<<
>>

СОВРЕМЕННЫЙ ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН, ЕГО СОДЕРЖАНИЕ И ОСОБЕННОСТИ


Усложнение конструкций машин, частая сменяемость моделей, рост номенклатуры изделий — эти и многие другие причины привели к значительному усложнению процесса проектирования. Современные методы проектирования отличаются комплексным, широким подходом к решаемой проблеме с учетом многих факторов разного уровня и значения.
Отметим основные особенности проектирования на современном этапе, отражающие сложность и многогранность конструкторской деятельности.
  1. Перенос технических решений, т. е. использование разработок из других областей знаний и сфер человеческой деятельности для решения данной задачи. Так, оригинальные решения конструкторы находят иногда, рассматривая биологические системы.
  2. Возможность возникновения побочных эффектов при производстве и использовании разрабатываемой машины, которые необходимо прогнозировать еще на стадии проектирования, когда еще можно изменить конструкцию и организацию системы ее функционирования.

Так, новые станки-автоматы предъявляют повышенные требования к исходным обрабатываемым заготовкам и прокату, что может осложнить условия материально-технического снабжения. Увеличение единичной мощности технологических агрегатов вызывает необходимость сооружения массивных фундаментов, пересмотра организации их технического обслуживания и ремонта.
  1. Применение и все более широкое распространение стандартов разных уровней (государственных, отраслевых, предприятий) для обеспечения совместимости подобных машин.
  2. Обеспечение многоцелевого применения одной конструкции в различных системах. Например, создание переналаживаемых автоматических линий делает их гибкими, легко приспосабливающимися к изменчивости ассортимента и серийного выпуска. |
  3. Резкое нарастание затрат в ходе подготовки производства нового изделия требует особого внимания к качеству конструирования, исследований, испытаний опытных образцов. Ошибка конструктора, устранение которой при проектировании обошлось бы в 1 р., превращается затем в потери при серийном выпуске, равные сотням и тысячам рублей. Поэтому проект должен быть удачным с первого раза, а поиск методом проб и ошибок недопустим.
  4. Трудности непосредственного использования сведений, заимствованных из различных источников, из опыта других специалистов, в данной задаче конструирования без нарушения внутреннего равновесия и согласия между элементами конструкции, достигнутого на предыдущих стадиях конструирования. Например, конструктор может предложить способ увеличения жесткости литой детали, который окажется неприемлемым, если при этом разрушается найденное технологом соответствие между геометрией отливки и скоростью ее затвердевания.
  5. Оптимальность параметров и структур при конструировании статична и она легко нарушается при изменении требований и условий производства, эксплуатации и сбыта. Например, пересмотр цен на металлы, конструкционные материалы, энергоносители, заготовки и полуфабрикаты может сделать ранее оптимальную конструкцию неоптимальной и, наоборот, неоптимальную конструкцию — оптимальной.

Конечно, здесь отмечены не все, а лишь основные трудности и проблемы конструирования современных машин, вытекающие из стремительного темпа научно-технического прогресса.
Однако важно подчеркнуть, что самый характер новых трудностей конструирования заставляет вырабатывать новые методы и приемы, базирующиеся на последних достижениях науки.
За последние годы выпущена обширная литература о методике проектирования и конструирования, причем между терминами «проектирование» и «конструирование» принципиального различия нет х. Термин «проектирование» применяется обычно к процессу создания крупных систем, например, говорят о проектировании предприятий, хозяйств, цехов, технологических и транспортных комплексов, систем связи, управления, систем машин и отдельных машин. Термин «конструирование» применяется, когда речь идет о создании малых технических систем: механизмов, агрегатов, сборочных единиц, деталей.
Наиболее распространен среди специалистов взгляд на проектирование, как на совокупность трех стадий: анализа, синтеза и оценки. Эти три стадии можно также назвать «расчленение задачи на части», «соединение частей по-новому» и «изучение последствий практического применения новой машины». Обычно эти стадии повторяются многократно и каждый следующий цикл их повторения отличается от предыдущего большей детализацией и конкретностью. В работе [2.6] указанные стадии получили новые названия: дивергенция, трансформация и конвергенция, что по
1 В английском языке оба эти термина обозначаются одним словом design (дизайн), имеющим очень широкий спектр значений — от замысла, плана, цели, намерения до проекта, чертежа, эскиза, композиции.
мысли автора лучше соответствует современным, более сложным задачам проектирования систем.
Дать единую схему членения процесса проектирования на отдельные этапы практически невозможно. Дело в том, что каждая машина «рождается» по своему закону и порядку. Здесь оказывают влияние многие факторы: степень новизны конструкции, существующая организация проектирования, широта сферы применения конструкции и квалификация персонала, характер взаимосвязей конструкторов с производственниками, потребителями и заказчиками и многие другие факторы и обстоятельства.
Проектирование машин — сложный многогранный процесс, сочетающий творческий поиск, теоретический анализ, эксперимент, организацию и управление.
Согласно ГОСТ 2.103—68 процесс разработки конструкторской документации на изделия включает следующие стадии: разработку технического задания (ТЗ) и технического предложения (ТП), эскизное проектирование, техническое проектирование и разработку рабочей документации на опытный образец (партию), установочную серию и для установившегося серийного или массового производства.
Технико-экономический анализ в тех или иных формах должен пронизывать все перечисленные выше стадии проектирования.
В ТЗ указываются назначение, технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию. Реализуемость технических требований, а также принципиальные проектные решения устанавливаются при разработке ТП, которое содержит результаты анализа вариантов возможных решений и их сравнительную оценку. Сравнение конструктивных вариантов в ТЗ и ТП проводится по показателям качества изделия, например, надежности, производительности, топливной экономичности и др. Из-за ограниченности исходной информации ожидаемые технико-экономические показатели получают с помощью ориентировочных, укрупненных расчетов, базирующихся на данных из опыта производства и эксплуатации аналогичных машин. Экономические оценки имеют тем большие погрешности, чем оригинальнее разрабатываемая конструкция.
