6

Методология конструкторского проектирования

Введение

По определению методология есть учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. Под проектированием понимается процесс составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта. Следовательно, методологию проектирования определим как учение о структуре, логической организации методах и средствах составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта.

Введем некоторые основные понятия:

Алгоритм проектирования — совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования.

Язык проектирования — язык, предназначенный для представления и преобразования описаний при проектировании.

Проектное решение — промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего продолжения или окончания проектирования.

Проектная процедура — совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением.

Проектная операция — действие или совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры.

Становление науки о проектировании

Прежде чем что-либо создать, человек, на первом шаге, формирует в своем воображении субъективную модель предмета труда. Вторым шагом его деятельности является ее реализация. Этих два условных этапа трудового процесса назовем соответственно проектирование и исполнение.

Если в трудовом процессе участвует один человек, то модель предмета труда может замыкаться внутри его собственных представлений и понятий. Как только в трудовой процесс вовлекается другой участник, так появляется необходимость передать ему информацию о предмете труда. Делается это в том или ином условном коде – в форме речи, словесного или графического описания.

До появления письменности формами проектирования и конструирования были устные советы и модель предмета труда. Начало использования чертежей на Руси относится к XI веку. В то время они представляли собой чертежи-рисунки, чертежи-схемы.

Широкое использование чертежей при конструировании наступило в период мануфактур, XVI – XVII век.

В XVIII веке чертежи стали выполнять в масштабе, в изображениях появились “профили”, прорези и вертикальные разрезы.

В России преподавание черчения в специальных технических школах было введено по указу Петра I.

Во второй половине XVIII века теоретические основы проектирования механизмов были заложены академиком Л. Эйлером. Были созданы теории эвольвентного зацепления, ременных передач, ленточных тормозов. Им же была предпринята попытка изучения машин с учетом динамики. Вслед за Л. Эйлером появились труды Я.П. Козельского и С.К. Котельникова, рассматривающие механизмы с позиции динамики.

В XVIII веке появились книги, содержащие некоторые сведения о расчетах механизмов. Среди них “Арифметика” Л.Ф. Магницкого, включающая, в частности, задачи по зубчатым передачам.

К концу XVIII века центром развития механики становится Франция. Этому способствовали работы Ж. Лагранжа.

XIX век ознаменован многочисленными достижениями в технике, опережающими развитие науки и служившими для нее благодатной почвой. Если весь этап проектирования можно представить двумя метапроцедурами: 1) поиск и принятие решения; 2) описание и преобразование описаний объекта, то весь предшествующий исторический период был связан с развитием второй из них. Начертательная и аналитическая геометрия, черчение, теоретическая механика, теория машин и механизмов, детали машин и другие дисциплины дают аппарат для ее выполнения.

Развитие техники в XX веке столкнулось с рядом противоречий. Первое из них заключается в преобладании темпа роста сложности технических систем над развитием методов их проектирования. Число подсистем и элементов в технических системах удваивается через каждые 15 лет. Растет также разделение труда и число специалистов разрабатывающих технические системы.

Второе противоречие проявляется во взаимодействии таких факторов, как продолжительность разработки и срок морального старения технического средства. Устранение этого противоречия может быть достигнуто, во-первых повышением производительности труда в проектировании, а во вторых, построением технических средств на основе перспективных технических решений. В течении XX века производительность труда в проектировании возросла лишь на 20%, в то время как в производстве – на 1000%. Поиск перспективных технических решений в условиях традиционных методов и средств проектирования осложняется из-за постоянного роста объема научно-технической информации, увеличивающейся в два раза через каждые 8 лет.

Основные задачи методологии проектирования

Декомпозиция процесса проектирования

В результате декомпозиции получаем логическую схему последовательности проектных процедур, наилучшим образом организующей процесс проектирования.

Создание математических моделей

Разрабатываются два класса математических моделей. Первый — математические модели процедур проектирования, второй — объектов проектирования.

Описание алгоритмов проектирования

Создаются алгоритмы проектных процедур и операций.

Математические модели

Целевая модель

Целевой моделью объекта проектирования, назовем его описание M₁={A}, определяющие достигаемые с его созданием и использованием поставленные цели. Множество целей A определим следующим образом: A={a_i | a_i =(a_i, b_i)}, где a_i — идентификатор цели проектирования, a_i — символьная строка, описывающая цель проектирования, b_i — действительное число, характеризующее абсолютный вес цели проектирования. Множество A упорядочивается по следующему правилу: a_i  a_j если b_i  b_j

Под множеством целей понимаются интересы субъектов к проектируемому объекту. Множество субъектов можно представить в виде “дерева”: человечество; государство; предприятия; коллективы; личности. Соответственно интересы субъектов будут подразделяться на: интересы всего человечества; государственные интересы; интересы предприятия-заказчика; интересы предприятия-проектировщика; интересы коллектива-проектировщика; интересы личные. Основным подмножеством целей являются: прибыль; рынок; стоимость; время разработки; качество; технические характеристики; совместимость с существующими системами; приспособленность к окружению; безопасность работы и обслуживания; стойкость против морального старения.

Концептуальная модель

Концептуальной моделью объекта проектирования, назовем описание M₂={A, P}, дающее представление об идее его технического решения. Здесь A — множество целей, P — множество признаков объекта проектирования. Определим P={p_i | p_i =(p_i, b_i)}, где p_i — идентификатор признака объекта проектирования, p_i — символьная строка, описывающая признак объекта, b_i — действительное число, характеризующее параметр признака. Причем для a_i A p_jP такое, что выполняется отношение ={(a_i, p_j) | a_i  A, p_jP, “данной цели a_i соответствует признак p_j” }. Справедливо и в обратную сторону: для p_jP a_i A такое, что выполняется отношение ={(a_i, p_j) | a_i  A, p_jP, “данному признаку p_j соответствует цель a_i”}.

В качестве основного подмножеством признаков применяются: показатели назначения; показатели надежности; показатели технологичности; показатели безопасности работы и обслуживания; показатели эргономичности; показатели эстетичности; характеристики условий эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.

Показатели назначения описывают размерные, скоростные, массы и т.п. характеристики.

К показателям надежности относятся: безотказность, долговечность, сохраняемость.

Показатели технологичности характеризуют: трудоемкость, себестоимость, унификацию и стандартизацию, расход материала, обработку материала, состав конструкции (коэффициенты сборности и перспективного использования в других изделиях).

Показатели безопасности работы и обслуживания подразделяются на активную, пассивную и после аварийную безопасность.

Показатели эргономичности характеризуют: антропометрические, физиологические и психофизические свойства человека; гигиенические условия жизнедеятельности и работоспособности человека.

Показатели эстетичности подразделяются на композиционную и на функциональную целостность формы.

Характеристики условий эксплуатации, технического обслуживания и ремонта: продуктивность; качественная работоспособность; ресурсопотребляемость; ремонтнопригодность; транспортабельность.

Определим основной признак или категорию качества как результирующую оценку некоторого подмножества признаков. Чаще всего используются показатели надежности, технологичности, эргономичности и эстетичности.

Функциональная модель

Функциональной моделью M₃= {D, G, H} назовем описание объекта проектирования, дающее представление о функционировании объекта, где D — указание действия, производимого объектом проектирования, G — указание объекта на которое направлено действие, H — описание особых условий и ограничений.