Хилл П. - Наука и искусство проектирования (1037541), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Дюралюминий (сплав алюминия и стали) обеспечивает максимальную прочность лри минимальном весе. Шариковая ручка иллюстрирует максимизапию подачи пишущего состава, удобства и качества при минимизации стоимости. Любой из нас принимает оптимальные решения калвдый день, совершая торговые сделки при покупке товаров, выбирая кратчайший путь на работу и т. д.
Однако недостаточно оптимиапровать лишь процесс проектирования. Весь процесс — от творческого вдохновения до получения конечного продукта — должен быть оптимизирован, чтобы получить нанлуппий из возможных результатов. Необходимо оптимизировать время разработки, этап научных исследований, руководство созданномновых изделий и анализ возмоншостей сбыта, однако не следует возлагать больших надежд, если проектирование уже находится на одном из завершающих этапов. Оптимальное проектирование как метод играет наиболее важную роль в 76 з.
пили«сс пго«ктиклвания процессе анализа„эксперимента и на этапе производства. Некоторую помощь в обоспечении опткллального проектирования ллнн«енеру могут оказать следующие процедуры. Принятие субъективных решений Оптимизация долл«на быть своего рода психологической установкой и должна осуществляться инженером путем непрерывного пересмотраковструкции па основе его опыта. Он доли«ен учитывать прп этом стоимость, расход материалов, методы производства, симпатии и антипатии клиентов, должон быть осведомлен о новых разработках, о конкуренции и т. д. Пересмотр приводит к принятию интуитивного решения, близкого к оптимальному„относительно каждой мелкой детали конструкции. Общие принципы В процессе учебы и дальнейшего приобретения опыта инн<енер знакомится с определенными фактами и так называемыми «элгпирическими правиламив, которые он применяет в процессе проектирования автоматически.
И хотя этп общие принципы иногда применяются неосоананно, они являются общепринятым методом оптимизации. Например, чем больше порплней в двигателе, тем легче достигается динамическое равновесие; элементы фермы плэ конструкции геовлетрическп располагаются таким образо«и, чтобы нагрузка распределялась равномерно; следует устранять острые углы, выемки и закругления малого радиуса па капрал«енных деталях, поскольку они приводят к концентрации напряжелпя; нельзя запускать электродвигатель при полной нагрузке;.изгибающие напряжения можно уменьшить, увеличив люмопт инерции сечения, и т. д. Графические и аналитические методы Для оптимиаацип проектирования применяются графические и аналитические методы.
Прв графическом меточе для проверки конструкции на соотвотствпе определенным критериям выполняют в масштабе чертеил наделил (дешевы ле наготовить чертен<, чем само иэделие). Чертеж можно изменять многократяо (пока конструктор не достигнет цели), а изменять реачьную систему обычно очень дорого. Примеры графической оптимизации: выбор размеров ветрового стекла автомобилядляобеспечения водителю максимального обзора; проектирование автомобильных стеклоочистителей, очищающих максимально возможную пло- 3. ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ 77 щадь стекла; расчет наименьших размеров зеркала валкого вида, охватывающего область обзора заднего стекла.
Авалятическио методы оптимизации основаны на составлении уравнения, удовлетворяющего некоторым условиям в содержащего оптимизируемые показатели (стоимость, 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 уменыпении) физических характеристик изделии.
Если уравнение гоставттено верно, его мои;но дифференцировать и строить по нему графики я номограммы. Поиск компромиссных решений К сол;аленито, реальный мир не содействует конструктору в его поисках оптимальных решений. Р1звестно, что нельзя получить самую прочную и в то же время самую легкую конструкцию; нельзя„чтобы на мелкие детали лоттпшась основная нагрузка; поверхности, имеющие наименьшую площадь, не могут охватывать наибольший объем, Иттжонер должен постоянно искать, чем молгно поступитьса, чтобы обеспечить оптимальность одной илн вескольких характеристик.
Так, чтобы получить наибольшуто прочность, необходимо пойти на увеличение веса и стоимости; чтобы с вероятностью 95% обеспечить размещение мужчины-оператора, следует отказаться от плавных линий и перейти к прнмоугольным кабинам; чтобы обеспечить максимальный прием радио- и телевизионных передач, встроенные антенны необходимо заменить выносными. НАДЕЖНОСТЬ Конечная цель иня'енера-конструктора — создать устройство илп систему, оптнмалъно удовлетворяющую поставленным требовапинм, соответствующую техническому заданию в удовлетворительно функционирующую в течение заданного промежутка времени прп прогнозируемых окрунтающих условиях.
