16. Попытайтесь в воображении «залезть» внутрь объекта и рассмотреть его изнутри.
17. Выявите и исключите из дальнейшего обсуждения альтернативные варианты решения проблемы, уводящие в сторону от траектории поиска наилучшего решения.
18. Попытайтесь выявить, кого и почему интересует решаемая проблема.
19. Выявите, кто первым и когда придумал аналогичный технический объект, были ли ложные попытки его усовершенствования.
20. Кто еще решал аналогичную проблему и чего он добился?
21. Выявите пограничные условия изготовления и применения объекта.
16.1 Метод морфологического анализа
Термин «морфология» (учение о форме) впервые использовал Иоганн Вольфганг Гёте - немецкий мыслитель, естествоиспытатель и всемирно известный писатель, поэт. Он был основоположником морфологии организмов - учения о форме и строении растений и животных.
Автором метода морфологического анализа является швейцарский астроном Ф. Цвикки, который не дал развернутого определения этому понятию, а лишь указал, что этот метод позволяет находить все варианты решения проблемы. Рассмотрим, как и в какой последовательности осуществляется поиск новых технических решений по правилам, предложенным Ф. Цвикки. При этом все этапы морфологического анализа будем иллюстрировать примерами поиска технических решений создания нового автомобиля-вездехода.
На 1-м этапе дается точная и полная формулировка поставленной задачи. В частности, выдвигаются следующие требования потребителя к автомобилю-вездеходу:
- он должен передвигаться по сложной пересеченной местности (по твердому и сыпучему грунту, по воде, льду) в любое время года и суток;
- он должен перевозить грузы и людей в комфортных условиях, а значит - должен быть защищен от внешней среды и оборудован соответствующими средствами жизнеобеспечения;
- он должен быть управляемым и обеспечить передвижение в любых направлениях со скоростями и ускорениями в заранее заданных диапазонах.
На 2-м этапе формулируются основные морфологические признаки технического объекта (функциональные узлы, параметры), исходя из закономерностей его строения.
В рассматриваемом примере за морфологические признаки автомобиля-вездехода могут быть приняты:
1. Способы перемещения вездехода по земной поверхности.
2.Принципы осуществления движения.
3.Виды преобразователей энергии в движение.
4.Типы источников энергии.
5.Виды систем управления вездеходом.
6.Типы систем жизнеобеспечения.
7. Варианты систем ориентации.
На 3-м этапе производится независимое рассмотрение всех морфологических признаков; для каждого из них намечаются все мыслимо возможные варианты решения проблемы.
4-й этап: составление многомерной матрицы, в которой каждому морфологическому признаку соответствует графа возможных вариантов решения задачи.
5-й этап: анализ и оценка всех без исключения вариантов решения задачи с позиций наилучшего выполнения техническим объектом сформулированных для него потребительских целей и технических функций. При этом большинство из обсуждаемых вариантов оказываются неперспективными и неприемлемыми по тем или иным причинам и исключаются из дальнейшего рассмотрения.
На последнем, 6-м этапе производится выбор одного или нескольких синтезированных вариантов решения задачи, которые могут оказаться перспективными для практической реализации.
16.2 Метод функционально-стоимостного анализа
В инженерной и изобретательской практике технически развитых стран мира, начиная с 60-х г. XIX в., получил распространение новый подход к снижению стоимости и к повышению качества технических изделий. Этот подход получил название функционально-стоимостного анализа (ФСА).
Используются два подхода к снижению себестоимости изготовления и эксплуатации технических изделий: предметный и функциональный. При традиционном предметном подходе разработчик рассматривает объект как реальную целостную конструкцию. При функциональном же подходе разработчик полностью абстрагируется от реальной конструкции объекта и сосредотачивает внимание на ее функциях. Такой подход изменяет и направление поиска путей снижения себестоимости изготовления и эксплуатации технического объекта. Четко определив и сформулировав все функции анализируемого объекта и их количественные характеристики, разработчик выясняет: насколько важны и необходимы те или иные функции, которыми обладает прототип? Можно ли избавиться от некоторых «излишних» функций без ущерба для общей потребительской ценности объекта? Какие характеристики и параметры элементов объекта можно изменить для снижения себестоимости?
Процесс проведения ФСА состоит из следующих поэтапно выполняемых видов работ:
1. Подготовительный этап, на котором производится выбор технического объекта, определяются цели и задачи ФСА, формируется группа разработчиков проекта создания нового или усовершенствования существующего объекта.