На стадии эскизного проектированця, когда осуществляется общая компоновка машины, разрабатываются чертежи общих видов и принципиальные схемы, технико-экономический анализ продолжается. На этой стадии объем информации о проектируемой машине увеличивается и ее точность возрастает, поэтому и технико-экономический, и инженерный анализ вариантов может быть выполнен более подробно. При эскизном проектировании анализируются проектные варианты по машине в целом, что делает анализ ответственным. По окончании разработки эскизного проекта основные контуры конструкции машины определены, т. е. выбран принцип работы, уточнены состав основных функциональных блоков и принципы их работы, разработаны схемы расположения и взаимодействия составных частей.
Выполняемый затем на базе эскизного технический проект содержит окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемой машины, и исходные данные для составления рабочей документации. При техническом проектировании разрабатываются конструктивные решения машины и ее основных частей, выполняются расчеты технических параметров и технико-экономических показателей, конструкция анализируется на технологичность, обеспечивается необходимая стандартизация, унификация и патентная чистота.
В ходе последующей разработки рабочей документации конструкция машины окончательно формируется до мельчайших подробностей. Получаемый в итоге комплект чертежей и других документов содержит сведения о теоретической массе машины, сборочных единиц и деталей, о материалах, заготовках и покупных изделиях. Это позволяет провести технико-экономический анализ подробно и значительно точнее.
Технико-экономический анализ продолжается и при последующей технологической подготовке производства, основная его цель заключается в обеспечении обоснованного выбора экономически оптимальных технических решений в области состава и режимов операций, проектирования оснастки и специального технологического оборудования.
Техническая подготовка производства (ТПП) является сложной технико-экономической системой, содержательная сторона которой представляет собой систему взаимосвязанных локальных технических задач, а организационная сторона — систему служб и подразделений, решающих эти задачиJ
Цель организации и управления ТПП состоит в том, чтобы правильно определить состав локальных задач, распределить их между исполнителями, установить последовательность и сроки решения задач, обеспечить информационные и организационные связи между службами в процессе ТПП.
Автоматизация работ по ТПП все больше распространяется и па локальные технические задачи проектирования. Для этого в рамках подсистемы управления ТПП в АСУП создаются алгоритмы и программы задач конструкторско-технологического проектирования. Например, в комплекс этих задач входят: расчеты запасов прочности, надежности, норм расхода материалов, режимов обработки типовых технологических процессов, параметров приспособлений, штампов и другой технологической оснастки и т. д. Информационное обеспечение задач подсистемы управления ТПП обычно реализуется в виде информационно-поисковых систем как научно-технической, так и нормативно-справочной информации.
Любая локальная техническая задача проектирования, независимо от ее содержания, в своем развитии проходит следующие

Рис.-2.1 Схема процесса решения локальной технической задачи проектирования
стадии: подготовительную, творческую, аналитическую, оптимизирующую и принятие решения. Общая схема процесса решения локальной технической задачи показана на рис. 2.1. На каждой из этих стадий имеют место работы аналитического характера.
На подготовительной стадии уточняется техническая задача, собирается необходимая научно-техническая и экономическая информация об аналогичных образцах и способах их изготовления, эта информация подвергается систематизации и анализу. На данной стадии создается как бы информационная база для последующего поиска технического решения.
Вначале выясняются все технические требования, уточняются ограничения и допуски на выходные технические параметры, определяются также предполагаемый объем выпуска, режимы и условия функционирования нового изделия, возможности собственного производства и необходимость в кооперированных поставках.
На этой же стадии должен осуществляться сбор информации о технико-экономических показателях аналогичных и конструктивно подобных изделий: трудоемкости, материалоемкости и себестоимости изготовления, затратах в эксплуатации и др. Последующий анализ данной информации должен дать предварительные соображения о лимите производственных затрат, соответствующем требуемым показателям качества и технического уровня. Попутно должны отрабатываться методы прогнозирования экономических оценок.
На творческой стадии осуществляются |поиск технических решений и их эскизная проработка. Трудность поиска технического решения зависит от новизны и сложности самой задачи, оригинальности ее постановки. Чаще всего практика проектирования сводится к приспособлению готовых, известных технических решений к требуемым условиям и ограничениям. Однако, чем оригинальнее задача, тем меньше готовых прототипов имеют разработчики и тем сильнее изобретательский аспект задачи.
От разработчика на этой стадии требуется проявление творческих способностей; любознательности не только к своей сфере деятельности, но и к другим областям науки и техники; склонности к генерации идей, схем, конструкций; настойчивости в продумывании своих идей; творческого воображения и внутренней дисциплины. В то же время разработчик должен обладать достаточной широтой знаний и опыта, умением связывать (синтезировать) между собой отдельные элементы и непредвзятым подходом, позволяющим сделать выбор нужной идеи при наличии многих вариантов и в случае необходимости отказаться от некоторых из них.
Процессы инженерного творчества и изобретательской деятельности достаточно подробно описаны в литературе [2.2, 2.7, 2.14]. Укажем лишь следующие три факта, отмечаемые всеми авторами.
  1. Очень .часто человек, стоящий на пороге оригинального решения, в течение некоторого времени, как кажется, ничего не делает, а только впитывает информацию, сравнительно бесплодно работает над довольно тривиальными задачами и увлекается посторонними делами. Этот период известен как «вынашивание идеи».
  2. Решение трудной задачи или возникновение оригинальной идеи часто происходит совершенно неожиданно (в виде «озарения») и приводит к коренному изменению постановки задачи. В результате этого сложная задача нередко становится простой.
  3. Врагами изобретательства являются негибкость мышления и склонность принимать желаемое за действительное, т. е. некритическое отношение к своей идее. Психологическая инерция проявляется по отношению к какому-либо конкретному методу или образу мышления при решении задач, она может усилиться под действием нетерпения, состояния напряжения, чрезмерной осмотрительности, боязни критики и т. д.

Повысить эффективность творческого процесса формирования идей можно с помощью новых методов: «мозгового штурма», синек- тики, морфологического анализа, а также системы эвристических приемов. Отметим основные черты перечисленных методов.
