Структурно-параметрический синтез конструкции

 

Определением числа иерархических конструктивных уровней и разбиением всей схемы на модули завершается стадия анализа конструкции, но как метод - анализ еще неоднократно будет использован на последующих этапах.

Следующий этап конструирования изделий принято называть синтезом. Он выполняется методами агрегатирования подсистем (т.е. объединением) и переплетается с детализацией и оптимизацией конструктивных решений различных составных частей (элементов) конструкции [6,32].

Задача структурного синтеза состоит в создании обобщенного облика конструкции изделия (макроописания), состоящего из обобщенных описаний элементов конструкции.

Параметрический синтез заключается в координации, согласовании требований и конструктивных решений элементов конструкции, их локальную конкретизацию в соответствии с показателями качества, технологичности, микроминиатюризации, конструктивной надежности, теплового режима, механической прочности и т.п.

Укрупненные этапы синтеза представлены на рис. 2.6, в виде схемы выбора концепции структурного синтеза на базе результатов стадии анализа.

Факторы, определяющие концепцию конструирования формируются на основе ТЗ и проведенных предварительных исследований. Для последующего уточнения ТЗ, конкретизации позиций, определения границ областей проектного задания, необходимо поставить в соответствие факторам, подлежащим учету при конструировании, перечень конкретных требований или ограничений, которые можно выразить количественно, т.е. перейти от вербального описания проектного задания к формализованным количественным признакам, характеризующим позиции задания.

На рис.2.7 представлена структура схемы формирования облика конструкции, являющейся по сути логической схемой «факторы – требования». На рис.2.8 и рис.2.9 показаны составляющие структурных элементов логической схемы. Схему необходимо использовать как основу для выполнения структурно-параметрического синтеза облика конструкции и она является основой для формирования базы данных, выбора критериев принятия решений на последующих этапах конструирования (задачи выбора элементной базы, выбора конструктивного исполнения модулей первого уровня, выбора компоновочного решения модулей в блоке и др.).

Детальный анализ факторов и соответствующих им требований из различных областей проектного задания позволяет выявить пересечения или близость локальных зон и точек в n -мерном евклидовом пространстве и использовать свертку функциональных задач (требований).

Рассмотрим в общем виде математическую постановку задачи структурно-параметрического синтеза конструкции ПА и краткую характеристику метода ее решения. С позиций системного подхода задача формулируется следующим образом.

Для выполнения множества функциональных задач при ограничениях на структуру и (или) параметры составных частей (устройств) системы, сформулировать рациональный облик многофункциональной системы в виде типоряда устройств

модульной структуры, обеспечивающих заданный уровень качества функционирования (функциональной эффективности) и минимизацию критериальной функции интегральных затрат . Предполагается, что каждое устройство типа должно функционировать на некотором подмножестве функциональных задач из исходного множества .

Целенаправленное распределение устройств по подмножествам (группам) _рац функциональных задач определяется стратегией , представляющей собой реализуемый по эффективности вариант соответствия устройства типа подмножеству функциональных задач .

В результате решения сформулированной задачи должны быть определены следующие основные конструктивные характеристики системы:

- рациональная совокупность _рац агрегированных подмножеств функциональных задач, каждой из которых поставлено в соответствие устройство ;

- целенаправленное распределение устройств по исходному множеству функциональных задач;

- состав выделенной совокупности устройств (количество типов и численность устройств каждого типа);

- типаж совокупности устройств ;

- состав, типаж и распределение функциональных модулей по устройствам системы.

Наличие множества неопределенностей и неоднозначностей, описательный характер исходного задания, недостаток аналитических зависимостей для решения многошаговых функционально разнородных задач и построения предметных математических моделей, требуют применения специальных приемов для решения поставленной задачи. Для принятия решения по неформализуемым задачам анализа и синтеза системы целесообразно декомпозировать проблему формирования облика конструкции системы на несколько взаимосвязанных задач и алгоритмизировать их решение на основе итерационно-интерактивного принципа (см. схему увязки задач на рис. 2.10).

Первая задача - анализ и декомпозиция функциональных задач.

Цель решения состоит в упорядочении множества заданий, их структуризации и количественном описании.

Множество заданий декомпозируются на элементарные (единичные) целевые задачи с последующим формированием агрегированных областей задания и, следовательно, совокупности тактико-технических заданий (ТТЗ) для изделий .

