Компьютерные методы

Синтез физических принципов действия

Поиск физических принципов действия – один из самых высоких уровней инженерного творчества. Он позволяет получить принципиально новые решения, включая пионерные. Однако, разработка физических принципов действия – наиболее сложная задача, т.к. человек вынужден варьировать и оценивать не только конструктивные признаки. Здесь приходится абстрагироваться на уровне физико-технических эффектов, не всегда очевидных и достаточно глубоко познанных. Главная трудность - у разработчиков новой техники существует большой и возрастающий дефицит информации, необходимой для решения задач поиска новых физических принципов действия. Это связано с тем, что инженер обычно знает до двухсот, а достаточно свободно использует около ста физико-технических принципов, хотя в мире описано около 3000.

В основе метода лежит фонд физико-технических эффектов, представленный в виде базы данных. Каждый эффект имеет трехуровневое описание. На первом уровне дается самое краткое описание (качественное), на втором уровне – это карта описания размером в одну страницу, третий уровень дает подробное описание физико-технического эффекта.

Физическая операция – физическое преобразование заданного входного потока (фактора) в выходной поток (фактор). Описание физической операции формализовано можно представить в виде (А, Е, С), где А и С – входной и выходной поток (фактор), Е – наименование операции по преобразованию А в С. Такое описание отвечает на вопросы: Что? – А; Как? – Е; и Во что? – С.

Число входов А, действий Е и выходов С в общем случае произвольно.

Пример: светильник (электрический ток, преобразование, световой поток)

Физико-технический эффект – различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах. Как правило в физико-техническом эффекте имеет место определенная причинно-следственная связь между входом и выходом. Физико-технический эффект должен иметь стандартное формализованное описание, удобное для технических приложений и машинной обработки. Наиболее обобщенное качественное описание физико-технического эффекта состоит из 3х компонент: (А,В,С). А – входной, С – выходной поток вещества, энергии, сигнала, В – физический объект, обеспечивающий (осуществляющий) преобразование А в С. Для А и С можно указать носители потоков и их качественные и количественные характеристики.

Пример: Закон Джоуля-Ленца (электрический ток, проводник, теплота)

Закон Ома (Электрическое напряжение, проводник, электрический ток)

Физический принцип действия – ориентированный граф, вершинами которого являются наименования физических объектов В, а ребрами входные – А и выходные – С потоки вещества, энергии, сигналы.

Суть метода

Существуют элементарные структуры физических принципов действия, которые основываются на одном физико-техническом эффекте. Однако, большинство физико-технических принципов изделий имеют сложную структуру, используя сразу несколько различных физико-технических эффектов. Синтез и работа таких физических принципов действия основывается на правиле совместимости физико-технических эффектов: два последовательно расположенных эффекта (A_i,B_i,C_i) и (A_i+1,B_i+1,C_i+1) будем считать совместимыми, если результат воздействия предыдущего эффекта эквивалентен входному воздействию последующего эффекта, т.е. C_i и A_i+1 характеризуются одними физическими величинами и имеют совпадающие значения этих величин. Для совместимых физико-технических эффекта могут быть объединены, при этом входное воздействие A_i будет вызывать результат C_i+1

Можно дать еще одно определение физического принципа действия. Физический принцип действия технического объекта – структура совместных и объединенных физико-технических эффектов, обеспечивающих преобразование заданного начального входного воздействия А₁ в заданный конечный результат Сn.

Рассмотрим алгоритм автоматизированного поиска допустимых физических принципов действия на основе фонда физико-технических эффектов.

· Этап 1. Подготовка технического задания.

При подготовке Т.З. составляется описание физической операции технического объекта, на основе которой формируется задание (одно или несколько) А₁ -> Сn

А₁-входной поток (фактор); Сn – выходной поток (фактор)

· Этап 2. Синтез возможных физических принципов действия.

По Т.З. из фонда физико-технических эффектов выбираются такие, которые обеспечивают одновременное выполнение условий совместности

Aj <-> A1 и Cj <-> Cn; n=1

В фонде ФТЭ может быть описано несколько эффектов, позволяющих достичь результата. Просматриваются все. Все такие ФТЭ представляют физический принцип действия, использующий один эффект (n=1). Далее из фонда выбираются такие, которые обеспечивают выполнение условий: Ai <-> Ae (i=1,…,k) или Cj <-> Cn (j=1,…,m)

Из множества выбираются такие пары, у которых выполняется условие совместимости эффектов. Условие Ci <-> Aj говорит о том, наименования входов и выходов совпадают, указывает на то, что эти пары ФТЭ совместимы и образуют физический принцип действия из двух ФТЭ по формуле: Ai -> Bi -> (Ci <-> Aj)-> Bj -> Cj

B – физический объект, осуществляющий преобразование А в С

Из множества ФТЭ, отобранных по условиям (Ai <-> Ae (i=1,…,k) или Cj <-> Cn (j=1,…,m)) при не выполнении условия Ci <-> Aj проверяют возможность образования цепочек из трех эффектов Ai -> Bi -> (Ci <-> At)-> Bt -> (Ct<-> Aj)-> Bj -> Cj

Затем аналогично проверяется возможность образования цепочек из четырех и так далее эффектов.

Таким встречным наращиванием цепочек можно получить новые варианты физических принципов с любым числом эффектов, но при числе эффектов более пяти резко возрастает вычислительная сложность метода, кроме того физический принцип действия с числом эффектов больше пяти с практической точки зрения не относится к наиболее рациональным.

Алгоритм представляет собой один из возможных простых способов синтеза физических принципов действия. Можно использовать и другие подходы, ориентированные на предварительную организацию БД по ФТЭ. Суть этой организации состоит в построении сетевых графиков из всех совместимых эффектов.

Система синтеза физических принципов действия позволяет получить варианты ФПД.

В этой системе имеет смысл в ряде случаев при необходимости использовать в качестве дополнительных исходных ограничений:

o Максимальное число эффектов в цепочке

o Число получаемых вариантов

o Запрет или предпочтительность использования определенных входов и выходов (А и С)

o Запрет или предпочтительность использования определенных объектов (В)

· Этап 3. Анализ совместимости физико-технических эффектов в цепочке

Полученные на втором этапе цепочки удовлетворяют только качественной совместимости по совпадению наименований входов и выходов. Для каждой пары стыкуемых эффектов проводится анализ количественной совместимости, который оценивается по интервалам возможных значений входов и выходов. Если окажется что среди синтезированных на втором этапе вариантов нет ни одного допустимого, удовлетворяющего количественной совместимости, то среди синтезированных цепочек ФПД выбирают цепочку с одной количественной несовместимостью и вводят дополнительный эффект или готовое устройство (узел), обеспечивающее совместимость.

· Этап 4.

На основе вариантов ФПД, удовлетворяющих качественной и количественной совместимости эффектов разрабатывается принципиальная схема и ее описание.

Вывод:

Рассмотренный метод синтеза ФПД рекомендуется для относительно простых технических объектов, работа которых основывается на небольшом количестве физико-технических эффектов.