6. Эвристические методы конструирования

Как уже указывалось, к эвристическим методам причисляют всевозможные упорядоченные в какой-то мере правила и рекомендации, помогающие при решении задач без предварительной оценки результата.

Под методом в данном случае понимается система операций, предусматривающая определенный порядок их применения при конструировании. Элементарная (одинарная) операция называется приемом.

Одним из простейших эвристических методов, направленных на упорядочение хода мышления и поиска решения в простой ситуации, является метод элементарных вопросов. Этот метод основан на постановке элементарных, но важных вопросов типа: что? где? почему? на что похоже? для чего? каким образом? и т.п. В результате постановки элементарного вопроса и ответа на него и находится искомое решение.

В сложной ситуации, когда между множеством взаимосвязанных явлений существует цепь причинно-следственных связей, особенно эффективным является метод наводящих вопросов. При использовании этого сложного метода задается цепь взаимосвязанных вопросов, а поиск рационального решения осуществляется в режиме «вопрос – ответ», причем по мере получения ответов на промежуточные вопросы причина и следствие, как правило, меняются местами, а ответ на заключительный вопрос приводит к искомому решению. В результате удается выявить конструктивные недостатки выпускаемых изделий, намечать пути внесения усовершенствований и модернизации конструкций.

Рассмотрим кратко характеристики методов по группам.

1 группа. Методы аналогии основываются на естественном стремлении человека к подражанию, т.е. к воспроизведению в создаваемых им технических объектах особенностей предметов, процессов и явлений окружающего мира, а также умственных способностей и физических возможностей собственного организма. Эти методы сопровождали человека на всех этапах его творческой деятельности. Не случайно до сих пор проводятся аналогии между летательным аппаратом и птицей, роботом и рукой человека, кибернетическим устройством и способностями человеческого организма.

Распространенные методы аналогии приведены в табл.1.

Приведенный перечень методов является открытым, т.к. он в принципе может быть продолжен в настоящем и будущем.

Рассмотрим некоторые из этих методов.

Метод приспособления включает ряд, как правило, несложных операций с объектами неживой природы, позволяющих приспособить природные конструкции и вещества для технических целей. Примеры: простые орудия труда, декоративные украшения.

Таблица 5.

Систематизация эвристических методов аналогии

Объекты подражания		Методы аналогии
Объекты неживой природы	Предметы естественной природы	Метод репродукции - // - приспособления
	Предметы искусственной природы	Метод копирования - // - прецедента - // - модификации - // - конвертирования - // - конструктивного подобия - // - реинтеграции - // - псевдоморфизма
Объекты живой природы	Живые существа (в настоящем и прошлом), кроме человека	Метод биохимии - // - биомеханики - // - биоархитектуры - // - палеобионики
	Человек	Метод антропоморфизации - // - биокибернетики - // - воспроизведения общественных явлений

Метод модификаций заключается в таком обновлении отдельных компонентов (элементов, блоков, модулей и т.п.) существующей конструкции изделия путем их замены, при котором изделие способно выполнить новую функцию, аналогичную прежней, но не тождественную ей. Пример: магистральный тепловоз пассажирской модификации, полученный из грузовой путем замены тяговой зубчатой передачи на новую с иным передаточным отношением.

Метод конвертирования – (конверсия - изменение) – аналогичен методу модификаций, однако замене в существующем изделии подлежат не его компоненты, а используемые для работы изделия эксплуатационные материалы. При этом изделие выполняет на новых эксплуатационных материалах аналогичную функцию. Пример: поршневые двигатели внутреннего сгорания, переведенные на иные виды топлива.

Метод реинтеграции заключается в создании нового сложного технического объекта по аналогии с относительно простым техническим объектом или с его одним особо значащим компонентом. Пример: ракетный двигатель Ф. Цандера (1930 г.), созданный им по аналогии с паяльной лампой.

Метод псевдоморфизации (псевдо..., частица в начале слова, означающая ложность, мнимость; ...морфизм – в окончании сложных слов указывает на отношение данных слов к форме, виду, напр. антропоморфизм) предполагает создание технического объекта, аналогичного по форме другому техническому объекту, но имеющего иное функциональное назначение. Целью создания такого объекта зачастую является создание ложного представления о его реальной функции. Примеры: авторучка в виде гвоздя, зажигалка в виде пистолета, фотоаппарат в виде зажигалки.

