Основы конструирования

Лекция 5. "Основы конструирования".

III. Анализ вариантов конструкции и выбор оптимального варианта.

II этап заключается в подборе и разработке вариантов, относящихся к объекту и принципу работы.

III этап Þ принятие одного, окончательного варианта.

Важно отметить, что принятие конкретного варианта имеет решающее значение на всех стадиях разработки. Оптимальное решение придает направление всей разработке.

Вероятность выбора оптимального варианта ... тем выше, чем больше число вариантов, из которых выбирается это решение, и чем выше качество этих вариантов.

Как мы сказали ранее, основа для отбора ТР – требования (ТЗ) к разрабатываемому объекту. Эти требования могут предъявляться к объекту в целом или к его составным частям и функциональным элементам.

Как требования к объекту, так и варианты ТР нередко являются противоречивыми. Противоречивость вариантов может иметь самую различную степень, вплоть до взаимного исключения.

В любом случае выполняется проверка совместимости принимаемых решений по разным частям конструкции и принципам работы конструируемого объекта.

Рекомендуемые материалы

В случаях, когда имеется определенное число вариантов и выбор наилучшего (оптимального) не очевиден, на помощь конструктору приходит метод оптимизации.

Оптимальным решением задачи назначается решение, которое по тем или иным признакам предпочтительнее.

Отсюда следует: чтобы среди большого числа вариантов найти оптимальный, нужна информация о предназначительности различных сочетаний значений показателей характеризующих варианты,– критерий оптимизации.

Задача выбора оптимальных параметров разработки в соответствии с выбранными критериями называется задачей оптимального проектирования (конструирования).

Здесь следует отметить, что под оптимальным проектированием (чаще всего) понимается процесс принятия оптимальных (в некотором смысле) решений с помощью ЭВМ. Эта проблема, связанная с получением оптимального решения из множества допустимых, является общей для всех стадий разработки и во многом определяет технико–экономическую и технологическую эффективность разрабатываемых (конструируемых) объектов.

Рассмотрим некоторые положения теории оптимального проектирования.

Процесс оптимального проектирования включает в себя три основных этапа:

1) выбор объективного критерия оптимизации;

2) описание целевой функции и множества (области) допустимых решений (математическое моделирование объекта);

3) выбор эффективного метода решения задачи и его реализация.

À Критерий оптимизации конструируемого объекта служит показатель, который оптимален для данного объекта.

Выбор критерия определяется следующим:

n критерий–средство, с помощью которого должны сопоставляться конкурирующие варианты конструкции объекта;

n критерий должен выражать соответствие между целесообразным качеством объекта и реальными процессами конструирования, изготовления и эксплуатации объекта.

Критерий предназначен не для того, чтобы "заменить цель поставленной задачи", а для того, чтобы проверить предпочтительность выбранных вариантов.  

Критерий должен быть объективным и оправдывать свое назначение. Для этого он должен обладать рядом свойств:

n быть независимым;

n быть однозначным, т.е. не являться функцией других факторов;

n быть непосредственно связанным с параметром оптимизации;

n быть совместимым с другими факторами, чтобы не нарушать их работу и др.

В качестве критерия оптимизации в зависимости от характера и назначения объекта конструирования могут быть приняты:

n его стоимость;

n конструктивные и точностные показатели;

n масса (вес);

n долговечность (ресурс) и др.

Á Оптимизация как процесс рационализации элементов конструкции возможна только тогда, когда сформулирована цель.

При решении задач оптимизации математическими методами : математическая зависимость критерия оптимизации от искомых параметров  объекта носит название целевой функции .

Название не случайно : оптимизация проводится с целью получения наилучшего значения критерия оптимизации .

* Z=Z(X,U) ® min , [ x₁,...,x_n ] =X

- n искомых параметров объекта ;

- U_i(t) - неизвестные функции конструирования.

Пространства , в которых изменяются  X,U - назовём пространствами проектирования .

*- условие min функционала , определяющее выбранный критерий - есть критерий оптимальности .

Функционал - ( в вариационном исчислении ) математическое понятие, означающее переменную величину , зависящую от выбора одной или нескольких функций .В общем смысле - оператор , отображающий бесконечно мерное пространство , в множестве действительных или комплексных  чисел .

Параметры оптимизации :

В качестве искомых параметров объекта могут служить любые численные значения :

- принцип работы изделия ( н .)

- технические показатели ( V_max  или  V_min ; производительность; t^o ; M  и др.);

- показатели качества ( Q_u ; HRC - поверхности вала и тп .).

Параметры оптимизации должны соответствовать следующим требованиям,-

- поддаваться  измерениям с достаточной  степенью точности и  ограничиваться пределами допусков ;

- быть информационными , т.е . всесторонне характеризовать объект;

- иметь физический смысл , т.е. должна быть возможность достижения полезных результатов  определенного свойства объекта в соответствующих условиях;

- быть однозначными т.е.  максимизировать или минимизировать только одно свойство объекта .

Параметры  оптимизации в зависимости от цели , для которых они предназначены , могут быть ,-

- пространственно – временными ( длина ; время ; площадь ; объём ; скорость ; ускорение  и т.д. );

-механическими (масса , плотность, сила , момент силы , работа , энергия , мощность , давление  и т.д.);

- электромагнитными (количество электричества, плотность тока, удельное сопротивление  ,магнитный поток  и т.д.);

- тепловыми ( t^o , количество теплоты, тепловой поток, коэффициент теплообмена  и т.д.);

- акустическими ( звуковое давление , интенсивность звука  и т.д.);

- качественными (внешний вид , качество поверхности  и т.д.) .

