Характеристика иерархических описаний ТС и методики их построения

Содержание

1.Введение

2. Характеристика иерархических описаний ТС и методики их построения

3. Mетодика построения абстрагированной и конкретизированной потоковых структур ТС

4. Анализ физических операций элементов механической трансмиссии и построение ПФС

5.Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение

     При разработке, проектировании и изготовлении технических объектов любой природы  и сложности приходиться решать целый ряд творческих, изобретательских и проектно-конструкторских задач. Как правило, задачи эти решаются в строго определенной, логически  обоснованной последовательности или, как принято говорить, в иерархической  соподчиненности. Иерархия — это  расположение частей или элементов  какой-либо целой системы в порядке  от высшего к низшему. В аналогичной иерархической соподчиненности на каждом из уровней даются описания технических объектов.

     На  первом, высшем уровне дается описание потребности, которую реализует  ТО. Второй уровень — описание технической  функции (ТФ), посредством которой  эта потребность реализуется. На третьем уровне дается описание функциональной структуры ТО, отражающее взаимодействие между отдельными элементами объекта  на уровне выполняемых функций (ФС). На 4-ом уровне дается описание принципов  действия ТО, отражающих взаимосвязи  между его элементами, но уже на уровне реализуемых ими физических процессов и явлений (ПД). Описание ТО в виде перечня его элементов, их взаимосвязей и взаимного расположения, особенностей конструктивного исполнения элементов по форме, материалу и  т.п. составляет содержание пятого уровня описания, называемого техническим  решением (ТР). И, наконец, шестой уровень описания отражает параметры технического объекта (П), т.е. количественные характеристики структуры ТО, необходимые для его изготовления и эксплуатации. Параметрическое описание структуры вновь создаваемого или модернизируемого ТО будем в дальнейшем называть проектом технического объекта.

     Любое описание нового или усовершенствованного технического объекта всегда начинается с описания его назначения, цели его создания или модернизации. В  предназначении технического объекта  и содержится суть его потребительской  функции. Этот исходный и, вместе с тем, наиболее ответственный уровень  описания технического объекта требует  глубокого анализа проблемы создания нового, более совершенного (конкурентоспособного, патентоспособного, более эффективного) ТО, знания предыстории и эволюции его развития и состояния, обоснованного  прогноза показателей его качества и масштабов потребления.

     Техническая функция (ТФ) — это описание действий по реализации техническим объектом определенной физической операции с  целью удовлетворения желаемой потребности. Следовательно, описание технической  функции (Ф) должно содержать наименование физической операции (Q) и потребности  или потребительские функции (Фп) технического объекта: Ф = (Q, Фп).

     С позиций  удовлетворения интересов потребителя  технические функции подразделяются на полезные Фплз, вредные Фвр и функции существования Фсу, а по степени их важности — на основные (главные) и вспомогательные. Поясним это на примере речного пассажирского катера. Его основная полезная техническая функция — перевозка по реке пассажиров. Однако, в случае необходимости, этот же катер может выполнять и вспомогательные полезные функции — транспортирование на канате бревен, буксирование водного лыжника или водного парашютиста. В процессе реализации своих полезных функций моторный катер порождает ряд побочных нежелательных явлений, т.е. является источником и носителем вредных функций. В частности, при его движении по воде, в особенности по мелководной реке, образуются волны, которые разрушают берега, распугивают рыбу и водоплавающую птицу, выбрасывают на берег рыбью икру и молодь. Другая вредная функция этого технического объекта — загрязнение воздуха и воды выхлопными газами. В процессе эксплуатации катера проявляются функции его существования: причаливание к берегу, удержание на месте с помощью якорей при быстром течении реки, устойчивость на волне и при шторме.

     Возвращаясь к рассмотрению вредных технических  функций, в качестве примера можно  взять осветительную аппаратуру, применяемую при фото-, кино- и  телевизионных съемках. Эти технические  объекты, наряду с основной полезной функцией освещения соответствующих  объектов, выполняют дискомфортную  вредную функцию нагрева окружающего  воздуха, затрудняя работу операторов, артистов, респондентов.

     В подавляющем  большинстве ТО состоят из ряда элементов (деталей, узлов, блоков, агрегатов и  т.п.) и могут быть естественным путем  разделены на части (подсистемы, элементы). Каждый из таких элементов, рассматриваемый  при этом как самостоятельный  ТО, выполняет вполне определенные функции и конкретные физические операции.