Метод «мозгового штурма» («мозговой атаки») заключается в проведении коллективного обсуждения какой-либо проблемы группой специалистов. Метод основан на том, что одна высказанная идея базируется на другой, комбинируется с ней и порождает следующую, в результате чего возникает поток идей. Коллективное обсуждение требует тщательной организации и умелого управления со стороны руководителя. При этом должны соблюдаться следующие правила: 1) любая критика и вынесение суждения — благоприятного или неблагоприятного — не допускаются; 2) число высказываемых идей не ограничено и чем их больше, тем лучше;
  1. полная свобода высказываемых мыслей; 4) непрерывный обмен мыслями между членами группы и соединение их идей.

Метод «мозгового штурма» рекомендуется использовать для решения достаточно широких, принципиальных задач. Например, для его применения больше подходят задачи такого типа: «Каким способом автоматизировать загрузку заготовок?» «Какой вид транспортных средств выбрать для передачи деталей?» и т. д.
Метод синектики так же, как и метод «мозгового штурма», предполагает генерацию идей группой специалистов, но он имеет некоторые особенности. Прежде всего тщательно подбирается группа специалистов с учетом их знаний, опыта, психологического типа, склонности к творческому мышлению. Этой группе детально объясняются проблема и задание и дается возможность попрактиковаться в использовании аналогий и других приемов. Метод синектики применяется для решения достаточно конкретных технических задач, например: найти более простой принцип устройства приводов с постоянной скоростью вращения вала, предложить усовершенствованный нож для открывания консервных банок, предложить более жесткое основание агрегата и т. д.
Метод морфологического анализа состоит в изучении всех возможных комбинаций параметров, форм, отдельных элементов для решения поставленной задачи. Значения параметров, типы форм и элементов образуют таблицу или матрицу. Различные сочетания перечисленных характеристик рождают альтернативные идеи или рекомендуемые решения задачи. Морфологический анализ применяется для решения задач поиска рациональных структур, схем и компоновок.
В процессе формирования идей большую помощь могут оказать различные эвристические приемы, которыми довольно широко пользуются изобретатели. К их числу относятся инверсия, аналогия, эмпатия, идеализация и др. Ицверсия заключается в рассмотрении известной конструкции как бы «наоборот». Например, деталь или сборочную единицу в отличие от известных конструкций машин располагают вверх дном, кладут набок, меняют левую и правую сторону и т. д. Если одна часть машины движется, а другая неподвижна, то инверсия означает, что эти части меняются местами. Перевернуть вверх дном, вывернуть наизнанку, поменять местами — эти слова характеризуют существо инверсии, используемой как прием для получения новых идей.
Другим часто применяемым приемом является аналогия, когда получение новых идей подсказывается аналогичными решениями в других конструкциях и системах, в других сферах науки и техники, в живой природе и даже в художественной литературе. Прием «эмпатия» понимается как вхождение в образ, поставить себя на место какой-либо детали или машины, ощутить мысленно на себе ее нагрузки, темпы, скорости и получить таким образом новый взгляд на задачу.
Идеализация, как прием мыслительной деятельности, заключается в рассмотрении идеальных и даже фантастических решений, когда все условия и желания выполнены, что также стимулирует получение новых идей. Причем эвристические приемы могут применяться как при коллективных методах генерации идей («мозговом штурме» и синектике), так и в индивидуальной работе.
В настоящее время разрабатываются алгоритмы автоматизированного поиска новых конструктивных решений с помощью ЭВМ для задач невысокого уровня сложности и новизны [2.1]. Проектирование новой конструкции в этих задачах можно представить как преобразование известных прототипов и получение множества новых конструктивных решений, отвечающих заданным условиям, среди которых затем ведется поиск оптимального варианта.
Алгоритмизация поиска конструктивных решений осуществляется путем реализации набора стандартных эвристических приемов. Каждый эвристический прием содержит две части: первая — пространство переменных, в этой части указывается, что изменяется (преобразуется) в прототипе, вторая называется шагом изменения переменных, содержит сведения о том, как выполняются эти изменения.
Составленная библиотека эвристических приемов преобразования прототипов для несложных механических систем содержит 86 приемов, которые могут быть подразделены на следующие 16 групп приемов: 1) разделения системы или конструкции на части; 2) совмещения функций отдельными элементами конструкции; 3) упрощения, унификации, исключения «лишних» элементов;
  1. переноса решения из другой области техники и естествознания;
  2. преобразования формы элементов конструкции; 6) введения и использования новых деталей, сборочных единиц, материалов, силовых воздействий, приводов ит. п.; 7) преобразования «наоборот»: движущиеся элементы закрепить, а неподвижные сделать подвижными, перевернуть систему или ее элемент «вверх ногами» поменять направление движения на обратное и т. п.; 8) профилактической компенсации при чрезмерных уровнях деформаций, напряжений, расхода энергии, износа и т. д.; 9) «обратить вред в пользу», использования вредных факторов для получения положительного результата; 10) количественного изменения числа элементов конструкции или тех или иных параметров; 11) изменения условий работы: характера и траектории движения, характера скольжения, трения, соединения, агрегатного состояния, цвета конструктивных элементов; 12) перехода в другое измерение, другую систему координат, к «многоэтажной» компоновке и т. д.;

13) изменения среды, окружающей элементы конструкции; 14) частичного решения, отбрасывания некоторых второстепенных требований, получения решения на упрощенных моделях и копиях;
  1. динамизации, т. е. преднамеренного изменения параметров и структуры системы или ее элементов по ходу процесса работы;
  2. «скачка к идеалу», т. е. обращения к расчетной идеальной системе.

Из 86 составленных эвристических приемов для 65 имеются рекомендации по их формальному описанию, открывающие возможность их программирования на ЭВМ. Остальные (21 прием) пока не удалось формально описать.
В работе [2.1] сделан анализ использования перечисленных выше эвристических приемов в конструкторско-изобретательских задачах. Было рассмотрено 304 авторских свидетельства и патента по группе машиностроения (сопла паровых турбин и реактивных двигателей, токарные резцы, водоструйные насосы, воздушные винты, аппараты на воздушной подушке, ковши экскаваторов и др.). Оказалось, что наиболее часто в разработке новых конструктивных решений применяются приемы преобразования формы элементов конструкции, изменения характера функционального соединения между элементами и степени свободы их взаимного перемещения, введения и использования новых деталей и сборочных единиц, изменения характеристик (массы, габаритных размеров, формы, температуры и т. д.), элементов конструкции по ходу рабочего процесса машины, уменьшения (увеличения) числа элементов в конструкции, изменения взаимного расположения элементов. Три четверти общего числа рассмотренных конструктивноизобретательских разработок созданы с использованием перечисленных эвристических приемов.
