Проектные решения, связанные с генерированием новых технических решений

СНИЖЕНИЕ РИСКОВ И ЛИКВИДАЦИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

УДК 621.182.8: 539:620.179.16

ПРОЕКТНЫЕ РЕШЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ГЕНЕРИРОВАНИЕМ НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Г.В. Зибров, В.Н. Старов, Е.В. Смоленцев, А.В. Попов

Предложены принципы формирования вариантов проектных решений и показан пример выбора оптимальных решений, обеспечивающих генерирование новых технических идей.

Ключевые слова: проектные решения, новое техническое решение, многокритериальная оценка альтернатив, технологическая наследственность объекта, комбинированные методы обработки, акустико-эмиссионные критерии разрушения.

Новый мир требует новых решений всех вопросов, включая формирование вариантов проектных решений, не имеющих аналогов. При их реализации используют разные принципы. Так, при отсутствии готовых проектных решений используют направление проектирования, известное как синтез технологий. Это наименее формализованный элемент процесса проектирования, который трудно поддается автоматизации с помощью ПЭВК. В этом случае основная доля проектных работ выполняется проектировщиком и существенно зависит от его опыта, уровня теоретической подготовки, профессионального кругозора, владения эвристическими методиками и приемами и т.п.

Зибров Геннадий Васильевич, д-р пед. наук, проф., Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж);

Россия, г. Воронеж;

Старов Виталий Николаевич, д-р техн. наук, проф., Воронежский институт ГПС МЧС России;

Россия, г. Воронеж; e-mail: vigps_onirio@mail.ru

Смоленцев Евгений Владиславович, д-р техн. наук, проф., Воронежский государственный технический университет; Россия, г. Воронеж;

Попов Алексей Владимирович, д-р техн. наук, доц., Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж);

Россия, г. Воронеж

© Зибров Г.В., Старов В.Н., Смоленцев Е.В., Попов А. В., 2014

Общепризнано, что благодаря эффектам взаимовлияния парциальных процессов при реализации новых процессов формируется особый физико-химический механизм воздействия на объект обработки, отличающийся от механизмов составляющих парциальных воздействий. Это позволяет получить новые высокие технические и технологические результаты, в том числе при применении в механообработке комбинированных методов обработки (КМО) [1]. Другое важное и эффективное направление связано с учетом технологической наследственности объекта [2], включая предысторию проектирования, создания, производства и эксплуатации и другие этапы.

Особое место в ряду новых технологий занимает применение неразрушающих методов диагностики с использованием акустико-эмиссионных критериев разрушения на основе инвариантов (АЭКИ), которые оценивают прочностные характеристики конструкций и систем с учётом степени опасности дефектов вне зависимости от их формы, размеров и предыстории эксплуатации [3-6].

Исследуем некоторые особенности этих методов, которые породили такие высокие новые результаты и придали новый импульс технологическим процессам на их основе.

Одним из направлений развития комбинированных методов размерной обработки является интенсификация процесса разрушения материала путем реализации в рабочей зоне процессов иной природы. При этом считается [4], что проблема интенсификации отдельных методов размерной обработки решается тремя путями:

- введением в рабочую зону дополнительных энергетических потоков и создание в ней взаимодействия различных физических полей;

- структурной оптимизацией КМО;

- параметрической оптимизацией парциальных процессов.

Первый из указанных путей является наиболее эффективным и перспективным, так как он позволяет находить и использовать новые физикотехнологические эффекты и разрабатывать нетрадиционные технологии на их основе.

