4.3. Варианты разработок и выбор оптимального варианта

Задача разработчика по созданию нового образца изделия заключается в подборе и разработке вариантов, относящихся к устройству и принципу работы, и принятии одного, окончательного варианта. В процессе реализации научно-технической идеи, особенно при разработке технического задания и последующих стадиях проектирования, принятие конкретного варианта имеет наиважнейшее значение. Оно придает направление всей разработке. Вероятность выбора лучшего варианта нового изделия тем выше, чем больше число вариантов, из которых выбирается это решение, и чем выше качество этих вариантов.

Основой для отбора технических решений служат технические требования к разрабатываемому изделию. Эти требования могут предъявляться к изделию в целом или Предъявляться к его составным частям и функциональным узлам.

Как требования к изделию, так и выбираемые варианты технических решений нередко являются противоречивыми. Противоречивость вариантов может иметь самую различную степень, вплоть до положения, когда одно решение исключает другое. В любом случае проводится проверка

совместимости принимаемых решений по разным частям конструкции и принципам работы проектируемого изделия (рис. 4.1—4.4).

Рис. 4.1.. Разные конструкторские решения  одной и той же технической задачи: а — задача;  б — конструкторские решения; в — схема

На помощь разработчику в выборе наилучшего варианта приходит метод оптимизации. Задача оптимизации существует только в случаях, когда имеется определенное число вариантов и выбор наилучшего не очевиден. Оптимальным называют решение, которое по тем или иным признакам предпочтительнее. Чтобы среди большого числа вариантов найти оптимальный, нужна информация о предпочтительности различных сочетаний значений показателей, характеризующих варианты. Задачу выбора оптимальных параметров разработки в соответствии с выбранными критериями называют задачей оптимального проектирования

тирования. Процесс оптимального проектирования включает в себя три основных этапа:

1) выбор объективного критерия оптимизации;

2) описание целевой функции и множества (области) допустимых решений (математическое моделирование проекта):

Рис. 4.2. Разные технические решения подающих механизмов: а — шариковое передаточное устройство;  б — тросовый передаточный механизм тянущего и толкающего действия; в — тросовый передаточный механизм тянущего действия с отклоняющими блоками

3) выбор эффективного метода решения задачи и его реализация.

Критерием оптимизации проектируемого объекта служит показатель, который оптимален для указанного объекта. При выборе критерия оптимизации необходимо исходить из следующих соображений:

— критерий является средством, с помощью которого должны сопоставляться конкурирующие варианты проектируемого объекта;

— критерий должен выражать соответствие между целесообразным качеством объекта и реальными процессами

проектирования, изготовления и эксплуатации объекта .

Рис. 4.3. Применение устройства, работающего на одном и том же принципе (ротаметра) для решения разных задач: а — показывающий ротаметр для измерения расхода среды; б—ротаметр для измерения наружного диаметра цилиндрических поверхностей:  1 — коническая труа; 2 — поплавок с крутонаклоиньши бороздками, обеспечивающими вращение поплапка и его центрирование в трубе; 3 — индуктивный датчик для сигнализации; 4 — измеряемая поверхность изделия;  5 — внутренняя поверхность камеры

Рис. 4.4. Использование сжатого воздуха в гибких элементах для достижения разных целей: а — пневматическое амортизирующее устройство;  б — прижим деталей в приспособлениях при помощи пневмошлангов: 1,4 — фланцы; 2 — пневматический баллон; 3 — буфер; 5 — трубопровод; 6 — прижимной шланг; 7 — прижимаемое изделие; 8 — рычаг; 9 — возвратный шланг

Назначение критерия состоит не в том, чтобы «заменить цель поставленной задачи», а в том, чтобы проверить предпочтение выбранных вариантов. Чтобы быть объективным и оправдать свое назначение, критерий должен обладать рядом свойств: быть независимым; однозначным, т. е. не 

являться функцией других факторов; быть непосредственно связанным с параметром оптимизации; совместимым с другими факторами, чтобы не нарушить их работу, и др.

В качестве критерия оптимизации в зависимости от характера и назначения проектируемого объекта могут быть приняты его стоимость, точностные и конструктивные показатели, масса, долговечность и другие показатели. Оптимизация как процесс рационализации элементов и конструкций возможна только тогда, когда сформулирована цель. Математическая зависимость критерия оптимизации от искомых параметров проектируемой системы носит название целевой функции.. Такое название принято не случайно, так как поиск оптимального проекта ведется с целью получения наилучшего значения критерия оптимизации. В качестве проектных параметров могут служить любые численные значения. Это могут быть принцип работы изделия, технические показатели, например максимальная или минимальная скорость, производительность, температура, масса и др.; показатели качества, например твердость поверхности термически обработанного вала и т. п.

Проектный параметр оптимизации должен соответствовать следующим требованиям:

быть измеримым с достаточной степенью точности и ограничен пределами допусков;

быть информационным, т. е. всесторонне характеризовать объект оптимизации; иметь физический смысл, т. е. должна быть возможность достижения полезных результатов определенного свойства детали, сборочной единицы в соответствующих условиях процесса;

быть однозначным, т. е. максимизировать либо минимизировать только одно свойство детали, сборочной единицы или процесса.

Параметры оптимизации в зависимости от цели, для которой они предназначены, могут быть: пространственными и временными (длина, время, площадь, объем, скорость, ускорение и т. д.); механическими (масса, плотность, сила, момент силы, работа, энергия, мощность, давление и т. д.); электрическими и магнитными (количество электричества, плотность электрического тока, удельное сопротивление, магнитный поток и т. д.); тепловыми (температура, количество теплоты, тепловой поток, коэффициент теплообмена и т. д.); акустическими (звуковое

давление, интенсивность звука и т. д.); качественными (внешний вид детали, сборочной единицы и т. д.).