Разбиение исходного множества может производиться на основе морфологического подхода или с помощью формализованных логико-смысловых процедур. Элементарным целевым задачам должны быть присущи определенные количественно оцениваемые свойства. Итогом формализации является описание исходного множества функциональных задач в виде матрицы размерностью , строки которой - элементарные (единичные) функциональные задачи , , а столбцы - признаки единичных заданий .

Следующая процедура - декомпозиция полученного множества элементарных задач на группы . Функциональные задачи в рамках каждой группы характеризуются “похожестью”, которая оценивается критерием близости признаков элементарных задач в некотором характеристическом пространстве. Разбиение осуществляется на рациональное число групп с учетом ограничений

,

что означает образование нового аналитического множества в виде обобщенных групп вместо исходного множества вербальных функциональных заданий.

Вторая задача - формирование совокупности тактико-технических заданий (ТТЗ) и проектирование по этим заданиям специализированных устройств. Основой алгоритма формирования ТТЗ являются характеристики групп , каждая из которых рассматривается в виде обобщенного функционального задания и ей ставится в соответствие свое ТТЗ. Наряду с функциональными признаками ТТЗ включает структурные и параметрические ограничения, соподчиненные связи и параметры внешней среды.

Основное содержание проектных работ на данном этапе сводится к формализованному отбору и оптимизации рациональных вариантов из числа альтернативных.

Такой отбор может быть проведен методами математического программирования (например методом случайного поиска).

Итогом решения второй задачи является совокупность (ряд) субоптимальных изделий, число которых равно числу групп функциональных задач и каждое устройство ряда является специализированным по стратегии применения, т.е. предназначено лишь для реализации своего ТТЗ.

Третья задача - унификация совокупности устройств, полученных на предыдущем этапе. Основой этой задачи является логико-математическая модель технико-экономического совершенствования устройств системы на основе функционально-модульного построения ее структуры. Задача решается поэтапным структурно-параметрическим синтезом модулей на основе проектной увязки их в систему. В связи со значительным объемом, решение данной задачи рассматривается в отдельном разд. 4.6.

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ     Требования по назначению   Требования надежности   Требования технологичности   Условия эксплуатации и др.

Внешние климатические факторы

Массогабаритные характеристики

 

Рис.1.1. Факторы, определяющие направление и метод конструирования в зависимости от требований ТЗ

 

!

 

 

 

 

 

Разбиение электрической схемы на функционально законченные модули (ФМ)

4

k₁

 

 

Выбор метода конструирования ФМ

5

k₂

	Выбор элементной базы по условиям эксплуатации и критерию предпочтения

k₃ 6

 

 

Анализ альтернативных вариантов конструкции, выбор прототипа, предварительная оценка массы и габаритов

7

 

k₄

 

 

 

 

Рис.1.2. Схема последовательности создания приборной аппаратуры

(начало)

 

 

8

Многошаговый процесс

Конструирования (синтез-

Анализ-синтез)

Декомпозиция конструкции на конструктивные уровни

9

k₆

 

k₇

 

Разработка эскизной документации

11

k₈

 

 

k₉

 

Оптимизация конструкции

13

 

 

Рис.1.2. Окончание

 

а

 

б

Рис.1.3. Стадии и этапы проектирования приборной аппаратуры

 

 

Рис.1.4. Составляющие элементы конструкции изделия

 

 

 

 

Периодическая Механический Линейное Статическое Постоянная сила

(синусоидальная) удар ускорение давление (растягивающая,

вибрация сжимающая,

Аэродинамический Угловое Динамическое изгибающая)

Случайная удар ускорение давление

вибрация Переменная Баллистический Центростреми- сила

Акустический удар тельное ускорение

шум Импульс силы

Ударная волна Невесомость

Крутящий

Удар при свободном момент

падении

Механический

Гидравлический удар срез

 

Рис.1.5. Классификация внешних механических факторов, воздействующих на авиационную приборную аппаратуру

 

	Атмосферное давление		Температура среды		Влажность воздуха или других газов		Атмосферные осадки		Туман

 

