Огляд методів синтезу структур механізмів

Размещено на http://www.allbest.ru

Луцький національний технічний університет

Огляд методів синтезу структур механізмів

Д.В. Янюк - ст. гр. ІММ-11

В статті проведено загальний аналіз методів, що пов'язані з розробкою структур механізмів. В результаті аналізу виявленню характерні особливості, що стримують можливості використання обчислювальної техніки для автоматизації даних методів. Результати аналізу дають можливість сформулювати загальні проблеми, що визначають задачі подальших досліджень для вдосконалення методів розробки структур механізмів шляхом підвищення рівня 'їх автоматизації.

Постановка проблеми. Проектування пристрою (системи) складається з ряду основних етапів: вибір принципу дії, розробка структур та схеми механізму, розробка конструкції, визначення параметрів елементів конструкції. Стратегії розв'язання цих завдань різні. Задачі параметричного синтезу зазвичай зводяться до обчислень, що дають можливість виявлення геометрично масових параметрів, що необхідні для забезпечення номінальних характеристик функціонування проектованого механізму. На сучасному етапі розвитку розроблено багато програмних продуктів, які значно полегшують виконання розрахунків, або забезпечуються їх проведення у частково автоматичному режимі. Завдання структурного синтезу не можна повністю віднести до класу формально розв'язуваних завдань. Результатом структурного синтезу є вибір раціональної структури об'єкта. Розв'язання задачі структурного синтезу наразі являється одним з головних та виняткових предметів творчої діяльності дослідника.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У спрощеному і найбільш загальному вигляді процес проектування можна оцінити як три концептуальних рівні, що забезпечують процес синтезу технічних систем (ТС) [1]. Відповідно до загальноприйнятих уявлень про процес конструювання виділяють різні частки впливу кожного з його етапів на характеристик проектованого об'єкта. На найбільш пізніх етапах розробки характери об'єкта можуть бути зміненими в середньому на 10-15% (таблиця 1). На 1 та 2 рівні вплив змін на вихідні характеристики проектованого об'єкта може досягати 30-35%, а іноді навіть більше. Саме тому початкові етапи проектування можна вважати найбільш відповідальними та важливими для досягнення запланованих номінальних характеристик функціонування ТС. Це також пояснює доцільність детального розгляду наявних методів їх розробки і зокрема з метою виявлення дієвих способів автоматизації даного процесу. синтез механізм обчислювальний

Одним із перших у цьому напрямку почав працювати Fritz Zwicky ще наприкінці 1940-х років. [2] Він запропонував зробити узагальнення та систематизацію понять у морфологічних дослідженнях, щоб охопити складніші взаємозв'язки між елементами. Fritz Zwicky опублікував ряд статей із застосуванням морфології до класифікації астрофізичних об'єктів і розробка реактивних і ракетних двигунів (таблиця 2).

Таблиця 1

Ступінь вплив різних етапів проектування на кінцевий результат

Таблиця 2

Приклад морфологічної таблиці запропонованої Fritz Zwicky для розробки технічної системиІ

Зазвичай морфологічна таблиця формується наступним чином. Стовбці відображають морфологічні ознаки. В рядках вказано варіанти, які кожна з них може набувати. Матриця із усіма значеннями називається морфологічне поле. Типове морфологічне поле з 6-10 змінних може містити від 50000 до 5000000 формальних конфігурацій, що занадто багато, щоб перевірити їх вручну. Подальше використання представленої в таблиці інформації передбачає оцінку варіантів.

Згідно методу деревовидного синтезу необхідно обирати найкращий варіант послідовно з кожної вибірки, але без врахування попередньо обраних варіантів. Таким чином за один прохід отримують результати, що приймаються для подальшої обробки.

У методі лабіринтового конструювання, як і в методі деревовидного конструювання, спочатку вибирається найкращий варіант з кожного стовпця, але окрім нього ще кілька альтернативних. У випадку якщо обрані найкращі варіанти не можуть поєднуватись або згенероване рішення не задовольняє умов проектування, то оператор змінює останній обраний варіант на один з альтернативних. Таким чином можна послідовно змінювати варіанти на різних рівнях і за необхідності дійти до початкового.

