Параметрический синтез

На этапе параметрического синтеза определяются конкретные вид и характеристики проектируемого объекта, становится возможным дать наиболее обоснованное заключение о допустимости и целесообразности ранее принятых решений. Цель этапа — определение объектных параметров (геометрические размеры и материал), по которым будет изготавливаться изделие. Остальные параметры используются как вспомогательные и служат для записи требований ТЗ, характеристик объекта и обоснования принимаемых решений.

Определение параметров объекта возможно разными методами — экспериментальными, эвристическими, но чаще всего — посредством расчетов. Чем точнее будут определены параметры, тем выше качество спроектированного объекта, особенно это касается его надежности, компактности, экономичности и других показателей.

Проведение расчетов связано с расчетными моделями. Это могут быть известные модели (нормативные методы расчета, готовое программное обеспечение) или разрабатываемые применительно к конкретной задаче.

В понятие расчетной модели входит и расчетная схема. Ее составление или графическое воспроизведение всегда желательно, поскольку облегчает восприятие решаемой задачи, а также позволяет проверить соответствие расчетов выбранной схеме, а схемы — реальному объекту. Схема — первична, а расчеты — вторичны, и какими бы точными не были расчеты, они не повысят точность результатов, если расчетная схема была грубая или же неверная. Применение же удачной схемы позволяет получить требуемую точность и при упрощенных расчетах, экономя время и деньги. Считают, что для выбора расчетной схемы, особенно для сложных и ответственных конструкций, требуется талант.

Используемые на данном этапе требования ТЗ должны быть максимально формализованными, а ранее выбранные физические принципы, геометрические соотношения и условия состыковки элементов структуры — получить математические выражения. В сложно формализуемых задачах поступают следующим образом:

· декомпозируют исследуемое явление (сведение, условие, ограничение или показатель качества) до получения набора элементарных понятий, которым можно поставить в соответствие математическое выражение. Например, технологичность –> простота форм поверхностей –> использование плоских и цилиндрических поверхностей –> введение ограничений на соотношение параметров, характеризующих формы деталей. Или, красота изделия –> соблюдение золотого сечения –> запись соотношения между параметрами, характеризующими внешний облик;

· проводят экспериментальные исследования с последующей обработкой данных. Например, проведение ресурсных испытаний с целью установления связи между долговечностью детали и действующей на нее нагрузкой;

· используют упрощенные «инженерные» зависимости, выбираемые из аналогичных задач и подгоняемые под условия конкретной задачи введением уточняющих коэффициентов (часто определяются из экспериментальных исследований и опыта эксплуатации, например, коэффициенты запаса, динамичности и т.д.).

В процессе расчета может оказаться, что расчетная схема, охватывающая все интересующие параметры, слишком сложна. Рекомендуют воспользоваться методом последовательных приближений: сначала составить задачу для определения наиболее важных параметров, а затем — второстепенных.

В процессе расчетов приходится сталкиваться с проблемами точности решения и принятия решения, рассмотренные в предыдущих главах. Коротко остановимся на них еще раз.

Как отмечалось ранее, каждый параметр, приводимый в проектной документации, известен с некоторой точностью и характеризуется своими предельными значениями и законом распределения. Представление параметров в виде конкретного числа вносит в расчет неопределенность и поэтому должно проводиться обоснованно. Например, расчет по средним или по предельным значениям, в «запас прочности».

Точность результатов расчетов определяется точностью исходных параметров и точностью выбранной модели и метода решения задачи. И наоборот, точность выбираемых модели и метода решения должны обеспечивать требуемую точность результатов.

Необходимость принятия решения, в основном, связана с особенностью всех реальных задач — множественность получаемых решений. Это вызвано тем, что число искомых параметров (неизвестных) больше числа связывающих их условий (уравнений). Для получения обоснованного вывода поступают следующим образом:

· доопределяют задачу, т.е. из анализа ТЗ, дополнительных бесед с заказчиком выявляют недостающее количество условий или же ими обоснованно задаются;

· задача формулируется как оптимизационная, а параметры разделяют на искомые (обычно, это — критерии оптимизации), варьируемые (подлежащие определению) и неизменные (постоянные, приблизительно постоянные, константы).

· Выполнение технических расчетов — наиболее формализованная часть проектной деятельности. При этом существуют типовые задачи, с хорошо отработанным алгоритмом решения. Чтобы наглядно представить виды типовых задач, условно разделим все параметры на три группы:

· параметры нагружения (эксплуатации). Обозначим их группу буквой Н;

· объектные параметры, характеризующие облик изделия (геометрические размеры Р) и материал М.

