ЗАКОНЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНИКИ

Лекция 6. Классификация методов моделирования. Математическое, физи­ческое, функциональное, концептуальное моделирование. Макеты и тренажеры. Метод экспертных оценок экстраполяции. Эффективность различных методов моделирования.

Тема 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЬЕКТОВ

Закон увеличения степени вепольности

Закон перехода с макроуровня на микроуровень

Закон перехода в надсистему

Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в ка­честве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы.

Об этом законе мы уже говорили.

Перейдем к «динамике». Она включает законы, отражающие развитие с
временных технических систем под действием конкретных технических и физических факторов. Законы «статики» и «кинематики» универсальны — они справедливы во все времена и не только применительно к техническим системам, но и к любым системам, вообще (биологическим и т. д.). «Динамика» отражает главные тенденции развития, технических систем именно в наше время.

Развитие рабочих органов системы идет сначала, на макро-, а затем на микроуровне.

В большинстве современных технических, систем рабочими органами

яв­ляются «железки», например винты самолета, колеса автомобиля, резцы токарного станка, ковш экскаватора и т. д. Возможно развитие таких рабочих органов в пре­делах, макроуровня: «железки» остаются «железками», но становятся более совершенными. Однако неизбежно наступает момент, когда дальнейшее развитие на макроуровне оказывается невозможным. Система, сохраняя свою функцию, принципиально перестраивается: ее рабочий орган начинает действовать на микро­уровне. Вместо «железок» работа осущестствляется молекулами, атомами, ионами, электронами_и т. д.

Переход с макро - на микроуровень — одна из главных (если не самая глав­ная) тенденций развития современных технических систем. Поэтому при обуче­нии решению изобретательских задач - особое внимание приходится обращать на рассмотрение перехода «макро — микро» и физических эффектов, реализующих этот переход

Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени

ве­польности.

Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличения степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы.

Многочисленные примеры, иллюстрирующие этот закон, уже встречались при решении задач.

 

 

Модель технического объекта

Модель ТО позволяет получить ответы на два вопроса:

соответствует ли рассматриваемый ТО или его описание данному требованию или списку требований?

какой из двух альтернативных вариантов ТО лучше по данному показателю качества?

Для оценки соответствия требования и выбора лучшего варианта использу­ют три типа моделей и соответственно три способа и средства моделирования.

1. Мысленные, или интуитивные, модели.Их реализует человек (экс­перт), который на основе имеющихся знаний и опыта проводит мысленные экспе­рименты с ТО с целью выявить его соответствие требованиям или выбрать из двух вариантов наилучший по определенному показателю качества. Например, глядя на чертежи двух различающихся по конструкции путепроводов, эксперт может ответить на вопросы: выдержат ли они задаваемую нагрузку или нет; у ка­кой конструкции меньше трудоемкость изготовления или расход бетона и т. д.

2. Математические модели.Они позволяют оценить требования и крите­рии качества с помощью расчетных формул, систем уравнений, алгоритмов и т. п. Для случая с путепроводом на основании формул и уравнений строительной ме­ханики и сопротивления материалов можно вычислить разрушающую и допусти­мую нагрузки. Используя формулы определения объемов тел, можно определить расход бетона, а с помощью специальной методики (алгоритма) — трудоемкость их строительства.

3. Физические модели.С их помощью можно оценить требования и крите­рии качества путем реализации и испытания самого ТО или его уменьшенных (иногда увеличенных) и часто упрощенных образцов. Так, построенный путепро­вод можно подвергнуть испытанию заданной нагрузкой; при строительстве мож­но провести хронометраж и точно определить трудоемкость изготовления, Еще до строительства можно изготовить (на основе критериев подобия) уменьшенную модель путепровода и также провести ее испытание в целях проверки соответст­вия требованиям.

Имеет также место комбинирование мысленных и ма­тематических моделей, когда в методике (алгоритме) расчета используют предва­рительные или последующие экспертные оценки.

