Proces projektowania

Transkrypt

Wszystko trzeba robić tak
prosto, jak to tylko jest możliwe,
ale nie prościej.
Albert Einstein
Mikrus MR 300 – pojazd polskiej konstrukcji, wyprodukowany w
liczbie zaledwie 100 egzemplarzy.
Prekursor metodologii projektowania:
Franz Reuleaux (1829-1905)
Lehrbuch der Kinematik: Theoretische Kinematik.
Grundzüge einer Theorie des Maschinenwesens - 1875
Lehrbuch der Kinematik: Die praktischen Beziehungen der
Kinematik zu Geometrie und Mechanik - 1900.
Franz Reuleaux i jego wkład do przedmiotu
PKM
1877 rok - Franz Reuleaux w książce Briefe aus Philadelphia
Franz Reuleaux porównał ‘tanie i liche’ produkty niemieckich
wytwórców z produktami wytworzonymi przez angielskich i
amerykańskich przedsiębiorców.
Zaproponował on jedną z podstawowych obecnie
ekonomicznych zasad projektowania:
‘kiedy pojawia się konkurencja to powinno się polepszać jakość
a nie zmniejszać cenę’.
Reuleaux wierzył, że oprócz niezbędnej inwencji
twórczej istnieją również naukowe zasady
wspomagające projektowanie nowych maszyn.
Próbował on stworzyć naukowe podstawy
teoretyczne zasad projektowania.
Przeprowadził on klasyfikację maszyn w zależności
od spełnianych zadań oraz sposobu przenoszenia
napędu.
W uzupełnieniu do swojej teorii kinematyki maszyn,
Reuleaux zbudował ponad 800 modeli różnorodnych
mechanizmów.
W jego przekonaniu modele te kodyfikowały elementy
maszyn.
Każdy z tych modeli został opisany w jego książce
Kinematyka Maszyn wraz z zaprezentowaniem
sposobu użycia modelu w nauczaniu kinematyki
maszyn.
Sekwencja fotoujęć ilustruje działanie spiralnej pompy
Cornell kupił w 1882 roku kolekcje modeli
Reuleaux’a w celu nauczania studentów
kinematyki maszyn
Używając idei topologii, Reuleaux rozpatrywał elementy
maszyn jako łańcuch kinematyczny lub układ par połączonych
ze sobą części, w którym ruch każdej części jest ograniczany
przez sąsiednie części łańcucha (pary kinematyczne).
Takie podejście do tego zagadnienia nasunęło mu myśl, że
poszczególne części w takim łańcuchu mogą być
odwzorowane za pomocą zbioru symboli.
Jako pierwszy na świecie użył symboliki do odwzorowania
maszyn.
W odwzorowania maszyn, Reuleaux użył trzech różnych
symboli:
¾ symbole klasy lub nazwy [S – śruba, P – pryzmat, C –
cylinder, K – stożek, G – sfera, itp.],
¾ symbole kształtu [+ pełna bryła, – otwarta bryła, z – ząb,
λ – ciecz, γ – gaz, itp.],
¾ symbole relacji […… powiązanie, _____ powiązanie
bazowe, || równoległe osie, itp.].
Przykładowo, zastosowanie symboli C– i C+ oznacza
odpowiednio otwór cylindryczny w bryle oraz pełny walec.
Najistotniejszy wkład Reuleaux do metodologii projektowania
maszyn to przede wszystkim:
¾ próba sformułowania (wraz z Moll’em) ogólnych zasad
projektowych,
¾ wprowadzenie koncepcji optymalnej konstrukcji, tj.
struktury o takim kształcie, w której wszystkie części
równocześnie osiągają granicę sprężystości,
¾ promowanie idei estetycznego projektowania maszyn,
¾ wygenerowanie szczegółowych zasad projektowych dla
określonych elementów maszynowych,
¾ zdefiniowanie modułów w konstrukcji maszyn w sposób
bardziej czytelny aniżeli to zrobili jego poprzednicy.
Tendencje w projektowaniu maszyn
¾ precyzyjne sterowanie ruchem maszyn
¾ dokładne obróbka powierzchni elementów
maszyn
¾ niezawodność maszyn i systemów
technicznych
¾ maszyny bardzo małych wymiarów
¾ maszyny bardzo dużych wymiarów
¾ maszyny pracujące w ekstremalnych
warunkach
¾ nanotechnologia
¾ zastosowanie nowoczesnych materiałów
roboty wspomagające chirurgię inwazyjną
Dokładność
sterowania ruchem
robota 10 mikronów.