В работе Г. С. Альтшуллера [2.2] приведены методические рекомендации по решению конструкторско-изобретательских задач. Свою методику автор условно назвал «алгоритмом решения изобретательских задач», сокращенно АРИЗ. В термин «алгоритм» он вкладывает широкий, а не узкий математический смысл и имеет в виду под определением алгоритма программу целесообразных действий для достижения результата. Методика была развита и дополнена в работе [2.3] и получила название «теория решения изобретательских задач» (ТРИЗ). АРИЗ (ТРИЗ) представляет собой в основном систематизированный набор преимущественно эвристических правил, выполнение которых облегчает решение конструкторской задачи, но не гарантирует обязательное получение одного и того же успешного результата, так как успех в конечном счете зависит от индивидуальных качеств конструктора, его опыта, знаний и умения пользоваться этой методикой. Таким образом, АРИЗ (ТРИЗ) — это полезное методическое, можно сказать «советующее» руководстводля конструкторов и изобретателей.
АРИЗ (ТРИЗ) делит творческий процесс на пять этапов: 1) выбор задачи; 2) уточнение условий задачи; 3) аналитический этап;
) оперативный этап; 5) синтетический этап. В свою очередь, каждый.этап подразделяется на ряд последовательно осуществляемых шагов. Например, выбор задачи включает шаги: определить конечную цель решения задачи, проверить возможность достижения той же цели решением «обходной» задачи, сравнить эффективность решения первоначальной и «обходной» задачи, найти требуемые количественные показатели (скорость, производительность, точность, габаритные размеры и т. п.), уточнить требования и показатели с учетом фактора времени и конкретных условий.
Уточнение условий задачи включает шаги: уяснить смысл задачи, используя патентную литературу и сведения из других отраслей техники; проверить возможность решения задачи, не считаясь с затратами; выяснить, как изменится задача, если изменить требуемые параметры в меньшую и большую сторону, если изложить задачу без специальных терминов.
Особый интерес представляет аналитический этап, имеющий исключительно важное значение в процессе решения конструкторских задач, так как он подсказывает направление ведения творческого поиска. Аналитический этап нацелен на упорядочение «мыслительных проб», происходящих по ходу решения задачи, и состоит в том, чтобы последовательно, шаг за шагом можно было разобраться в разных ее аспектах и трудностях.
Аналитический этап включает следующие шаги: определить идеальный конечный результат; выяснить, что мешает получению идеального результата и в чем непосредственная причина помехи; определить условия, при которых ничто не мешало бы получить идеальный результат; выяснить, каким должно быть устройство, устраняющее помеху.
Оперативный этап охватывает правила ведения поиска решения. Его первый шаг заключается в проверке возможности устранить техническое противоречие с помощью таблиц типовых приемов. В работе [2.2] сформулированы 35 типовых эвристических приемов, в частности, такие: дробление объекта на независимые друг от друга части, вынесение (изоляция) «мешающей» части, создание для каждой части объекта особых, наиболее благоприятных для ее работы условий, нарушение симметрии объекта, объединение однородных объектов и т. д. Использование каждого приема иллюстрируется практическими примерами.
Где и когда применить тот или иной прием? Отвечая на данный вопрос, исходят из того, что хотя изобретательских задач бесчисленное множество, однако технические противоречия в них повторяются довольно часто, а поэтому типичные противоречия должны устраняться и типичными приемами. В результате анализа 25 тыс. изобретений, относящихся к 43 патентным классам, разработана таблица типовых приемов.
В строчках таблицы указываются параметры и характеристики, которые желательно улучшить (увеличить или уменьшить), а в вертикальных колонках — параметры и характеристики,
которые ухудшаются, если решать задачу известным способом, и которые недопустимо ухудшать.
Всего приведено 32 параметра и характеристики (масса, длина, площадь, объем, скорость и т. д.). В клеточках, где пересекаются эти вступающие в противоречия параметры и характеристики, указаны номера типовых эвристических приемов.
Так, повышение мощности пресса всегда связано со снижением производительности. Какими приемами можно преодолеть это техническое противоречие? В таблице на пересечении строки «мощность» и колонки «производительность» находим номера рекомендуемых приемов 20, 28 и 34. Прием 20 состоит в том, чтобы вести работу непрерывно, устранить или сократить холостые и промежуточные ходы, перейти от поступательно-возвратного движения к вращательному. Прием 28 рекомендует заменить механическую схему электрической, оптической, акустической. Прием 34 предлагает исключать или видоизменять ненужные части конструкции, чтобы снизить ее инерцию. Как видим, все перечисленные приемы вполне логичны и широко используются при конструировании.
Кроме того, на оперативном этапе рекомендуются еще такие шаги: проверить возможные изменения в среде, окружающей объект, в других объектах, работающих совместно с данным; проверить возможные изменения во времени; рассмотреть, как решаются более или менее сходные задачи в живой и неживой природе.
Синтетический этап включает следующие шаги: определить, как после изменения одной части объекта должны быть изменены другие его части; выяснить, как нужно изменить другие объекты, работающие совместно с данными; проверить возможность применить измененный объект по-новому, использовать найденную техническую идею (или идею, обратную найденной) при решении других задач.
Аналитическая стадия занимает центральное положение в процессе решения технической задачи. На этой стадии подготовляются обоснованные предложения по выбору оптимального варианта. Стадия включает два взаимосвязанных элемента: инженерный и технико-экономический анализы предлагаемых вариантов. Содержание работ на этой стадии подробно излагается в п. 2.2.
Оптимизирующая стадия является логическим продолжением аналитической стадии. Вообще элементы оптимизации имеют место на всех стадиях реализации технической задачи, поэтому сам процесс проектирования можно назвать как оптимальное проектирование. В данном же случае речь идет не вообще об оптимизации конструкции машины, а об оптимизации ее технических параметров и характеристик.