     Важно отметить, что между элементами ТО существуют две разновидности связей и, соответственно, два вида структурной  организации технических устройств  и систем. В этой связи различают  конструктивную функциональную структуру (КФС) и потоковую функциональную структуру (ПФС).

     Элементы  ТО в процессе реализации определенных физических операций образуют потоки преобразуемых (или превращаемых) ими  веществ, энергии или сигналов. Эти  потоковые связи между входами  и выходами отдельных элементов  ТО отображаются в словесном или  графически оформленном описании —  в потоковой функциональной структуре.

     Поэтому под потоковой функциональной структурой понимается совокупность взаимосвязей между элементами технического объекта  и реализуемыми ими физическими  операциями через потоки вещества, энергии или символов.

     Понятия конструктивной и потоковой функциональной структуры могут быть использованы только для конкретного (реально существующего, модернизируемого или впервые разрабатываемого) ТО. При обсуждении исторических, философских, социальных и иных проблем эволюции техники, прогнозировании направлений и темпов ее развития, как правило, рассматриваются не отдельные конкретные ТО, а характерные классы (группы, виды) технических объектов. В этом случае говорят лишь о некоторых обобщенных структурах машин (классов ТО), которые содержат четыре укрупненных звена (подсистемы), реализующих, соответственно, четыре фундаментальных функции труда: технологическую, энергетическую, управления и планирования. Очевидно, что в наименованиях и предназначении указанных фундаментальных функций мы не увидим никаких неожиданностей (поскольку они отражают потоковые связи подсистем), за исключением фундаментальной функции планирования. По сути, функцию планирования следовало бы отнести к фундаментальной функции управления. Однако из-за того, что она реализуется в сфере внешнего управления и проектирования, в сфере маркетинга, методологически ее считают самостоятельной. 

2. Характеристика  иерархических описаний ТС и методики их построения

     Данное  преобразование базируется на иерархии описаний ТС, т.е. представлении объекта  проектирования в виде следующей  последовательности описаний: назначение - техническая функция (ТФ) - функциональные структуры (конструктивная функциональная структура             ( КФС), потоковая функциональная структура ( ПФС)) - физический принцип действия ( ФПД) - техническое решение (ТР).

     В описании типа ПФС, представленном в виде графа, вершинами являются элементы ТС (конкретизированная ПФС) или наименование операций Коллера (абстрагированная ПФС), а ребрами - потоковые связи, т.е. элементы, реализуя определенные ФО, образуют поток преобразуемых веществ, энергии, информации.

     Следует отметить, что расположение элементов  в КФС является иерархическим, построенных  путем декомпозии ТС, а в ПФС элементы располагаются по потоку, реализующему техническую функцию ТС.

     Методики  построения функциональных структур отражающих системную целостность ТС, базируются на законе соответствия между функцией (назначением) и структурой ТС.

     При построении функциональных структур в  качестве проблеморазрешающих могут использоваться обобщенные функциональные структуры и базы данных по типовым функциональным элементам ТС. Более целесообразно при построении функциональных структур объекта проектирования использовать обобщенно - конкретизированные функциональные структуры того класса ТС, к которым она относится.

     В ПФС  каждый элемент реализует определенную физическую операцию, основывающуюся на использовании одного или нескольких физико-технических эффектов. С учетом этого, на базе ПФС строится ФПД технической  системы, поясняющий какие физические законы и эффекты используются для реализации необходимых физических операций ее элементов. ФПД представляет собой структуру совместимых и объединенных физико-технических эффектов, обеспечивающих преобразование заданного начального входного воздействия в заданный выход – конечный результат.

     Использования указанных описаний облегчает выявление  вариантов возможных ТР объекта проектирования, учитывающих многообразие элементов, их связей и физико-технических эффектов, лежащих в основе реализации необходимой физической операции.

     Для решения последующих задач выделено три основных процедуры: поиск вариантов  ТР, выбор оптимального варианта и анализ принятого решения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Mетодика построения абстрагированной и конкретизированной потоковых структур ТС

     Разделение  на элементы выполняется с учетом рекомендаций использованных при построении КФС. Однако при этом не выделяют главные  элементы, а компоненты окружающей среды (ОС), с которыми взаимодействуют  ТС и его элементы, обычно считают  источником входящих в ТС потоков или стоком выходящих потоков. Объектам ОС присваивают номера 0-1, 0-2, ...

