Часть 2. Теоретические основы инженерного творчества

Часть 2. Теоретические основы инженерного творчества

Глава 1. Методы моделирования в инженерной сфере деятельности.

 

Классификация моделей.

 

Модель – искусственный, созданный человеком объект любой природы (умозрительный или материально реализованный), который замещает или воспроизводит исследуемый объект так, что его изучение способно давать новую информацию об этом объекте.

Модель в естествознании в основном является теоретической конструкцией, с помощью которой воссоздаются и интерпретируются объекты и процессы природы. Реже используются материальные модели, воссоздающие в некотором масштабе зрительный образ объекта в виде графического изображения или определенной конструкции, например – модель кристалла в виде системы разных шариков, связанных в определенном порядке проволочками или пружинками.

Научные модели подразделяются на несколько типов.

- Описательные – это теоретические конструкции, например, типа планетарной модели атома, когда его уподобляют системе движущихся небесных тел.

- Абстрактные – это обобщенные понятия типа «атом» или «молекула».

- Математические в виде уравнений, описывающих динамику поведения объекта.

Как правило, два последних типа всегда дополняют друг друга.

Математический формализм придает модели эвристический характер. Это означает, что в системе «объект-модель» существуют следующие динамические отношения. С одной стороны, для того, чтобы построить модель, необходимо владеть определенной информацией об исходном объекте хотя бы в форме гипотезы. Она черпается из экспериментальных данных или из модели более низкого уровня. Но после того, как модель уже построена, то есть воссоздан ее математический образ, изучение ее поведения позволяет получить новую информацию. Существует много примеров того, как исследования решений математических уравнений приводило к предсказанию новых свойств уже известных объектов и даже к прогнозированию открытий не известных ранее объектов. Так, на «кончике пера» в физике П. Дираком было предсказано существование позитрона, который вскоре и был обнаружен экспериментально.

Таким образом, для естествознания моделирование служит средством получения, кодирования и передачи информации об объекте.

Различные модели неравноценны с точки зрения их значимости в общей системе естественнонаучного знания. Поэтому весь банк используемых моделей можно разделить на:

- фундаментальные, которые имеют практически всеобщую сферу применения и черпаются в основном из таких наук, как физика и биология;

- частные, справедливые для определенных специфических ситуаций.

подвергается один объект, а вы­вод делается о другом объекте. Поэтому в зависимости от характера используемых в научном исследовании моделей различают несколько видов моделирования.

Виды моделирования

Глава 2. Функционально-физический анализ технических объектов

О принципах выбора понятий

 

В основе любой сформировавшейся научной или учебной дисциплины лежит относительно небольшой набор четко определенных понятий. Эти понятия, как правило, связаны между собой и с понятиями фундаментальных наук. Правильно выбранные и правильно определенные понятия живут вечно и способствуют развитию дисциплины. Введение ошибочных понятий затормаживает развитие науки.

При формировании основных понятий необходимо руководствоваться следующими принципами:

- каждое понятие должно иметь отношение ко всем известным (или почти ко всем) объектам, которые изучает рассматриваемая дисциплина;

- понятия должны описывать основные (по возможности измеримые, то есть имеющие количественную оценку) свойства технических объектов, с которыми приходится иметь дело;

- вводимые понятия должны использовать и учитывать сложившуюся в технических науках терминологию;

- число основных понятий должно быть минимальным.

Введем основные понятия, которыми мы будем пользоваться при изучении курса «Основы инженерного творчества».

1. Техническим объектом (ТО) будем называть созданное человеком или автоматом реально существующее (существовавшее) устройство, предназначенное для удовлетворения определенной потребности.

2. Надсистемой будем называть другой технический объект, элементом которого является исследуемый нами технический объект.

3. Технологией будем называть способ, метод или программу преобразования вещества (объектов живой и неживой материи), энергии или информационных сигналов из заданного начального состояния в заданное конечное состояние с помощью определенных технических объектов.

Таблица.

