Skip to content

Информационные технологии и конструирование

«Дело не в ЭВМ. Технология, методы,
процедуры проектирования должны
отвечать сложности конструкции и тем
способам обработки информации,
которые имеются в распоряжении
конструктора…»
Академик Н.Н.Моисеев

Конструирование (проектирование) – наука или искусство? А изобретательство? Мнение сегодняшнего дня неоднозначно: и наука, и искусство. Существует и ещё одна (противоположная) точка зрения: автоматизировать проектирование, вплоть до создания соответствующих систем искусственного интеллекта и, что почти одно и тоже, систем информационных технологий(IT), чем наука создавать нужные материальные объекты доводится до своего логического компьютерного абсолюта.

Не лишним в науке конструировать и изобретать будет услышать  собственно конструктора  о действительности конструирования, о непосредственном внедрении в практику технического творчества функционально – систематизированного анализа (что и есть приложение IT), включая, в частности, теорию решения изобретательских задач, как возможный вариант конкретизации  технических решений поставленных задач, или нечто подобное.

Проблемная сторона вопроса.

Процесс  конструирования по всеобщему признанию многообразен и тем сложен, как многообразны и сложны проектируемые изделия и решаемые технические задачи. Но в методическом плане, исходя из современных требований, можно выделить и общие проблемы:

— разработка проекта такой конструкции, которая наилучшим образом отвечала бы поставленным задачам её практического использования;

— экономное расходование материальных ресурсов на изготовление и эксплуатацию изделия, и, наконец:

— рачительное использование труда конструктора посредством IT:  разработка проектов в кратчайшие сроки без излишнего перенапряжения собственных умственных, физических и духовных сил.

Приняв эти три направления в качестве программных, не представляет труда сформулировать основные требования к процессу конструирования новых изделий и, в частности, к методам конструирования нового:

1) возможно чёткая формулировка условий проектной задачи, обеспечивающая высокий научно – технический и, в конечном счёте, практический уровень её решения;

2) детерминация (жёсткая причинная обусловленность) рабочего проекта конструкции изделия с условиями проектной задачи;

3) методическая гарантия такой же детерминированной реализации проектной задачи в реальную конструкцию независимо (или почти независимо) от творческих возможностей разработчиков (как в доказанных экспериментах прикладных наук).

Таким образом,  конструирование – прежде всего:

Формулирование условий проектной задачи.

Это наиболее трудный и значимый момент в работе конструктора, но только самые общие рекомендации даны ему по данному поводу, а ведь мир конструкций реален и материален. Более того, всё, чем на практике занят конструктор, в большой степени методически сходно с распознанием образов: от формулирования условий проекта и до преобразования не всегда ясных идей в работоспособное изделие. Исследовав информационный массив конструирования средствами факторного анализа, на базе принципов, методов и приёмов распознания , сформулировано НАЧАЛО конструирования – работа над условиями проектной задачи:

1. ШАГ. Составить список параметров (требований и ограничений), руководствуясь следующей факторной направленностью:
— энергетичность,
— свойства (физические и химические),
— нагрузки действующие,
— материалоёмкость,
— размеры,
— социальность (экология, человеческий фактор и т.п.),
— прочее.

