Структурный синтез

На этапе синтеза принципа действия становится известна физическая основа проектируемого объекта, вид и состояние материальных тел, их физические параметры. На следующем этапе — синтеза структуры,- эти тела приобретают форму, уточняется их количество и взаимное положение, объект получает зримое представление. Начинается процесс конструирования.

Синтез структур, даже в пределах одной и той же функционально-физической схемы, позволяет получить значительное число вариантов решений и является важным средством достижения высоких характеристик проектируемых объектов. Считают, что эффективность принципа действия, оригинальность конструкции и применение новых технологий, прежде всего определяют высокий уровень конкурентоспособности изделия.

Синтез структур — трудно формализуемый этап. Он тесно связан с эвристическими процедурами и является основной областью изобретательской деятельности. Можно предложить следующую последовательность выполняемых на этом этапе действий.

1. Переход от функционально-физической схемы к структурной: для каждого физического эффекта подбирается вариант элементарного устройства, реализующего это действие. Устройство состоит из взаимодействующих тел, физические свойства которых заданы физическим эффектом. Методы генерации вариантов структур приведены ниже.

2. Состыковка элементарных устройств в единую систему. Условиями сопряжения, например, для механических объектов служат соответствие видов и направлений движений выходного и входного звеньев сопрягаемых устройств (для механизмов) или видов и направлений действия нагрузок (для неподвижных систем-конструкций), формы сопрягаемых поверхностей и их расположение.

3. Исследование возможности изменения взаимного расположения отдельных частей. Например, последовательно-соосное расположение, пространственное, плоское, под углом, многопоточность и т.д.

4. Проверка полученной структуры на возможность функционирования. Для механических объектов такой проверкой служит определение числа степеней свободы, если проектировался механизм, и числа связей для неподвижной конструкции. Эти параметры подсчитываются на основе изображения структуры и не требуют знания геометрических размеров.

Если проектировался механизм, то его число степеней свободы должно быть не меньше единицы. Оно указывает на количество возможных независимых обобщенных параметров, характеризующих положения отдельных звеньев механизма в пространстве. Более 90% используемых в технике механизмов имеют одну степень свободы. Такие механизмы проще управляются, методы их проектирования более разработаны. В настоящее время вместо механизмов с несколькими степенями свободы предпочитают использовать систему одностепенных механизмов, работа которых контролируется и согласовывается единым управляющим устройством (процессором).

При проектировании механической конструкции с относительно неподвижными частями ее число степеней свободы должно быть меньше единицы. Если число степеней свободы равняется:

· 0, то такие механические системы являются неподвижными статически определимыми. Усилия в ее элементах однозначно определяются из уравнений статики;

· ≥ 1, то это указывает на относительную подвижность отдельных элементов системы. Если система изначально проектировалась как неподвижная конструкция, то необходимо введение дополнительных связей, предотвращающих эту подвижность;

· < 0, то такие механические системы являются статически неопределимыми, имеющими избыточные связи сверх того количества, которое необходимо для обеспечения неподвижности элементов конструкции. Число избыточных связей называется степенью статической неопределимости.

· В статически неопределимых системах определение реакций в опорах, внутренних силовых факторов, напряженного состояния и т.п. возможно только при учете дополнительных условий — условий совместности деформации ее отдельных частей. Результаты расчетов таких систем сильно зависят от конкретных значений параметров рассчитываемой конструкции (начальные зазоры, геометрические размеры и их отклонения, модуль упругости) и условий ее эксплуатации. Возникающая неопределенность, в свою очередь, требует повышенной точности изготовления и сборки (как правило, по месту), поддержания стабильности условий эксплуатации.

Статически неопределимые системы часто используют для повышения конструктивной жесткости изделия, создания резервных потоков мощности.

5. Развитие и совершенствование предложенных структур, разрешение возникших противоречий. Здесь эффективно применение приемов ТРИЗ и ФСА, постановка и ответы на контрольные вопросы (например, зачем нужен данный элемент формы детали? Какая форма технологичнее?).

Синтез структур в значительной степени является эвристической деятельностью. Широко используют следующие методы генерации (синтеза) структур.

1. Перебор вариантов из банка структур-прототипов.

Это — метод проектирования по аналогии, приспособления известных решений к новым условиям. Такими банками служат атласы машин и их частей, архивы предыдущих разработок, справочники структур и конструкций, патентная литература.