2. Информационно-аналитическая работа.На этом этапе осуществляется сбор и анализ информации по конструкторско-технологическим решениям прототипа то, по условиям его работы, по конструктивным и эксплуатационным недостаткам, по затратам на его изготовление и обслуживание. Составляется список основных показателей и требований к техническому объекту, определяются критерии его развития. Разрабатывается конструктивная функциональная структура то. Производится классификация и анализ функций элементов то, определяются и попарно сравниваются стоимости функций, выявляются функциональные зоны наибольшего сосредоточения затрат. На основе проведенного анализа формулируется задача поиска более рациональных, оптимальных (по себестоимости) конструкторско-технологических решений.
3. Поисково-исследовательскиuй этап.Это один из творческих и доминирующих этапов работы, на который затрачивается до 50% времени от суммарного времени на выполнение проекта. Здесь исследуется каждая функция то на предмет: нужна ли она, нельзя ли переложить эту функцию на другой элемент то, можно ли объединить функции, можно ли упростить, удешевить или стандартизировать те или иные элементы то. На этом этапе основным инструментарием поисково-исследовательской деятельности разработчиков являются типовые приемы разрешения технических противоречий, эвристические методы и приемы поиска новых идей и рациональных конструкторско-технологических решений. Финалом этого этапа является оформление результатов в виде технического предложения и эскизного проекта .
4. Разработка и внедрение результатов ФСА.На этом этапе производится (в ряде случаев с привлечением опытных экспертов) отбор наиболее эффективных и перспективных вариантов конструирования технических объектов, определение технологичности и экономичности их изготовления, формируются рекомендации по их внедрению.
17.1 Алгоритм решения изобретательских задач
В СССР с конца 40-х годов началась разработка теории научно-технического творчества, или как ее иначе называют, теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Ее составной частью, основным рабочим инструментом является АРИЗ – алгоритм решения изобретательских задач, предложенный Альтшуллером.
АРИЗ – это комплексная программа, основанная на законах развития технических систем и позволяющая проанализировать исходную задачу, построить ее модель, выявить противоречие, мешающее получению желаемого результата обычными (известными) путями, и найти наиболее эффективный прием разрешения этого противоречия. Рассмотрим в качестве примеров некоторые приемы поиска решений технических задач, получивших широкое распространение.
1. Прием изменения размеров .Увеличить или уменьшить объект.
2.Принцип дробления. Разделить объект на независимые друг от друга части.
3. Принцип вынесения. Отделить от объекта «мешающую» часть (свойство, фактор) или, наоборот, выделить единственную нужную часть.
4. Принцип местного качества. Разделить объект на части так, чтобы каждая могла быть изготовлена из наиболее подходящего материала и находилась в условиях, наиболее соответствующих ее работе.
5. Принцип асимметрии. Машины создаются симметричными. Это их традиционная форма. Поэтому многие задачи, трудные по отношению к симметричным объектам, легко решаются нарушением симметрии.
6. Принцип объединения. Соединить однородные (или предназначенные для смежных операций) объекты.
7. Принцип универсальности. Один объект выполняет несколько функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах.
8. Принцип «матрешки». Один объект размещается внутри другого, который в свою очередь находится внутри третьего т. д.
9. Принцип «антивеса». 1. Компенсация веса объекта соединением с другими объектами, обладающими подъемной силой.
2.Самоподдержание объекта за счет аэродинамических, гидродинамических и других сил.
10.Принцип предварительного напряжения. Заранее придать объекту изменения, противоположные недопустимым или нежелательным рабочим позициям.
11. Принцип предварительного исполнения. Заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие без затрат времени на их доставку и с наиболее удобного места.
12. Принцип заранее предложенной подушки. Компенсировать относительно невысокую надежность объекта заранее подготовленными аварийными средствами.
Пример. Патент США № 2879821. Жесткий металлический диск, заранее расположенный внутри шины и позволяющий продолжить движение на спущенной шине без повреждения покрышки.
13. Принцип эквипотенциальности. Исторически многие производственные процессы складывались так, что обрабатываемый объект перемещался в пространстве по кривой, многократно поднимался и опускался. Между тем траекторию движения почти всегда можно расположить в одной плоскости. В идеальном случае объект должен перемещаться по прямой линии или по окружности. Всякий дополнительный изгиб затрудняет работу, осложняет автоматизацию.