Примеры описания потребности

Наименование технического   объекта	Действие (функция) D	Объект G	Особые условия и ограничения H
Светильник	освещение (освещает)	помещение	–
Электроплитка	нагревание (нагревает)	емкость с жидкостью	–
Термометр	измерение (измеряет)	температура окружающей среды	–
Грузовой автомобиль	перевозка (перевозит)	грузы	по дороге
Мельница	размалывание (размалывает)	зерно	на муку

§ 4. Техническая функция (ТФ)

Описание технической функции F содержит следующую информацию:

- потребность, которую может удовлетворить технический объект;

- физическая операция (физическое превращение, преобразование), с помощью которой реализуются потребность.

Таким образом, описание технической функции состоит из двух частей:

Р — удовлетворяемая потребность, описываемая по формуле ;

Q — физическая операция.

Описание физической операции (ФО) можно представить состоящим из трех компонент:

или

и – соответственно входной и выходной потоки вещества, энергии, информационных сигналов или других факторов;

Е — наименование операции Коллера по превращению , в .

Это описание отвечает на вопросы «что» «как» Е, «во что» преобразуется с помощью описываемого технического объекта.

Число входов , действий Е и выходов в общем случае произвольное.

Под физической операцией будем подразумевать физическое преобразование заданного входного потока в выходной поток.

Описание входного и выходного потоков (или факторов) должно содержать следующую информацию:

а) наименование потоков вещества, энергии или сигналов либо другого фактора;

б) качественную характеристику потока (фактора), существенно влияющую на техническое решение ТО (например, для потока «электрический ток» качественная характеристика может обозначать «переменный», для потока «электромагнитное излучение» — «видимый свет»);

в) основную физическую величину (величины), характеризующую поток (фактор), ее стандартное обозначение, единицу измерения;

г) количественную характеристику потока (фактора) — значение физических величин, оказывающих существенное влияние на техническое решение ТО. При необходимости указывают диапазоны изменения и .

Компонента Е в описании физической операции (ФО) должна обозначать действие, производимое над входным потоком (факто-ром), которое превращает в . Р. Коллер предложил сначала 12 пар операций Е, а затем добавил еще две операции, которые, по его мнению, позволяют описывать физическую операцию любого технического объекта или его элемента.

 

Таблица

Список операций Коллера

№ п/п	Наименование прямой операции	Наименование обратной операции
	Излучение	Поглощение
	Проводимость	Изолирование
	Сбор	Рассеяние
	Проведение	Непроведение
	Преобразование	Обратное преобразование
	Увеличение	Уменьшение
	Изменение направления	Изменение направления
	Выравнивание	Колебания
	Связь	Прерывание
	Соединение	Разъединение
	Объединение	Разделение
	Накопление	Выдача
	Отображение	Обратное отображение
	Фиксирование	Расфиксирование

В операциях 10, 11 может участвовать и более двух компонент.

В некоторых случаях невозможно однозначно указать наиболее подходящую операцию Коллера. В этих случаях не следует затруднять себя выбором и обоснованием единственно правильной операции Е, а нужно брать ту, которая по интуитивным соображениям кажется более верной. При этом ошибочный выбор наименования Е не будет иметь роковых последствий.

Некоторые технические объекты могут одновременно реализо-вывать более одной операции Коллера или даже более одной физической операции.

Рассмотрим несколько примеров описания физических операций

 

Таблица

Описание потребностей.

Наименование ТО		Е
Электроплитка	Электрический ток	Преобразование	Теплота
Светильник	Электрический ток	Преобразование	Световой поток
Грузовой автомобиль	Топливо	Преобразование	Движение груза
Электрический термометр	Температура среды	Преобразование и сравнение	Электрический ток
Мельница	Зерно + механическая энергия	Соединение	Мука

§ 5. Конструктивная функциональная структура (КФС)

Подавляющее большинство технических объектов состоит из нескольких элементов (агрегатов, блоков, узлов) и их можно естественным образом разделить на части. Каждый элемент как самостоятельный технический объект выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую операцию, т. е. между элементами имеют место два вида связей и соответственно два вида их структурной организации.

