О современных методах проектирования новых изделий

Практика выработала такую удобную поэтапную последовательность проектирования новых изделий как технических систем, которой принято придерживаться в работе конструкторских бюро и проектных институтов [1]:

• разработка технического задания, в котором формулируются функциональные назначения создаваемого изделия, его технические характеристики и предъявляемые к нему эксплуатационные, технико-экономические и специальные требования;
• эскизное проектирование, обычно выполняемое в нескольких вариантах. В каждом варианте составляется общая схема изделия и производится его компоновка. В результате обстоятельного технико-экономического анализа и сопоставления всех эскизных вариантов из них выбирается оптимальный, который утверждается для дальнейшей разработки;
• техническое проектирование – подробная разработка всех элементов принятого эскизного проекта на этой стадии. Выполняются все необходимые расчеты, уточняются и разрабатываются чертежи общих видов, сборок и основных деталей механизма, составляется спецификация;
• рабочее проектирование (заключительный этап конструирования изделия) – изготовление рабочих чертежей и другой рабочей документации, необходимой для изготовления опытного образца;
• изготовление и испытание опытного образца, его доводка, освоение и составление инструкции по эксплуатации.

Конструирование, по определению Д.Н. Решетова [2], – это творческий процесс создания машин в документах, производящийся на основе теоретических расчетов, конструкторского, технологического и эксплуатационного опыта и экспериментов.

Инженерные расчеты, проводящиеся на этапе конструирования, во всех случаях многовариантны, и выбор необходимого варианта будет зависеть, прежде всего, от того, располагает ли проектировщик подходящим методом расчета и достоверными исходными данными для проектирования. По мере усложнения конструкций затрудняется принятие решений по проекту на основании одного лишь опыта. Обычно число рассматриваемых вариантов проекта возрастает в экспоненциальной зависимости от введения каждого нового рассматриваемого параметра.

В фундаментальном исследовании по методам проектирования Дж. К. Джонса [3] отмечается, что традиционный «чертежный» способ слишком прост для условий непрерывно возрастающей сложности искусственной среды. На основании проведенного обзора новых методов проектирования автор делает вывод: объектом новых методов является не столько проектирование в общепринятом смысле этого слова, сколько мыслительная деятельность, предшествующая выполнению чертежей и проектов. Методология проектирования противоречива. С одной стороны, проектировщику в ходе поиска оптимального решения приходится вырабатывать большое число вариантов. При этом он не может произвести среди них выбор интуитивно на основе имеющегося у него опыта из-за опасности отбросить оригинальные нестандартные решения. С другой стороны, он не имеет возможности выполнить строгое сопоставление всех вариантов из-за отсутствия формализованного представления целей и критериев отбора, что необходимо для программированного поиска оптимального решения.

Основная идея технической разработки системы, по мнению американских авторов Э. Хога и Я. Ароры [4], состоит в том, чтобы, начав с формулировки требований и целей системы, продвигаться некоторым регулярным образом к оптимальной системе. 

Техническая разработка системы начинается с определения нужд потенциального пользователя разрабатываемой системы, проверки и составления входных данных.

После определения потребностей и цели системы необходимо дать количественное описание функций, которые должна выполнять система. Эта процедура называется анализом функций. Целью анализа является выбор функций или операций, которые должны быть проведены для выполнения задачи, требуемой от разрабатываемой системы.

Следующий шаг разработки системы - концептуальное проектирование. Его назначение состоит в определении концепций, основных конфигураций системы, удовлетворяющих целям системы. На этом этапе важно не исключить кандидатуры систем, которые могут оказаться эффективными. Кроме того, этот шаг служит для определения границ приемлемых значений параметров, описывающих систему. Для параметров проектирования в пределах этих значений система должна уметь выполнять функции, определенные на предыдущем этапе.

Целью оптимального проектирования является выбор неопределенных параметров, введенных на предыдущем шаге. Эти параметры должны оставаться в пределах, определяемых технологическими ограничениями и назначением системы. Критерием выбора параметров может служить, например, минимизация меры затрат. Математически точный оптимум в этом случае может оказаться недостижимым и, следовательно, может служить только ориентиром. Однако методы выбора параметров системы должны обладать таким свойством, что если оптимум существует, то при достаточном терпении и заданном машинном времени оптимум должен быть в пределе достижим.

Последним шагом в модели технической разработки системы является описание оптимальной системы. В действительности он оказывается промежуточным шагом до тех пор, пока процедура проектирования технической системы не станет исключительно эффективной. Поэтому на следующий шаг указывают обратные связи на схеме модели технической разработки системы. Эта итеративная процедура продолжается до тех пор, пока заказчик не решит, что предлагаемая система является той, в которой он нуждается в действительности.

