Алгоритм выполнения второго этапа.

 

Поиск ТР осуществляется путем последовательного перебора вариантов сравнения их показателей со значениями требования технического задания. Имеется два варианта алгоритмического поиска: без требования оптимизации и с требованием оптимизации по одному из показателей (критериев качества).

Шаг 1. На «урезанном» И-ИЛИ-дереве выбирается TР в виде И-дерева и проверяются его вершины на совместимость. Если все вершины совместимы и показатели выбранного (синтезированного) ТР соответствуют требования технического задания, то оно заносится в архив допустимых ТР.

Шаг 2. Повторяется шаг 1, пока в архиве не будет накоплено заданное число допустимых ТР или не будет произведен полный перебор всех ТР на И-ИЛИ-дереве.

Шаг 3. Находится (или берется из архива) допустимое ТР и для него запоминается значение заданного критерия качества.

Шаг 4. Ищется следующее допустимое ТР и его критерий качества сравнивается со значением критерия качества, записанным в памяти после выполнения шага 3. Если критерий качества найденного следующего ТР лучше, то в памяти записывается новое значение критерия качества и соответствующее ему ТР. В противном случае записанное в памяти ТР остается неизменным.

Шаг 5. Шаг 4 повторяется до тех пор, пока не будут найдены на И-ИЛИ-дереве все допустимые ТР. В результате в памяти будем иметь наилучшее ТР.

Здесь приведен простой, надежный, но не самый эффективный алгоритм, работающий по принципу полного перебора. Возможны и более эффективные по быстродействию алгоритмы, основанные, например, на идеях метода ветвей и границ.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ХАРАКТЕРИСТИКА И ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ ОПЕРАЦИЙ КОЛЛЕРА

 

1. Излучение — поглощение. Излучение будем соотно­сить с источником энергии, вещества или информации, поглощение — со стоком (местом впадения) энергии, вещества или информации (сиг­налов). Эти две основные операции, противоположные друг другу, представляют собой необходимое условие для создания или ликвидации потока (вещества, энергии или информации). Источники и стоки могут быть природными и искусственными (например, источники — солнце, топливо, генераторы; стоки — звукопоглощающее покрытие, заземле­ние и т. п.). Источниками являются также все естественные источники энергии вещества или сигналов. В технических системах стоком в боль­шинстве случаев служит природная окружающая среда. Для практиче­ского конструирования ТО обе эти операции, по мнению Р. Коллера, обычно имеют сравнительно небольшое значение.

2. Проводимость — изолирование. Для возникновения потока кроме наличия источника и стока требуется, чтобы между ними было проводящее пространство, обеспечивающее движение или распростра­нение потока от источника к стоку (здесь не имеется в виду специаль­ная организация потока, например, с помощью трубопровода).

Примеры проводящего пространства: воздушное пространство электролит и т. п.; примеры изолирования: непрозрачные шторки, изолятор, стенка и т. п.

3. Сбор — рассеяние. Основная операция «сбор» служит для того, чтобы поток (ресурсы) энергии, вещества и сигналов, распространяю­щийся по всем направлениям (рассредоточенный в пространстве или движущийся широким фронтом) заставить протекать в одном направ­лении или сосредоточиться (сфокусироваться) в одной точке. Операцию «сбор» осуществляет, например, параболическая антенна, фокусирую­щая линза, патрубок, через который вытекает жидкость из бассейна.

Операция «рассеяние» служит для того, чтобы имеющийся скон­центрированный или упорядоченный поток рассеять, распространить по всем направлениям или направить более широким фронтом. Опера­цию «рассеяние» осуществляет, например, антенна радиопередатчика, наконечник душа, рассеивающая линза.

Отметим различия между операциями «сбор — рассеяние» и «излучение—поглощение». Операциям «излучение» и «поглощение» соот­ветствуют первому (начальному) и последнему (конечному) участкам в потоке энергии, вещества или информации. До и после этих участков, можно сказать, нет организованного потока. Операции «сбор» и «рас­сеяние» соответствуют промежуточным участкам потока; до и после этих участков также существует организованный поток.