Оптимизация предполагает нахождение значений варьируемых в некоторых пределах параметров, при которых достигается экстремальное (минимальное или максимальное) значение некоторого показателя, называемого критерием оптимальности. Функция, выражающая зависимость критерия оптимальности от оптимизируемых параметров, называется целевой функцией. Таким образом, при математической постановке оптимизационной задачи ее элементами являются критерий оптимальности, целевая функция, ограничения и оптимизируемые параметры. Математические методы оптимизации дают правила нахождения параметров, которые минимизируют или максимизируют целевую функцию при различных ограничениях. К математическим методам относятся методы дифференцирования, геометрического программирования, множителей Лагранжа, вариационного исчисления и различные численные методы, подробнее методы оптимизации рассматриваются в гл. 4.
Процесс оптимизации любой конструкторской задачи включает две основные части: формулировку критерия оптимальности, выражающего направление и цель оптимизирующего поиска; выбор оптимального варианта из нескольких возможных альтернатив на основе сформулированного критерия оптимальности.
Необходимо подчеркнуть исключительно важную роль экономических показателей в установлении оптимальных технических параметров. Общепризнанным считается, что целевая функция должна быть функцией стоимостной, так как именно стоимостные категории наилучшим образом соответствуют общему критерию эффективности новой техники в народном хозяйстве — росту производительности общественного труда. Ни один из технических показателей (коэффициент полезного действия машины, производительность труда и машины, удельная мощность на единицу массы и т. п.) не обладает такой степенью обобщения и значимости с позиций народнохозяйственных интересов, какой обладают экономические (стоимостные) показатели.
Проблема стоимостных критериев оптимальности, над которой работает экономическая- наука, заключается в том, как, каким образом рассчитывать критерий оптимальности: по формуле приведенных затрат, дифференциальных затрат, полных затрат, себестоимости и т. д., какой вид формулы лучше соответствует условию минимизации общих издержек общественного производства.
Руководящими методическими материалами [2.9, 2.13] установлен единый оптимизирующий показатель для технических разработок — минимум приведенных затрат, т. е. экономически оптимальным признается тот вариант конструкции или тот набор ее технических параметров, при котором обеспечивается минимальная величина приведенных затрат.
Общая оценка и принятие решения — эта стадия имеет целью дать наиболее полную оценку эффективности выбранного оптимального технического решения, подтвердить целесообразность дальнейших работ. В общей оценке особая роль принадлежит социальным и экономическим факторам. Не вызывает сомнения важность таких факторов, как экономическая эффективность, высокая производительность, содержательность, безопасность и культура труда, эстетика, комфортность рабочего места и чистота окружающей среды.
Само по себе принятие решения есть компромисс, так как данная операция связана с преодолением противоречий разного характера. Принимая решения, необходимо взвешивать суждения о разных сторонах «ценности» конструкции, что включает рассмотрение не только результатов расчета экономической эффективности.
Соблюдая примат народнохозяйственной экономической эффективности, следует учитывать важность социальных, трудовых, экологических, внешнеполитических и других факторов, которые часто невозможно оценить количественно. Принять правильное решение — значит выбрать такую альтернативу из числа возможных, в которой с учетом всех этих разнообразных факторов будет оптимизирована общая «ценность» машины.
Часто бывает необходимо допустить некоторое ухудшение одной из характеристик, с тем чтобы получить выигрыш в других. Так, могут быть приняты решения по созданию машин или систем машин, экономия от внедрения которых не подтверждается расчетом. К их числу относятся автоматические машины, аппараты и линии, обеспечивающие резкое улучшение условий труда и сохранение окружающей среды. К разработке могут быть приняты также машины, обладающие технической прогрессивностью, неэффективность которых носит временный характер и чьи преимущества обнаружатся в перспективе, по мере освоения выпуска этих машин или смежных производств, освоения труднодоступных районов страны, по мере роста общего технического уровня производства, по мере усиления дефицитности тех ресурсов, которые данная техника сберегает.
Все это свидетельствует о том, что принятие решения о постановке машины на разработку и производство требует от руководителей и специалистов глубокой компетентности, объективности в оценках своих и «чужих» разработок, широты кругозора и принципиального государственного подхода.
  1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ РАБОТА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

МАШИН
В процессе анализа происходит отработка конструктивных вариантов, устанавливаются их размерные, динамические, энергетические и другие характеристики, кроме того, оцениваются техникоэкономические показатели, позволяющие сравнивать варианты между собой.
Всю совокупность аналитических работ при проектировании можно подразделить на два вида анализа: инженерный и техникоэкономический.
В ходе инженерного анализа проводятся теоретические и экспериментальные исследования. В процессе теоретических исследова- ний разрабатываются математические модели: формулы, неравенства, уравнения и т. п. Любая модель является идеализированным приближением к реальным процессам, протекающим при функционировании машины. Реальные физические явления, с которыми имеют дело инженеры, очень сложны и их никогда нельзя математически описать точно и в полном объеме. Поэтому всегда делаются допущения и обобщения, а также пользуются аппроксимацией.
Для построения математических моделей от исследователя требуются не только глубокие знания, но и определенный опыт и интуиция. Искусство разработки моделей заключается в умении найти компромисс: с одной стороны модели должны быть достаточно детальными и сложными, чтобы отражать существо задачи и чтобы найденные с ее помощью результаты имели смысл, а с другой — модели должны быть достаточно простыми, чтобы было легко и удобно ими пользоваться в практической деятельности.
Математические модели можно разделить на два класса: аналитические (теоретические) и эмпирические. Аналитические модели выводятся из фундаментальных теоретических зависимостей, отражающих тот или иной физический закон. Например, при кинематических, динамических и прочностных расчетах широко используются законы движения Ньютона, уравнение количества движения, закон сохранения импульса, закон сохранения массы и многие другие физические законы и принципы.
При решении задач используются не только аналитические модели. Многие задачи быстрее и легче решить путем построения эмпирических моделей, которые Требуют предварительных экспериментальных исследований. Не обязательно, чтобы экспериментальная установка в точности воспроизводила всю конструкцию, но она должна воспроизводить процессы, протекающие в реальной конструкции.
В ряде инженерных задач используются комбинированные ана- литико-эмпирические математические модели. Теоретические и экспериментальные исследования должны взаимно дополнять и развивать друг друга. Часто бывает достаточно получить отдельные экспериментальные результаты, которые в виде соответствующих числовых значений можно затем вводить в аналитические зависимости. В то же время теоретические исследования могут подсказать, какого рода эксперименты наиболее целесообразны.