Метод биомеханики основан на воспроизведении в разрабатываемых конструкциях принципов действия, аналогичных механическим принципам действия живых существ. Примеры: «стопоходящая машина» П.Л. Чебышева (1821 – 1894 г.г.), воспроизводящая движение ног кузнечика; рулевое управление катера; вертолет.

Метод воспроизведения общественных явлений предполагает использование массовых сцен, непрерывных или повторяющихся событий, которые происходят с некоторым множеством людей одновременно в одинаковой или общей ситуации. Пример: разработка Т. Гротгусом в 1805 г. теории и способа электролиза воды по аналогии с танцем того времени «grand chafne».

2 группа. Методы альтернативного поиска основаны на комплексном использовании в процессе поиска конструктивного решения таких приемов конструирования, которые образуют альтернативные пары вида «прием - антиприем». К распространенным в конструкторской практике альтернативным парам приемов, например, относятся:

1. увеличение – уменьшение;

2. гиперболизация – миниатюризация;

3. макроидеализация – микроидеализация.

Таблица 6.

Примеры способов реализации

метода последовательных приближений

Признак изделия	Альтернативная пара приемов
	Увеличение	Уменьшение
Функция	Увеличение числа одновременно выполняемых функций путем их наращивания, разделения и т.п.	Уменьшение числа одновременно выполняемых функций путем их интеграции, совмещения и т.п.
Содержание элемента	Дезинтеграция (разделение) рабочих материалов (жидких, твердых или газообразных тел) на разнородные элементы с целью получения нового полезного эффекта.	Интеграция (объединение) разнородных материалов с целью получения комбинированных материалов (сплавов).
Содержание исполнения	Расчленение потока движения материала, энергии, информации на параллельные потоки.	Соединение независимых потоков материала, энергии, информации в единый поток.

Каждая приведенная альтернативная пара приемов, применяемых комплексно, образует соответствующий вид метода альтернативного поиска:

метод последовательных приближений (1);

метод масштабных преобразований (2);

метод идеализации (3).

Помимо рассмотренных признаков изделий имеются: форма исполнения, форма элемента, число элементов.

Таблица 7.

Примеры способов реализации

метода масштабных преобразований

Признак изделия	Альтернативная пара приемов
	Гиперболизация	Миниатюризация
Форма исполнения	Крупномасштабное воспроизведение технического объекта традиционного принципа действия (гигантские экскаваторы, турбины, самосвалы, самолеты и т.д.)	Мелкомасштабное воспроизведение технического объекта традиционного принципа действия (микрокалькуляторы, мини-ЭВМ, минивелосипеды и т.д.)
Содержание элемента	Предельное увеличе­ние физико-техниче­ских и механических характеристик мате­риала детали (изде­лия из сверхтвердых материалов)	Предельное умень­шение физико-тех­нических и механических характеристик материала детали (изделия из высокопластичных материалов)

В способах реализации метода идеализации рассматривается либо бесконечное увеличение признака изделия либо бесконечное уменьшение.

3 группа. Методы инверсии (латинское inversio – перестановка) играют важную роль в техническом творчестве. Они предусматривают поиск технических решений в направлениях, существенно отличных, как правило, противоположных принятым в конструировании аналогичных объектов.

Таблица 8.

Систематизация методов инверсии

Признаки изделия	Методы инверсии
Функция	Метод инверсии физических величин - // - компенсации параметров - // - инверсии направления действия объекта
Содержание исполнения	Метод инверсии рабочих материалов и веществ - // - - // - энергии - // - - // - информации - // - - // - рабочих процессов - // - компенсации положения объекта
Форма исполнения	Метод инверсии формы объекта - // - - // - расположения объекта
Содержание элемента	- // - - // - свойств элемента - // - - // - конструкционных материалов
Форма элемента	- // - - // - формы элемента - // - компенсации размеров

Приведенный перечень методов является открытым. Рассмотрим некоторые из них.

Метод компенсации параметров основан на использовании технических решений, позволяющих поддерживать основные параметры функционирующего изделия в указанных пределах с помощью технических средств, противодействующих нежелательному изменению этих параметров. Примеры: технические объекты, в конструкцию которых включены специальные регулирующие устройства (терморегуляторы, реостаты и т.п.).