Выделить «целевой» (наиболее важный) параметр или несколько их.
При выделении «целевого» параметра обращается внимание на основные цели, назначения и т.п. в функционировании проектируемого изделия. Момент методически важный, но нельзя и переоценивать его: особых трудностей определение «целевого» параметра не вызывает, довольно быстро помогает опыт и приобретённые навыки работы по методике.
Затем представляется вполне разумным описать, в смысле факторной конкретизации,  каждый из параметров объективными данными о них.
2. ШАГ. Характеризовать параметры признаками проектируемого (конструируемого) технического объекта (ТО).
Казалось бы, этим шагом закончена формулировка проектной задачи, но практика конструирования показала, что необходим ещё один шаг.
3. ШАГ. Если среди признаков «целевого» параметра есть признаки, отсутствующие у других параметров, то ввести дополнительные параметры, устраняющие это противоречие (иначе не будет детерминации между ТО и условиями проекта).
Понадобилось три шага и условие разрабатываемой конструктором задачи полностью становится корректно выражено и пригодно для обработки методами  IT, что по общему признанию – половина успеха. Вторая половина, как ни странно, составляет ещё порядка 2/3 творчества конструктора, следующий этап которого:  ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЕКТА КОНСТРУИРУЕМОГО ТО. Для формирования такой модели ТО необходимо выполнить обычную подготовительную работу, как при решении любых задач – тщательно исследовать (изучить) условие задачи. Очевидно, что при соответствующем подходе на долю конструктора приходится не так уж много возможностей, а именно:
4. ШАГ. Установить возможные количественные зависимости всех признаков по отношению к признакам «целевого» параметра.
5. ШАГ. Оценить влияние значимости параметров на повышение качества ТО (оценки, типа: «МАХ» и «МIN» или «+» и «-»).
И как подведение предварительного итога этих двух шагов – минимизация списка параметров – удаление малозначимых параметров.
6. ШАГ. Вычеркнуть параметры, имеющие равные признаки и значимость с любыми другими параметрами.
Подготовительная работа по исследованию объективности условий проектной задачи завершена и можно приступать к непосредственному моделированию конструкции ТО.
7. ШАГ. Оценить обязательность параметров для моделируемого ТО по наличию общих признаков с «целевым» параметром. При необходимости, подкорректировать (уточнить) соответствующие параметры.
8. ШАГ. Формировать информационную рабочую модель ТО путём выбора обязательных и значимых параметров совместно с характеризующими их признаками.

Основная сущность выше представленной работы условно сведена в схему:

Условие проектной задачи
Параметры Хi : Признаки х(ia)…x(iz)

Информационное исследование исходных параметров  ТО
Оценка значимости и обязательности параметров и признаков

Информационная рабочая модель ТО
Параметры Хi’ : Признаки х'(ia)…x'(iz)←Признаки х(ia)…x(iz)

В результате такой последовательности шагов формируется информационная модель конструируемого ТО, идеальная в той мере, насколько точно и полно формулировалось условие решаемой проектной задачи, умело выполнялась её дальнейшая разработка, но возможность к этому с почти 100% — ной гарантией заложена в самом методическом подходе.

Дальнейшее преобразование информационной модели в реальный ТО конструктор осуществляет на основании имеющейся научно – технической информации и собственного опыта, при обязательном стремлении выполнить следующее условие:

Признаки реального ТО и его информационной модели должны совпадать по смыслу в полной мере при наименьшем их количестве. И так:
9. ШАГ. Преобразовать признаки информационной модели ТО в реальный ТО, чтобы совпадал смысл признаков при наименьшем количестве элементов и связей.
Этим завершена разработка ТО конструктором (остаётся рабочая конструкторская документация, но по тому она и рабочая, что выполняется в обычном рабочем порядке):
— без многочисленных и всё усложняющихся приёмов преодоления субъективной ненадёжности в профессиональных навыках разработчиков;
— малым, но эффективным числом алгоритмических шагов, обеспеченных объективным и детерминированным характером изложенного принципа информационного моделирования конструкции ТО, оперирующим только исходными требованиями и ограничениями, предъявляемыми к ТО.
Обеспечивается и высокая эффективность новых ТО при их функционировании, именно, благодаря тому, что они созданы детерминированными по условиям их функционирования (если конечно что – либо не напутают при рабочем проектировании и в производстве).

Аналогичным образом могут быть проработаны не только конструкторские задачи, но и другие технические вопросы (исследовательские, технологические, производственные), от самых простых до высочайшей сложности. Да и в социальных вопросах было бы больше толку, если бы многочисленные клерки министерств всех уровней, городских хозяйств использовали нечто подобное.

В заключение, несколько слов об автоматизации конструирования в методологическом плане  – несомненно полезно и возможно. Если использовать огромный объём памяти и быстродействие ЭВМ, создания принципиально новых ТО, то при постепенном накоплении информационных массивов за разработчиком останется только

1. ШАГ. Составить список параметров (требований и ограничений) проектной задачи.