Поиск решения задачи (определение минимума или максимума) ведется не во всем пространстве или множестве переменных величин, а только в допустимой области, которая называется пространством проектирования. Эта область не столь велика, как может показаться, поскольку она ограничена рядом условий, связанных с физической сущностью задачи. Ограничения могут быть столь сильными, что задача не будет иметь ни одного удовлетворительного решения. Основными являются следующие ограничения:

1) на напряжения, налагаемые требованиями надежности и экономичности (условия прочности и устойчивости);

2) на отклонения, налагаемые требованиями жесткости, работоспособности и действующих стандартов и технических условий (условия жесткости);

3) требования совместимости деформаций, обеспечивающих неразрывность элементов конструкции, во время и после приложения внешних нагрузок;

4) функциональные ограничения, связанные с условиями изготовления и эксплуатации элементов изделия (например, габаритные ограничения для искомых параметров, ограничения на применяемый сортамент проката, марки стали, соединения элементов).

Имеются разные методы оптимизации, основывающиеся на различных предположениях и способах выполнения (технические измерения, суждения о предпочтениях, суждение о вероятности исходов, анализ поведения, органолептические измерения, оценки ощущений людей и др.). Методы оптимизации, в которых оптимизируется только один параметр, следует применять тогда, когда удается выделить один главный параметр, который достаточно полно характеризует оптимизируемый объект. Основным достоинством таких методов является простота вычислительных процедур. Часто на практике оптимизация проводится по нескольким параметрам при помощи ЭВМ.

В работе проектировщика и конструктора задачи оптимизации приходится решать очень часто. Это относится не только к определению основных параметров изделия, но и к решению многих второстепенных задач. Любой выбор конструкторского решения формы и размеров изделия или его элемента является по существу решением

пнем оптимизирующей задачи. Конструктор выбирает оптимальное решение из той совокупности вариантов, которые хранятся в его памяти. Совокупность вариантов, из которых выбирается решение, характеризуется тем, что все они удовлетворяют условиям конструкции, т. е. находятся в допустимой области. В подавляющем большинстве случаев разработчик осуществляет оптимизацию конструкции исходя из основных критериев и методов конструирования, логических выводов. Во многом конструктору в его работе помогает модель разрабатываемого объекта. Эта модель создается в воображении разработчика и может иметь также графическое изображение. Модель отражает упрощенную принципиальную схему, которая в процессе конструирования обрастает конструкторскими решениями. На помощь конструктору приходит «мысленный опыт» или «мысленный эксперимент». Проводится нагружение «образца» и на основе этого «эксперимента» определяется наиболее рациональное конструктивное исполнение. После многократных «опытов» принимается наиболее оптимальный вид исполнения.

Во многом в проведении оптимизации конструктору помогает его опыт и знания, способность творчески мыслить. Знание конкретных методов оптимизации и объектов, которые следует оптимизировать при разработке, поможет конструктору избежать недостатков и ошибок в конструкции.

Оптимизацию в разработках целесообразно проводить по следующим объектам.

1. Оптимизация нагружения — самый главный критерий, от которого зависит такая важная характеристика изделия, как конструкция. Оптимизация нагружения ведет к оптимальной конструкции, конструктивному виду, оптимальному использованию материала, надежности и т. д.

2. Оптимизация материала зависит от конструкции изделия. Применяемый материал может быть разным, его выбирают по необходимым механическим, физическим свойствам, технологичности, стоимости, доступности и т. д.

3. Оптимизация надежности включает в себя показатели качества, коэффициент безопасности и т. д.

4. Оптимизация отношений взаимосвязанных величин заключается в оценке таких характеристик изделия, как геометрические конструктивные характеристики, кинематические и динамические свойства, масса и упругие

свойства и отношения между ними. Чем меньше отношения характеристик изделия отличаются от оптимальных, тем больше конструкция отвечает принятым критериям.

Решение задач оптимизации математическими методами дает наилучшие результаты. Однако не всегда возможен выбор математических методов оптимизации с использованием ЭВМ, Причиной этого может быть отсутствие вычислительной техники и соответствующих специалистов; кроме того, не все задачи выбора оптимального параметра имеют математическое решение.

Повышение точности параметра оптимизации требует дополнительных затрат времени и средств. Поэтому точность определения оптимального значения должна находиться в разумных пределах, чтобы не свести на нет те преимущества, которые можно получить от применяемого метода оптимизации. Как определить эти пределы и какие методы применять в каждом конкретном случае? Удовлетворительные результаты дают вероятностные методы поиска рациональных решений, среди которых случайный поиск может быть использован в проектировании. Рассмотрим сущность метода случайного поиска. Каждый разработчик может задать пределы, в которых отклонение целевой функции (параметра оптимизации) от ее относительного значения можно считать несущественным. Тогда любое решение, при котором целевая функция находится в указанных пределах, будет рациональным, т. е. это решение не оптимальное, но близкое к нему. Области рациональных решений соответствует целая область изменения конструктивных параметров. Возможность такого подхода к решению задач оптимизации основывается на том, что в технических задачах экстремумы целевой функции, как правило, пологие, а это означает, что область изменения рациональных параметров сравнима с областью допустимых значений параметров, обусловленных ограничениями исходной задачи.