Хорошев А.Н. - Основы системного проектирования технических объектов (1037544), страница 23

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 23)

Точность результатов расчетов определяется точностью исходных параметров и точностью выбранной модели и метода решения задачи. И наоборот, точность выбираемых модели и метода решения должны обеспечивать требуемую точность результатов.

Необходимость принятия решения, в основном, связана с особенностью всех реальных задач — множественность получаемых решений. Это вызвано тем, что число искомых параметров (неизвестных) больше числа связывающих их условий (уравнений). Для получения обоснованного вывода поступают следующим образом:

• доопределяют задачу, т.е. из анализа ТЗ, дополнительных бесед с заказчиком выявляют недостающее количество условий или же ими обоснованно задаются;

• задача формулируется как оптимизационная, а параметры разделяют на искомые (обычно, это — критерии оптимизации), варьируемые (подлежащие определению) и неизменные (постоянные, приблизительно постоянные, константы).

Выполнение технических расчетов — наиболее формализованная часть проектной деятельности. При этом существуют типовые задачи, с хорошо отработанным алгоритмом решения. Чтобы наглядно представить виды типовых задач, условно разделим все параметры на три группы:

• параметры нагружения (эксплуатации). Обозначим их группу буквой Н;

• объектные параметры, характеризующие облик изделия (геометрические размеры Р) и материал М.

Тогда состояние изделия можно охарактеризовать функцией f(Н,Р,М)=0. И в зависимости от того, что известно, что требуется определить и какова последовательность решения, технические расчеты подразделяют на следующие виды:

Примечание: з_у — задается из условий, u_у — ищется из условий, у — проверяются условия.

1. Задача определения параметров проектируемого объекта по заданной нагрузке (условиям эксплуатации, приведенным в ТЗ). Поскольку, упрощенно говоря, уравнение одно (f), а неизвестных величин — две (Р, М), то задачу решают как оптимизационную или же одним из неизвестных сначала задаются.

1.1. Если задаются материалом (маркой и физико-механическими характеристиками), то такая задача называется проектировочным расчетом. Материал выбирают, стараясь учесть требования ТЗ (например, если изделие должно быть компактным, то желателен материал с высокими прочностными характеристиками). Размеры затем определяют из уравнений, отражающих требования ТЗ (условия прочности и жесткости и т.д.), состыковки и т.п.

1.2. Если задаются размерами (предельными диаметром или габаритами, присоединительными размерами и т.п.), то такая задача называется «вписаться в заданный габарит». Из уравнений, отражающих требования ТЗ, затем определяют физико-механические характеристики материала (модуль упругости, пределы прочности и выносливости, твердость и т.п.), по которым подбирают его марку.

Задача «вписаться в заданный габарит» может не иметь решения, если заданы очень жесткие ограничения на размеры (например, чрезвычайная компактность) и по получаемым физико-механическим характеристикам нельзя подобрать материал (слишком дорог или такого нет в природе). Такие ограничения на размеры приходится смягчать (тогда расчет будет служить обоснованием этих действий перед заказчиком), либо, при несогласии заказчика, — изменять структурную схему или принцип действия (выполнять итерационный цикл разработки).

Возможно (при завышенных размерах), что подходящий материал будет нерационален, т.е. иметь, например, излишне большой запас прочности или жесткости. В таких случаях, если не возражает заказчик, изделие выполняют более компактным.

2. Определение нагрузочной способности. Подобная задача возникает, когда уже имеется спроектированное или изготовленное изделие и требуется либо проверить соответствие его технической характеристики (нагрузочной способности) паспортным данным, либо восстановить ее. Точность выводов зависит от того, насколько правильно и полно будут учтены особенности эксплуатации и определены исходные данные (конкретные размеры, характеристики материала), выявлены и математически описаны возможные критерии отказов, составлены расчетные схемы. При наличии нескольких условий за допустимую нагрузку принимается предельно возможная.

3. Проверочный расчет. Такая задача ставится, когда изделие уже спроектировано (определены все его параметры) и требуется либо дать заключение об уровне его надежности (срок службы, запас прочности, уровень безотказности и т.п.), либо убедиться в правильности проведенных расчетов и отсутствии ошибок. Проверочный расчет заключается в проверке выполнимости условий, либо типовых (для данного вида изделий и условий его эксплуатации), либо выявленных в ходе эксплуатации. Проверка по второстепенным или случайно назначенным условиям приводит к неверным выводам даже при аккуратно выполненных расчетах. Важным моментом также является обоснованное назначение предельного допустимого значения, в сравнении с которым и делается заключение о выполнимости условия.

Хотя проверочные расчеты и бывают сложными, но эта задача по сравнению с другими считается более простой, так как относится к задачам анализа (прямым задачам). По этой причине сложные проектировочные расчеты часто сводят к серии проверочных, в процессе которых определяют, например, методом последовательных приближений значения искомых параметров. Такой подход используется при расчете подшипников качения и в других случаях.

После определения параметров объекта становится возможным проверить ранее сделанные предположения (например, о габаритах и массе объекта и его частей, что влияет на действительные значения механических характеристик, выбор расчетных коэффициентов и т.п.) и, при больших расхождениях, уточнить исходные данные и повторить расчеты. Также становится возможным проверить согласованность основных параметров взаимодействующих подсистем, таких как производительность (например, величин мощности с учетом КПД), степень надежности (желательно, чтобы части объекта имели одинаковую надежность) и другие.

На этапе параметрического синтеза определяются не только численные значения параметров объекта, но и данные, на основе которых вычерчивается его изображение, и в первую очередь, чертеж общего вида. Их набор (численные данные, приводимые в текстовой документации, и графическая документация) образует необходимый комплект проектной документации.