Так сложилось в мировой науке, что наибольшее развитие в теоретическом отношении получили работы, связанные с интенсификацией процесса резания как базового в формообразовании. Принято, что задача интенсификации в этом случае может быть сформулирована как процедура улучшения показателя обрабатываемости ПОБ, определяемого набором технологических параметров вида:

ж V

Ху2

П О. = А К, и

КИМ КУД в

где Рху2 - вектор силовых воздействий процесса резания, Н; W - удельная энергоемкость процесса, Дж/м ; V - скорость формообразования, м/с; Д - показатель точности обработки детали, мкм; Я, - показатели топологии генерируемой поверхности, мкм; и - скорость износа инструмента, мкм/с; Ким - коэффициент, учитывающий физико-химическое взаимодействие инструмента и обрабатываемого материала; Куд - коэффициент, характеризующий особенности и условия протекания процесса (например, применение технологической среды и удаления шлама); в - установившаяся температура в зоне обработки, °С.

Нередко сравнение методов обработки по приведенному выше показателю осуществляется дифференциальным методом с использованием весовых коэффициентов.

Отметим, что направление проектирования технологических объектов, связанное с генерированием новых не имеющих аналогов технических решений, т.е. новое техническое решение (НТР), имеет присущие ему свойства, в первую очередь, такие.

- Новое техническое решение отражает достигнутый на момент проектирования технологий наивысший уровень знаний в данной предметной области, включая фундаментальные знания, ориентированные на новый качественный уровень технологий.

- Новое техническое решение должно обеспечивать заданное функциональное преобразование объекта производства безотносительно к эффективности этого преобразования. Такому уровню отвечает управление технологической наследственностью объекта на этапах его жизненного цик-

ла. Поэтому на данном этапе формируют множество принципиально возможных технологий, а задачу выбора наилучшего варианта осуществляют на последующих этапах, начиная с совершенствования проектирования.

- Новое техническое решение наряду с эволюционным совершенствованием существующих технологий может привести к скачкообразному повышению уровня достигаемого с их применением качества. Например, применение излучения оптического квантового генератора резко продвинуло вперед технологии неразрушающего контроля и дефектоскопии.

- Создаваемые посредством новых технологий объекты обладают особой структурой, т.е. они имеют иное, чем традиционное, внутриустройство. У этих технологических объектов также иная иерархичность; этим технологиям присуща многомерность описания.

Поскольку технологические объекты обладают иной структурой, сформированной на основе особых ресурсов - элементов, их свойств и отношений, то процесс проектирования во многих случаях целесообразно разделять на два этапа. Один из них связан со структурным проектированием, а второй -с нахождением параметров элементов структуры, т.е. состоянием внутренних параметров.

Отметим также то, что при поиске технологического маршрута процесса определяют перечень операций и правила их упорядочивания, отношения между ними. При проектировании операций находят перечень и взаимосвязи технологических модулей. Это задачи структурного проектирования. Определение параметров операций в первом случае и переходов во втором - это задачи параметрического проектирования. Выделение перечисленных этапов упрощает синтез технологий и облегчает решение задач оптимизации проектных решений.

Иерархичность технологических объектов обусловливает иерархичность задач синтеза. Укажем следующую закономерность: чем выше уровень проектирования, тем меньше множество вариантов решения, и тем выше влияние качества решения на конечный результат.

Многомерность описания технологии выражается в разработке методик и относительно независимом подходе к решению перечисленных ниже задач синтеза.

Первое - это синтез методов обработки (СМОБ), который заключается в нахождении такой совокупности процессов физической, химической или иной природы, совместное протекание которых обеспечивает заданное изменение состояния объекта технологического воздействия.

В основе СМОБ лежит некоторый физико-(или химико-) технический эффект (т.е. ФТЭ или ХТЭ), описывающий результат протекания соответствующих процессов. Отметим, что понятия методы обработки (МОБ) и ФТЭ часто выступают в качестве синонимов, хотя первое из них, как прави-

ло, в большей степени объектно-ориентировано. При разработке методов обработки пользуют банк ФТЭ и ХТЭ, реализуя процедуру выбора готового решения.

Для синтеза МОБ предложены методики и алгоритмы, базирующиеся на комбинаторике физически и химически совместимых между собой процессов. Они имеют такие особенности.

