Инженерное проектирование

Под инженерным проектированием понимается непрерыв­ный процесс, в котором научная и техническая информация используются для создания новых систем, устройств или про­цессов, приносящих обществу определенную пользу.

Задачей инженерного проектирования является разработка при некоторых ограничениях, накладываемых на решение, оптимальных конструкций объекта. На рис. 14.1 представлен перечень ограничений, который следует учитывать при окон­чательном выборе варианта нового изделия и который берется за основу разработки конструкторской документации.

Инженерную разработку следует вести в соответствии с го­сударственными стандартами (ГОСТами), которые в опреде­ленной степени являются ограничениями при разработке об­разца техники; выполнение этих требований является обяза­тельным для всех разработчиков нашей страны. Так, ГОСТ 2.103-68 устанавливает стадии разработки конструкторской документации изделий всех отраслей промышленности и эта­пы выполнения опытно-конструкторской работы (ОКР): тех­ническое предложение, эскизный проект, технический про­ект, рабочая конструкторская документация опытного образ­ца изделия, предназначенного для серийного или единичного производства. По стадиям разработки производится «раскры­тие» облика изделия, при этом творчество разработчиков наиболее полно проявляется на первых стадиях: рассматриваются концептуальные варианты решений по изделию в целом и по его составляющим — системам, блокам, агрегатам.

На последних стадиях творческий вклад разработчиков уменьшается: проводится рутинная инженерная работа по подготовке всей технической документации — по проведению испытаний, по требованиям к изготовлению опытного образца (опытной партии) на промышленном предприятии.

Порядок разработки и постановки продукции на производство определен ГОСТом

Р15.201-2000. Этот стандарт устанавливает основные положения по разработке технического задания (ТЗ), конструкторской и технологической документации, приемки результатов разработки, подготовке и освоению производства, а также по подтверждению их соответствия обязательным требованиям.

Рис.8.8

Рис.14.1. Всевозможные ограничения при проектировании

Следуя задаче инженерного проектирования – создание оптимальных конструкций изделия, - разработчик использует в своей практике накопленный опыт, свое творчество, а также математические методы. Для этого процесса характерно установление соотношения между физическими и геометрическими параметрами и характеристиками проектируемого объекта.

В настоящее время для решения оптимизационных задач используют методы, которые достаточно широко освещены в отечественной и зарубежной литературе, в частности ме­тод оптимизации, который, по нашему мнению, наиболее подходит для решения задачи выбора оптимальных значений параметров конструкции изделия – это метод геометриче­ского программирования, разработанный К. Зенером и Даффиным.

Этот метод наиболее пригоден, когда критерии оптималь­ности и ограничения представлены в виде аддитивной функ­ции из элементов системы. Последние, имея положительное значение, в геометрическом программировании названы позиномами. Метод относится к классу задач нелинейного про­граммирования, в которых позиномы (критерии оптималь­ности и ограничения), представляющие собой составляющие элементы суммы, имеют вид произведения степенных функ­ций от независимых переменных. При этом необходимо иметь в виду, что показатели степени, которые для полиномов должны быть положительными целыми, для позиномов мо­гут быть любыми вещественными числами.

Позиномы (критерии оптимальности и ограничения) име­ют вид

(14.1.)

в этой формуле C_i – положительные константы (коэффициенты позинома), a_ij – произвольные вещественные числа, x_i – независимые переменные (принимаются только положительные значения), m – количество всех одночленов в позиноме (с учетом ограничений).

В общем случае задача геометрического программирования заключается в минимизации позинома g₀(x) — целевой функ­ции при наличии ограничений:

g_k(x)≤ 1, k=1, …, p,

здесь k — количество одночленов в позиноме ограничений.

В основе метода геометрического программирования лежит использование свойств неравенств, согласно которому среднее геометрическое неотрицательных чисел не превышает их среднего арифметического.

Для характеристики задач геометрического программирования используется понятие степени трудности s, определяе­мой выражением

s = m - n' - 1,

в котором m — общее число одночленов в минимизируемом позиноме и ограничениях, a n' - число независимых пере­менных.

Для ракетно-космических систем при разработке конструк­ции изделий критерием оптимальности должна быть масса аппарата, которая минимизируется. Масса аппарата представляет собой сумму масс элементов изделия (блоков, агрегатов).

В свою очередь, масса каждого элемента представляется сте­пенной функцией параметров изделия, т. е. его составных час­тей.

По методу оптимизации может быть получено достаточно большое количество значений критерия оптимальности при изменении параметров изделия.

Полученные оптимальные значения могут служить исходной информацией при выборе вариантов конструкции изделия с учетов ограничений на его реализацию, которые не имеют формализованного выражения и которые принимаются во внимание руководителями разработки изделия и его составных частей.

Формализованные и неформализованные подходы в про­цессе проектирования, научные и творческие методы принятия решений в совокупности определяют рациональное построение конструкции изделия, решают задачу инженерного (технического) проектирования.