении надежности и достигают некото­ рой неприемлемой величины при попытке обеспечить на­ дежность, равную 1. В то же время при увеличении на­ дежности отдельных элементов стоимость эксплуатации оборудования уменьшается за счет экономии на ремонте, сокращения времени простоя и времени пуска. Обитую стоимость получают, суммируя ординаты этпх двух кри­ вых. Минимальная общая стоимость См находится путем проведения касательной к кривой, параллельной оси абс­ цисс, в точке, соответствующей надежности RM . Оптималь­ ное отношение надежности RQ к общей стоимости С0 опре­ деляется путем проведения касательной к кривой через начало координат 0. Данные, подобные изображенным на фиг. 3.7, полученные для отдельных изделий, оказывают большую помощь инжеиерам-конструкторам в определе­ нии надежности аналогичных изделий.

Для ннженсров-копструкторов и потребителей пред­ ставляет интерес также средняя наработка на отказ М, ко­ торую можно вычислить по формуле М = i/F.

Из фиг. 3.7, г {F~ 0,015) находим, что средняя нара­ ботка на отказ составляет М = 1/0,015 ==66,7 ч.

Наряду с совершенствованием коптроля качества п по­ вышением прочности нижепер-коиструктор может увели­ чить надежность системы путем резервирования. Резерви­ рование представляет собой дублирование элементов

элемент не работает, но в момент отказа системы он начи­ нает нормально функционировать. Простым примером ре­ зервирования является запасное (пятое) колесо автомо­ биля, которое используется только в том случае, когда спустит шина. Это колесо считается резервным элементом для данной системы.