В ходе инженерного анализа выполняются многочисленные расчеты: прочностные, динамические, теплофизические, кинематические и др. Смысл этих расчетов состоит в том, чтобы разрешить составленные уравнения относительно искомых неизвестных. При этом имеют дело с решением дифференциальных, интегральных и различного рода других алгебраических уравнений. Вычисления могут выполняться с помощью арифметических действий, а также с применением довольно сложного аппарата алгебры, Дифференциального и интегрального исчисления.
Не всегда система алгебраических уравнений, в том числе дифференциальных и интегральных, легко аналитически разрешается относительно искомых переменных. В первую очередь это относится к большинству трансцендентных уравнений, т. е. уравнений, в которых неизвестная переменная находится под знаком трансцендентной функции. Доказано также, что нельзя построить формулу, по которой можно было бы решать произвольное алгебраическое уравнение степени выше четвертой.
Во многих случаях получение точных решений простым аналитическим способом невозможно, так что необходимо применять приближенные методы, например графические и численные. Кроме того, точное решение систем уравнений не является безусловно необходимым. Так, отыскание корней уравнения можно считать практически решенной задачей, если удается определить корни с нужной степенью точности и указать пределы возможной погрешности. Все более широкое внедрение в практику вычислительных машин, цифровых и аналоговых, способствует повышению роли численных методов в инженерном анализе.
После выполнения вычислений необходимо проанализировать полученные результаты с точки зрения их соответствия поставленной задаче. Кроме того, необходимо выяснить, что нового дали результаты расчета. Эту новую информацию необходимо исследовать и обобщить. Исключительно важную роль в инженерном анализе играют проверки, которые должны проводиться на всех этапах анализа, а не только в конце работы. Обычно выполняются проверки математического и логического характера. Математические проверки касаются числовых результатов различных вычислительных операций. Они осуществляются путем повторения последовательности операций, обращения последовательности операций (например, проверка сложения вычитанием, проверка деления умножением и т. д.), применения другого способа получения результатов. Целью этих проверок является исключение ошибок при арифметических и алгебраических вычислениях.
Кроме того, проверке должны подвергаться и сами уравнения и символические результаты. Так, каждое уравнение должно быть проверено с точки зрения размерности, соблюдения граничных условий. Эти проверки являются хорошим способом обнаружения как принципиальных ошибок, так и ошибок, допущенных по невнимательности.
Проверкам логического характера подвергаются математические модели и отдельные результаты расчетов. При этом выясняется качественное соответствие модели физическому закону или принципу. Так, выясняют, соответствует ли первоначально заложенным принципам ход изменения ряда величин под влиянием изменения аргумента. Хорошей проверкой уравнений, основывающейся на физическом смысле, является проверка пределов. Если какая-то величина приближается к некоторому пределу (нулю, единице, бесконечности и т. д.), то ведет ли себя функция так, как это ожидалось? Существуют ли другие существенные величины, которые не вошли в уравнение? Иногда делают приближенные оценки результатов и по их ориентировочному значению выясняют, а имеют ли вообще смысл полученные числовые результаты.
Надежное же суждение о правильности полученных числовых результатов расчета получают в ходе проведения экспериментов на опытных стендах, опытных образцах техники или уменьшенных моделях.
Инженерный анализ должен быть дополнен технико-экономическим; только на основе результатов того и другого анализов можно перейти к оптимизации, общей оценке и принятию окончательного решения.
Сложившаяся практика исследовательских и конструкторских организаций такова, что к технико-экономическому анализу обращаются на завершающих стадиях конструирования, когда конструкция почти готова и нужно «экономически» доказать ее целесообразность. Бывает и так, что никто из специалистов-разработ- чиков не думает делать экономический анализ, но вдруг ставится задача: рассчитать экономический эффект и в некоторых случаях лимитную цену. И тогда начинаются трудности с расчетами: не хватает каких-то данных, неизвестны способы расчета, не знают, где получить нужную информацию и насколько надежны полученные сведения и т. д. Этих проблем не будет, если техникоэкономический анализ планируется и проводится на ранних этапах проектирования. В творческой бригаде разработчиков должен быть среди прочих специалистов и инженер-экономист.
Приближенные экономические оценки должны выполняться уже на стадии выбора идеи конструкции. Приступая к проработке конструкции, подразумевается, что новая идея (концепция) экономически целесообразна, т. е. все виды затрат на ее разработку и реализацию будут оправданы дополнительной прибылью. Прежде чем начать разработку конструкции, специалисты обсуждают и вопрос о том, насколько выгодной будет новая машина. Принимаемое при этом решение опирается на коллективный опыт, изучение состояния запросов потребителей, состояния хода разработки аналогичных машин в других фирмах и объединениях, решительность руководителей и специалистов пойти на некоторый риск.
На протяжении всего процесса создания новой машины идет непрерывное отсеивание поступающих идей. Особенно много идей отсеивается на начальных этапах проектирования. Так, по данным американских предприятий из 60 идей, выдвигаемых на пред- проектной стадии, остается для конструирования около десяти. В ходе конструирования отсеивается примерно 80% предлагаемых идей. И, наконец, примерно половина конструктивно проработанных идей и предложений, допущенных к осуществлению, не реализуется. Таким образом, из 60 идей по выпуску новой продукции при прохождении через все стадии проектирования и изготовления только одна идея находит полное и успешное воплощение [2.5].
В сравнительной оценке, выборе наиболее эффективных и отсеве малополезных, убыточных идей на предпроектной стадии и начальных стадиях проектирования определенную помощь могут оказать экспертные методы оценки и анализа. Так, чтобы ответить на вопрос о том, на какой идее конструкции остановиться, можно провести балловую оценку этих идей по ряду факторов, причем факторы разбиваются на две группы: внешние (внешних условий) и внутренние (внутризаводских условий).
К внешним относятся такие факторы, как потребность народного хозяйства на сегодняшний день, перспективная потребность с учетом роста запросов потребителей и выпуска аналогов другими заводами, возможность снижения цены, повышения требований к качеству и др. К внутренним относятся такие, как наличие опыта проектирования и изготовления аналогичных машин, технологичность изделия с точки зрения его соответствия имеющемуся станочному парку завода, потребность в кооперированных поставках и др.
