Основы проектирования и конструирования (стр. 48 из 53)
Интересующими нас характеристиками являются высоты верхнего и нижнего края доски, оптимальное расположение которых зависит от роста лекторов, их почерка, характера графического материла и даже от того, тесен или свободен костюм на лекторе. Ясно, что построить аналитическую модель, учитывая все эти элементы невозможно.
В данном случае ограничения снимают тем, что изготовляется экспериментальная доска от пола до высоты 255-260 см и шириной во всю стену. Затем приглашаются по очереди разные лекторы разных специальностей, которые излагают конкретные материалы с использованием этой доски. Использованное поле доски тщательно измеряется, фотографируется, после чего проводится статистическая обработка собранных результатов. Отсекается по 5% крайних значений.
Основным недостатком системных испытаний является то, что они могут касаться только существенных последствий и не чувствительны к незначительным эффектам.
Накопление и свертывание данных.
Цель: Построить и представить в визуальной форме модели поведения человека, от которых зависят критические проектные решения.
Накопление и свертывание данных, недоступных непосредственному восприятию, применяются в тех случаях, когда местонахождение, физический объем и временной масштаб ситуации проектирования далеки от того, что проектировщики способны охватить, опираясь на свою память или непосредственное чувственное восприятие; примерами могут служить отдаленные потребители, крупные транспортные системы, распространение малых трещин, быстрые действия квалифицированных операторов и т.д.
Накопление данных может осуществляться с помощью специальных видов киносъемки, магнитных записей и пр.
Сбор и анализ данных в этом случае осложняется тем, что на каждую единицу собранной полезной информации приходится множество абсолютно бесполезных сведений. Выбор полезной информации и представляет собою "свертывание" данных.
Таким образом, план действий представляется следующим:
Выявить неопределенности, имеющие критическое значение для успеха или неудачи проектных решений в рассматриваемом диапазоне (Примеры: состояние и действие пилота в момент преодоления звукового барьера, обтекание водой подводного крыла при движении судна на подводных крыльях).
Определить, до какой степени следует сократить неопределенности, имеющие критическое значение.
Определить время и имеющиеся возможности для сокращения неопределенностей, имеющих критическое значение.
Просмотреть существующие методы накопления и свертывания данных, отмечая в каждом случае точность, скорость и стоимость обработки данных, а также типы вопросов, на которые может быть дан ответ.
Выбрать методы накопления и свертывания данных, совместимые с изложенными требованиями и друг с другом.
Непрерывно проверять релевантность промежуточных результатов и неопределенностей, имеющих критическое значение, и при необходимости корректировать методику.
Перечисленные приемы позволяют выполнить и второй этап приведенной блок-схемы процесса проектирования. Для выполнения этапа "Формирование идеи" используют морфологический анализ и синтез, метод обобщенной цели, метод поэтапного улучшения объекта АРИЗ и другие методы, ряд которых рассмотрен в теме: "Системный подход в технике".
После того, как сформированы конкретные идеи, наступает этап инженерного анализа. Этот этап включает следующие операции:
описание более конкретной технической задачи;
разработка плана;
построение модели аналитической или экспериментальной;
применение физических принципов (т.е. по существу, создание системы расчета ТО);
вычисления;
проверка;
оценка;
оптимизация.
После проведения инженерного анализа выполняется этап конкретизации решения, т.е. разработка проекта эскизного, технического, рабочего.
Рабочий этап, включающий чертежи всех элементов конструкций со всеми размерами, техническими требованиями и технология изготовления ТО идут в производство.
Завершением разработки проекта не заканчивается работа конструктора. В течение всего производственного процесса он курирует работу, решая в необходимых случаях вопросы замены конструкционного материала, возможности использования деталей, в которых допущены отклонения размеров от указанных в чертеже, внося изменения в проект в соответствии с принятыми рационализаторскими предложениями и т.д.
Курирование проекта со стороны разработчиков продолжается и на этапе сбыта и эксплуатации ТО. Ведь только на этом этапе можно выявить быстро изнашивающиеся детали, оценить срок их службы и т.д.
