39470

МОРФОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ: АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В дополнение выбирают критерий качества с помощью которого из двух или нескольких допустимых вариантов технического решения выбирают наилучший. Рассмотрим далее как производят выявление эффективных комбинаций альтернативных вариантов принадлежащих одному столбцу. В каждом столбце путем объединения двух и более альтернативных вариантов выявляют эффективную взаимоусиливающую комбинацию со следующим свойством: она в значительно большей мере устраняет какойлибо недостаток недостатки или улучшает критерий качества чем отдельные...

Русский

2013-10-04

69.5 KB

19 чел.

МОРФОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ: АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Творческие решения в любой сфере деятельности человека часто находятся путем создания новых комбинаций вещей, процессов или идей. Отсюда следует, что систематическое исследование новых комбинаций может оказаться полезным средством, способствующим проектированию сложных технических объектов. Этот процесс называется морфологическим анализом.

Морфологическое проектирование — это создание материальной формы вещи в соответствии с ее функциями.

Функция, воплощаясь в материальной форме, придает ей специфическую организацию — структурность. Каждая деталь формы оказывается структурно связанной с другими деталями внутри целого. Различают два типа морфологической структуры: пространственная и функционально-техническая.

Пространственная структура задает направление и тему морфологического проектирования. Основные ее элементы — фигура, величина, положение, порядок. Функционально-техническая структура отражает многообразие свойств, связанных с материалом объекта и его физическими свойствами, — это жесткость, упругость, трансформируемость, статичность и т.д. Все эти структурные свойства технической формы обусловливают технические функции и технические эффекты.

По существу названный метод состоит в том, что в задаче проектирования выделяются два или большее число важнейших направлений в зависимости от числа требуемых функций разрабатываемой системы или объекта. Затем по каждому из функциональных направлений производится генерирование идей и составляется как можно больший перечень способов. Для каждого функционального направления выбирают альтернативные варианты, т.е. возможные способы его исполнения или реализации. Комбинируя их между собой, можно получить множество различных решений, в том числе представляющих практический интерес. Наконец, эти перечни сводятся в таблицу, с тем, чтобы можно было видеть каждую комбинацию.

Ниже рассмотрено использование морфологического подхода к поиску улучшенных технических решений для ТО. Однако не представляет особых затруднений использование изложенного метода и для поиска улучшенных технологических процессов или материалов (веществ). В связи с этим даны рекомендации по построению исходной функциональной структуры.

Постановка задачи поиска улучшенного технического решения с помощью морфологического метода выполняется в соответствии с анализом технического объекта.. В дополнение выбирают критерий качества, с помощью которого из двух или нескольких допустимых вариантов технического решения выбирают наилучший. Допустимыми называют такие варианты решений, которые удовлетворяют основным требованиям.

За критерий качества обычно принимают какой-либо критерий развития  или другие наиболее важные показатели. Следует иметь в виду, что число элементов, на которые разделяют объект, должно быть не менее трех, но не более десяти. В результате для каждого прототипа получают одну или несколько функциональных структур (ФС). При этом можно использовать и составлять самим каталог ФС для интересующего класса ТО. Построение конструктивной ФС прототипа выполняется после конструктивно-функционального анализа.

Достоинство морфологического метода заключается в том, что он позволяет любой элемент в ФС рассмотреть как отдельный технический объект (ТО), т.е. разделить его на функциональные элементы и построить для него ФС. Обычно это делают в тех случаях, когда наряду с улучшением ТО в целом специально рассматривают задачу улучшения какого-либо элемента. При этом появляются дополнительные конструктивные ФС для последующего рассмотрения.

При построении ФС рекомендуется использовать закон соответствия между функцией и структурой и относящиеся к нему закономерности.

Составление морфологических таблиц

Заготовка формуляра таблицы. Морфологическую таблицу строят на основе конструктивной функциональной структуры. Она состоит из нескольких столбцов, число которых обычно равно числу функциональных элементов. Заглавиями столбцов являются описания функций элементов.

При заготовке формуляра таблицы иногда удобнее в заглавиях столбцов наряду с обозначениями функций давать их описания.

