- •С.Г. Ярушин, А.Г. Схиртладзе
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Часть I.
- •ОБОРУДОВАНИЯ
- •ПРОЕКТИРОВАНИЯ НОВОЙ ТЕХНИКИ
- •2.2. Общие свойства объектов проектирования
- •2.2.1. Реализуемые функции и взаимодействие с внешней средой
- •2.2.2. Функциональная структура
- •2.3. Классификация оборудования
- •2.4. Оценка работы технической системы
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Техническая функция (ТФ)
- •Характеристика и отличительные признаки операций Коллера Е
- •3.3. Функциональная структура (ФС)
- •3.4. Описание физического принципа действия
- •3.5. Описание физико-технических эффектов
- •3.6. Техническое решение
- •3.7. Проект
- •3.8. Объект
- •Контрольные вопросы
- •4.1. Критерии развития
- •4.2. Выбор критерия
- •4.3. Показатели качества
- •4.4. Недостатки технического объекта
- •Контрольные вопросы
- •III. Закон гомологических рядов
- •V. Закон прогрессивной эволюции техники
- •5.2. Тенденции технического развития
- •Контрольные вопросы
- •Этапы работ по созданию технического объекта и временные периоды прогнозирования
- •6.1. Метод экстраполяции
- •6.2. Метод экспертных оценок
- •6.3. Метод моделирования
- •6.4. Схема процесса прогнозирования
- •Контрольные вопросы
- •Контрольные вопросы
- •ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •9.1. Определение и виды потребности
- •9.2. Что такое проектирование?
- •9.2.1. Постановка задачи
- •9.2.2. Проектирование как искусство, наука и ремесло
- •9.3. Проектирование с позиции теории отображения
- •9.4. Проектирование и искусственный интеллект
- •9.5. Основные понятия и принципы методологии проектирования
- •9.6. Концепция проектирования
- •9.7. Процедурная модель проектирования
- •9.8. Индивидуальная и коллективная работа
- •Контрольные вопросы
- •10.1. Техническое задание
- •10.2. Техническое предложение
- •10.3. Эскизный проект
- •10.4. Технический проект
- •10.5. Этап разработки рабочей документации
- •Контрольные вопросы
- •11.1. Этапы творческого процесса
- •11.2. Препятствия творчеству
- •11.2.1. Препятствия личного порядка
- •11.2.2. Препятствия организационного порядка
- •Контрольные вопросы
- •12.1. Метод проб и ошибок
- •12.2. Метод адаптивного поиска
- •12.3. Метод случайного поиска
- •Контрольные вопросы
- •ИЗВЕСТНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
- •14.1. Предварительная постановка задачи
- •14.2. Уточненная постановка задачи
- •Контрольные вопросы
- •СИСТЕМОТЕХНИКИ
- •15.1. Сложность современных задач проектирования
- •15.3. Преодоление сложностей традиционного процесса
- •проектирования
- •15.4. Проектирование системы человек - машина
- •ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
- •16.1. Всесторонняя экономия ресурсов
- •16.2. Порядок проведения ФСА
- •16.2.1. Подготовительный этап ФСА
- •16.2.3. Разработка улучшенных проектно-конструкторских решений
- •Пример оценки вариантов
- •16.2.4. Разработка и внедрение результатов ФСА
- •16.3. Дальнейшее развитие ФСА
- •Контрольные вопросы
- •ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
- •17.1. Использование возможностей подсознания
- •17.2. Метод прямой мозговой атаки
- •17.3. Метод обратной мозговой атаки
- •17.5. Синектика
- •Контрольные вопросы
- •18.1. Краткий обзор и классификация эвристических методов
- •18.2. Метод эвристических приемов
- •18.2.1. Количественные изменения
- •18.2.2. Преобразование формы
- •18.2.3. Преобразование структуры
- •18.2.4. Преобразования в пространстве
- •18.2.5. Преобразования во времени
- •18.2.6. Преобразование движения и силы
- •18.2.7. Преобразование материала и вещества
- •18.2.8. Приемы дифференциации
- •18.2.9. Использование профилактических мер
- •18.2.10. Использование резервов
- •18.2.12. Повышение технологичности
- •18.3. Обобщенный эвристический метод
- •19.1. Операции обработки информации
- •19.2. Метафорическое описание и анализ проблемной ситуации
- •Контрольные вопросы
- •МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •20.1. Проектант как «черный ящик»
- •20.2. Проектант как «прозрачный ящик»
- •20.3. Проектант как самоорганизующаяся система
- •20.4. Критерии управления проектными работами
- •Контрольные вопросы
- •АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
- •21.1. Морфологическая комбинаторика
- •21.3. Составление морфологических таблиц
- •21.4. Выбор наиболее эффективных технических решений