- Синтез способов обработки (СОБ), основанных на данном МОБ, заключается в нахождении такой совокупности приемов, правил, ограничений, которая делает возможным достижение технологического результата или повышает эффективность последнего. Для идентификации СОБ как отдельного элемента соответствующего множества часто используют понятие отличительного признака, характеризующего индивидуальность структуры способов обработки, а именно: перечень приемов, отношений, свойств и т.д.

- Синтез МОБ и СОБ, тесно связан с патентно-правовой защитой новых инженерных решений, что является важным аспектом технической политики нашего государства, т. к. изобретательская деятельность сыграла важную роль в разработке эффективных методик и алгоритмов поиска НТР.

- Синтез технологий, являющийся целенаправленной совокупностью синтезов способов обработки, новой диагностики, а в итоге - получения требуемого качества изделия.

- Синтез средств технологического оснащения представляет собой проектную задачу создания технических объектов (конструкций), которая несколько отличается от задач технологического проектирования. Однако в исходных данных формируемых технологами, уже используются результаты проектирования, направленного на решения разнообразных технологических задач.

Во всех случаях поиск НТР рассмотренных задачах синтеза и их модификациях подчиняется следующей общей последовательность (методике):

- первоначально выделяются элементы структуры объекта, их свойства и отношения;

- затем обосновывается, выбирается и строится модель. Чаще всего это математическая модель объекта, например, с использованием аппарата теории множеств или математической логики. Хотя на ранних стадиях разработки модель из-за трудностей формализации проектной задачи может носить также описательный характер;

- далее формируется множество возможных вариантов объектов (структур) проектирования, то есть таких сочетаний элементов, их свойств и отношений, которые обеспечивают функцию объекта и удовлетворяют наложенным условиям и ограничениям.

На первый взгляд, описанная методика не вызывает особых затруднений, и она может быть формализована и выполнена с помощью ПЭВК. Однако, при достаточно большом числе элементов с учетом их сложности, например, конструкции

силовых агрегатов авиационных или ракетных двигателей, количество возможных комбинаций столь велико, что путь перебора окажется бесперспективным даже при использовании совершенных ЭВМ.

Кроме того, до сих пор не решены или решены не полностью задачи формализации комплекса условий, правил и ограничений, регламентирующих подготовку производства и технологию производства изделия.

Из сказанного следует, что есть необходимость привлечения более рациональных стратегий поиска новых решений. Такие стратегии, как правило, основываются на эвристических приемах (ЭП). Для того чтобы механизм реализации, например, физических воздействий был эффективен, требуется, чтобы после синтеза технических решений и дальнейших процедур была проведена последующая оптимизация.

Отметим, что на рассматриваемых этапах работы возникает проблема принятия решения, которая заключается в комбинировании формализованных и неформализованных процедур. При этом формальными приемами получают информацию, позволяющую некоторому лицу (или коллективному органу) принимать обоснованное решение. Можно также утверждать, что существует принципиальная неформализуемость некоторых проектных действий.

По мнению некоторых исследователей, процесс проектирования сложных технических систем, таких как создание силовых агрегатов, летательных аппаратов, энергетических реакторов, специальных конструкций судов и подводных лодок и т.п., никогда не сможет быть до конца формализован.

Работы, которые выполняются на указанном этапе, во многом имеют субъективный фактор в виде лица, принимающего решение (ЛПР) и лиц, ему помогающих (эксперты, консультанты). Назначение последних - структуризация тех либо иных аспектов проектного решения, создание качественных и количественных оценок, предпочтений в условиях недостаточной исходной информации. Экспертным методом получают прогнозы развития различных ситуаций, оценивают перспективность новых образцов техники и новых технологий.

Уточним понятие неопределенности при принятии решения. Заметим, что в задачах технологического проектирования встречаются неопределенности двух типов: неопределенности целей и условий.