В первую очередь необходимо понять и уточнить следующее:

- какие функции выполняет каждый элемент технического объекта;

- как элементы функционально связаны между собой;

- какие физические операции (преобразования) выполняет каждый элемент и как они взаимосвязаны между собой;

- на основе каких физико-технических эффектов работает каждый элемент технического объекта и как они взаимосвязаны между собой.

При выяснении этих вопросов появляется четкое и цельное представление об устройстве технического объекта с функциональной и физической точек зрения. Без такого представления затруднительно заниматься поиском наиболее эффективного нового технического решения.

Элементы ТО имеют определенные функциональные связи друг с другом, которые образуют конструктивную функциональную структуру. Конструктивная функциональная структура представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются наименования элементов, а ребрами — функции элементов.

Алгоритм построения КФС.

А) Разделение технического объекта на элементы. Любой технический объект можно разделить на несколько элементов, каждый из которых имеет вполне определенную функцию (или функции) по обеспечению работы технического объекта или его элементов. При этом рассматриваемый технический объект представляет собой верхний уровень, а выделенные функциональные элементы — нижний.

Необходимо выделить главные элементы. К главным элементам будем относить рабочие органы и другие элементы, которые непосредственно взаимодействуют с предметом обработки G и другими объектами окружающей среды. При выделении главных элементов и соответствующих им объектов окружающей среды рекомендуется иметь в виду следующее:

- функция главных элементов, как правило, совпадает с функцией технического объекта или в решающей мере зависит от функции ТО;

- объекты окружающей среды для главных элементов, как правило, совпадают с объектами, на которые направлено действие технического объекта.

Главным элементам присваивают обозначение Е₀ (если их несколько, то Е₀₁, Е₀₂,…). Остальным элементам присваивают обозначения Е₁,Е₂,…

Б) Выделение объектов окружающей среды (ОС), с которыми рассматриваемый технический объект находится в функциональном или вынужденном взаимодействии и которые существенно влияют на конструкцию технического объекта. В первую очередь к окружающей среде относятся объекты, воспринимающие действие технического объекта (компонента Gв формуле потребности). К объектам окружающей среды также могут относиться подводимая энергия, управляющие сигналы, объекты, на которые действуют отработанные вещества, неблагоприятные излучения и другие воздействия, оказывающие существенное влияние на конструкцию технического объекта.

Объекты окружающей среды, с которыми взаимодействует технический объект и его элементы, обозначают через V₁, V₂,...

В) Описание функций элементов технического объекта. При описании функций элементов целесообразно в скобках дублировать обозначения элементов технического объекта и объектов окружающей среды, которые участвуют в описании функции.

Сами функции обозначают Ф₀, Ф₁, Ф₂,…

Результаты разделения технического объекта на элементы и описания функций элементов целесообразно оформлять в одной таблице.

Рассмотрим пример таблицы анализа функций элементов технического объекта на примере бытовой электрической плитки.

 

Таблица

Физический принцип действия (ФПД).

 

Под физико-техническими эффектами будем понимать различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах. Как правило, в физико-технических эффектах имеет место определенная причинно-следственная связь между «входом» и «выходом». Физико-технический эффект должен иметь стандартное формализованное (имеющее определенную структуру) описание, удобное для технических приложений и машинной обработки.

Наиболее обобщенное качественное описание физико-технического эффекта состоит из трех компонент:

(А, В, С), или

где А — входной поток вещества, энергии или сигналов; С — выходной поток; В — физический объект, обеспечивающий или осуществляющий преобразование А вС.Для входного А и выходного С потоков нужно указать носители потоков и их качественные и количественные характеристики.

 

Рис. Потоковая функциональная структура для электроплитки.

Таблица 5.

Таблица 6.

Рис. Физический принцип действия электроплитки

§8. Техническое решение (ТР).