Тогда состояние изделия можно охарактеризовать функцией f (Н,Р,М)=0. И в зависимости от того, что известно, что требуется определить и какова последовательность решения, технические расчеты подразделяют на следующие виды:

Примечание: з_у — задается из условий, u_у — ищется из условий, у — проверяются условия.

1. Задача определения параметров проектируемого объекта по заданной нагрузке (условиям эксплуатации, приведенным в ТЗ). Поскольку, упрощенно говоря, уравнение одно (f), а неизвестных величин — две (Р, М), то задачу решают как оптимизационную или же одним из неизвестных сначала задаются.

1.1. Если задаются материалом (маркой и физико-механическими характеристиками), то такая задача называется проектировочным расчетом. Материал выбирают, стараясь учесть требования ТЗ (например, если изделие должно быть компактным, то желателен материал с высокими прочностными характеристиками). Размеры затем определяют из уравнений, отражающих требования ТЗ (условия прочности и жесткости и т.д.), состыковки и т.п.

1.2. Если задаются размерами (предельными диаметром или габаритами, присоединительными размерами и т.п.), то такая задача называется «вписаться в заданный габарит». Из уравнений, отражающих требования ТЗ, затем определяют физико-механические характеристики материала (модуль упругости, пределы прочности и выносливости, твердость и т.п.), по которым подбирают его марку.

Задача «вписаться в заданный габарит» может не иметь решения, если заданы очень жесткие ограничения на размеры (например, чрезвычайная компактность) и по получаемым физико-механическим характеристикам нельзя подобрать материал (слишком дорог или такого нет в природе). Такие ограничения на размеры приходится смягчать (тогда расчет будет служить обоснованием этих действий перед заказчиком), либо, при несогласии заказчика, — изменять структурную схему или принцип действия (выполнять итерационный цикл разработки).

Возможно (при завышенных размерах), что подходящий материал будет нерационален, т.е. иметь, например, излишне большой запас прочности или жесткости. В таких случаях, если не возражает заказчик, изделие выполняют более компактным.

2. Определение нагрузочной способности. Подобная задача возникает, когда уже имеется спроектированное или изготовленное изделие и требуется либо проверить соответствие его технической характеристики (нагрузочной способности) паспортным данным, либо восстановить ее. Точность выводов зависит от того, насколько правильно и полно будут учтены особенности эксплуатации и определены исходные данные (конкретные размеры, характеристики материала), выявлены и математически описаны возможные критерии отказов, составлены расчетные схемы. При наличии нескольких условий за допустимую нагрузку принимается предельно возможная.

3. Проверочный расчет. Такая задача ставится, когда изделие уже спроектировано (определены все его параметры) и требуется либо дать заключение об уровне его надежности (срок службы, запас прочности, уровень безотказности и т.п.), либо убедиться в правильности проведенных расчетов и отсутствии ошибок. Проверочный расчет заключается в проверке выполнимости условий, либо типовых (для данного вида изделий и условий его эксплуатации), либо выявленных в ходе эксплуатации. Проверка по второстепенным или случайно назначенным условиям приводит к неверным выводам даже при аккуратно выполненных расчетах. Важным моментом также является обоснованное назначение предельного допустимого значения, в сравнении с которым и делается заключение о выполнимости условия.

Хотя проверочные расчеты и бывают сложными, но эта задача по сравнению с другими считается более простой, так как относится к задачам анализа (прямым задачам). По этой причине сложные проектировочные расчеты часто сводят к серии проверочных, в процессе которых определяют, например, методом последовательных приближений значения искомых параметров. Такой подход используется при расчете подшипников качения и в других случаях.

После определения параметров объекта становится возможным проверить ранее сделанные предположения (например, о габаритах и массе объекта и его частей, что влияет на действительные значения механических характеристик, выбор расчетных коэффициентов и т.п.) и, при больших расхождениях, уточнить исходные данные и повторить расчеты. Также становится возможным проверить согласованность основных параметров взаимодействующих подсистем, таких как производительность (например, величин мощности с учетом КПД), степень надежности (желательно, чтобы части объекта имели одинаковую надежность) и другие.

На этапе параметрического синтеза определяются не только численные значения параметров объекта, но и данные, на основе которых вычерчивается его изображение, и в первую очередь, чертеж общего вида. Их набор (численные данные, приводимые в текстовой документации, и графическая документация) образует необходимый комплект проектной документации.

Этап параметрического синтеза, по сравнению с другими этапами, максимально формализован, при этом многие расчеты — нормативные (регламентированы стандартами). Часто необходимо проводить серию однотипных расчетов, варьируя величинами отдельных параметров. Это делает эффективным применение вычислительной техники и автоматизации расчетов.