Пусть сформировано множество вариантов решения Е, и каждому варианту Е^ принадлежащему Е, соответствует некоторый результат еР Этот результат характеризует полезность, эффективность решения.

Если существует функциональная зависимость вида е= Л (х) , где х - вектор, определяющий способ действий, идентифицирующий решение, то функцию Л (х) называют функцией полезности, или

целевой функцией. Неопределенность условий заставляет принимать решения, когда целевые функции содержат неопределенный параметр а, т. е., заданы не совсем точно.

В зависимости от конкретных значений этого параметра для каждого варианта решения можно получить соответствующие результаты е= Л (х, а) представленные в виде матрицы решения, Табл. 1.

Таблица 1.

Матрицы решения

аі а2 а3 а1 ап

Еі Є11 е12 е13 Єі, Є1п

Е2 Е21 е22 е23 Є2, Е2п

Ет ет1 Ет2 ет3 Єті Єтпі

Неопределенность условий часто связана со случайным характером тех или иных событий, характеризующих проведение операций, и тогда неопределенный параметр а целевой функции можно интерпретировать как вероятность наступления этих событий.

Иногда трудно предугадать характер влияния внешних условий на конечный результат, и приходится просчитывать результаты решений при нескольких фиксированных значениях этих условий.

Некоторая неопределенность целей в технологическом проектировании и производстве связана с неоднозначностью результата решения. Это выражается в том, что каждому решению ставится в соответствие не один е,, а несколько результатов е^, влияющих на выбор решения и выражающих оценку локальных целей 2к. к = 1, 2, ... , К.

Эффективность используемой технологии оценивается набором единичных показателей, формирующих соответствующий вектор показателя качества. Естественно, возникает стремление разработчика представить результат проектирования таким вектором. Наличие векторного показателя эффективности технологии относит нашу задачу выбора проектного и технологического решения к классу задач многокритериальной оценки альтернатив.

В теории рассматриваются некоторые наиболее употребительные способы решения таких задач [4], которые можно свести к следующему.

Прямой метод. Он основанн на скалярной свертке векторного показателя эффективности, то есть на задании функциональной зависимости между некоторым обобщенным критерием эффективности и единичными показателями с учетом важности (весомости) последних. Такая зависимость директивно задается ЛПР или экспертом без какого-либо теоретического обоснования и отражает их прошлый опыт в принятии подобных решений. Отсюда следует возможность разработки большого числа способов. Для этого лишь необходимо однозначно определить вид функциональной зависимо-

сти, ее параметры и вероятностные оценки ее составляющих при принятии решения в условиях неопределенности.

При технологическом проектировании используют также разновидности обсуждаемого метода, такие как:

Аддитивная свертка векторного показателя, которая основана на замене К единичных показателей одним критерием вида

К К

= 1 С,е, Iс, = і,

,=1 ,=і

где С] - весомость j-го показателя эффективности.

При этом ранжирование показателей по значимости и назначению весовых коэффициентов производят эксперты. Выполняя скалярную свертку, необходимо помнить о том, что эти показатели могут оцениваться величинами разного порядка и иметь различную размерность. Это затруднение устраняют путем использования в формуле (2) относительных частных показателей (по отношению к базовым значениям, устанавливаемым для каждого показателя экспертами).

- Выделение главного критерия является простейшим приемом скалярной свертки для преодоления неопределенности целей. Он заключается в ранжировании К единичных показателей по значимости и выделении главного показателя гя, который вносит наибольший вклад в достижение цели. Остальные показатели представляют в виде ограничений. Задача выбора формулируется, например, так

ео = тах ,еу; еч >1^.1

i =1,...т; j =1, ...п; j ^; где [^] - допустимые значения j-го показателя эффективности.