В формуляре морфологической таблицы функции Фi лучше располагать в таком порядке, чтобы наиболее конструктивно связанные элементы Ei находились по возможности в соседних столбцах.

В процессе подготовки формуляра оценивают возможность и целесообразность заполнения альтернативными вариантами каждого столбца. Это связано с тем, что часто встречаются случаи, когда в ФС прототипа некоторые функциональные элементы или нельзя заменять альтернативными, или не имеет смысла их изменять. Для таких элементов (функций) в морфологической таблице не предусматривают отдельных столбцов.

Таблицу иногда целесообразно строить не на основе функциональной структуры конкретного прототипа, а на основе обобщения ряда прототипов, выделяя в них характерные функциональные элементы и формулируя для них обобщенные функции, которые становятся заглавиями столбцов морфологической таблицы.

Заполнение морфологической таблицы. Альтернативные варианты исполнения или реализации функций в столбце будем обозначать через Aki, где i — порядковый номер столбца-функции (I = 1, 2, ...); k — порядковый номер альтернативного варианта в i-м столбце (k = 1, 2, ...).

В морфологическую таблицу сначала вносят элементы прототипа. Затем записывают возможные наиболее интересные и эффективные варианты. При этом могут быть использованы:

  •  собственные знания и результаты опроса специалистов;
  •   справочники и энциклопедии;
  •   словари технических функций;
  •   международный классификатор изобретений и патентные описания по интересующим рубрикам;
  •   каталоги выставок для поиска технических решений элементов, соответствующих уровню лучших мировых образцов.

При заполнении столбцов альтернативными вариантами рекомендуется использовать методы мозговой атаки и метод эвристических приемов. В последнем случае для каждого элемента ищут улучшенные варианты его модификаций.

З а м е ч а н и е. Некоторые элементы в прототипе могут иметь несколько реализуемых функций . Для этих полифункциональных элементов при заполнении столбцов таблицы может оказаться затруднительным подбирать альтернативные варианты. В таких случаях вместо одного столбца (элемента) можно ввести два и более столбцов с альтернативными элементами, выполняющими меньшее число функций.

Рассмотрим далее, как производят выявление эффективных комбинаций альтернативных вариантов, принадлежащих одному столбцу.

В каждом столбце путем объединения двух и более альтернативных вариантов выявляют эффективную (взаимоусиливающую) комбинацию со следующим свойством: она в значительно большей мере устраняет какой-либо недостаток (недостатки) или улучшает критерий качества, чем отдельные альтернативные варианты.

Такие эффективные комбинации записывают в столбец в качестве дополнительных альтернативных вариантов. Если описания альтернативных вариантов в морфологической таблице недостаточно ясны, то для них выполняются графические эскизы или даются дополнительные комментарии на отдельном листе.

Выбор наиболее эффективных технических решений

Определение числа возможных ТР. Выбрать из морфологической таблицы наиболее приемлемые или эффективные комбинации ТР нелегко из-за большого числа комбинаций. Поэтому сначала оценивают число возможных вариантов ТР, которые можно получить (синтезировать) на основе морфологической таблицы:

..N=n1n2….nm, (1)

где n— число альтернативных вариантов в столбце; m— число столбцов.

Сокращение числа альтернативных вариантов в столбцах и числа столбцов. Наиболее эффективные ТР из множества всех вариантов можно выбрать путем последовательного сокращения этого множества за счет отбрасывания наименее эффективных и наименее перспективных ТР. Первое сокращение проводят для выполнения неравенства N < No6, где N вычисляется по формуле (1); No6 — некоторое обозримое число возможных вариантов ТР. Для относительно простых технических объектов, для которых сравнение двух любых вариантов ТР занимает в среднем не более 10с, можно принять No6 = 10 000. Для сложных объектов Nоб = 1000. Если по формуле (1) получают N> Nоб, то в каждом столбце проводят сравнительный анализ альтернативных вариантов для выявления среди них наилучших и наихудших по степени удовлетворения основным требованиям, по степени снижения недостатков прототипа и улучшения его критериев качества. Отбрасывая наихудшие альтернативные варианты в каждом столбце, можно добиться N < Nofi. Другой путь уменьшения числа N заключается в сокращении числа столбцов в морфологической таблице. При этом среди всех столбцов (функциональных элементов) выделяют главные, или основные, которые решающим образом влияют на эффективность и качество изделия, а также самые второстепенные и малозначащие функциональные узлы, которые можно исключать.