4. Проведение — непроведение. Операция «проведение» обеспе­чивает движение сконцентрированного потока по определенному за­данному пути (траектории) с помощью технических средств, например, трубопровода, электропровода, шарнира. Непроведение означает, что на естественное направление движения и распространения потока ТО не оказывает никакого влияния (свободно падающая струя воды, летящая пуля, световой луч). Проведение — это движение, ограниченное связями; непроведение — свободное движение.

 

5. Преобразование — обратное преобразование. Это наиболее распространенные основные операции, противоположные друг другу, обеспечивают изменение свойств энергии, вещества и сигналов.

Под преобразованием энергии понимается превращение одного вида энергии в другой, которое происходит, например, в электродвига­теле или двигателе внутреннего сгорания. К различным видам относятся тепловая, кинетическая, потенциальная, звуковая, оптическая и другие виды энергии.

Под преобразованием вещества понимается качественное изменение вещества, добавление или исчезновение определенных свойств вещества (например, изменения агрегатного состояния, нормальная проводи­мость — сверхпроводимость, немагнитное — магнитное вещество и т. п.).

Под преобразованием сигналов следует понимать операции, при которых одна физическая входная величина превращается в другую выходную физическую величину.

6. Увеличение — уменьшение. Эти основные операции изменяют состояние потока, т. е, значения какой-либо скалярной или векторной физической величины. При этом на входе и выходе имеем одну и ту же физическую величину. Примерами реализации операций «увеличение» и «уменьшение» являются: система рычагов, зубчатые передачи, пере­дачи с изменяемым крутящим моментом, электрические трансфор­маторы, механические и электрические усилители, вентили, задвижки, регулирующие площадь сечения потока.

7. Изменение направления — изменение направления. Эти основные операции обеспечивают изменение направления векторной физи­ческой величины, значение которой остается неизменным. Изменение направления осуществляют: коленчатые равноплечные рычаги, пере­дачи с коническими шестернями, зеркала и отражательные пластины, изогнутые трубопроводы или световоды и т.п

Заметим, что для реализации операций «изменение направления» и «проведение» в отдельных случаях могут быть использованы одина­ковые физические эффекты и соответственно одинаковые конструктив­ные элементы. Например, световод может применяться для проведения светового пучка и для изменения направления пучка лучей; такую же двойную функцию может иметь резиновый шланг с жидкостью. Это объясняется тем, что конструктивные элементы имеют не одно, а не­сколько свойств.

8. Выравнивание — колебание. Основная операция «выравнивание» преобразует колеблющийся (пульсирующий или нестационарный) поток в стационарный (электрические выпрямители, муфты свободного хода, обратные запорные клапаны и т. п.). Операция «колебание» производит обратное преобразование (кривошипный механизм, преоб­разующий равномерное вращательное движение в колебательное, пре­рыватель, колебательный контур и т. п.).

9. Связь — прерывание. Основная операция «прерывание» анало­гично выключателю прерывает (останавливает) поток энергии, вещества или информации и соответственно прекращаетих передачу от одного пункта к другому. Операция «связь», напротив, восстанавливает (возобновляет) движение или передачу энергии, вещества и сигналов в потенциально существующем потоке. Примеры реализации этих опера­ций: выключатели, соединительные муфты, затворы, задвижки, запор­ные клапаны и т. п.

Следует заметить, что для реализации операций «связь—прерывание» и «увеличение - уменьшение» в отдельных случаях могут быть использованы одинаковые конструктивные (функциональные) элементы, которые обеспечивают реализацию двух основных операций (например, задвижка на трубопроводе и т. д.).

10. Соединение — разъединение. Основные операции «соедине­ние — разъединение» имеют отношение к неоднородным потокам (энер­гий, веществ и сигналов), имеющим различные значения физических величин (массу, плотность, окраску, агрегатное состояние, амплитуду, длину волны, геометрическую форму, размеры и т. д.). Примеры реа­лизации операции «соединение»: смесители механических компонент, частот, электрических сигналов, карбюраторы и насосы, соединяющие энергию и вещество и т. п. Примеры реализации операции «разъедине­ние»: сепараторы, центрифуги, различные фильтры, спектроскопы, сортирующие устройства, гидравлические двигатели или турбины, ра­диаторы водяного отопления, разъединяющие энергию и вещество.