Оно представляет собой конструктивное оформление ФПД или ФС. ТР конкретного ТО, как правило, описывается в виде двухуровневой структуры через характерные признаки ТО в целом и его элементов. При этом используют следующие группы признаков:

- указание (перечень) основных элементов;

- взаимное расположение элементов в пространстве;

- способы и средства соединения и связи элементов между собой;

- последовательность взаимодействия элементов во времени;

- особенности конструктивного исполнения элементов (геометрическая форма, материал и т. д.);

- принципиально важные соотношения параметров для ТО в целом или отдельных элементов.

В зависимости от вида рассматриваемого ТО элементом может быть часть детали, деталь, узел, блок, агрегат, техническая система (ТС), комплекс ТС. При описании ТР некоторых ТО может использоваться только часть признаков.

Техническое решение (ТР) конкретного технического объекта (ТО) может быть описано с любой степенью детализации. Для этого используют иерархический набор двухуровневых описаний ТР, т. е. сначала описывают ТР устройства в целом, затем ТР каждого блока, затем — каждого узла и т. д. Описание ТР на естественном языке, как правило, дополняют его графическим изображением.

 

Проект.

 

В отличие от ТР проект содержит всю необходимую информацию для изготовления и эксплуатации ТО, например, он содержит значения вех параметров ТО и всех элементов до деталей. В зависимости от сложности ТО описание проекта составляет от нескольких до сотен томов. Под проектом подразумеваются рабочие чертежи и конструкторская документация. Для сложных ТО часто предварительно разрабатываются менее детальные проекты (техническое предложение, эскизный проект…) В этих промежуточных проектах степень детальности описания ТР обычно возрастает от технического предложения к рабочим чертежам. С понижением сложности ТО число промежуточных проектов сокращается.

 

Глава 3. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМНОГО АнализА.

 

§ 1. Системный метод. Основные понятия.

 

Первый шаг системного анализа — представление изучаемого объекта в виде системы.

определение 1: Система – это комплекс взаимодействующих элементов.

из этого определения следуют два главных признака системы:

1) система состоит из дробных частей (элементов);

2) эти элементы представляют собой не случайную совокупность, соседство, а каким-то образом между собой взаимодействуют, т.е. между ними существуют определенные связи.

Применительно к области научно-технического творчества более подходящим представляется другое определение.

Определение 2. Система — это упорядоченное определенным образом множество элементов, взаимосвязанных между собой и образующих некоторое целостное единство.

Система характеризуется:

- составом элементов,

- структурой.

Элементы — это относительно неделимые части целого, объекты или операции, которые в совокупности образуют систему.

Элемент считается неделимым в пределах сохранения определенного качества системы. Например, в микрокалькуляторе блок питания является элементом, который можно рассматривать как неделимое целое, поскольку тот факт, что блок питания имеет сложное устройство и сам состоит из многих деталей, имеет для системы «микрокалькулятор» весьма несущественное значение.

Определение 3. Техническая система (ТС) — это искусственно созданное материальное единство целесообразно организованных в пространстве и времени и находящихся во взаимной связи искусственных или природных элементов, имеющее целью своего функционирования удовлетворение некоторой общественной потребности. ТС и ее элементы являются носителями определенной формы движения материи (то есть носителями определенного принципа действия).

Если говорить об искусственных системах, то этот шаг сводится к выявлению и определению следующих понятий:

а) надсистема и подсистемы объекта;

б) главная полезная функция объекта;

в) структура системы.

Главная полезная функция (ГПФ) технической системы соответствует цели ее существования. Отсюда ясно, что в состав ТС входят те элементы, наличие и взаимодействие которых необходимо и достаточно для осуществления ГПФ этой ТС.

Структура — это устойчивые закономерные связи между элементами системы, отражающие пространственное и временное расположение элементов и характер их взаимодействия.

Именно структура делает систему некоторым качественно определенным целым. Структура является важнейшей характеристикой системы, так как при одном и том же составе элементов, но при различном взаимодействии между ними меняется и назначение системы, и ее возможности.

 

Общие свойства систем.

 

Классификация систем

 

Часть 2. Теоретические основы инженерного творчества