Сокращение множества возможных вариантов ТР путем исключения наихудших комбинаций элементов. В морфологической таблице, имеющей N < Nоб, можно последовательно по разным правилам синтезировать (составлять) варианты ТР и сравнивать их между собой для выбора наилучших. Однако такой способ, несмотря на его простоту, является весьма трудоемким. Поэтому здесь предлагается более экономная процедура сокращения числа вариантов.

При выполнении этой процедуры образуют различные альтернативные комбинации из нескольких элементов и исключают из них наихудшие, к которым относятся нереализуемые или несовместимые комбинации, трудно реализуемые и наиболее дорогие по затратам, а также комбинации, в наименьшей мере устраняющие недостатки прототипа или улучшающие критерий качества и т.п. Опишем эту процедуру, используя абстрактный пример (таблица1).

Таблица 16

Абстрактная морфологическая таблица

Ф1

Ф2

Ф3

Ф4

Ф5

А11

А12

А13

А14

А15

А21

А22

А23

А25

А31

А32

А33

А41

А34

А35

1 . В исходной морфологической табл. 1  выбираем два столбца, имеющие наименьшее число альтернативных вариантов, и образуем из их элементов все возможные парные комбинации (табл. 2). Пусть в нашем абстрактном примере обе комбинации допустимые и равноценные, потому ни одну из них не относим к наихудшим и не исключаем.

Таблица 2

Комбинация из двух элементов

А15

А25

А14

А14 А15

А14А25

2. Выбираем из таблицы 1 следующий столбец с наименьшим числом альтернатив — столбец Ф2.

С помощью вариантов этого столбца и допустимых комбинаций из таблицы .2 образуем все возможные комбинации из трех элементов (таблица. 3). Сравнительный анализ этих комбинаций позволил три из них отнести к наихудшим и исключить. Аналогично, образуем таблицы вариантов остальных столбцов, имеющих наибольшее число альтернатив.

В последней таблице (после исключения наихудших) остается множество допустимых вариантов  технических решений (ТР). Если допустимых вариантов окажется довольно много, то проводят сокращение по дополнительным наиболее важным показателям (надежность, расход энергии или дефицитных материалов, трудоемкость и т.д.).

Выбор наиболее эффективных вариантов ТР. Множество допустимых вариантов ТР, полученных после сокращения путем исключения наихудших комбинаций элементов, упорядочивают по критерию качества от лучших к худшим. При равных или близких значениях критерия качества в упорядочиваемых вариантах учитывают степень устранения недостатков в прототипе. После упорядочивания выбирают 3-5 наиболее эффективных вариантов ТР для дальнейшей проработки.

Если упорядочение и выбор наиболее эффективных вариантов ТР вызывает затруднения, то рекомендуется воспользоваться таблицей сравнения вариантов, в которой дается обзорная сравнительная расчетно-экспертная оценка вариантов. Фрагмент такой сравнительной оценки для одного аппарата приведен в таблице 4.

Таблица 4

Сравнительная оценка вариантов

Показатели сравнения 

Варианты ТР 

Si 

S2 

S3 

Затраты меди, кг 

26,2 

21,5 

34,0 

Трудоемкость сборки 

Высокая 

Средняя 

Низкая 

кпд 

0,89 

0,92 

0,94 

Внешний вид 

Некрасивый 

Красивый 

Удовлетворительны и 

Оформление предварительных эскизов ТР и их описание. Для выбранных вариантов дают краткое описание с приведением схем и эскизов, как это принято в патентах.

После составления предварительных эскизов проводят более детальную конструкторскую проработку найденных ТР с учетом дополнительного списка требований (надежность работы, удобство обслуживания, трудоемкость изготовления, расход энергии и дефицитных материалов, общая стоимость и т.д.). При этом отдельные наиболее важные и сложные элементы могут быть рассмотрены и проработаны по данной методике в соответствии с рекомендациями, приведенными выше.