11. Объединение — разделение. Основные операций объединение—разделение» обеспечивают соответственно объединение несколь­ких однородных потоков энергии, веществ или сигналов в один поток или, напротив, разделение одного потока на несколько однородных потоков (т. е. устройства, реализующие операции «объединение—раз­деление», взаимодействуют в такими потоками энергии, веществ и сиг­налов, в которых параметры потока, кроме количества энергии, ве­щества или сигналов, до и после устройств объединения — разделения остаются неизменными). Примеры реализации операций «объединение-разделение»: тройники и разветвления в водопроводных, тепловых, газо­вых, электрических и измерительных сетях передачи с распределением энергии, вещества или сигналов; дифференциалы; устройства для сварки, пайки и резки материалов и т. п.

12. Накопление — выдача. Потоки энергии, веществ и информа­ции могут накапливаться и при необходимости востребоваться из на­копителя. Для этого существуют две основные операции «накопление— выдача». Примеры реализации этих операций:

для потоков энергии — механические, гидравлические, пневмати­ческие, электрические и тепловые аккумуляторы;

для веществ — резервуары, баки, газовые баллоны, бункеры, элеваторы.

для сигналов — перфокарты, магнитные ленты и диски, фото­пленки и.

13. Отображение — обратное отображение. Операция «отображе­ние» применяется в том случае, когда реальный поток энергии, вещества или физических сигналов на входе в процессе преобразования полу­чает информационное отображение на выходе в графическом, числовом и другом виде, удобном для визуальной оценки, наблюдения или рас­чета. Это может быть код, запись, изображение числового значения на цифровом индикаторе, показания на шкале прибора, изображение на экране дисплея или телевизора и т. д. «Обратное отображение» связано со случаями, когда на входе задается числовое значение или графиче­ское изображение, а на выходе получается поток реального вещества или энергии.

14. Фиксирование — расфиксирование. Операция «фиксирование» связана с уменьшением числа свободы движения ТО, включая закреп­ление его в определенной точке пространства и уменьшение числа сте­пеней свободы движения до нуля. Операцию «фиксирование» осущест­вляют приспособления и объекты, которые прикрепляют одни элементы ТО или системы к другим, поддерживают составные части ТО на определенном расстоянии друг от друга, фиксируют данное положение объекта.Здесь имеется в виду не только уменьшение степеней свободы какого-либо элемента относительно другого, а закрепление его на строго определенном расстоянии. В последнем случае на входе имеется не­определенная координата (одна или несколько), а на выходе — координаты, имеющие для данного технического объекта определенное значение. Операция «расфиксирование» связана с увеличением числа степеней свободы перемещения или с уменьшением определенности поло­жения в пространстве.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

МЕЖОТРАСЛЕВОЙ ФОНД ЭВРИСТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОБЪЕКТА

1. Преобразование формы

1.1. Использовать круговую, спиральную, древовидную, сфериче­скую или другую компактную форму.

1.2. Сделать в объекте (элементе) отверстия или полости. Инвер­сия приема.

1.3. Проверить соответствие формы объекта законам симметрии. Перейти от симметричной формы и структуры к асимме­тричной. Инверсия приема.

1.4. Перейти от прямолинейных частей, плоских поверхностей, кубических и многогранных форм (особенно в местах сопряжении) к криволинейным, сферическим и обтекаемым формам. Инверсия приема.

1.5. Объекту (элементу), работающему под нагрузкой, придать выпуклую (более выпуклую) форму.

1.6. Компенсировать нежелательную форму сложением с обратной по очертанию формой.

1.7. Выполнить объект в форме:

другого технического объекта, имеющего аналогичное название или назначение;

животного, растения или их органа;

человека или его органов.

1.8. Сделать объект (элемент) приспособленным к форме человека или его органов.

1.9. Использовать в аналогичных условиях работы природный принцип формирования в живой или неживой природе.

1.10. Сделать рациональный (оптимальный) раскрой листового или объемного материала; внести изменения в форму деталей для более полного использования материала.

1.11. Выбрать конструкцию деталей, в наибольшей мере прибли­жающуюся по форме и размерам выпускаемого проката и других про­фильных заготовок.