Метод инверсии рабочих процессов заключается в целесообразном изменении направленности или характера протекания рабочего процесса, реализуемого техническим объектом при его функционировании. Примеры: технические устройства, преобразующие асинхронные процессы в синхронные; возвратно-поступательное движение во вращательное и наоборот; и т.д.

Метод инверсии расположения объекта заключается в изменении пространственного положения технического объекта без существенного изменения его конструктивного исполнения и принципа действия. Пример: Замена токарных станков горизонтального типа с вращающейся планшайбой станками вертикального типа (токарно-карусельными), позволяющими обрабатывать крупногабаритные детали.

Метод компенсации размеров заключается в подготовке и принятии технических решений, позволяющих восстанавливать изменяющиеся при работе объекта его геометрические формы и размеры и постоянно поддерживать их в установленных пределах. Примеры: устройство для автоматической подналадки резцов; регулировочные прокладки и др.

4 группа. Методы комбинирования базируются на системном анализе основных признаков изделия, образующих техническое описание его конструктивных исполнений (параметры, элементы, связи между элементами). Их использование связано с синтезом новых технических решений по разрабатываемому объекту в целом и всему возможному в перспективе многообразию его исполнений.

В научно-техническом творчестве применяются обе разновидности системного анализа: функциональный (функционально-технический) и морфологический (элементно-структурный, комбинаторно-структурный) анализ. Морфология (изначально) – наука о закономерностях строения и процессах организмов и отдельных органов в их развитии.

Комбинирование, как способ действий при конструировании, включает в общем случае четыре последовательные операции:

1) разделение параметра (функции) изделия на упорядоченное множество параметров (подфункций) изделия;

2) классификация подфункций и составление «морфологического ящика», т.е. соответствующей морфологической матрицы комбинаций компонентов исполнений изделия, обеспечивающих реализацию всех подфункций;

3) установление ограничений на множестве возможных комбинаций компонентов исполнений изделия;

4) отбор, с учетом установленных ограничений, из всего множества возможных комбинаций подмножеств, технически совместимых и целесообразных комбинаций.

Комбинирование, как формализуемый в определенной степени способ решения конструкторских задач, целесообразно выполнять с использованием ЭВМ.

К распространенным методам комбинирования относятся методы:

а) сочетаний; б) перестановок; в) размещения; г) перемещения.

а) Метод сочетаний основан на переборе рассматриваемого множества признаков объекта таким образом, что из него получается ряд разновидностей множества с тем же общим числом признаков (М), из которых часть признаков (М_о) обновляется. При этом порядок расположения признаков внутри каждого множества не имеет значения, т.е. не регламентируется и может быть любым (А, В, С по 2 : АВ, АС, ВС). Из 2^М вариантов исполнений для последующего анализа отбираются те, которые соответствуют исходным условиям задачи и лишены внутренних противоречий.

б) Метод перестановок (транспозиции) заключается в таком переборе упорядоченного множества признаков объекта, при котором сами признаки сохраняются, однако порядок их расположения в множестве меняется таким образом, что на каждом шаге меняются местами только два признака (А, В, С – АВС, ВСА, САВ, СВА, ВАС, АСВ).

в) Метод размещения (транслокации) основан на комплексном использовании методов перестановок и сочетаний. Сущность этого метода заключается в упорядочении исходного неупорядоченного множества признаков объекта по следующим двум этапам:

1. выявление разновидностей исходного множества признаков объекта;

2. упорядочение каждой разновидности множества признаков объекта посредством транспозиции обновляемых признаков.

г) Метод перемещения представляет собой совокупность приемов конструирования, при помощи которого компонент технического объекта перемещается в рамках данного объекта или переносится на другой технический объект с сохранением или изменением его изначальной функции.

Различают 4 разновидности метода перемещения:

метод аутотрансдукции, предусматривающий перемещение элемента внутри данного объекта с сохранением функции этого элемента;

метод аутотрансмутации, заключающийся в перемещении элемента внутри данного объекта с изменением (расширением, сужением или сменой) функции этого элемента;

метод функциональной трансдукции, основанный на сохранении изначальной функции элемента технического объекта, переносимого на другой объект;

метод эквипотенциальности, заключающийся в перенесении элемента с одного технического объекта на другой с обязательным изменением его изначальной функции.