З а м е ч а н и е 1. Для полифункциональных элементов морфологической табл. 1 иногда целесообразно составлять отдельно наборы альтернативных средств реализации каждой функции или меньшего числа функций. После этого для получения более эффективных вариантов ТР нужно попробовать заменить полифункциональные элементы на элементы, реализующие отдельные функции или меньшее число функций.

З а м е ч ан ие 2. При решении задач методом морфологического анализа и синтеза часто имеет смысл использовать только готовые элементы. В этих случаях морфологическая таблица заполняется

наименованиями только стандартных, унифицированных и серийно производимых элементов, для которых известны такие показатели, как стоимость, масса и т.д. Синтезируемые в этой таблице допустимые варианты, как правило, легко и быстро изготовляются и осваиваются на практике. Наилучший вариант легко выбирать по суммарным показателям стоимости, массы и т.п.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74564. Нелінійні оптимізаційні моделі економічних систем 910 KB
  Основні труднощі розвязування задач нелінійного програмування. Раніше було розглянуто методи розвязування задач лінійного програмування. Галузі обєднання та окремі підприємства народного господарства функціонують і розвиваються за умов невизначеності а тому адекватно їх можна описати нелінійними стохастичними динамічними моделями. Зауважимо що сучасний рівень розвитку компютерної техніки і методів математичного моделювання створює передумови для застосування нелінійних методів а це може суттєво підвищити якість розроблюваних планів...
74565. Квадратичне програмування 597.5 KB
  Метод розвязування задач квадратичного програмування. Система має ненульовий розвязок якщо. Метод розвязування задач квадратичного програмування Зазначимо що відомим з теорії аналізу функцій є таке твердження: відємно означена квадратична форма є угнутою а додатно означена опуклою...
74566. Научное знание в Древней Греции 60 KB
  Определение математики как универсального языка способствовало развитию принципов рационального типа мышления. Важнейшей вехой на пути создания математики как теоретической науки были работы пифагорейской школы. Греческие ученые развили прежде всего процедурную и операционную стороны математики выработав понятие доказательства утверждений. Связи между этими двумя областями возникающей математики были двухсторонними.
74567. Научное знание в эпоху Средневековья 43.63 KB
  Все это методологически подготовило формирование опытной науки. На ранних этапах средневековья центрами научнофилософской мысли были монастыри и храмы но с появлением университетов именно они стали центрами развития философии и науки. Их деятельность объективно способствовала развитию науки в экспериментальном направлении. В целом он обосновывал идею опытной науки.
74568. Развитие науки в период Нового времени 98.15 KB
  Предпосылки развитию науки формировались во всех сферах жизни общества. Обществу становилась все более ясной практическая польза науки как и взаимная заинтересованность научных исследований в новых общественных отношениях. Этот период можно с полным правом назвать веком науки и научной революции.
74569. Современный этап в развитии науки 38.56 KB
  Как известно XIX век это период дисциплинарного оформления науки. Дифференциация научного знания приведшая к появлению новых научных дисциплин со своим предметом и специфическими средствами познания продолжала оставаться ведущей тенденцией развития науки того времени. Сформировались образ науки как дисциплинарно организованного знания и дисциплинарный подход ориентированный на изучение специфических частных закономерностей и явлений.
74570. Возникновение науки, основные стадии её исторической 36.5 KB
  Наука была всегда с момента зарождения человеческого общества т. Наука начинает отсчет с египетской цивилизации. Наука возникла в Древней Греции т. Наука возникла в Западной Европе в 1214 веках поскольку появился интерес к опытному знанию и математике.
74571. Научное знание Древнего Египта 41 KB
  Цивилизация Древнего Египта того времени располагала глубокими знаниями в области математики медицины географии химии астрономии и других областях. За тысячи лет до талантливых мужей Эллады жрецы Древнего Египта в совершенстве изучили и овладели секретами которые мы заново открываем в наш стремительный век.
74572. Горные породы 734 KB
  Горные породы различаются по цвету структуре текстуре минеральному составу и форме залегания. Текстура характеризует относительное расположение и распределение составных частой породы. Минералы образующие горные породы называются породообразующими.