- Введение нормативов и оценка отклонений от них. Пусть имеется система нормативных значений показателей е, заданных ЛПР. Тогда свертку производят по формуле:

>2

еС =

I

і=і

е

н

V У

Таким образом, получают скалярный критерий для каждого варианта решения. Дальнейший выбор наилучшего варианта по этому критерию не представляет затруднений.

Укажем, что, несмотря на внешнюю простоту, все модификации прямого метода оценки альтернатив страдают общими недостатками, вытекающими из доминирующего характера субъективного фактора.

Метод порогов несравнимости. Он основан на идее сужения множества альтернатив и базируется на отношениях предпочтения, эквивалентности и несравнимости при оценке альтернатив. Все показатели эффективности разбивают на группы.

Внутри группы ухудшение одного показателя можно компенсировать улучшением другого. Показатели, относящиеся к разным группам, сравнению не подлежат. Сужение множества возможных решений осуществляется попарным сравнением альтернатив. Если альтернатива А по каждой группе показателей имеет оценки не хуже чем В, а хотя бы по одной группе эти оценки лучше, то говорят, что А предпочтительнее В или А доминирует над В.

Если оценки этих альтернатив по всем группам показателей совпадают, то альтернативы эквивалентны. Если же А превосходит В по одним группам критериев, но уступает В по другим, то альтернативы признаются несравнимыми. Используя условие предпочтения, можно выделить в множестве Е всех альтернатив подмножество Еп состоящее из эквивалентных и несравнимых альтернатив, называемое ядром множества Е или множеством Парето. Принцип Парето не выделяет единственное решение: он позволяет лишь сузить круг альтернатив, из которых надлежит сделать выбор. Однако, его использование дает возможность в ряде случаев многократно облегчить задачу.

3. Метод компенсаций. Он основан на следующем компромиссе: допуская ухудшение решения по одному показателю, стремятся компенсировать потерю изменением другого. Так, например, показатели е1,е2, ... , екранжируют по значимости и находят вариант решения, соответствующий экстремальному значению показателя е1, при произвольных значениях других показателей. Если такое решение найдено (е1 = е1* ), то ищут решение, доставляющее экстремум показателю е2 при произвольных е3,е4, ., ек и е1 = е1* - Ле1, где Ле1 - допустимое ухудшение первого показателя.

Далее ситуация повторяется (назначая Ле2, необходимо помнить об ограничении Ле1). Продолжая такие шаги, получают компромиссный вариант, выявляя попутно взаимосвязи показателей и иную информацию, необходимую ЛПР.

Таковы особенности поиска эффективных технологий и оценки их применения посредством единичных показателей, формирующих соответствующий вектор показателя качества, наличие которого относит нашу задачу выбора проектного и технологического решения к классу задач многокритериальной оценки альтернатив.

Выводы. На основании проведенного исследования можно утверждать, что существующие механизмы реализации воздействий на создаваемый объект сложны и не поддаются простой формализации. Проведение синтеза и оптимизации качественно новых технических решений существуют пока только в виде общих рекомендаций и принципов. Они не обеспечивают проектировщикам однозначный выбор прогрессивных технологий и инструмента управления формированием сочетаний всевозможных воздействий для достижения предельных технологических показателей.

Мы указали особенности применения лишь некоторых путей, а именно: применение комбинированных методов обработки, с учетом предыстории проектирования и обеспечением заданных качественных показателей создаваемых деталей и узлов; выбора оптимальных технологий подготовительных производств, а на их основе технологий создания последующей эксплуатации объекта с учетом факторов технологической наследственности, а также применение неразрушающих методов диагностики с использованием акустикоэмиссионных критериев разрушения на основе инвариантов, которые оценивают прочностные характеристики конструкций и систем с учётом степени опасности дефектов вне зависимости от их формы, размеров и предыстории эксплуатации на этапах жизненного цикла изделий. Предложенный системный подход открывает пути к применению новых технологий в отечественном специальном машиностроении и выводит его на качественно новый уровень.

