Лекция № 6. Методология поиска и выбора наилучших проектно-конструкторских решений

Цель лекции: Изучить методологию поиска и выбора наилучших проектно-конструкторских решений.

Ключевые слова: потребность,техническая функция, технический объект.

При разработке любого технического объекта разработчику (предпринимателю-конструктору, изобретателю-энтузиасту, студенту или специалисту) приходиться решать целый ряд взаимосвязанных задач по поиску и выбору наилучшего проектно-конструкторского решения. С наименьшими трудозатратами и в более короткие сроки с такой работой можно справиться, если освоить и использовать методологию поиска и выбора, которая определяет методически целесообразные этапы разработки, их содержание и рациональную последовательность выполнения. Эта методология предусматривает разбивку всего процесса поиска и принятия решения на 6 следующих друг за другом этапов. На каждом из них решаются свои, логически и содержательно самостоятельные, многовариантные оптимизационные задачи.

Этап 1. Обоснование потребностей и требований к качеству изделия. На этом этапе выявляются потребности в разработке и изготовлении нового изделия, которые оно может удовлетворить с наибольшей пользой для общества в целом, для фирмы и самого разработчика. Это может быть новая модель или новое поколение изделий, уже выпускаемых конкретной фирмой. Может быть выявлена потребность в разработке и выпуске усовершенствованных конструкций уже известных изделий, но которые фирма до сих пор не производила. И наконец, может быть удовлетворена принципиально новая потребность. Здесь же обосновываются и потребительские качества разрабатываемого изделия по производительности, надежности, экономичности, энергопотреблению и другим параметрам.

Этап 2. Выбор физических операций и соответствующих технических функций. Одна и та же потребность может быть реализована с помощью множества (будем обозначать его символом О) альтернативных физических операций ФОО (1,п), из числа (п) которых разработчик выбирает наиболее перспективную.

На этом этапе рассматриваются потоки вещества, энергии и сигналов на входе и выходе технического объекта, учитывается соблюдение условий и ограничений на эти потоки в процессе их преобразования как внутри ТО, так и при его взаимодействии с надсистемой и окружающей средой. Для каждого из n-рассматриваемых вариантов формулируется техническая функция, отражающая взаимосвязь потребительской функции ТО с реализуемой им физической операцией.

Этап 3. Выбор функциональной структуры технического объекта. Для реализации одной и той же технической функции можно использовать множество альтернативных функциональных структур ФСО (1;т). Выбор функциональной (конструктивной и потоковой) структуры производится с позиций наилучшего удовлетворения принятой ранее потребительской функции, с учетом анализа известных либо из технической и патентной литературы, либо из описания аналогов и прототипов технических объектов рассматриваемого класса. Естественно, что из всех т-вариантов выбирается наиболее рациональная функциональная структура, определяющая функции основных элементов ТО и их взаимосвязи.

Этап 4. Выбор физического принципа действия. На этом этапе разработка ТО ведется на физическом уровне: выбирают наиболее рациональные принципы действия отдельных элементов изделия с учетом всех, представляющих интерес, физических, химических, биологических и других эффектов. В конкретной потоковой функциональной структуре одни и те же элементы могут быть реализованы на основе различных физико-технических эффектов. Для каждого ФПД составляются свои списки требований, включающие условия и ограничения на выбор материалов, используемых при реализации физико-технических эффектов; ограничения по энергопотреблению, по информации и т.д. При этом в множестве ФПДО (1;р) синтезируется некоторое р-число физических принципов действия, из которых предстоит выбрать наиболее эффективный.

Этап 5. Выбор технического решения. Один и тот же ФПД можно реализовать множеством практически реализуемых технических решений ТРО (I, к), из числа которых разработчику предстоит выбрать наилучшее. На этом этапе анализируется список дополнительных требований, предъявляемых к разрабатываемому изделию по габаритам, массе, форме, компоновке; по составу комплектующих изделий и применяемых материалов; по способам и средствам их соединения; по диагностике неисправностей, безопасности эксплуатации, себестоимости, патентоспособности.

Этап 6. Выбор параметров технического объекта. На этом последнем этапе анализируются и выбираются оптимальные значения параметров ТО и параметров его отдельных элементов. Список параметров в множестве ПО (1;1) может быть большим и включать в себя надежность работы (минимальное число включений-отключений, минимальное число часов на наработку), предельные запасы прочности (для тиристоров - по току и обратным напряжениям), устойчивость функционирования, взаимозаменяемость, стандартизация и унификация конструктивных элементов, условия эксплуатации ТО при колебаниях температуры, влажности, давления атмосферы и т.п.

Представленные этапы поиска и выбора наилучших технических решений, равно как и их иерархическая последовательность, имеют определенную идеализацию и условность.

Во-первых, в реальной проектно-конструкторской и изобретательской деятельности решения двух-трех смежных задач (этапов) часто совмещаются.

Во-вторых, в процессе проектирования и конструирования ТО на каком-то из этапов разработки может возникнуть тупиковая ситуация - несмотря на перебор соответствующих вариантов т, р, k, 1, не находится приемлемого решения. В таком случае разработчику приходится возвращаться к пересмотру ранее принятых решений на предыдущих этапах ФО, ФС, ФПД или ТР (возможные итерации на рисунке показаны нижними стрелками).

Существует следующая нелинейная закономерность: с повышением уровня задачи (от 6-го этапа к 1-му) успешность ее решения дает все более весомый технико-экономический эффект. Так, за счет научно обоснованного выбора оптимальных параметров ТО можно улучшить показатели его качества на 10-30% по сравнению с интуитивным методом принятия решений. За счет удачного выбора наилучшего технического решения вклад 5-го этапа в повышение качества и конкурентоспособности изделий можно довести до 30-50%. На третьем-пятом уровнях (выбор ФО, ФС, ФПД) показатели качества ТО могут быть улучшены в несколько раз. Elite больший эффект (по экономическим показателям) обеспечивает удачный выбор потребности ТО на 1-ом этапе маркетинговых исследований.

Все шесть (перечисленных выше) типов задач поиска и выбора наилучших технических решений можно считать творческими, однако, наиболее ярко выраженную творческую направленность инжиниринга имеют задачи 3,4 и 5-го уровней.

Контрольные вопросы:

1. Сколько этапов предусматривает методология поиска и выбора наилучшего проектно-конструкторского решения?