Технико-экономический анализ по ряду применяемых приемов и методов похож на инженерный анализ, но в то же время он обладает рядом специфических особенностей. Общность техникоэкономического и инженерного анализов обнаруживается в следующем. Во-первых, и тот и другой вид анализа предполагает получение количественного описания вариантов конструируемой системы, что необходимо для последующей оптимизации и принятия окончательного решения. Во-вторых, технико-экономический анализ использует хотя и не в такой большой степени, как инженерный, физические законы и принципы. В-третьих, имеется немало математических методов, успешно применяемых как в том, так и в другом виде анализа: методы теории корреляции, теории ошибок, статистического и факторного анализа, прогнозирующего моделирования, численные методы и т. д. Так, с формально-математической точки зрения можно найти много общего между прогнозированием себестоимости машины и прогнозированием надежности и долговечности машины.
Технико-экономический и инженерный виды анализа тесно взаимосвязаны: многие данные и выводы инженерного анализа используются в технико-экономическом и, наоборот, выводы, полученные экономистом, могут повлиять на ход инженерного анализа. Поэтому и инженерный, и экономический анализы должны протекать параллельно и взаимно дополнять друг друга. В то же время технико-экономический анализ имеет целый ряд характерных особенностей, которые состоят в следующем.
Во-первых, если в процессе инженерного анализа разработчик стремится проникнуть в суть физических процессов, протекающих в конструкции при ее функционировании, и найти пути обеспече ния надежной работоспособности, то при экономическом анализе экономист концентрирует больше внимания на внешних сторонах производства и функционирования машины, выявляет результаты внедрения машины на экономические показатели как предприятия- производителя, так и предприятия-потребителя. Другими словами, экономист исследует внешние связи машины с системами более высокого уровня, а внутреннее строение машины его интересует постольку, поскольку оно оказывает влияние на внешние связи.
Во-вторых, среди стоимостных категорий, которыми исследователи оперируют при технико-экономическом анализе, нет таких точных и постоянных величин, как физические константы, используемые в инженерном анализе. Достаточно стабильные техникоэкономические показатели или так называемые нормативы сохраняют свои значения в период пяти—семи лет, и поэтому они являются условно-постоянными величинами, но не константами. Для успешного технико-экономического анализа наличие нормативной базы совершенно необходимо, однако нужно помнить о том, что нормативная база нуждается в систематической корректировке. Причины непостоянства экономических показателей кроются в том, что они подвержены влиянию внешних экономических условий и факторов: в частности, на них влияют динамика цен, динамика уровня заработной платы и производительности труда, динамика соотношения фондов потребления и накопления и многое другое.
Из сказанного следует, что результаты конкретного техникоэкономического анализа быстро стареют и их нельзя абсолютизировать. Выводы, к которым пришли экономисты в предшествующие годы применительно к аналогичным конструкциям, могут оказаться совершенно неприемлемыми сейчас к проектируемой конструкции.
В-третьих, экономист практически лишен возможности ставить активные эксперименты, к которым довольно часто прибегают инженеры-исследователи. Так, экономист рассчитал величину ожидаемой трудоемкости какой-то детали, но чтобы проверить ее экспериментально, нужно наладить производство этих деталей, что на стадии конструирования нереально. Отсутствие эксперимента в экономическом анализе восполняется проведением наблюдений над действующим производством аналогичных машин и их сборочных единиц, над процессом эксплуатации аналогичных машин, обращением к предшествующему опыту создания подобных машин.
Таковы основные, но далеко не все особенности технико-экономического анализа новых машин.
Процесс технико-экономического моделирования протекает обычно в такой последовательности: 1) составление общей методики расчетов и структуры экономико-математических моделей; 2) формирование массивов исходной информации; 3) расчет параметров экономико-математических моделей; 4) проверка моделей на достоверность и точность; 5) уточнение параметров моделей по результатам проверки и выбор оптимальной модели.
На первом этапе конкретизируются задачи технико-экономического анализа и составляется общая методика их решения. Очень важным является обеспечение методологического единства при определении всех видов затрат на стадиях производства и эксплуатации новых машин. Определяется состав технико-экономических параметров, для нахождения которых предстоит разработать экономико-математические модели, причем для решения конкретной задачи может потребоваться система элементарных моделей. Система моделей агрегируется из нескольких элементарных моделей, причем процесс агрегирования не является простым сложением элементарных моделей. Он требует учета взаимных связей элементарных моделей, адекватных реальным связям между структурными элементами проектируемой машины. В исследовании внутренних связей между элементами эффективным может оказаться функциональный подход (см. п. 2.3 гл. 2).
Так, модель оценки себестоимости детали может включать модели оценки трудоемкости и станкоемкости обработки, материальных затрат, косвенных расходов и т. д. Для каждой элементарной модели отбираются существенные факторы и выбирается форма зависимостей.
На втором этапе формируется массив исходной информации: определяется необходимый и достаточный объем информации, собираются исходные сведения, которые затем систематизируются, анализируются и, если необходимо, корректируются.
Экономико-математическое моделирование должно выполняться на основе информации, охватывающей систематические данные по достаточно большой выборке. При этом во время отбора информации нужно правильно установить допустимый объем выборки. Исходная информация должна быть объективной и достоверной. Чтобы обеспечить это требование, необходим критический анализ первичных статистических данных, устранение грубых отклонений попавших в выборку данных.
Нужно сказать, что после анализа исходной информации экономист часто снова возвращается К1 первому этапу, т. е. к построению моделей, так как полученные новые сведения могут заставить его пересмотреть первоначальную структуру моделей. Разработка экономико-математических моделей имеет ряд существенных особенностей и отличается от разработки инженерных математических моделей.
Как разрабатываются инженерные модели? Последовательность здесь такая. Сначала на основе теоретических исследований выводится или подбирается математическая модель с учетом ряда допущений. Например, модель для определения величины прогиба прямоугольной балки, жестко закрепленной с одного конца (рис. 2.2), имеет вид

(2.1)
где F — нагрузка, кг; I — длина балки; Е — модуль              Рис- 2*2* Консольная балка
упругости; hub — высота и ширина сечения балки соответственно.