9. Основы САПР
9.1. Актуальные задачи по повышению конкурентоспособности промышленного производства. Определение сапр
Успеха на мировом рынке можно добиться, лишь обеспечив выполнение следующих задач:
ускорение темпов обновления выпускаемой продукции, что в частности, в машиностроении, требует значительного сокращения сроков выполнения проектно-конструкторских работ;
повышение технического уровня продукции за счет использования оптимальных технических решений;
максимальное использование новейшей научно-технической информации и технологии ее изготовления.
Все указанные задачи можно успешно решать, лишь используя ЭВМ, и, в частности, в проектных работах, применяя САПР.
Под автоматизацией проектирования понимают такой способ проектирования, при котором все проектные операции и процедуры или их часть осуществляется посредством взаимодействия человека и ЭВМ.
Использование ЭВМ, по данным А.В. Алферова [1], при проектировании станочных приспособлений повышает производительность труда конструкторов в 5-10 раз. Это же подтверждают данные Рурского университета (ФРГ), согласно которым машинное выполнение рабочего чертежа детали производится в 10 раз быстрее, чем в ручную, а стоимость работы уменьшается в 2 раза [2].
Оптимизация конструктивных решений в ряде случаев вообще невозможна без применения ЭВМ. В этом нетрудно убедиться, рассмотрев нижеследующие простейшие примеры.
Заметим предварительно, что любая проектно-конструкторская задача имеет, как правило, множество решений, одно из которых может оказаться более экономичным или эффективным по сравнению со всеми остальными решениями. Этот вариант и является оптимальным.
Пример 1. Требуется спроектировать цилиндрический сварной сосуд с плоскими днищами, имеющий объем V, и работающий под атмосферным давлением. Варьируя в широких пределах значениями диаметра сосуда D при граничном условии V = const можно получить целый ряд значений высоты или длины сосуда из соотношения
(рис.9.1).Однако расход материала на изготовление сосуда будет различным.
Приняв в качестве критерия оптимизации материалоемкость сосуда и применив метод дифференцирования для поиска экстремума функции одной переменной, можно получить:
, (9.1)где Dопт - оптимальный диаметр сосуда; S1 и S2 - толщины соответственно корпуса сосуда и его днищ.
Решение рассмотренной задачи не требует применения ЭВМ.
Пример 2. Определить основные размеры сварного цилиндрического сосуда с плоскими днищем и крышкой, работающего под атмосферным давлением. Крышка устанавливается на сосуде с помощью фланцевого соединения (рис.9.2).
Рис.9.1 Сварной цилиндрический Рис.9.2 Цилиндрический сварной емкостной аппарат емкостной аппарат с отъемной крышкой.
Наличие фланцев на корпусе аппарата существенно уменьшает величину его оптимального диаметра, поскольку фланец имеет более значительную толщину, чем стенки и в нем сконцентрирована основная часть массы сосуда.
Значительно усложняется расчет оптимальных размеров сосуда в силу следующих обстоятельств
Фланцы стандартизованы (ОСТ 26-01-54-77) по дискретному ряду внутренних диаметров, следовательно, изменение металлоемкости и диаметра сосуда не является непрерывной функцией и оптимум ее нельзя искать дифференцированием. Это можно сделать методом итерации, то есть многократным повторением расчета для разных диаметров сосуда, предусмотренных стандартом. А это уже задача для ЭВМ.
В стандарте предусмотрены все размеры фланца и его масса. Следовательно, металлоемкость должна выражаться не в объемных единицах, как выше, а в единицах массы.
В некоторых случаях корпус аппарата и фланцы изготовляют из разных материалов. Например, на медных аппаратах устанавливают стальные фланцы. Следовательно, вместо металлоемкости в этом случае нужно использовать стоимость затраченного материала.
Таким образом, при изготовлении фланцев, корпуса и крышек, аппарата из одного и того же конструкционного материала критерий оптимизации имеет вид
, (9.2)где Gi - массовая металлоемкость аппарата при диаметре Di;
g - плотность конструкционного материала;
n - количество корпусных фланцевых соединений на прочность;
Gфi - масса фланца, соответствующего диаметру Di.
В случае изготовления фланцев и корпуса аппарата из разных материалов критерий оптимизации примет вид:
, (9.3)где qк - стоимость металла в изделии для корпуса, днища и крышки (руб. /кг);
qф - стоимость металла в изделии для материала фланцев.
Задачей оптимизации для критериев (9.2) и (9.3) является минимизация этих критериев: