Основные понятия и определения

Проект в известном смысле может быть противопоставлен изделию.

Проект – это абстракция, а изделие как материальный объект – конкретность. В основе двух различных терминов – проект и изделие – заложен смысл творческой технической деятельности. Проект есть результат умственной деятельности в сфере информации, а изделие это результат деятельности в сфере материальных объектов.

Проектирование и конструирование – это деятельность с замыслами, а изготовление и эксплуатация – деятельность с изделиями. Указанные области инженерной деятельности дополняются исследованиями – научными и практическими. Результаты этих исследований приводят к появлению новой информации, т.е. создают новый проект.

Проектирование – это поиск научно-обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. Результатом проектирования является проект будущего изделия. Проект анализируется, обсуждается, корректируется и принимается как основа для дальнейшей разработки.

Конструкция изделия основывается на его проекте. Поэтому проектирование изделия предшествует его конструированию. Конструирование – это создание конкретной, однозначной конструкции изделия. Конструирование опирается на результаты проектирования и уточняет все инженерные решения, принятые при проектировании.

Проектирование и конструирование служит одной цели: разработке нового изделия. Это – виды умственной деятельности, когда в уме разработчика создается конкретный мысленный образ. Этот образ подвергается мысленным экспериментам, включающим перестановку составных частей или замену их другими элементами. Одновременно оценивается эффект внесенных изменений, определяется, как эти изменения могут подействовать на конечный результат. Мысленный образ создается в соответствии с общими правилами проектирования и конструирования и в последствии принимает окончательный, технически обоснованный вид.

Конструирование как инженерная деятельность есть процесс поиска, нахождения и отражения в конструкторской документации

1) формы,

2) размеров и

3) состава изделия,

4) входящих в него деталей и узлов,

4) используемых материалов,

5) комлектующих изделий,

6) взаимного расположения частей и связей между ними,

7) указаний на технологию изготовления.

Область деятельности проектировщиков и конструкторов не­разрывно связана с двумя важными понятиями — система и кон­струкция. Оба они определяют существенные свойства техниче­ских средств, из которых создается техносфера, обусловливающая возможность развития человеческого общества. В результате со­временной научно-технической революции происходит непрерывное усложнение техносферы. По мере возрастания сложности техно­сферы усложняются и проблемы удовлетворения материальных потребностей человека. Все это повышает ответственность творцов техносферы — проектировщиков и конструкторов, которые обяза­ны давать правильные ответы на тщательно выявленные и точно определенные потребности. Технические системы и конструкции — результаты инженерной деятельности — и представляют собой та­кие ответы.

В предыдущих промышленных революциях инженер-творец сыграл огромную (хотя и не всегда удачную) роль. Он не всегда понимал сущность объекта своей деятельности, как и не всегда сознавал, к чему сводится ответственность творцов техносферы; он, как правило, не отдавал себе отчета ни в значении техниче­ских средств, ни в своей общественной роли.

Проектирование и конструирование представляют собой дея­тельность с замыслами. Изготовление и эксплуатация — это дея­тельность с изделиями. Указанные области инженерной деятель­ности дополняются исследованиями. Исследовательская деятель­ность в области технических средств переплетается с действиями над материальными объектами. Однако в этой деятельности нас прежде всего интересуют проекты, рассматриваемые как резуль­таты умственного труда, основывающегося на экспериментальных данных. Результаты научных и практических исследований при­водят к созданию проекта, т. с. новой информации.

В науке проектирования и конструирования (технического творчества) особое значение приобрели понятия свойство и особенность.

Процесс изготовления представляет собой не что иное, как придание материальным объектам желаемых свойств. Эти свойст­ва подчинены конструкции, т. е. определенному классу структур и состояний изделия. Таким образом, конструкция вместе со структурами и состояниями определяет особенности изделий, ко­торые заранее были задуманы инженером.

Изделие должно обладать желаемым комплексом особенно­стей. Прежде всего такой особенностью является то действие, бла­годаря которому изделие превращается в техническое средство. Отметим, что в производственном процессе свойство придается изделию как бы без учета того, что будет с этим изделием в даль­нейшем. Задача изготовления сводится к тому, чтобы, подвергнув материальный комплекс определенным операциям, получить из­делие требуемой конструкции. Особенность изделия как техническо­го средства определяется его отношением к другим объектам, с которыми оно взаимодействует. Таким образом, особенность — это характерная черта чего-то по отношению к чему-то другому. В этом смысле сталь обладает механическими свойствами (напри­мер, упругостью, пластичностью и прочностью). Коррозия, напро­тив, представляет собой не свойство, а лишь особенность, ибо она есть черта, зависящая не только от стали.

Движущая сила техники — потребность.

Социальная обязанность инженера сводится к тщательному выявлению и определению потребности. Связанный с этим комп­лекс процедур в процессе проектирования и конструирования име­ет огромное значение.

После выявления и идентификации потребности инженеры при­ступают к обдумыванию способа действий, который должен обес­печить удовлетворение потребности. При нашем подходе логиче­ской основой такого действия является система. Она определяет основное свойство технического средства. Здесь термин «систе­ма» — не омоним, служащий иногда для обозначения объекта, а иногда — для обозначения свойства этого объекта.

В нашем подходе система олицетворяет проект, т. е. она опре­деляет область способов действия. Система — это формальное ото­бражение действий, направленных на удовлетворение потребности при заданных условиях эксплуатации технического средства. Си­стема как проект представляет собой главный объект проектиро­вания. Разработанный способ действия ассоциируется с некоторой воображаемой моделью материального комплекса, который дол­жен стать техническим средством.

Таким образом, мы подходим к понятию объектов проектиро­вания: к ним относятся система и конструктивный вид. Конструк­тивный вид представляет собой первую конкретизацию структуры изделия. Теперь благодаря введенным понятиям мы без труда мо­жем отделить проектирование от конструирования. Конструкция является объектом процесса конструирования. Она в соответст­вующей степени определяет структуры и состояния изделия.

Если мы говорим, что конструкция основывается на проекте, то это означает, что система и конструктивный вид, представляю­щие собой сущность проекта, выбраны в качестве определяющих свойств объекта в процессе его конструирования. Таким образом, проектирование предшествует конструированию.

Проектировщик имеет дело с проектами, т. е. он трудится в сфере абстракций. Однако его деятельность связана с деятель­ностью в материальной сфере. С учетом единства действий в от­ношении проектов и изделий оказываются необходимыми сред­ства общения между инженерами. Этими средствами служат все­возможного рода коммуникаты: описание потребности (техниче­ское задание); проектная документация, представляющая собой запись системы и конструктивного вида; так называемые рабочие чертежи, отражающие запись конструкции, и, наконец, исследо­вательские отчеты.

Наука проектирования и конструирования охватывает теорию записи (прежде всего записи конструкции), что в свою очередь связано с проблемой кодов — основой языка техники.

Таким образом, в нашем подходе наиболее существенными ока­зались понятия: комплекс, система, конструкция, действие и струк­тура.

Комплекс может быть как абстрактный, так и материальный. Во избежание недоразумений необходимо подчерк­нуть, что очень часто в обиходной речи слово «конкретный» озна­чает «этот и только этот», т. е. однозначно установленный. В на­шем понимании «конкретный» означает «материальный» (в отли­чие от абстрактного).

Комплекс представляет собой согласованную совокупность, т. е. то, что каким-то образом удалось выделить и упорядочить. Сле­довательно, комплекс есть абстрактная или конкретная совокуп­ность, определяемая с учетом ее свойств или особенностей таким образом, что становится возможным отделить эту совокупность от других.

Покажем, что при нашем подходе система и конструкция пред­ставляют собой абстрактные комплексы, а технические средства — материальные комплексы. Существенными элементами функционирования техниче­ских средств (машин, помещений или комплексов) при нашем подходе являются информация, энергия и масса, которые стано­вятся характеристиками входа и выхода этих технических средств

В сфере абстракций мы будем выделять информацию, энергию и массу как свойства, определяющие функционирование техниче­ских, антропотехнических (человек—машина), социотехнических (проектно-конструкторская организация, завод) и прочих средств.

Методы конструирования

Методом называется система правил, которые определяют порядок решения задач, относящихся к определенной области.

Проведенные к настоящему времени работы в области конструирования обеспечили создание надежного запаса методов решения задач на всех этапах конструирования. Уже при разработке систематики конструирования становится ясно, что для применения этих методов необходим учет определенных условий. Эти условия могут быть сформулированы с помощью положений системной эвристики:

поскольку методы всегда содержат обобщенные правила, каждый раз необходима соответствующая «подгонка» метода к задаче. Прежде всего необходимо выявить главную цель проблемы, которая позволяет выбрать требуемый метод. Затем абстрактные параметры, используемые в методе, можно конкретизировать с помощью информации, присущей решаемой проблеме, после чего при необходимости можно модифицировать сам метод;

«подгонка» метода к работнику, который его использует. Любой метод разрабатывается в соответствии с определенным уровнем знаний и учетом расчетных операций, освоенных разработчиком этого метода. Поэтому рациональное применение метода зависит от опыта и навыков, приобретенных при его использовании. Следует приветствовать стремление разработчика понять принцип метода и решить проблему, не следуя строго отдельным параграфам инструкции по ее применению.

Эффективность труда характеризуется долей повторяющихся в его процессе работ и «степень» логической ясности процесса решения проб­лемы. Описанные методы в первую очередь должны использоваться для систематизации работы конструктора. Использование итерационного процесса позволяет применять для реализации этих методов вычисли­тельную технику, накопители информации и другие средства рационализа­ции конструкторских работ.

При этом рекомендуется руководствоваться следующими соображениями:

• следует идти от необходимого к желаемому, а от желаемого к допустимому;

• качество конструкции объекта зависит от качества идеи или принципа, использованного в техническом решении объекта. Следует находить побольше технических решений для выбора наилучшего;

• прорабатывать варианты известных технических решений;

• стремиться выяснить все необходимые детали, способные повлиять на конструируемый объект;

• оценивать сравнительную важность каждого варианта, чтобы облегчить выбор оптимального или создать компромиссный;

• избегать поспешных решений и чрезмерного влияния авторитетных решений;

• правильно оценивать результаты расчетов и рационально их использовать;

• добиваться простоты конструкции (если предполагается ввести новый узел или изменить уже существующий, надо уточнить, нельзя ли вообще обойтись без них);

• избегать сложных, многодетальных конструкций. Не использовать в конструкции объекта элементы (узлы и механизмы), работоспособность которых сомнительна и требует экспериментальной проверки.

NB – Улучшение конструкции по некоторым параметрам за счет ухудшения качества, надежности и безопасности работы ее недопустимо.

Требования предъявляемые к конструкции обычно противоречивы. Поэтому, улучшая один параметр объекта, конструктор влияет на др., нередко ухудшая их. Важно оценить эти влияния, принимая компромиссное решение, которое в конкретном случае будет оптимальным.

При оценке требований, предъявляемых к объектам разработки, необходимо учитывать следующее:

– Уменьшение массы объекта вызывает уменьшение прочности и жесткости.

– Компактная, малогабаритная конструкция влечет за собой улучшение условий сборки, обслуживания, регулировки и ремонта.

– Применение дешевых материалов вызывает ухудшение прочности, износостойкости и долговечности.

– Создание простой конструкции объекта накладывает ограничения на технические и технологические возможности его работы.

– Увеличение скорости действия механизма приводит к росту инерционных сил и нагрузок на детали и узлы.

– Разбивка конструкции на модули (узлы) для облегчения организации их сборки (или транспортировки) ведет к уменьшению жесткости конструкции, повышает трудоемкость сборки.

– Создание конструкции для разных режимов работы и разных операций (универсальной) наносит экономический ущерб при эксплуатации объекта на одной операции.

Для нахождения лучшего конструктивного решения конструктор должен создать как можно больше вариантов конструкции, т.к. в каждом варианте возможно решение тех или иных вопросов в разной степени.

Следует заметить, что разработка принципиально различающихся вариантов дело непростое. Кроме знания большого объема различных технических решений, конструктивных схем и т.д. требуются способности и навыки использование приемов и методов конструирования.

Следующий этап – анализ вариантов и выбор оптимального – труднейший и самый ответственный этап конструирования. От результатов его выполнения зависит качество объекта на всех стадиях жизненного цикла.

2. Проектирование и конструирование – процесс и принципы. Законы развития, функционирования и отмирания технических систем. Понятие о потоке мощности. Конструирование соединений, приводов, исполнительных механизмов. Выбор элементов моделей.