1.12. Найти глобально-оптимальную форму объекта.

1.13. Найти наибольшую цельную форму объекта (зрительное вы­деление главного функционального элемента, устранение или при­крытие многих ненужных деталей и т. д.).

1.14. Использовать различные виды симметрии и асимметрии, динамические и статические свойства формы, ритма (чередования оди­наковых или схожих элементов), нюансов и контраста.

1.15. Осуществить гармоническую увязку форм различных эле­ментов (выбор масштабов и соотношений между объектами и окружаю­щей предметной средой, использование эстетически предпочтительных пропорций).

1.16. Выбрать (придумать) наиболее красивую форму объекта и его элементов.

2. Преобразование структуры.

2.1. Исключить наиболее напряженный (нагруженный) элемент.

2.2. Исключить элемент при сохранении объектом всех прежних функций. Один элемент выполняет несколько функций, благодаря чему отпадает необходимость в других элементах. Убрать «лишние детали» даже при потере «одного процента эффекта».

2.3. Присоединить к объекту новый элемент в виде жестко или шарнирно соединенной пластины (стержня, оболочки или трубы), находящейся в рабочей среде или в контакте с ней.

2.4. Присоединить к базовому объекту дополнительное специали­зированное орудие труда, инструмент и т. п.

2.5. Заменить связи (способ или средства соединения) между эле­ментами; жесткую связь сделать гибкой или наоборот.

2.6. Заменить источник энергии, тип привода, цвет и т. д.

2.7. Заменить механическую схему электрической, тепловой, опти­ческой или электронной.

2.8. Существенно изменить компоновку элементов; уменьшить компоновочные затраты.

2.9. Сосредоточить органы управления и контроля в одном месте.

2.10. Объединить элементы единым корпусом, станиной или из­готовить объект цельным.

2.11. Ввести единый привод, единую систему управления или энергоснабжения.

2.12. Соединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты.

2.13. Объединить в одно целое объекты, имеющие самостоятельное назначение, которое сохраняется после объединения в новом комп­лексе.

2.14. Использовать принцип агрегатирования. Создать базовую конструкцию (единую раму, станину), на которую можно «навесить» различные (в различных комбинациях) рабочие органы, агрегаты, инструменты.

2.15. Совместить или объединить явно или традиционно несов­местимые объекты, устранив возникающие противоречия.

2.16. Выбрать материал, обеспечивающий минимальную трудо­емкость изготовления деталей и обработки заготовок.

2.17. Использовать раздвижные раскладные сборные надувные и другие конструкции, обеспечивающие значительное уменьшение га­баритных размеров при переводе ТО из рабочего состояния в нерабочее.

2.18. Найти глобально-оптимальную структуру.

2.19. Выбрать (придумать) наиболее красивую структуру.

3. Преобразования в пространстве.

3.1. Изменить традиционную ориентацию объекта в пространстве:

горизонтальное положение на вертикальное или наклонное;

положить на бок;

повернуть низом вверх;

повернуть путем вращения,

3.2. Использовать «пустое пространство» между элементами объек­та. Один элемент проходит сквозь полость в другом элементе.

3.3. Объединить известные порознь объекты (элементы) с размещением одного внутри другого по принципу «матрешки».

3.4. Размещение по одной линии изменить размещением по нескольким линиям или по плоскостям. Инверсия приема.

3.5. Заменить размещение по плоскости размещением по несколь­ким плоскостям или в трехмерном пространстве; перейти от одноэтажной (однослойной) компоновки к многоэтажной (многослойной). Инверсия приема.

3.6. Изменить направление действия рабочей силы или среды.

3.7. Перейти от контакта в точке к контакту по линии; от контакте по линии к контакту по поверхности; от контакта по поверхности к объемному (пространственному). Инверсия приема.

3.8. Осуществить сопряжение по нескольким поверхностям.

3.9. Приблизить рабочие органы объекта к месту выполнения им своих функций без передвижения самого объекта.

3.10. Заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие с наиболее удобного места и без затрат времени на их до­ставку.

3.11. Перейти от последовательного соединения элементов к параллельному или смешанному. Инверсия приема.