Но всё – таки, «дело не в ЭВМ…»

 

Примеры

Пример 1-й.

В качестве первого примера, поясняющего  всё выше изложенное, рассмотрим разбор следующей простейшей конструкторской задачи:
в замкнутом цилиндрическом объёме нужно максимально прочно закрепить тяжелое цилиндрическое тело, содержащее в своём составе полимерный материал, типа, полиэтилен.

Работа по предложенной методике заключается в следующем:
1.ШАГ. Заполняется 1 и 2 колонки таблицы 1.
2.ШАГ. Заполняется 3 колонка таблицы 1.

Таблица 1.

Факторы Параметры (требования и ограничения) Признаки Значимость Обяза-тельность
1 2 3 4 5
Энергетичность
Свойства Прочность Сила ≥ Масса х (g + а(трансп.)) max max
Нагрузки Транспортные а (транспортные) max max
Материальность Масса тела Масса max max
Металл и полимер Металл, полимер + +
Размеры Длина тела,   длина полости Длина тела ˂ длины полости + +
Социальность
Прочее

Без всяких сомнений  «целевой» параметр — прочность, что напрямую вытекает из постановки задачи.
3. ШАГ. – нет необходимости.
4. ШАГ. Количественные зависимости не устанавливаются. Т.к. ведётся поиск принципиального решения.
5. ШАГ. Оценка значимости параметров приведена в колонке 4 таблицы 1.
6. ШАГ. Равнозначных параметров нет.
7. ШАГ. Оценка обязательности параметров приведена в колонке 5 таблицы 1. Знак «-» для тех параметров, которые не имеют общих признаков с «целевым» параметром.
8. ШАГ. Информационная модель формируется из значимых и обязательных параметров и их признаков, (см. табл. 2):

Таблица 2.

Параметры Признаки Инфо-модель реального ТО
Прочность Сила ≥ Масса х (g + а(трансп.)) Сила ≥ Масса х (g + а(трансп.))
Нагрузки транспортные а (транспортные) а (транспортные)
Масса тела Масса Масса
Металл и полимер Металл, полимер Металл, полимер-пружина + «Х»
Длина тела,  длина полости Длина тела ˂ длины полости Зазор между телом и полостью

9.ШАГ. Преобразование информационной модели в реальный ТО также представлено в таблице 2.

Фактически при минимальных дополнениях: полимер, полиэтилен, превращён в слабосильную коническую пружину, заполнившую зазор между металлическим телом и полостью, и оставшийся зазор между конической пружиной  и полостью или телом заполнен  элементом «Х» — достаточно быстро твердеющим компаундом, например, эпоксидным клеем.    Сборка ведётся в горизонтальном   положении, чтобы минимизировать силу тяжести и даже технологические транспортные нагрузки.

В результате такого решения поставленной задачи было зарегистрировано изобретение а.с. № 920293, 1980 г.
Свидетельство на изобретение
А до этого времени сборка велась с помощью подбора и установки металлических прокладок, что достаточно сложно, трудоёмко и, соответственно, не технологично.

Только на первый взгляд кажется – да и так всё понятно, но это только на 1-й взгляд, т.к. есть такое понятие, как психологическая инерция, когда всё понятно, но что реально будет точным, технологичным и эффективным решением, мягко говоря, ясности нет. Поэтому предложенный метод по крайней мере концентрирует внимание на основных параметрах и их признаках, без которых нельзя обойтись, а дополнительные – нежелательны, но если без них никак, то можно применить в ограниченном количестве.

Ещё несколько простых примеров решения проблемных задач, которые показывают, что только благодаря предложенной  информационной методике удалось, казалось в очевидных случаях, получить решения на уровне изобретений. И очень удивительно, что другие не могли до такого додуматься, хотя ответ простой – работают бессистемно, по наитию, а как известно интуиция зависит от слишком многих не ясных факторов.

Пример 2.
При электронно – лучевой сварке достаточно острым (узким) сварочным лучом важно точно установить и проконтролировать глубину сварки, т.к. от этого зависит прочность сварного шва и соответственно свариваемой конструкции.