Эта модель взята из теории сопротивления материалов, однако она предполагает ряд допущений: нагрузка F действует в одной точке на конце балки, материал балки однороден, нагрузка F воздействует постоянно, а не толчком и балка жестко закреплена на одном конце. В реальных условиях, конечно, выполнить все указанные допущения невозможно, поэтому следующим этапом является проверка возможности применения данной модели.
Для этого обычно проводят эксперимент на уменьшенных образцах, стендах или реальных объектах. Получают набор экспериментальных данных о соответствии прогиба б величинам /, Е, b и h. Затем, применяя те же значения I, Е, b и Л, вычисляют прогиб по взятой математической модели. Для каждого опыта, тем самым, имеют расчетную величину прогиба и замеренную. Далее делается сравнение теоретических и экспериментальных результатов. Если расчетные данные незначительно отличаются от экспериментальных, то модель признается верной и соответствует реальной ситуации. Если же эти различия значительны, то модель либо отвергается, либо корректируется.
Положим, что в той же задаче о консольной балке экономисту необходимо создать модель для прогнозной оценки себестоимости балки при варьировании размерными параметрами /, Ъ и h и выборе разных материалов, т. е. при изменении модуля упругости Е. Если ширина b и высота h сечения балки соответствуют стандартным размерам проката, то себестоимость балки будет складываться из стоимости куска проката и затрат на нарезку кусков. Стоимость куска проката найти несложно, исходя из его массы и цены. А определение затрат на нарезку кусков нужной длины потребует тщательного анализа. Невозможно сразу сказать, какую форму будет, например, иметь уравнение зависимости трудоемкости нарезки кусков от размерных параметров /, Ь и h и модуля упругости.
Если же значения b и /г не соответствуют стандартным размерам проката, то появляется необходимость в механической обработке (строгании), оценка затрат на которую потребует разработки дополнительных моделей.
65
На третьем этапе анализа рассчитываются параметры (эмпирически е коэффициенты) каждой модели. При этом используются
3 Кац Г. Б. и др
разнообразные методы математической статистики, теории корреляции, вычислительной математики, теории подобия и т. д. Так как разработка экономико-математических моделей связана с переработкой большого объема статистической информации, то» для снижения трудоемкости и повышения качества расчетов целесообразно использование ЭВМ.
Четвертый этап — это проверка разработанных моделей на достоверность и точность. Здесь необходимо подчеркнуть, что любая экономико-математическая модель несет в себе ряд допущений и упрощений, поэтому их использовать нужно осмотрительно, с определенными оговорками. Допущения необходимы для того, чтобы модель была достаточно простой и удобной в использовании.
Введение допущений и упрощений — прием, который широко используется во всех науках при моделировании систем. Умение упростить задачу без риска, значительно увеличить возможность ошибки — большое искусство, которое приходит к специалисту вместе с опытом. Так как операции отбора исходной информации, выделения определяющих факторов, выбора формы связи носят во многом интуитивный характер, то полученные экономико-математические модели должны обязательно проверяться. Прежде всего модели должны подвергаться логическим проверкам, при которых выясняется качественное соответствие модели известным закономерностям. Недостаточный объем информации, наличие мультиколлинеарности между параметрами — наиболее характерные причины получения нелогичных параметров модели.
Очень важно также установить границы применяемости моделей, допустимые диапазоном варьирования параметров и показателей. В ряде случаев для описания одной и той же зависимости строят несколько моделей. Так, связь между параметрами с показателями может быть представлена линейной, степенной, показательной, параболической и другими формами.
Для выбора формы связи, наилучшим образом соответствующей опытным или фактическим данным, для каждой модели рассчитываются статистические характеристики тесноты связи и рассеяния, доверительные интервалы.
' На пятом этапе параметры моделей .уточняются по результатам выполненных логических и математических проверок и если проработаны несколько форм моделей, делается выбор оптимальной модели. Точность и достоверность прогнозных расчетов на базе экономико-математических моделей обусловливаются объемом и качеством исходной информации, правильным выбором состава и структуры модели, а также точностью и техническими возможностями применяемой вычислительной техники.
В технико-экономическом анализе новых конструкций машин могут использоваться наряду с математическими методами и экспертные методы (см. гл. 3).
<< | >>
Источник: Кац Г. Б., Ковалев А. П.. Технико-экономический анализ и оптимизация конструкций машин. —М.: Машиностроение,1981. — 214 с., ил.. 1981

Еще по теме СОВРЕМЕННЫЙ ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН, ЕГО СОДЕРЖАНИЕ И ОСОБЕННОСТИ:

  1. 1.1 Общее описание проблемы. Идентификация состояния процесса
  2. 2.1. ОСОБЕННОСТИ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
  3.   ПРОСТРАНСТВО  
  4.   3.1.4. Особенности неклассических научно-технических дисциплин  
  5.   3.2.4. Эпистемологическое содержание компьютерной революции  
  6. § 3. Ограничения свободы, неприкосновенности частной жизни человека
  7. СОВРЕМЕННЫЙ ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН, ЕГО СОДЕРЖАНИЕ И ОСОБЕННОСТИ
  8. Приложение А Круглый стол «Верховенство права как ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ ФАКТОР ЭКОНОМИКИ» (стенограмма) (Москва, ИНСОР, 31.01.2012) УЧАСТНИКИ:
  9. КАК МОЛОДЫ МЫ БЫЛИ, КАК ИСКРЕННЕ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ЛЮБИЛИ...
  10. ДОКУМЕНТЫ 1892-1911 гг.
  11. Глава 9. Magnum ignotum1 частной собственности в проекции общего вектора прогресса российского общества
  12. Глава VI ФИЛОСОФИЯ ТЕХНИКИ
  13. Глава 8.Управление в области использования и охраны земель
  14. § 2. Подготовка технических регламентов на современном этапе. Экспертиза проектов технических регламентов (Калмыкова А. В.)
  15. Примечания
  16. современные подходы к описанию иск как экономической системы
  17. особенности саморегулирования и его роль в трансформационном развитии инвестиционностроительной сферы
  18. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИКЛАДНОЙ ЛИНГВИСТИКИ