- •Часть I
- •1. Техника и инженер
- •1.1. Необходимость обучения методам нтт
- •1.2. Этапы инженерной деятельности
- •1.3. Роль инженера на современном производстве
- •1.4. Внутренняя структура инженерной деятельности
- •1.4. Разделение функций инженерного труда
- •1.5. Изобретательская деятельность
- •1.6. Понятие об открытии, изобретении и рационализаторском предложении
- •2. Психология творчества
- •3. Эвристические методы
- •3.1. Из истории эвристических методов
- •3.2. Граница между эвристическими методами, логикой и интуицией
- •4. Методы мозговой атаки
- •4.1. Использование возможностей подсознания
- •4.2. Метод прямой мозговой атаки
- •4.3. Метод обратной мозговой атаки
- •Пример анализа недостатков прототипа
- •4.4. Комбинированное использование методов мозговой атаки
- •Форма положительно-отрицательной оценки идей
- •5. Синектика
- •6. Эвристические методы конструирования
- •7. Морфологический анализ и синтез технических решений
- •7.1. Морфологическая комбинаторика
- •7.2. Постановка задачи и построение конструктивной функциональной структуры
- •7.3. Составление морфологических таблиц
- •7.4. Выбор наиболее эффективных технических решений
- •Условная морфологическая таблица
- •8. Методы проектирования
- •8.1. Проектирование как трехступенчатый процесс
- •8.1.1. Дивергенция
- •8.1.2. Конвергенция
- •8.2. Методы исследования структуры проблемы (трансформация)
- •8.2.1. Матрица взаимодействий
- •План действий:
- •8.2.2. Сеть взаимодействий
- •8.2.3. Анализ взаимосвязанных областей решения (aida)
- •8.2.4. Трансформация системы
- •8.2.5. Проектирование нововведений путем смещения границ
- •8.2.6. Проектирование новых функций
- •8.2.7. Определение компонентов по Александеру
- •8.2.8. Классификация проектной информации
- •8.3. Методы оценки (конвергенция)
- •8.3.1. Контрольные перечни
- •8.3.2. Выбор критериев
- •8.3.3. Ранжирование и взвешивание
- •8.3.4. Составление технического задания
- •8.3.5. Индекс надежности по Квирку
- •Часть I
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
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:
увеличение – уменьшение;
гиперболизация – миниатюризация;
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 (Мо) 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 2М 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 упорядочении исходного неупорядоченного множества признаков объекта по следующим двум этапам:
выявление разновидностей исходного множества признаков объекта;
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.