Без приведения работы по ШАГам, сразу же заполним таблицу 1.
Таблица 1.

Факторы Параметры (требования и ограничения) Признаки Значи-мость Обяза-тельность
1 2 3 4 5
Энергетичность Сварочный луч Сила тока, напряжение, фокус + +
Свойства Стабильность св. луча Контролируемо, без отклонений Max Max
Нагрузки
Материальность
Размеры Глубина проплава, расположение шва (целевой параметр) Глубина шва, эксцентриситет шва относительно свариваемого стыка + +
Социальность
Прочее

Информационная модель формируется в таблице 2.

Таблица 2.

Параметры Признаки Инфо-модель реального ТО
Сварочный луч Сила тока, напряжение, фокус Сила тока, напряжение, фокус
Стабильность св. луча Контролируемо, без отклонений Контролируемо, без отклонений
Глубина проплава, расположение шва (целевой параметр) Глубина шва, эксцентриситет шва относительно свариваемого стыка Глубина шва, эксцентриситет шва → к 0 относительно свариваемого стыка

В технологию сварки был введён дополнительный контроль — недостающий контрольный элемент «эксцентриситет шва → к 0 относительно свариваемого стыка».

В результате такого решения было зарегистрировано изобретение а.с. № 742075, 1977 г.
Свидетельство на изобретение

Пример 3.
На мой взгляд, это наиболее сложная проблема: обеспечить надёжную сварку каждого слоя многослойных сосудов. Проблема в том, что при сварке последующего слоя возможен прожог предыдущего, особенно первого – внутреннего слоя, т.к. этим он будет выведен из работы на прочность. Проконтролировать качество сварки внутренних слоёв через наружные весьма затруднительно.

Составим таблицу 1.

Факторы Параметры (требования и ограничения) Признаки Значи-мость Обяза-тельность
1 2 3 4 5
Энергетичность Сварочный луч Сила тока, напряжение, фокус + +
Свойства Стабильность св. луча Контролируемо, без отклонений Max Max
Нагрузки Испытательное      давление Давление газа Мах Мах
Материальность Многослойность Не менее 2-х + +
Размеры Глубина проплава Глубина шва + +
Социальность
Прочее Отсутствие прожога внутреннего слоя (целевой параметр) Контроль прожога Мах Мах

Далее информационная модель в таблице 2.

Таблица 2.

Параметры Признаки Инфо-модель реального ТО
Сварочный луч Сила тока, напряжение, фокус Сила тока, напряжение, фокус
Стабильность св. луча Контролируемо, без отклонений Контролируемо, без отклонений
Глубина проплава Глубина шва Глубина шва
Испытательное давление Давление газа Давление газа
Многослойность Не менее 2-х слоёв Не менее 2-х слоёв
Отсутствие прожога внутреннего слоя (целевой параметр) Контроль прожога Контроль прожога давлением газа в сосуде при сварке всех последующих слоёв

Не дополняя признаки, а воспользовавшись имеющимся «давление газа» и несколько изменив трактовку этого признака – сосуд заполняется давлением газа уже после сварки внутреннего слоя и в случае его прожога газ выходит наружу, образую очевидный «кратер», по которому и фиксируют прожог.

В результате – зарегистрировано изобретение а.с. № 610590, 1976 г.
Свидетельство на изобретение

Во всех 3-х примерах выдержан принцип – «ничего лишнего или минимум дополнительных признаков – в основном  только то, без  чего нельзя». Такой подход позволяет получать «красивые» технические решения возникающих проблем, соответственно, эффективные и экономичные.

В 2000 – х годах по такой же методике в совершенно новой отрасли  для исполнителей проекта были проработаны различные варианты строительных тканей и тканых ламинированных плёнок, используемых в качестве геотекстиля, пароизоляции, диффузионной (с проницанием пара) гидроизоляции и ветрозащиты. Все материалы были реализованы в серийном производстве и использовались в армировании при строительстве дорог, откосов, в ландшафтном дизайне, при строительстве домов и в сельском хозяйстве  для пропарки грунтов.

Практически все перечисленные строительные материалы были защищены свидетельствами на полезную модель.