Этап параметрического синтеза, по сравнению с другими этапами, максимально формализован, при этом многие расчеты — нормативные (регламентированы стандартами). Часто необходимо проводить серию однотипных расчетов, варьируя величинами отдельных параметров. Это делает эффективным применение вычислительной техники и автоматизации расчетов.

5.5. Циклы итерации проектирования

По завершении параметрического синтеза работы по созданию объекта формально должны закончиться. В действительности структура процесса проектирования редко представляет собой прямую последовательность действий. Проектируемые объекты, как правило, сложные, причем необходимость во многих подсистемах выявляется лишь в процессе разработки. Полный набор сведений, необходимый для решения проектной задачи, становится известен только в конце работы. Часто к проектированию привлекается несколько разработчиков (людей, организаций). В связи с этим реальная структура проектирования сложнее, чем представленная на рис.2 и рис.3.

5.5.1. Структура сложного процесса проектирования

Структура проектирования как сложного процесса показана на рис.18. Она учитывает иерархичность объекта-системы, итерационный характер деятельности и взаимодействие участников разработки.

Рис.18. Структура процесса проектирования

Техническое требование составляет заказчик системы или же разработчик надсистемы. В соответствии с полученным ТТ разработчик формирует ТЗ и на стадии технического предложения ПТ выполняет, если необходимо, декомпозицию объекта и подготавливает частные технические задания на подсистемы. Допустим, из состава объекта выделена одна подсистема, которой установлено частное техническое задание ЧТЗ₁. После выполнения всех этапов технического предложения разработчик согласовывает и утверждает его у заказчика (пунктирная линия ПТ-ТЗ), при этом они совместно уточняют исходное ТЗ. Участие разработчика в окончательном оформлении ТЗ делает его более полным и повышает обоснованность поставленной задачи.

После утверждения технического предложения разработчик распределяет по соисполнителям частные ТЗ (линия ПТ-ЧТЗ₁), на основании которых могут вырабатываться частные ТЗ для подсистем более низких уровней. Если подсистемы второго уровня отсутствуют (как в примере на рис.18), то техническое предложение для подсистем часто не выполняется, поскольку практически было завершено на уровне системы.

По завершении этапа распределения ТЗ разработчики объекта и его подсистем приступают к выполнению стадии эскизного проекта (линии ТЗ-ЭП и ЧТЗ₁-ЭП₁). Проработка структуры на этой стадии ведется при тесном взаимодействии всех разработчиков (линия ЭП-ЭП₁). В процессе такой работы увязываются между собой отдельные части, согласовываются основные параметры проектируемого объекта. Качество проектирования зависит от широты видения разработчиком проблемы, т.е. от его кругозора и способности учесть все связи рассматриваемого объекта, и наличия у него знаний, захватывающих смежные области. В процессе эскизного проектирования и согласования частных решений с общим возможна корректировка ТЗ (пунктирные линии ЭП-ТЗ и ЭП₁-ЧТЗ₁).

После завершения эскизного проектирования, согласования и утверждения полученных технических решений у заказчика переходят к стадии технического проектирования (линии ТЗ-ТП и ЧТЗ₁-ТП₁). Здесь выполняется вся основная конструктивная проработка объекта и его частей. Возможно уточнение технических решений с возвратом на предыдущие стадии (пунктирные линии ТП-ЭП и ТП₁-ЭП₁). Техническое проектирование ведется при тесном взаимодействии всех разработчиков.

Объединение отдельно спроектированных подсистем в единое целое, проверка допустимости сборки и совместного функционирования называется композицией системы.

Композиция проводится на стадиях эскизного и технического проектирования (линии ЭПЭП₁ и ТП-ТП₁), постепенно переходя от согласования структур к согласованию отдельных параметров.

По завершении технического проектирования приступают к рабочему проектированию, в процессе которого определяют все параметры объекта и его подсистем, подготавливают итоговый комплект документации, уточняют его в ходе испытаний и отладки в производстве. Возможно уточнение технических решений, предложенных на этапах эскизного и технического проектирования.

5.5.2. Разработка сложных объектов

Разработать конструкцию нетипового объекта, включающего даже небольшое число узлов и деталей, не просто. Упрощение процесса проектирования в большинстве случаев достигается ведением разработки методом последовательных приближений. Наиболее распространены два таких подхода.

1. Пошаговое расширение проектируемого объекта (функциональное проектирование).

Первоначально решают задачу для основных функций и определяют параметры, которые характеризуют выполнение этой функции. На следующем шаге смотрят, что необходимо в помощь этим функциям, чтобы обеспечить их нормальное выполнение и удовлетворение требований ТЗ. Выявляют вспомогательные функции, для которых на основе прежнего ТЗ составляют новое, частное ТЗ и решают проектную задачу. Снова анализируют полученное решение (разработанный объект) на потребность во вспомогательных функциях следующего уровня и либо заканчивают разработку, либо решают новую дополнительную задачу.

Видно, что на каждом этапе решается относительно простая частная задача. Однако в итоге может получиться конструкция, состоящая из нагромождения несвязанных частей. Во избежание этого на каждом шаге желательно исследовать получающуюся конструкцию на возможность ее усовершенствования (совмещения функций, объединения частей и их гармонизацию).

Например, необходимо спроектировать устройство для понижения частоты вращения (редуктор). Пусть в качестве решения остановились на конструкции цилиндрической передачи. Параметрами, характеризующими эту передачу, являются диаметры колес, их ширина и материал. Изображение разработанной конструкции показано на рис. 19а.

Рис. 19. Пример функционального проектирования сложной системы

Анализ данной конструкции показал, что необходимо учесть подвод и отвод движения и фиксацию колес в пространстве. Проектирование этих функций привело, допустим, к введению в конструкцию валов (рис.19б).

Характеристики

Список файлов книги