2. Комбинирование элементарных структур.

К элементарным структурам относятся схемы передач, установки опор валов, схемы соединений и т.п. Распространенные типовые элементарные структуры приведены в справочниках.

Для каждого элемента функционально-физической схемы предлагают варианты элементарных структур, комбинированием которых получают варианты структурных схем устройства. Комбинации удобно получать на основе метода морфологического анализа, тем более что оси морфологической таблицы уже предопределены элементами функционально-физической схемы.

3. Синтез структур на основе анализа свойств геометрических тел.

Нужная структура создается путем подбора элементов из банка геометрических эффектов. Ниже приведены некоторые виды геометрических фигур и их свойства:

· окружность, круг — из фигур с одинаковой площадью обладает наименьшим периметром;

· сфера, шар — из фигур с одинаковым объемом обладает наименьшей площадью поверхности; имеет бесконечное число осей симметрии;

· параллелограмм — при шарнирном закреплении сторон является кинематически подвижной фигурой с постоянно параллельными противоположными сторонами;

· треугольник — при шарнирном закреплении сторон является кинематически неизменяемой (жесткой) фигурой;

· спираль Архимеда — расстояние по нормали между соседними витками является постоянной величиной;

· эвольвента круга (спираль) — касательная к основной окружности является нормалью к линии спирали;

· конус — при совпадении вершин пары конусов они катятся один по другому без проскальзывания;

· однополюсный гиперболоид, цилиндр, конус — имеют линейчатую поверхность;

· лента Мебиуса — фигура с односторонней поверхностью;

· складчатые поверхности — имеют большую поверхность при малом объеме, высокую гибкость (сильфон, типа гармошки).

На выбор формы поверхности, прежде всего, влияют ее возможная технологичность, способность удовлетворения функциональным требованиям, эстетическое восприятие.

4. Составление обобщенной структуры.

Такая структура включает в себя все возможные элементарные структуры. Например, обобщенной структурой может служить схема многостержневой конструкции с избыточным числом элементов. Включение в работу того или иного стержня учитывается, допустим, коэффициентом, отличным от нуля, а выведение из схемы — присвоением коэффициенту нулевого значения. Обобщенной структурой может быть функционал, конкретное значение которого отыскивается методами вариационного исчисления, либо полином. Обобщенная структура позволяет строить обобщенные математические модели и вести поисковое конструирование с привлечением методов оптимального проектирования. Эта структура тесно связана с характеризующими ее параметрами, и поэтому ее вернее было бы считать структурно-параметрической моделью.

Наглядную обобщенную структуру можно получить с помощью морфологической таблицы. Ее структурные признаки удобно отыскивать, анализируя прототипы. Например, для обобщенной структуры привода такими признаками будут:

· вид передачи,

· вид зацепления (цевочное, эвольвентное,...),

· направление линии зуба (прямозубая, косозубая, круглозубая,...),

· зацепление (внешнее, внутреннее),

· поточность (одно-, двух-,...),

· расположение опор (симметричное, несимметричное, консольное),

· схема установки опор (враспор, врастяг,...),

· защищенность передачи (закрытая, открытая), и т.д.

Синтезированная структура должна проверяться на патентную чистоту. И если разработанная структурная схема окажется оригинальной, то это указывает на патентоспособность конструкции на уровне устройства.

После синтеза вариантов структур переходят к выбору лучшей. Но поскольку методы структурной оптимизации еще недостаточно развиты, то выбор лучшей структуры сводится к поиску рациональной. Широко используют ранжирование структур по рассматриваемым признакам, причем заключение делается на основе опыта эксплуатации изделий с подобными структурами. Например, по уровню технологичности цилиндрическая передача предпочтительнее планетарной, которая, в свою очередь, предпочтительнее волновой и т.д.

Выбранная структура служит основой создания чертежа разрабатываемого объекта. С другой стороны, графическое отображение схемы или эскиза позволяет лучше представить этот объект, облегчает выбор и построение расчетной схемы. Графическое изображение необходимо при обсуждении разработки с другими людьми (для удобства и однозначности восприятия) или фиксирования и архивации результатов работы. В простых и очевидных случаях (например, для типовых структур) варианты схем анализируют в уме и сразу переходят к расчетам и вычерчиванию конструкции.