Атмосферное Повышенная Повышенная Атмосферные Аэрозольные

повышенное (пониженная) (пониженная) выпадающие частицы

(пониженное) температура влажность осадки (дождь, воды

давление среды снег, град, снеж-

Изменение Изменение Изменение ная крупа, морось) Морской

атмосферного температуры влажности Атмосферные (соляной)

давления среды конденсированные туман

осадки (роса, иней,

изморозь, гололед)

 

 

Атмосфера с коррозионно-

Статическая Интегральное Ветер активными агентами Лед

пыль и ультрафиолетовое Водная среда с коррозионно-

излучение Воздушные активными агентами Снежный

Динамическая потоки от Газирование материалов покров

пыль (песок) элементов ЛА изделия при нагреве

Почвенно-грунтовая среда с

коррозионно-активными агентами

 

 

Рис.1.6. Классификация внешних климатических факторов, воздействующих на приборную аппаратуру

 

 

Бактерии Естественные Электрический ток Тепловой удар

(космическое корпускулярное, (постоянный, переменный, (световое излучение

Насекомые рентгеновское излучения импульсный) взрыва, термический

Солнца и радиационных поясов удар)

Грибы плесневые Земли)

Электромагнитное Аэродинамический

Дрожжи Искусственные поле (электрическое поле, нагрев

(ионизирующее излучение, магнитное поле, низкочас-

рентгеновское, нейтронное, тотное поле, высокочастотное, Нагрев тепловым

электронное, протонное излучения, сверхвысокочастотное и потоком

излучения многозарядных частиц) лазерное излучения, электро-

магнитный импульс поля, Радиационное,

электромагнитное поле электрическое,

плазмы) ультразвуковое

разогревания

 

 

Рис.1.7. Классификация внешних биологических, радиационных, электромагнитных и термических факторов,

воздействующих на приборную аппаратуру

 

 

 

 

 

Окислители Масла и смазки Топливо на основе Испытательные среды,

на основе нефтепродуктов рабочие среды и среды

Криогенные среды нефтепродуктов заполнения

Спирты

Прочие неорганические Синтетические Рабочие растворы

и органические химические масла и смазки (дезинфицирующие,

соединения дезактивирующие и др.)

 

Поток газа

 

Отравляющие вещества

 

Радиоактивные аэрозоли

 

 

Рис.1.8. Классификация внешних факторов, определяемых специальными средами

и воздействующих на приборную аппаратуру

 

 

 

 

 

Внешние Воздействия на

воздействующие окружающую среду

факторы

Внутрисистемные связи БОЛЬШАЯ

(энергетические, информационные, СИСТЕМА

тепловые, электромагнитные и др.)

Конструкционные

связи

Подсистема Подсистема Подсистема

AL BM KN

 

Подсистема Подсистема Подсистема

A2 B2 K2

 

Подсистема Подсистема Подсистема

A1 B1 K1

 

 

Технологические факторы

ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СРЕДА

 

 

Рис. 2.1. Системное представление структуры проектируемого изделия

 

Рис. 2.2. Системная иерархия летательного аппарата

 

Рис.2.3. Структура системы с тремя составляющими

 

 

 

 

 

 

Рис.2.4. Типовая обобщенная структура приборной системы

 

Базовые методы конструирования приборного оборудования			Классы и группы объектов
			Технологическое контрольно-испытательное оборудование
			заводов-изготовителей, авиационно-технических баз
Функционально-узловой и функционально-модульный			Исследовательские центры, полигоны, контрольно-испытательные станции и стенды
			Учебно-тренировочные центры, лаборатории и тренажерные
			классы
			Самолеты гражданской авиации
Функционально-модульный (частично функционально-узловой) и блочно-модульный			Самолеты транспортной и стратегической авиации
		Самолеты боевой авиации (истребители, штурмовики и др.)
			Вертолеты, экранопланы, судна на воздушной подушке и др.
			Палубная авиация
Функционально-узловой			Орбитальные станции,
		пилотируемые космические аппараты
Блочно-модульный			Автоматические космические аппараты, искусственные спутники и т.п.
(моноблочный)
			Ракеты-носители

Рис. 2.5. Базовые методы конструирования авиационной приборной аппаратуры

 

Рис. 2.6. Схема концептуального решения задач структурно-параметрического синтеза приборной аппаратуры

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.10. Схема увязки этапов решения задачи синтеза