Существует иерархия моделей, соответствующая иерархии списков требо­ваний. При этом для каждого ТО существует такая же иерархия моделей, в кото­рой каждая последующая модель более детально оценивает ТО и содержит все предыдущие оценки. Иерархия моделей согласуется также с иерархической по­следовательностью задач выбора проектно-конструкторских решений.

Моделирование ТО достаточно глубоко изучено. Однако отдельные места в этой области знаний разработаны слабо или вообще не затронуты. Несмотря на бурное развитие математических моделей, они пока мало используются в задачах выбора ФО, ФС, ФПД и даже ТР. Слабо исследованы пока вопросы мысленного и интуитивного моделирования, актуальность которого со временем не понижается, а способности мысленного моделирования у выпускаемых инженеров по ряду причин со временем снижаются, что также заставляет заняться исследованием этих вопросов.

Строение и развитие каждого ТО и техники в целом подчиняются опреде­ленным законам и закономерностям, которые указывают на устойчивые качест­венные и количественные причинно-следственные связи и отношения, имеющие место у класса ТО и техники в целом, а также на изменение во времени этих свя­зей и отношений. Законы и закономерности по характеру и определенности опи­сания объектов и явлений техники должны быть близки к законам и законо­мерностям, известным в биологии, физике и химии, т. е. законы техники должны формулироваться на уровне законов природы.

Закономерности строения и развития техники имеют отношения к ТО с одинаковой или близкими функциями. Законы техники имеют отношение к лю­бому ТО или ко многим классам ТО, имеющим различные (сильно отли­чающиеся) функции.

К законам и закономерностям развития техникибудем относить опреде­ленные устойчивые изменения какого-либо критерия развития (показателя качест­ва) или какого-либо количественно выражаемого конструктивного признака на протяжении многих поколений ТО. Кроме того, должны иметь место законы развития,которые для многих классов ТО с различными функциями отражают одинаковые (аналогичные) изменения в конструктивной и поисковой ФС, в физи­ческой структуре и ТР.

Относительная оценка различных способов моделированияТО

Показатели	Модели
Мысленные	Математические	Физические
Точность оценки требований	Низкая	Средняя (высокая)	Высокая
Временные затра­ты на оценку тре­бований	Малые	Средние (малые)	Большие
Стоимость оценки требования	Низкая	Средняя	Высокая
Вид задач	Выбор ФО, ФС, ФПД, ТР	Выбор ФПД, ТР, параметров	Выбор ТР, пара­метров.

Исторически с незапамятных времен человек пользовался мысленными и физическими моделями. Около 2 тыс. лет назад для оценки отдельных требований уже применяли математические модели. Начиная с XVII— XVIII веков стало бы­стро расширяться использование математических моделей в связи с бурным раз­витием математики, механики, термодинамики и других наук. Еще большие воз­можности в создании математических моделей принесли появившиеся в середине XX века быстродействующие вычислительные машины.

У математических моделей в последнее время значительно расширилась область применения. Многие ТО сейчас можно создавать уже без использования физических моделей (например, ряд строительных конструкций и сооружений, электрических машин, элементов автоматики и т. д.). Однако существует большое число ТО, для которых математические модели не вытеснили и, очевидно, Долго еще не смогут вытеснить мысленные и физические модели (например, при разра­ботке реактивных двигателей). Это объясняется двумя причинами. Во-первых, существующие возможности математических моделей пока недостаточны для описания явлений и процессов в некоторых ТО. Во-вторых, темпы развития и возрастания сложности ТО опережают возрастание возможностей мате­матических мо д ел ей _%

В настоящее время выбор того или иного типа моделей обусловливается требованиями по точности, временным затратам и стоимости моделирования. В таблице приведена приближенная относительная оценка по этим показателям разных типов моделей, где в скобках отмечены отдельные отклонения от боль­шинства случаев. В этой же таблице в нижней строке указаны задачи наиболее частого использования моделей.

В инженерной практике наряду с использованием в чистом виде указанных трех типов моделей используют также их различные комбинации.