Библиографический список

1. Смоленцев, Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки / Е.В. Смоленцев. - М.: Машиностроение, 2005 - 511 с.

2. Старов, В.Н. Моделирование процессов изменения работоспособности оборудования с учетом технологической наследственности / В.Н. Старов, М.Н. Краснова. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. - 140 с.

3. Попов, А.В. Метод функциональных инвариантов в задачах оценки прочности на основе акустической эмиссии / А.В. Попов // Дефектоскопия. - 2008. - № 2. - С. 23-27.

4. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей / под ред. Б.П. Саушкина. - М.: Дрофа, 2002. - 656 с.

5. Михайлов, А.Н. Основы синтеза функциональноориентированных технологий машиностроения / А.Н. Михайлов. - Донецк: ДонНТУ, 2009. - 346 с.

6. Попов, А.В. Методы определения эксплуатационной пригодности силовых элементов конструкций вооружения и во-

References

1. Smolentsev, E.V. Proektirovanie elektricheskih i kombinirovannyih metodov obrabotki / E.V. Smolentsev. - M.: Mashinostroenie, 2005 - 511 s.

2. Starov, V.N. Modelirovanie protsessov izmeneniya rabotosposobnosti oborudovaniya s uchetom tehnologicheskoy nasledstvennosti / V.N. Starov, M.N. Krasnova. - Voronezh: GOUVPO «Voronezhskiy gosudarstvennyiy tehnicheskiy universitet», 2010. - 140 s.

3. Popov, A.V. Metod funktsionalnyih invariantov v zadachah otsenki prochnosti na osnove akusticheskoy emissii / A.V. Popov // Defektoskopiya. - 2008. - № 2. - S. 23-27.

4. Fiziko-himicheskie metodyi obrabotki v proizvodstve gazoturbinnyih dvigateley / pod red. B.P. Saushkina. - M.: Drofa, 2002. - 656 s.

5. Mihaylov, A.N. Osnovyi sinteza funktsionalno-orientirovannyih tehnologiy mashinostroeniya / A.N. Mihaylov. -Donetsk: DonNTU, 2009. - 346 s.

6. Popov, A.V. Metodyi opredeleniya ekspluatatsionnoy prigodnosti silovyih elementov konstruktsiy vooruzheniya i voennoy

енной техники на основе инвариантов акустико-эмиссионных tehniki na osnove invariantov akustiko-emissionnyih protsessov I A.V. нроцессов / А.В. Понов, В.Н. Старов, Д.Е. Барабаш, С.Ю. Жачкин Popov, V.N. Starov, D.E. Barabash, S.Yu. Zhachkin II Vestnik VAIU.

// Вестник ВАИУ. - № 1 (15). - 2012. - С 28-3б. - № 1 (15). - 2012. - S 28-3б.

THE DESIGN DECISIONS ASSOCIATED WITH GENERATING NEW TECHNICAL SOLUTIONS

Zibrov G. V.,

D. Sc. in Pedagogics, Prof.

Military Educational and Scientific Center of the Air Force «Air Force Academy named after Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin» (Voronezh);

Russia, Voronezh Starov V. N.,

D. Sc. in Engineering, Prof.

Voronezh Institute of State Fire Service of EMERCOM of Russia;

Russia, Voronezh;

e-mail: vigps_onirio@mail.ru

Smolencev E. V.,

D. Sc. in Engineering, Prof.

Voronezh State Technical University;

Russia, Voronezh Popov A. V.,

D. Sc. in Engineering, Assoc. Prof.,

Military Educational and Scientific Center of the Air Force «Air Force Academy named after Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin» (Voronezh);

Russia, Voronezh

Proposed principles of design alternatives and shows an example of selection of optimal solutions that ensure the generation of new technological ideas.

Keywords: design solutions, a new technical solution, mnogokriterial-sexual evaluation of alternatives, technological heredity object, combined rowanne processing methods, acoustic emission criteria destruction.