Последняя характеристика изделия рассматривается как конструктивный параметр с момента появления в начале 1950-х гг. метода расчетов, основанного на теории надежности. Е1адежность изделия представляет собой вероятность того, что изделие будет функционировать нормально в течение заданного промежутка времени при известных рабочих условиях (услови- тэ з, пюсвсс пгогктиеовлниз ях окруягающей среды). Легко представить трудности автомобильной фирмы, которая должна создать стандартный легковой автомооиль, способный удовлетворительно работать как в штате Мэн, так и в штатах Флорида и Калифорнии: окраска автомобиля должна выдерживать солнце пустыни, соль, разбрасываемую на дорогах против обледенения, смог индустриальных центров и соленые брызги океана; владельцем автомобиля могут оказаться мужчина и я1енщина средних лет, отчаянный лихач к скромная старушка.
К счастью, надежность имеет точный смысл. Можно не только дать определение надежности, мокше вычислить, оценить, измерить, проверить, предсказать и обеспечить необходимую надеягность комплекса оборудования. Когда я<кань человека зависит от правильного функционирования некоторых элементов систетпз, например, таких, как устройство герметизации в реактивном самолете, рулевое управление в автомобяле, искусственное сердце в операционный палате, надеягность играет исключительно важную роль. Как изготовитель, так и потребитель хотели бы иметь удовлетворительный уровень надежности всех выпускаемых изделий. При современном развитии техники достижение этой цели вполне возможно: конструктор должен увеличить коэффициент надежности, рассчитывая каждый элемент системы с запасом. При этом система будет спроектирована с запасом прочности.
В прошлом, когда материалы были в избытке н хватало квалифицированной рабочей силы, конкуренция отсутствовала и темпы технического прогресса были медленными, такая практика была обычной. Однако в настоящее время прн проектировании устройства или системы необходимо стремиться к минимальным затратам, минимальным весу и размерам, оптимальному расходу материалов н надежности, находящейся в допустимых пределах. Определение количественного показателя надеягности основано на теории вероятностей. Пример вычисления показан на фиг.
3,7. В таблице ка фиг. 3.7, а приведены экспериментальные данные для элемента, рассчитанного на работу в течение 50 ч. При испытании 500 элементов оказалось, что 85 из них вышли из строя в течение первого часа, 43 — в течение второго, 24 — в течение третьего часа и т. д. Число отказов начинает выравниваться примерно через 8 ч работы.
Эти данные подчиняются нормальному закону распределения, при этом около 250 элементов (половина) при расчетном рабочем времени 50 ч продолжала работать после этого периода, а последний элемент вышел из строя после 99 ч работы. Рассматри- в процесс пРОектиРОВАниЯ 79 $0 О,Б О,Б 0,4 л 0,2 О В 20 ЗО 40 БО БП 10 00 90 $00 Зрака раБатк $, ч. к О 0,2 0,4 0,0 ОД $,0 Нааеикасн Г 0 В 20 ЗО 49 00 БО 70 БО 90 ВО Брема раБетм $, ч. В Фкг. 9.7.
Надежность п неронтность. а — данные ос отказах; С вЂ” стандартная кривая надежности; е — интен- сивность откавов еденентов. а — стоиность осесдевения надежности. ван надежность элементов как долю времени, в течение которого работает каждый из ннх, ее можно выразить количественно следующиьт образом: Чнсдо исправных элементов рт = Надежность— Общее ннсло эленентон Гт (5ч) = — = 0,66, 44 (12 ч) = — = 0,59, 330 295 500 500 В(97 ч) = — = 0,008.
30 В, ПРОЧЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ По значениям надежности, вычисленным на основе экспериментальных данных для каи"дого часа, построен график зависимости надеяености от времени работы (фиг. 3.7, б), который называется стандартной кривой наделсности. Кривая Л=)(т) имеет экспоненцнальную форму и ттроходпт очень близко от теоретической кривой, описываемой уравненном гт'=-е ГТ=е Т/ВТ, где г' — интенсивность отказов, а М= 1/Р' — средняя наработка на отказ. Это уравнение выражает зкспокеноиальный закон надежности. Две кривые не совпадают друг с другом, так как закон Й=е — Р' основан на постоянной интенсивности отказов Д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