3.12. Разделить объект на части так, чтобы приблизить каждую из них к тому месту, где она работает.

3.13. Разделить объект на две части—«объемную» и «необъемную»; вынести «объемную» часть за пределы, ограничивающие объем

3.14. Вынести элементы, подверженные действию вредных факторов, з а пределы их действия.

3.15. Перенести (поместить) объект или его элемент в другую среду исключающую действие вредных факторов.

3.16. Выйти за традиционные пространственные ограничения или габаритные размеры.

4. Преобразования во времени

4.1. Перенести выполнение действия на другое время. Выполнить требуемое действие до начала или после окончания работы.

4.2. Перейти от непрерывной подачи энергии (вещества) или непрерывного действия (процесса) к периодическому или импульсному. Инверсия приема.

4.3. Перейти от стационарного во времени режима к изменяющемуся.

4.4. Исключить бесполезные («вредные») интервалы времени.Использовать паузу между импульсами (периодическими действиями) для осуществления другого действия.

4.5. По принципу непрерывного полезного действия осуществлять работу объекта непрерывно, без холостых ходов. Все элементы объекта должны все время работать с полной нагрузкой.

4.6. Изменить последовательность выполнения операций.

4.7. Перейти от последовательного осуществления операций к параллельному (одновременному). Инверсия приема.

4.8. Совместить технологические процессы или операции. Объединить однородные или смежные операции. Инверсия приема.

5. Преобразование движения и силы

5.1. Изменить направление вращения.

5.2. Заменить поступательное (прямолинейное) или возвратно- поступательное движение вращательным. Инверсия приема.

5.3. Устранить или сократить холостые, обратные и промежуточные ходы и движения.

5.4. Существенно изменить направление движения, в том числе на противоположное.

5.5. Заменить традиционную сложную траекторию движения пря­мой или окружностью. Инверсия приема.

5.6. Заменить изгиб растяжением или сжатием. Заменить сжатие растяжением.

5.7. Разделить объект на две части — «тяжелую» и «легкую», передвигать только «легкую» часть.

5.8. Изменить условия работы так, чтобы не приходилось подни­мать или опускать обрабатываемый объект.

5.9. Заменить трение скольжения трением качения. Инверсия при­ема.

5.10. Перейти от неподвижного физического поля к движущемуся. Инверсия приема.

5.11. Разделить объект на части, способные перемещаться отно­сительно друг друга. Сделать движущиеся элементы неподвижными, а неподвижные движущимися.

5.12. Изменить условия работы так, чтобы опасные или «вредные» моменты осуществлялись на большой скорости. Инверсия приема.

5.13. Использовать магнитные силы.

5.14. Компенсировать действие массы объекта соединением его с объектом, обладающим подъемной силой.

6. Преобразование материала и вещества

6.1. Рассматриваемый элемент и взаимодействующие с ним эле­менты сделать из одного и того же материала или близкого ему по свой­ствам. Инверсия приема.

6.2. Выполнить элемент или его поверхность из пористого мате­риала. Заполнить поры каким-либо веществом.

6.3. Разделить объект (элемент) на части так, чтобы каждая из них могла быть изготовлена из наиболее подходящего материала.

6.4. Убрать лишний материал, не несущий функциональной на­грузки.

6.5. Изменить поверхностные свойства объекта (элемента); упро­чить поверхность объекта; нейтрализовать свойства материала на по­верхности объекта.

6.6. Заменить жесткую часть элементами из материала, допускаю­щего изменение формы при эксплуатации; вместо жестких объемных конструкций использовать гибкие оболочки и пленки. Инверсия при­ема.

6.7. Изменить физические свойства материала, например, изме­нить агрегатное состояние.

6.8. Заменить некоторые объекты среды на объекты с другими физико-механическими и химическими свойствами.

6.9. Использовать другой материал (более дешевый, новейший и т. д.).

6.10. Использовать детали из материала с последующим отвер­дением.

6.11. Отделить вредные или нежелательные примеси от вещества.

6.12. Заменить традиционную окружающую среду. Рассмотреть возможность использования вакуума, инертной, водной, космической или какой-либо другой среды.