В задачах оптимизации к  критериям оптимальности обычно приходится присоединять  ограничения  , чтобы сузить пространство проектирования (это не только системы математических уравнений , но и  логические выражения типа ² если ... то ... ² ).

Основные ограничения для механических конструкций :

1) на величину напряжений ( мех. ) , налагаемые требованиями надёжности  и экономичности ( условия прочности и устойчивости );

2) на  перемещение элементов , налагаемые  требованиями жёсткости , работоспособности  действующей НТД  (условия жёсткости );

3) условие совместности деформаций : неразрывность элементов конструкции при действии внешних нагрузок ;

4) функциональные ограничения , связанные с условиями  и  эксплуатации  элементов  объекта  ( Н , габаритные ограничения , материал , сортамент , крепёж и т.п.)

 Задача о минимуме функционала  при заданных ограничениях в общем случае  является задачей теории оптимальных  систем с определёнными параметрами , описываемой системой дифференциальных и интегральных уравнений . Единого метода решения столь общих задач не существует  .

 В основном применяются ,– аналитические (дифференциальные и вариационные исчисления ) и ,– численные методы  (линейное , нелинейное  и динамическое программирование ; метод ветвей и границ .

 ^eЭвристическое программирование  в системе человек – ЭВМ_f

I  оптимизация по нескольким ( многим ) параметрам при помощи  ЭВМ .

II  Если удаётся выделить один главный параметр , который достаточно полно  характеризует объект оптимизации , применяются  методы отличающиеся более простыми вычислительными процедурами .

!!! Решение задач оптимизации  математическими методами  даёт наилучшие результаты . Однако не всегда возможен выбор математических методов оптимизации с использованием ЭВМ .

Ограничения : отсутствие СВТ и соответствующих специалистов ; кроме того , не все задачи оптимизации имеют математическое решение .

По этому конструктор , работающий на промышленном предприятии , 1), применяет т.н. вариантное конструирование ( сравнение нескольких вариантов конструкции и выбор варианта с минимумом недостатков );  2), выполняет оптимизацию на интуитивном уровне .

Ведь задачи оптимизации приходится решать  не только при определении основных параметров объекта , но и по многим второстепенным вопросам .

Любой выбор  конструкторского решения формы и размеров элементов  объекта –  решение оптимизирующей задачи , когда конструктор выбирает  оптимальное решение из той совокупности вариантов , которые хранятся в его памяти . Эти  варианты удовлетворяют  ТЗ на конструкцию ,т.е.  находятся в допустимой области . Знание конструктором основных критериев и методов конструирования позволяет делать правильные логические выводы .При этом помогает модель конструируемого объекта – мыслительный образ (в воображении конструктора ) или графическое изображение (схема , эскиз ). Модель отражает упрощённую принципиальную схему , которую в процессе конструирования обрастает IP. Здесь на помощь конструктору приходит  ² мыслительный эксперимент ² : например, проводится ² нагружение ²образца на основе чего определяется рациональное поперечное сечение , и т.п.

Знание методов оптимизации , опыт работы , способность творчески мыслить  позволяют конструктору избежать недостатков и ошибок в конструкции объекта .

Основные параметры .

При  конструировании оптимизацию целесообразно выполнять по следующим (основным) параметрам ,–

– 1. Оптимизация нагружения – самый главный параметр, который определяет конструкцию объекта : равнопрочность, оптимальное использование материала, надёжность и т.д.

– 2. Оптимизация материала зависит от конструкции объекта. Применяемый материал может быть различным, но его выбирают по необходимым механико-физическим свойствам, технологичности, стоимости, доступности и т.д.

– 3. Оптимизация надежности включает в себя показатели качества, коэффициент безопасности, точности и т.д.

– 4. Оптимизация отношений взаимосвязанных величин заключается в оценке следующих характеристик объекта : геометрические размеры (характеристики) , кинематические и динамические свойства, масса, упругие свойства и отношения между ними.

Анализ конструкций на технологичность

— выполняется при разработке технического (технорабочего) проекта объекта

— после разработки окончательных технических решений

— для оценки объекта по технологическим параметрам и отработки его на технологичность.

Чтобы улучшить технологичность изделий (для снижения себестоимости) выполняется технологический контроль конструкторской документации  по ГОСТ 2.121–73.

Основной субъект, разрабатывающий конструкторскую документацию – чертежи, схемы, текстовые документы и др. – конструктор. Он определяет “лицо” сконструированного объекта :  содержание конструкторской документации (КД) и все отраженные в них технические решения (ТР). За это он несет ответственность, оговоренную в Должностной инструкции, в соответствии с действующим законодательством.

Исходя из этого, в производственной практике наблюдается некоторая переоценка (мягко выражаясь) роли конструктора в создании конструкции объекта.

При этом сложилось антагонистические отношения между конструкторами и технологами: технолог “противник” конструктора, следовательно “ретроград”, тормозящий технический прогресс.

Эта недооценка роли технолога в конструировании объектов не приносила бы вреда, если бы конструктор владел всем объёмом технологических знаний и опыта.

Но – “нельзя объять необъятное”,–поэтому конструкторская документация (КД) – должна быть творчеством не одного исполнителя, а быть результатом совместной плодотворной работы разных специалистов.

Информация в лекции "12 Энергия электрического поля" поможет Вам.

И первое, ведущее место в этом процессе занимают технологи.

Качество КД и её технический уровень определяются тем, насколько тесным и плодотворным было это сотрудничество.

Технолог должен совместно с конструктором разрабатывать конструкцию объекта на всех стадиях разработки.

Это реализуется в отработке изделия на технологичность:

? Какие недостатки имеют эти технические решения с точки зрения технологичности