     Полученные  при разбиении конструктивные элементы следует по возможности пронумеровать  в том порядке, в котором преобразуемый  поток проходит через эти элементы. Следует также иметь в виду, что при разделении ТО на основные элементы последние могут представлять собой достаточно сложные агрегаты или узлы, для которых может  быть построена своя потоковая ФС.

     При описании ФО для каждого выделенного  элемента необходимо указать Ат, Е, Ст.

     Описание  входного Ат и выходного Ст потоков или факторов должно содержать следующую информацию:

     а) наименование потоков вещества, энергии или  информации;

     б) качественную характеристику потока, существенно  влияющую на техническое решение  ТО; например, для потока "электрический  ток" качественная характеристика может  обозначать "переменный";

     в) основную физическую величину (величины), характеризующую  поток (фактор), ее стандартное обозначение, единицу измерения;

     г) количественную характеристику потока - значение физических величин, оказывающих существенное влияние на техническое решение  ТО. При необходимости указывают  диапазоны изменения Ат, Ст.

     Допускается не указывать в описании всю вышеизложенную информацию, например, пункты в) и г).

     Компонента Е (операция Коллера) в описании ФО должна обозначать действие, производимое над входным потоком, которое превращает Ат в Ст.

     Исходными данными для построения ПФС служит описание ФО, выполненное по форме  таблицы, где в столбцах 4,7 указывают  адрес следования потока: для Ат - номер "источника" (элемента или объекта ОС), откуда "пришел" поток (вход); для Ст - номер "приемника" (элемента или объекта ОС), куда "ушел" поток (выход).

    Используя эти данные строят абстрагированную или конкретизированную ПФС представляющие собой графы. При построении абстрагированной ПФС вершинами графа являются операции Коллера, а при построении конкретизированной ПФС - элементы ТО. Ребрами графа в том и другом случае являются входные Ат и выходные Ст потоки.

    Следует заметить, что если ПФС состоит  из нескольких потоков вещества, энергии  или информации, то она имеет сложную  разветвленную или сетевую структуру. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Анализ  физических операций элементов механической трансмиссии и  построение ПФС

       Кроме функциональных связей, между  элементами ТС имеются еще  потоковые связи, т. е. элементы, реализуя определенные физические  операции, образуют поток преобразуемых  или превращаемых веществ, энергии,  сигналов. Описание физических операций  элементов трансмиссии формализовано  представим состоящим из трех  компонент: 

Q = (Aт, Е, Ст);

где, Ат, Ст, - соответственно входной и выходной поток (фактор) вещества, энергии или информации;

Е – наименование операции Коллера по превращению Ат в Ст.

     Это описание отвечает на вопросы ''что'' (Ат), ''как'' (Е), ''во что'' (Ст) преобразуется помощью описываемых элементов трансмиссий.

       Взаимосвязанный набор физических  операций реализующих один определенный  поток преобразования вещества  энергии или информации, либо  несколько не взаимосвязанных  потоков называется потоковой  функциональной структурой.

     В потоковой  функциональной структуре, элементы трансмиссии  имеют иерархические связи между  собой, полученные в результате декомпозиции системы причем каждый элемент выполняет физическую операцию, учитывая это функциональная структура представляет собой граф вершинами которого являются элементы и операции Коллера, а ребрами входные и выходные потоки.

       Потоковые функциональные структуры  строятся на базе анализа последовательности  физических операций элементов  трансмиссии, которые составлены  на основе таблицы 1.1. 
 

     Таблица 1.2 Анализ последовательности физических операций элементов механической трансмиссии

     На  основе анализа последовательности физических операций элементов (таблицы 1.2) строим потоковую функциональную структуру механической трансмиссии (ПФС). 

5. Список  литературы

     Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб. пособие для студентов втузов. — М.: Машиностроение, 1988. — 368 с.

     Черный А.А. Принципы инженерного творчества: Учеб. пособие. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 43 с.: библиогр. 14 назв.

     Гаврилова Т.А. Использование онтологий в  системах управления знаниями // Труды  международного конгресса «Искусственный интеллект в XXI веке», Дивноморское, Россия, М., Физматлит. 2001