- •Комбинация из двух элементов
- •21.5. Пример решения задачи
- •22.1. Матрица взаимодействий
- •22.2. Сеть взаимодействий
- •22.5. Проектирование новых функций
- •Контрольные вопросы
- •23.1. Контрольные перечни
- •23.2. Ранжирование и взвешивание
- •23.2.1. Выбор соответствующей шкалы измерения
- •Контрольные вопросы
- •24.1. Сбор и анализ данных
- •Типовой метод накопления данных
- •24.2. Свертывание данных
- •24.3. Накопление и свертывание
- •24.4. Последовательность действий
- •Критерии методов накопления и свертывания данных
- •Контрольные вопросы
- •ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНОМУ МЕТОДУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЭТЧЕТТА
- •Контрольные вопросы
- •26.1. Критерии управления проектными работами
- •26.2. Стратегии проектирования
- •26.3. Как выбрать метод проектирования
- •Схема «Дано - требуется»
- •Часть III
- •КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •ПРОЕКТИРОВАНИЯ
- •Описание синтезированного с помощью ЭВМ известного ФПД датчика тока
- •28.2. Количественный синтез физических принципов
- •действия
- •Физическая сущность эффекта
- •Примеры описания ФЭ
- •29.1. Использование многоуровневых морфологических таблиц
- •29.3. Составление списка требований
- •29.4. Разработка модели оценки технических решений
- •29.5. Алгоритмы поиска решения на И - ИЛИ-дереве
- •Ограничения по типам свертки
- •29.6. Порядок решения задач
- •СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
Т а б л и ц а 3.3
Примеры описания физических операций
Наименование ТО
|
Вход АТ |
Рефлектор |
Луч света |
Инвертор |
Постоянный ток |
Зеркало |
Луч света |
Сепаратор |
Молоко |
|
1. Жидкость |
Насос |
2. Механическая |
|
энергия |
Двигатель внут |
Химическая |
реннего сгорания |
энергия топлива |
|
Фо1 электриче |
Соленоид |
ский ток |
Ф02 электрическое |
|
|
напряжение на |
|
обмотке |
Трансформатор |
Переменное |
(активная часть |
электрическое |
трансформатора) |
напряжение |
Физическая операция
Операция Е |
Выход Ст |
|
Рассеяние |
Расходящийся пучок света |
|
Колебание |
Переменный ток |
|
Изменение направ |
Луч света другого направле |
|
ления |
ния |
|
Разъединение |
1. Сливки |
|
2. Обрат |
||
|
||
Соединение |
Энергия движущейся жид |
|
кости |
||
|
||
|
1.Механическая энергия |
|
Преобразование |
вращения вала |
|
1. Преобразование |
2. Тепловая энергия |
|
1. Магнитное поле |
||
2. Разделение |
2. Тепловая энергия |
|
Изолирование |
Отсутствие электрического |
|
напряжения на сердечнике |
||
|
||
Увеличение - |
Переменное электрическое |
|
уменьшение |
напряжение |
3.3. Функциональная структура (ФС)
Структура, как было сформулировано в главе 2, —упорядоченное множество элементов и их отношений. Подавляющее большинство техни ческих объектов состоит из нескольких элементов (агрегатов, блоков, уз лов), которые могут быть естественным образом разделены на части. Ка ждый элемент как самостоятельный объект выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую операцию. Между эле ментами имеют место два вида связей и соответственно два вида их структурной организации.
Функциональная структура представляет собой наиболее абстракт ное описание технических объектов. Ее можно представить в виде ориен
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).
Упругое твердое |
Пьезокристалл |
|
тело |
||
|
||
a |
|
|
Рис. 3.2. Э лем ент арны е ст рукт уры Ф П Д |
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.
ч/ J i v a i p r i ' i w i u m |
Прово,дник |
темперагус |
Оксидная |
Поток |
|
||||
ТО К |
|
суспензия |
электронов |
L Поток |
Пары |
Ультрафиолетовое |
Люминофор |
Световой |
|
электронов |
ртути |
излучение |
поток |
||
|
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.
|
|
|
Т а б л и ц а 3. 4 |
|
|
Сложные физические эффекты |
|
||
Физический |
Входное воздействие |
Физический объект |
Выходной эффект |
|
эффект |
Ль А ъ.., А к |
В |
С |
|
|
А \ - магнитное поле |
Проводник, полупроводник |
|
|
Холла |
(германий, кремний, |
Электрическое поле |
||
А2 - электрический ток |
мышьяковистый индий, |
|||
|
|
|||
|
А) - магнитное поле |
селенид ртути и т.д.) |
|
|
|
Полупроводник (кремний, |
|
||
Нернста |
(постоянное) |
Электрическое поле |
||
германий, селенид свинца |
||||
|
А2- температура |
и т.д.) |
(постоянное) |
|
|
(градиент) |
|
||
|
|
|