ПТТ Заочники / ПТТ_4

4 ЗАКОНЫ СТРОЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ

4.1 Закон прогрессивной эволюции техники

Формулировка гипотезы о законе. Гипотеза о законе прогрес-

сивной эволюции техники имеет следующую формулировку.

В технических объектах с одинаковой функцией переход от по-

коления к поколению вызван устранением выявленного главного де-

фекта (дефектов), связанного с улучшением критериев развития. Этот переход происходит при наличии необходимого научно технического уровня и социально-экономической целесообразности следующими наиболее вероятными путями иерархического исчерпания возможно-

стей конструкции:

а) при неизменном физическом принципе действия и техниче-

ском решении улучшаются параметры технического объекта до при-

ближения к глобальному экстремуму по значениям параметров;

б) после исчерпания возможностей цикла а) происходит переход к более рациональному технического решению (структуре), после че-

го развитие опять идет по циклу а). Циклы а) и б) повторяются до приближения к глобальному экстремуму по структуре для данного принципа действия. При этом значения критериев развития, как пра-

вило, изменяются в соответствии с функцией вида

где , , , 1 – коэффициенты, определяемые по статистическим данным; – время. Функция вида (4.1) называется S-функцией.

в) после исчерпания возможностей циклов а) и б) происходит переход к более рациональному физическому принципу действия, по-

сле чего развитие опять идет по циклам а) и б). Циклы а) – в) повто-

ряются до приближения к глобальному экстремуму по принципу дей-

ствия для множества известных физических эффектов.

Рис. 4.1. Закономерность изменения значений критерия развития при неизменном принципе действия

Таким образом, суть закона можно сформулировать следующим образом. В технических объектах с одинаковой функцией каждый пе-

реход от поколения к поколению вызван устранением возникшего главного дефекта (дефектов), связанного с улучшением какого-либо критерия (показателя) развития при наличии определенных технико-

экономических условий.

Методология системного иерархического выбора глобально оп-

тимальных конструкторско-технологических решений. Самое важное приложение закона прогрессивной эволюции заключается в построе-

нии на его основе методологии системного иерархического выбора глобально оптимальных конструкторско-технологических решений.

Эта методология основывается на сознательном использовании зако-

на в управлении прогрессивной эволюции технического объекта в це-

лях ее ускорения. При этом решается иерархическая последователь-

ность задач поискового проектирования и конструирования, связан-

ных с разработкой новых изделий или технологического оборудова-

ния.

На первом этапе для заданной функции (требований и условий)

выбирается более рациональная функциональная структура разраба-

тываемого прибора, машины или технологического комплекса; на втором этапе для выбранной структуры определяется наиболее эф-

фективный принцип действия; на третьем этапе осуществляется по-

иск наиболее рационального технического решения для выбранного принципа действия; на четвертом этапе – моделирование принятого технического решения и оптимизация его параметров.

Если при наличии необходимого научно-технического потен-

циала переход к новому техническому решению или принципу дейст-

вия обеспечивает получение дополнительной эффективности, суще-

ственно превышающей дополнительные интеллектуальные и произ-

водственные затраты, то может произойти скачок к новому техниче-

скому решению или принципу действия без исчерпания возможно-

стей предыдущего технического решения или принципа действия.

Частные закономерности изменения конструкторско-

технологических решений. Закон прогрессивной эволюции включа-

ет действие частных закономерностей изменения конструкций, кото-

рые с довольно высокой вероятностью указывают возможные на-

правления изменения технического решения для устранения обнару-

женного дефекта или улучшения соответствующего критерия разви-

тия.

При разработке новых поколений технических объектов имеет смысл целенаправленно формулировать и использовать частные за-

кономерности изменения конструкции. Для этого выполняются рет-

роспективные изучения и анализ конструктивной эволюции рассмат-

риваемого класса технических объектов. Целесообразно также изу-

чить конструктивную эволюцию других классов технических объек-

тов, имеющих близкие функции и опережающие темпы развития.

Такие исследования позволяют, во-первых, выделить наиболее актуальные и важные для следующего поколения критерии развития

(показатели качества, потребительские свойства), под влияние кото-

рых в основном произойдут изменения в конструкции или техноло-

гическом процессе, а во-вторых, определить частные закономерности изменения технического объекта, имеющие решающее влияние в по-

следующей эволюции.

Прогнозирование изменения значений критериев развития.

В рамках закона прогрессивной эволюции действует очень важная за-

кономерность изменения критериев развития на протяжении сущест-

вования одного и того же физического принципа действия.

Прогнозирование с помощью S-функции позволяет установить,

насколько недоиспользованы возможности применяемого физическо-

го принципа действия. Если эти возможности имеют значительные резервы, то на основе прогнозирования можно сформулировать ре-

альное задание на улучшение интересующих главных показателей.

Если же прогноз покажет, что возможности принципа действия прак-

тически исчерпаны, то будет сделан обоснованный вывод о необхо-

димости перехода на новый физический принцип действия. В связи с этим возникает задание на поиск и разработку более перспективного принципа действия.

