Раздел 5. Моделирование технических объектов

5.1 Классификация методов моделирования. Математическое, физическое, функциональное, концептуальное моделирование.

Модель ТО позволяет получить ответы на два вопроса:

- соответствует ли рассматриваемый ТО или его описание данному требованию или списку требований?

- какой из двух альтернативных вариантов ТО лучше по данному показателю качества?

Для оценки соответствия требования и выбора лучшего варианта использу­ют три типа моделей и соответственно три способа и средства моделирования.

1) Мысленные, или интуитивные, модели. Их реализует человек (экс­перт), который на основе имеющихся знаний и опыта проводит мысленные экспе­рименты с ТО с целью выявить его соответствие требованиям или выбрать из двух вариантов наилучший по определенному показателю качества. Например, глядя на чертежи двух различающихся по конструкции путепроводов, эксперт может ответить на вопросы: выдержат ли они задаваемую нагрузку или нет; у ка­кой конструкции меньше трудоемкость изготовления или расход бетона и т. д.

2) Математические модели. Они позволяют оценить требования и крите­рии качества с помощью расчетных формул, систем уравнений, алгоритмов и т. п. Для случая с путепроводом на основании формул и уравнений строительной ме­ханики и сопротивления материалов можно вычислить разрушающую и допусти­мую нагрузки. Используя формулы определения объемов тел, можно определить расход бетона, а с помощью специальной методики (алгоритма) — трудоемкость их строительства.

3) Физические модели. С их помощью можно оценить требования и крите­рии качества путем реализации и испытания самого ТО или его уменьшенных (иногда увеличенных) и часто упрощенных образцов. Так, построенный путепро­вод можно подвергнуть испытанию заданной нагрузкой; при строительстве мож­но провести хронометраж и точно определить трудоемкость изготовления, Еще до строительства можно изготовить (на основе критериев подобия) уменьшенную модель путепровода и также провести ее испытание в целях проверки соответст­вия требованиям.

Имеет также место комбинирование мысленных и ма­тематических моделей, когда в методике (алгоритме) расчета используют предва­рительные или последующие экспертные оценки.

Существует иерархия моделей, соответствующая иерархии списков требо­ваний. При этом для каждого ТО существует такая же иерархия моделей, в кото­рой каждая последующая модель более детально оценивает ТО и содержит все предыдущие оценки. Иерархия моделей согласуется также с иерархической по­следовательностью задач выбора проектно-конструкторских решений.

Моделирование ТО достаточно глубоко изучено. Однако отдельные места в этой области знаний разработаны слабо или вообще не затронуты. Несмотря на бурное развитие математических моделей, они пока мало используются в задачах выбора ФО, ФС, ФПД и даже ТР. Слабо исследованы пока вопросы мысленного и интуитивного моделирования, актуальность которого со временем не понижается, а способности мысленного моделирования у выпускаемых инженеров по ряду причин со временем снижаются, что также заставляет заняться исследованием этих вопросов.

Исторически с незапамятных времен человек пользовался мысленными и физическими моделями. Около 2 тыс. лет назад для оценки отдельных требований уже применяли математические модели. Начиная с XVII— XVIII веков стало бы­стро расширяться использование математических моделей в связи с бурным раз­витием математики, механики, термодинамики и других наук. Еще большие воз­можности в создании математических моделей принесли появившиеся в середине XX века быстродействующие вычислительные машины.

У математических моделей в последнее время значительно расширилась область применения. Многие ТО сейчас можно создавать уже без использования физических моделей (например, ряд строительных конструкций и сооружений, электрических машин, элементов автоматики и т. д.). Однако существует большое число ТО, для которых математические модели не вытеснили и, очевидно, Долго еще не смогут вытеснить мысленные и физические модели (например, при разра­ботке реактивных двигателей). Это объясняется двумя причинами. Во-первых, существующие возможности математических моделей пока недостаточны для описания явлений и процессов в некоторых ТО. Во-вторых, темпы развития и возрастания сложности ТО опережают возрастание возможностей мате­матических мо д ел ей _%

В настоящее время выбор того или иного типа моделей обусловливается требованиями по точности, временным затратам и стоимости моделирования. В таблице 3 приведена приближенная относительная оценка по этим показателям разных типов моделей, где в скобках отмечены отдельные отклонения от боль­шинства случаев. В этой же таблице в нижней строке указаны задачи наиболее частого использования моделей.

Таблица 3 -Относительная оценка различных способов моделированияТО

Показатели	Модели
Мысленные	Математические	Физические
Точность оценки требований	Низкая	Средняя (высокая)	Высокая
Временные затра­ты на оценку тре­бований	Малые	Средние (малые)	Большие
Стоимость оценки требования	Низкая	Средняя	Высокая
Вид задач	Выбор ФО, ФС, ФПД, ТР	Выбор ФПД, ТР, параметров	Выбор ТР, пара­метров.

В инженерной практике наряду с использованием в чистом виде указанных трех типов моделей используют также их различные комбинации.

Раздел 6. Методы поиска новых технических решений

Мне люди до той поры нравятся, пока

они хотят чего-нибудь, куда-нибудь

идти, ищут чего-то. Но если они дошли

до цеди своей и остановились тут, они

ухе неинтересны.

Н. Горький

Очень часто инженер-проектировщик сталкивается с непривычной проблемой, которая в той или иной мере требует новаторского подхода к решению поставленной задачи. Рассмотренные в данной главе методы помогут инженеру-проектировщику получить более ценные результаты, чем на основе традиционных методов и здравого смысла.

Существует множество методов поиска идей. С некоторой степенью условности их можно разделить на три группы: