26978-1 (Основы конструирования), страница 3

? – Язык конструктора. –?

? – Источники информации. –?

?? – специальный научно–технический язык терминов.

Термин (от лат. terminus – граница, предел) – слово или сочетание слов, употребляемое с оттенком специального значения. Система терминов–терминология.

Конструкторский язык – терминология, при внимательном рассмотрении обнаруживает свою образную первооснову:

ось – палец – вал – вал муфта

стакан – гильза патрон

баба – бабка пиноль

гитара

хвостовик.

Образный смысл терминов помогает глубже понять их содержание [и способствует развитию творческого воображения]. Однако, следует заметить, увлечение образами создает заряд психологической инерции, которая может препятствовать поиску новых ТР. Поэтому при решении конструкторских задач нужна большая независимость от конкретных технических средств.

Источники [научно–технической] информации.

Роль технической информации при конструировании огромна.

Конструктор творчески перерабатывает имеющиеся в его распоряжении (арсенале) или заимствованные из технической литературы информацию, существующие ТР, приспосабливая их к конкретным условиям.

Чаще всего в структуре разработанного объекта отсутствуют существенно новые ТР (изобретения). Это объясняется тем, что конструкторы, решая например, задачу повышения уровня технического оснащенности м/с, на многих предприятиях отрасли занимаются одними и теми же проблемами: Ежедневно происходит повторение одних и тех же конструктивных решений.

Бурный рост объема НТИ: удвоение в течении семи лет (в середине 80–х в нашей стране общее число информационных документов составляло в год 10 млн. Экземпляров), – все больше затрудняет поиск и изучение необходимого.

Парадокс. Поэтому – как правило, легче разработать новый объект, чем убедиться, что такое где–то уже существует. (изобретение велосипеда).

В то же время – изучение и накопление положительного опыта конструирования – жизненная необходимость, особенно для молодых специалистов.

Т.к. стремление освоить всю предыдущую информацию – тщетно!!!, то – выход: изучать информацию по конкретным актуальным для данного специалиста вопросам, начиная с новейших достижений и кончая ретроспективной информацией.

СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ.

"УЗКИЙ" специалист.

Результат изучения информации обеспечение Конструктивной преемственности – использование при разработке предшествующего опыта по профилю специализации и смежных отраслей, введение в конструкцию разрабатываемого объекта всего полезного, что имеется в существующих конструкциях.

Основные источники НТИ:

Техническая литература: Учебники; Справочники конструктора (межотраслевые и отраслевые); Энциклопедии технические ( универсальные и отраслевые); Словари терминологические и разъяснительные; Типажи машин и оборудования и т.п.

Производственно–техническая информация – информация о новейших достижениях научной и производственной практики: Обзоры; Реферативные издания; Экспресс–информация; ИЛ; Бюллетени; Типовые РМ и в том числе изобретения и т.п.

–Н–ТД – ГОСТ, ОСТ, СТП, ТУ, РТМ, ТО и др.;

–Патенто–лицензионная информация (о содержании – в разделе Патентоведение).

БНТИ помощь Специалистам.

Лекция 5. "Основы конструирования".

1. Анализ вариантов конструкции и выбор оптимального варианта.

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

III этап 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.

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.

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

Выбор критерия определяется следующим:

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

• 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:

• быть независимым;

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

• быть непосредственно связанным с параметром оптимизации;

• 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:

• его стоимость;

• конструктивные и точностные показатели;

• масса (вес);

• долговечность (ресурс) и др.

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 если ... то ... ).

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 .

Эвристическое программирование в системе человек – ЭВМ

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 мыслительный эксперимент : например, проводится нагружение образца на основе чего определяется рациональное поперечное сечение , и т.п.