4.2 Закон соответствия между функцией и структурой

Формулировка гипотезы о законе. Главная суть закона заклю-

чается в том, что в правильно спроектированном техническом объек-

те каждый элемент от сложных узлов до простых деталей и каждый конструктивный признак имеют вполне определенную функцию (на-

значение) по обеспечению работы технического объекта. Если ли-

шить такой технический объект какого-либо элемента или признака,

то он либо перестанет работать (выполнять свою функцию), либо ухудшит показатели своей работы. Т.е. у правильно спроектирован-

ных лишних объектов нет «лишних деталей».

Гипотеза о законе соответствия между функцией и структурой технического объекта имеет следующую формулировку.

Каждый элемент технического объекта или его конструктивный

признак имеют хотя бы одну функцию по обеспечению реализации функции технического объекта, т.е. исключение какого-либо элемен-

та или признака приводит к ухудшению какого-либо показателя тех-

нического объекта или прекращению выполнения им своей функции.

Совокупность всех таких соответствий в техническом объекте пред-

ставляет собой функциональную структуру в виде ориентированного графа, который отражает системную целостность технического объ-

екта и соответствие между его функцией и структурой (конструкци-

ей).

Использование закона в анализе функций и построении

функциональных структур технического объекта. Закон соответ-

ствия между функцией и структурой имеет ряд закономерностей.

Закономерность функционального строения обрабатывающих

(технологических) машин.

Технический объект, предназначенный для обработки матери-

ального предмета труда, состоит из четырех подсистем (элементов)

выработанного конечного продукта Ак и энергии Wк;

Ф4 – функция планирования – собирает (получает) информацию

Q0 о произведенном конечном продукте Ак и определяет потребные Q

качественные и количественные характеристики конечного продукта.

Рис. 4.2. Обобщенная функциональная структура обрабатывающих машин

Закономерность функционального строения преобразователей энергии и информации (источники энергии, информационные прибо-

ры и системы).

Технический объект, предназначенный для получения и обра-

ботки энергии (информации), состоит из четырех подсистем (элемен-

тов) , , , (рис. 4.3), реализующих соответственно четыре

функции:

Рис. 4.3. Обобщенная функциональная структура источников энергии и информационных приборов и систем

Ф1 –функция получения первичной энергии (информации) – пре-

вращает вещество или извне полученную энергию (сигналы, инфор-

мацию) Wв в исходный (первичный) вид энергии (информации) W0,

удобный для дальнейшей обработки и преобразования;

Ф2 – функция преобразования – превращает исходный вид энер-

гии (информации) W0 в конечный вид Wк, необходимый для исполь-

зования;

Ф3 – функция управления – осуществляет управляющие воздей-

ствия U1, U2 на подсистемы S1, S2 в соответствии с заданной програм-

мой Q и полученной информацией о количестве и качестве полу-

ченного вида энергии (информации) Wк;

Ф4 – функция планирования – собирает (получает) информацию

Q0 о полученной конечной энергии Wк и определяет потребные Q ка-

чественные и количественные характеристики конечной энергии

(информации) Wк.

Закономерность функционального строения сооружений.

Технические объекты, предназначенные для ограждения каких-

либо функционально обусловленных объектов G от метеорологиче-

ских воздействий и (или) поддержания их в определенном положе-

нии, состоят из трех подсистем , , (рис. 4.4), реализующих со-

ответственно три функции:

Рис. 4.4 Обобщенная функциональная структура сооружений

Ф1 –функция ограждения – обеспечивает защиту функциональ-

но обусловленных объектов G от метеорологических воздействий

(ветра, осадков, резкой смены температуры, влажности и т.п.);

Ф2 – функция передачи усилий – обеспечивает восприятие нагру-

зок от функционально обусловленных объектов G, находящихся внутри сооружения, действия внешних сил, силы тяжести подсистем

S1, S2 и передачу всех этих условий на подсистему S3;

Ф3 – функция восприятия усилий – обеспечивает передачу всех усилий от сооружения на грунт основания и устойчивое положение сооружения.

Использование закона в методах поиска более рациональ-

ных и эффективных конструкторско-технологических решений.

Закономерность многозначного соответствия между функцией и структурой. Любая функция и соответственно функциональная структура могут иметь множество структур (конструкций), реали-

зующих эту функцию. И, наоборот, у многих технических объектов и их элементов могут быть выбраны такие структуры, которые будут выполнять более одной функции.

Наиболее высокий класс задач технического творчества связан с поиском новых, более рациональных функциональных структур тех-

нологических комплексов, отдельных машин и оборудования. На ос-

нове закона соответствия между функцией и структурой и его зако-

номерностей проводят анализ функциональных структур разрабаты-

ваемых машин или технологических комплексов в целях поиска бо-

лее эффективных конструкторско-технологических решений. Этот анализ сводится к следующему.

1. Оценка функциональной ценности каждого элемента с точки зрения его исключения и передачи его функции другому элементу.