6.13. Заменить объекты их оптическими копиями (изображениями); использовать изменение масштаба изображения. Перейти от видимых оптических копий к инфракрасным, ультрафиолетовым и другим изо­бражениям.

6.14. Дорогостоящий долговечный элемент заменить дешевым, недолговечным.

6.15. Заменить разнородные по материалу и форме элементы одним унифицированным или стандартным элементом.

6.16. Выполнить элементы из материалов с различающимися характеристиками, дающими нужный эффект (например, с разным тер­мическим расширением).

6.17. Вместо твердых частей использовать жидкие или газообраз­ные (надувные, гидронаполняемые, воздушные, гидростати­ческие, гидрореактивные). Инверсия приема.

6.18. Выбрать материалы, обеспечивающие снижение отходов при изготовлении деталей. Например, перейти от применения деталей, из­готовляемых обработкой резанием, к деталям из пластмассы (изготовляемых формовкой) или металлокерамики.

6.19. Перейти к безотходным технологиям, например, получить отходы материалов в более ценном виде, позволяющем использовать их для изготовления других деталей.

6.20. Осуществить упрочнение материалов механической, термиче­ской, термохимической, электрофизической, электрохимической, лазер­ной и другими видами обработки.

6.21. Использовать материалы с более высокими удельными проч­ностными, электрическими, теплофизическими и другими характери­стиками.

6.22. Использовать армированные, композиционные, пористые и другие новые перспективные материалы.

6.23. Использовать материал с изменяемыми во времени характери­стиками (жесткостью, прозрачностью и т. д.).

Приемы дифференциации

7.1. Разделить движущийся поток (вещества, энергии, информации) на два иди несколько.

7.2. Разделить сыпучий, жидкий или газообразный объект на части.

7.3. Сделать элемент съемным, легко отделяемым.

7.4. Дифференцировать привод и другие источники энергии; приблизить их к исполнительным органам и рабочим зонам.

7.5. Сделать автономным управление и привод каждому элементу.

7.6. Провести дробление традиционного целого объекта на мелкие однородные элементы с аналогичной функцией. Инверсия приема.

7.7. Разделить объект на части, после чего изготовлять, обрабаты­вать, грузить и т. п. каждую часть отдельно, а затем выполнять сборку.

7.8. Разделить объект на части так, чтобы их можно было заменять при изменении режима работы.

7.9. Разделить объект на части: «горячую» и «холодную»; изоли­ровать одну от другой.

7.10. Представить объект в виде составной конструкции; изгото­вить его из отдельных элементов и частей.

7.11. Придать блочную структуру объекту, при которой каждый блок выполняет самостоятельную функцию.

7.12. Выделить в объекте самый нужный элемент (нужное свой­ство) и усилить его или улучшить условия его работы.

Количественные изменения

8.1. Резко изменить (в несколько раз, в десятки и сотни раз) параметры или показатели объекта (его элементов, окружающей среды).

8.2. Увеличить в объекте число одинаковых или подобных друг другу элементов (или сделать наоборот). Изменить число одновременно действующих или обрабатываемых объектов (элементов), например, рабочих машин, их рабочих органов, двигателей и т. д.

8.3. Изменить габаритные размеры, объем или длину объекта при переводе его в рабочее или нерабочее состояние,

8.4. Увеличить степень дробления объекта (или сделать наоборот).

8.5. Допустить незначительное снижение требуемого эффекта,

8.6. Использовать идею избыточного решения (если трудно по­лучить 100% требуемого эффекта, задаться получить несколько больше).

8.7. Изменить (усилить) вредные факторы так, чтобы они перестали быть вредными.

8.8. Уменьшить число функций объекта и сделать его более спе­циализированным, соответствующим только оставшимся функциям и требованиям.

8.9. Гиперболизировать, значительно увеличить размеры объекта и найти ему применение. Инверсия приема.

8.10. Повысить интенсивность технологических процессов с ра­бочей зоной в виде площадки или замкнутого объекта.

8.11. Создать местное локальное качество; осуществить локальную концентрацию сил, напряжения и т. п.

8.12. Найти глобально-оптимальные параметры ТО по различным критериям развития.