В книге А.В. Ильичева [5] рассматриваются подходы и методы, характерные для этапа проектирования элементов системы. Объектом исследования является проект создаваемого элемента, который должен быть изготовлен, испытан и внедрен в эксплуатацию, обеспечивая высокую эффективность технической системы в целом. В связи с этим анализ эффективности проектируемого элемента должен производится с учетом условий функционирования технической системы в целом.

В своем развитии техническая система проходит определенный жизненный цикл от зарождения идеи ее создания с заданной целью до конца периода эксплуатации.

На начальном этапе выбирается облик системы, соответствующий заданной цели и располагаемым ресурсом, рассматриваются альтернативные варианты достижения заданной цели, и выбирается наилучший из них. Заканчивается этап составлением тактико-технического задания на разработку технической системы и ее компонентов. Далее осуществляется проектирование составных частей технической системы (этап проектирования элементов). Проектирование каждого элемента системы должно быть согласовано с целями и задачами, поставленными перед технической системой в целом. На этом этапе определяются конкретные проектные параметры элемента, выпускается проектная и рабочая документация, проводятся необходимые испытания. После разработки серийной документации по проектному элементу осуществляется его изготовление на промышленных предприятиях (этап производства элементов). Затем осуществляется сборка технической системы из элементов и начинается этап ее эксплуатации. Высокоэффективная система может быть создана только при условии принятия соответствующих рациональных решений на каждом из этапов жизненного цикла.

Книга «Прикладное оптимальное проектирование» [5] является попыткой систематизировать изложения основ исследования эффективности на этапе проектирования технических объектов достаточно широкого класса. Эти основы охватывают подходы к построению моделей для исследования эффективности проектируемых элементов технических систем и методы разработки конкретных моделей исследований.

В качестве основных подходов были выделены системный, операционный и неопределенно-стохастический, а также рассмотрены основы моделирования эффективности как подход к получению количественных оценок. Необходимость проведения исследований с позиций указанных подходов обусловлена самим объектом исследования (сложная техническая система), необходимостью рассмотрения ее функционирования в ходе эксплуатации, неопределенностью исходных данных на этапе проектирования, а также возможностью оценок эффективности с помощью математических моделей.

Оптимальное решение задач проектирования технических систем в широком смысле – это идеальное решение с учетом всего множества влияющих факторов, всех необходимых ограничений и соблюдением требуемых пропорций и соотношений между параметрами. Это возможно лишь при полном наличии достоверных исходных данных и при установлении всех необходимых закономерностей изменения и взаимного влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов проектируемых систем.

Методам оптимизации и системному подходу при проектировании посвящены работы Д. Уайлда [6], Я. Дитриха [7], Э. Хога и Я. Ароры [4], В.С. Шевченко [8] и др.

В монографии [6] рассматриваются методы теории оптимизации в применении к задачам технического проектирования. Моделирование каждой задачи рассматривается как оптимизация некоторой целевой функции при соответствующих ограничениях. Но вместо решения задачи численными методами с помощью общепринятых программ отыскания оптимума здесь формулируются общие принципы нахождения оптимального проектного решения при минимально возможном объеме вычислений. При этом цель состоит не только в том, чтобы простыми способами найти проектное решение, но и в формировании строгих методов, раскрывающих сущность оптимального проектирования.

В книге [8] выделены два основных типа методов оптимизации: классические (метод дифференциального исчисления, метод множителей Лагранжа, вариационное исчисление) и так называемые методы математического программирования (линейное и нелинейное программирование, динамическое программирование, принцип максимума и др.).

Одной из основных особенностей книги [7] является системный подход к проектированию, который основан на учете всех существенных социально-технических связей создаваемой технической системы с окружением.

Таким образом, при проектировании современных технических систем наряду с методами оптимизации должны использоваться методы системного подхода, учитывающие все возможные связи проектируемых систем, как во внутреннем взаимодействии элементов, так и во взаимодействии с внешней средой. 

ЛИТЕРАТУРА

1. Вопилкин Е.А. Расчет и конструирование механизмов приборов и систем. – М.: Высш. школа, 1980. – 463 с.

2. Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. – 4-е изд., переработ. и доп. – М.: Машиностроение, 1989. – 496 с.

3. Джонс Дж.К. Методы проектирования: Пер. с англ. – 2-е изд., доп. – М.: Мир, 1986. – 326 с.

4. Хог Э., Арора Я. Прикладное оптимальное проектирование.: Механические системы и конструкции: Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 478 с.

5. Ильичев А.В. Эффективность проектируемой техники: Основы анализа. – М.: Машиностроение, 1991. – 336 с.

6. Уайлд Д. Оптимальное проектирование: Пер. с англ. – М.: Мир, 1981. – 272 с.

7. Дитрих Я. Проектирование и конструирование: Системный подход: Пер. с польск. – М.: Мир, 1981. – 456 с.

8. Шевченко В.С. Введение в оптимальное проектирование машин. – Минск: Наука и техника, 1974. – 112 с.