Блочно-лабіринтний синтез дозволяє звести безліч варіантів рішень морфологічної таблиці у блоки, що являють собою задачі меншої розмірності. Для цього виділяють головні складові об'єкта синтезу та будують морфологічні таблиці для вибору найкращих складових. До них вносять лише найбільш значущі характеристики. Вибір роблять методом вищеописаного лабіринтного синтезу. Таким чином згенерується функціональна система (ФС) з мінімальним рядом складових. Далі визначаються її недоліки та елементи через які вони виникли. Для заміни елементів на елементи з кращою відповідністю характеристик будують нові таблиці з більшим рядом характеристик. У згенерованих таблицях визначають найкращі варіанти методом лабіринтного синтезу та знову аналізуються. Таким чином можна здійснювати декілька ітерацій для отримання оптимального рішення.

Ідея еволюційного синтезу. полягає у передачі характеристик, які позитивно вплинули на ФС та відкидання тих - які заважають об'єкту проектування виконувати поставлену задачу. Для цього використовують програмні продукти які генерують умови навколишнього середовища, використовують механізми випадкового відбору для адекватного формування опису згенерованих структур.

Кластерний аналіз допомагає вирішити задачі багатокритеріальної оптимізації. За допомогою численних методів можна згруповувати варіанти, які знаходяться у морфологічній матриці за різними ознаками. Таким чином можливо від всієї множини варіантів відокремити раціональні, які в свою чергу можна поділити на менші групи, серед яких будуть найбільш ефективні, якщо задати правильно критерії розподілу.

Метою досліджень є визначення основних проблем та задач, що необхідно вирішити для вдосконалення методів розробки структур механізмів шляхом підвищення рівня їх автоматизації

Результати дослідження Більшість сучасних методів дослідження базуються на матрицях морфологічного синтезу. За допомогою спеціальних методів або комп'ютерних програм оброблюють отримані варіанти для отримання найкращого можливого результату.

У таблиці 3 представлено характеристики розглянутих методів, що дозволяє більш зручно їх порівняти. Потрібно зазначити, що структурний синтез потребує роботи з невизначеними структурними зв'язками, неметричними атрибутами елементів конструкції та критеріями якості. Цільова функція структурного синтезу не відповідає основним вимогам звичайних методів оптимізації, тому що вона переривчаста або не завжди може бути визначено; вона існує в операторному записі; вона не заснована на аналітичних виразах; вона недиференційована, не унімодальна, невіддільна і не адитивна [4].

Таблиця 3

Характеристики методів морфологічного синтезу

Специфіка завдань структурного синтезу полягає в дискретності змінних та наявності умовно-логічних обмежень. До цього додається необхідність роботи з кількома конфліктуючими критеріями. Суть дослідження проекту полягає у цілеспрямованому зміні значень параметрів для варіантів, що покращують вихідні. Саме поняття «найкращий» у завданнях проекту не визначене та розпливчасте, оскільки низка критеріїв не піддаються кількісній оцінці та/або суперечать один одному. Основні труднощі пошуку ФС пов'язані з невизначеністю результатів через неповну інформацію за критеріями оцінювання [5].

Висновки

В результаті проведених досліджень встановлено, що існуючі методи погано пристосовані для можливості їх використання в складі програмних продуктів для комп'ютерних обрахунків. Однією з головних спільних проблем є відсутність опису інформації, що забезпечує можливість її безпосереднього сприйняття як вхідної інформації для обчислювальної техніки. Для можливості вирішення даної проблеми необхідно провести розробку методів формалізації опису інформації, що використовується для означення структур механізмів.

Перелік джерел посилання

А. Половинкин, Основы инженерного творчества - Санкт-Петербург: Лань, 2019. - 364 с. - (7-е вид., стер.). - (978-5-8114-4603-2)..

Ritchey T. Problem Structuring using Computer-Aided Morphological Analysis // J. Operational Res. Soc. (JORS). 2006. V. 57. № 7

Rakov D.L. Okkam - advanced morphological approach as method for computer aided innovation (CAI) [Електронний ресурс] // MATEC Web of Conferences 298. - 2019. - Режим доступу до ресурсу: https://www.matec- conferences.org/articles/matecconf/pdf/2019/47/matecconf icmtmte18 00120.p df.

B. Garvey, Combining quantitative and qualitative a spects of problem structuring in computational morphological analysis, PhD thesis, Імперський коледж лондона - 2016

Раков Д.Л. Выбор и оценка технологических процессов при помощи

автоматизированной системы поддержки инноваций на базе морфологического подхода [Електронний ресурс]/ Раков Д.Л, Сухоруков Р. Ю., Печейкина М. А. // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2019, № 2, стр. 91-98 Режим доступу: https://sciencejournals.ru/view-

article/?j=pminm&y=2019&v=0&n=2&a=PMiNM1902012Rakov

Размещено на Allbest.ru