napędy dysków komputerowych o bardzo
dużej pojemności
maszyny do produkcji mikroprocesorów
maszyn
technicznych
warunkach
¾ nanotechnologia
aluminiowe zwierciadła optyczne i soczewki wygładzane do
chropowatości powierzchni Ra= 50 angstromów (5 nm)
formowane asferyczne i sferyczne soczewki
łożyska aerostatyczne i aerodynamiczne
•
prędkość obrotowa 0÷20 000 obr/min
•
prędkość obrotowa 0÷250 000 obr/min
Łożysko powietrzne
Turbine
λ = 405 nm
NA = 0.85
Warstwa 0.1 mm
maszyn
technicznych
warunkach
¾ nanotechnologia
Linie ciągłego odlewania lub walcowania
koszt eksploatacji 10.000 € /h
Linie ciągłego malowania karoserii samochodów
koszt eksploatacji 100.000 € /h
maszyn
technicznych
warunkach
¾ nanotechnologia
Maszyny do obróbki mikroczęści
Wrzeciono napędzane
powietrzem w
zastosowaniu do obróbki
części mikromaszyn:
• maksymalne obroty
80000 obr/min,
• odkształcenie cieplne
w osi Z-axis mniejsze
niż 0,001 mm,
• niewspółśrodkowość
wrzeciona mniejsza
niż 0,002 mm.
Silniki elektryczne (prądu stałego i krokowe)
The diameter and total length of the assembled micro-motor is 1.0 mm and 8
mm (including an adjusting spring), respectively.
MEMS (ang. Micro Electro-Mechanical Systems), lub
też Mikrosystemy - określenie zintegrowanych
układów elektro-mechanicznych, których co najmniej
jeden wymiar szczególny znajduje się w skali mikro
(0,1 - 100 μm).
Różne nazwy dla systemów
mikroelektromechanicznych MEMS:
¾USA – MEMS
¾Europa – Microsystem technology
¾Japonia - Micromachines
MEMS
MEMS są zbudowane z
elementów (czujników,
nastawników, itp.),
których wymiary
zawarte są pomiędzy 1
to 100 mikrometrów, tj.
od 0.001 do 0.1 mm.
Systemy MEMS mają
wymiary w zakresie od
20 mikrometrów (20
milionowa cześć metra)
do 1 milimetra.
Najmniejszy w świecie silnik parowy
Tłoki maja średnice 5 mikronów i aktualnie pracują.
Woda w przestrzeni trzech cylindrów jest podgrzewana przez
prąd elektryczny aż do wyparowania.
Wytworzona para naciska na tłoki.
Siły kapilarne cofają tłoki po zamknięciu dopływu prądu.
MEMS (micro-electro-mechanical-systems)
Micro-assembly of MEMS
NEMS (ang. Nano Electro-Mechanical Systemsokreślenie zintegrowanych układów elektromechanicznych, których co najmniej jeden wymiar
szczególny znajduje się w skali nano (od 1 nm do 100
nm).
Wymiar 10 nm jest 1 000 razy mniejszy niż średnica
włosa człowieka.
najmniejsza gitara świata:
9 długość – 10 μm
9 sześć strun o średnicy 50 nm
(100 atomów)
9 materiał krystalizowany
krzem
Graficzna reprezentacja nanorobota ‘pracującego’ w
naczyniach krwionośnych w celu usunięcia komórek rakowych
maszyn
technicznych
warunkach
¾ nanotechnologia
największe wyzwanie dla większości budowanych
obiektów technicznych
⇓
uzyskanie jak największych osiągów (szybszy, większy,
mocniejszy, itp.).
Ok. 120r.p.n.e. Antypater z
Sydonu, poeta grecki, opisał 7
cudów świata antycznego.
Teoria francuskiej szkoły filozoficznej Port Royal z XVIII
wieku
W swym pełnym wątpliwości spoglądaniu na ludzkość doszła
do konkluzji, iż trzy wartości wpływające zasadniczo na
rozwój historii to:
9władza,
9pieniądze,
9pożądanie.
Petronius
najwyższa
wolnostojąca
Platform
konstrukcja na świecie do
stycznia 2008 roku
Petronius
Platform
Empire State
Building
Wieża
Eiffla
Pałac Kultury i Nauki
w Warszawie
Petronius
Platform
Baldpate
Platform
Bullwinkle
Platform
Troll A
Platform
Gullfaks C
Platform
Największa w świecie ładowarka
Oasis of the Seas
"Oasis of the Seas" - największy i najdroższy statek pasażerski.
Statek kosztował 900 milionów Euro
Jednostka ma 360 m długości - o 22 m więcej niż uważany dotychczas za
największy na świecie "Freedom of the Seas".
Jest szeroki na 47 m, ma 16 pokładów i wystaje na 65 m ponad poziom morza.
"Oasis of the Seas" może zabrać na pokład 6630 pasażerów i 2160 członków załogi.
maszyn
technicznych
warunkach
¾ nanotechnologia
Bardzo duże prędkości
Maglev w Szanghaju
- otwarto w 2004 roku
- odległość do
lotniska (30 km)
- prędkość 430 km/h
pojazd pustynny używany przez Delta Force
maszyn
technicznych
warunkach
¾ nanotechnologia
Nanotechnologia
Wszystko zbudowane jest z
atomów.
Kamień, pióro, gra video, TV,
pies, wszystko składa się z
atomów.
Atomy budują cząsteczki i
tworzą materiały.
Nanotechnologia
Wszystko zbudowane jest z atomów.
Kamień, pióro, gra video, TV, pies, wszystko składa
się z atomów.
Atomy budują cząsteczki i tworzą materiały.
Nanotechnologia zajmuje się manipulowaniem
atomami i cząstkami tak, aby wytworzyć materiały,
urządzenia, a nawet maszyny.
Odkąd tylko ludzie zaczęli “robić przedmioty”, zaczynali od
“dużych rzeczy” (drewno, kamień, rudy metali) aby otrzymać,
albo wydobyć, to co chcemy.
Teraz chcemy zaczynać od “małych rzeczy”
(atomów i cząstek) i złożyć je tak, aby otrzymać to co
chcemy.
Zaczynanie od “dużych rzeczy” oznaczało
wytwarzanie rzeczy z taką precyzją, jaką “byliśmy w
stanie osiągnąć”, ale - jednocześnie - wytwarzanie
dużej ilości odpadów i zanieczyszczeń oraz
zużywanie dużej ilości energii.
Kiedy lepiej opanowaliśmy technologię, precyzja się
poprawiła, odpady i zanieczyszczenia zmniejszyły
się, ale podejście pozostało takie samo.
Zaczynanie od “małych rzeczy” oznacza:
9 dokładność absolutną (co do pojedynczego
atomu !),
9 całkowitą kontrolę procesu (brak odpadów ?),
9 zużywanie mniejszej ilości energii (mniej CO2,
mniejszy efekt cieplarniany).
CO TO JEST NANOTECHNOLOGIA?
Nanotechnologia zajmuje się
manipulowaniem materią w
nano skali tak, aby
wytworzyć nowe materiały,
urządzenia i systemy.
struktury
(np.materiały)
urzadzenia
(np. czujniki)
systemy
(np. NEMS)
maszyn
technicznych
warunkach
¾ nanotechnologia
SILNIKI MOLEKULARNE
Biologiczne nanosilniki molekularne
Rys. 1
W silniku obrotowym
rotor obraca się wewnątrz
pierścieniowego statora
Rys. 2
Rys. 3
Zależność kierunku
Obserwacja obrotu rotora γ, ε, c12
obrotu od syntezy lub
hydrolizy
kompozyty
samolot kompozytowy
wzmocnienia belki teowej
rura z fibrobetonu
Chevrolet Corvette Z51
Lockheed F-117A Nighthawk Stealth Fighter
materiał kompozytowy
(łac. compositus = złożony) - materiał zbudowany z
co najmniej dwóch różnych składników połączonych
na poziomie makroskopowym w celu uzyskania
nowego „lepszego” materiału
historia
Egipcjanie (od ok. 3600 lat p.n.e.) - sklejka
drewniana
Izraelici (od XIII w. p.n.e.) – domy z bloków z
mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską
sierścią
średniowiecze - miecze i tarcze zbudowane z
warstw różnych materiałów
nowoczesne materiały kompozytowe
okres II wojny światowej - włókna szklane
lata 50-te XX wieku - niskomodułowe włókna
węglowe
lata 60-te XX wieku - wysokomodułowe włókna
węglowe
lata 70-te XX wieku włókna aramidowe (KEVLAR)
dlaczego kompozyty ?
doskonałe parametry wytrzymałościowe
i sztywnościowe
doskonałe własności mechaniczne
mały ciężar właściwy
Wypadek Roberta Kubicy przy prędkości 275km/h
składniki kompozytu
faza ciągła - matryca
(osnową)
faza rozproszona zbrojenie
warstwakompozytowa
kompozytowa
warstwa
matryca (osnowa)
włókna
laminatkompozytowy
kompozytowy
laminat
Nanomateriały - wszelkie materiały, w których
występują regularne struktury na poziomie
molekularnym, tj. nie przekraczającej 100
nanometrów.
Zmniejszając rozmiar uporządkowanych struktur
materiałów można uzyskać znacznie lepsze
właściwości fizyko-chemiczne, mechaniczne, itp.
Wiele struktur biologicznych (np. skóra), jest w
istocie rodzajem nanomateriałów.
Nanocząsteczki złota
~ 300 atomów złota
Nanorurki wegla
Nanorurki
Nanorurki - struktury nadcząsteczkowe, mające postać pustych w środku walców.
Współcześnie najlepiej poznane są nanorurki węglowe, których ścianki zbudowane
są ze zwiniętego grafenu (jednoatomowej warstwy grafitu).
Istnieją jednak także nieorganiczne nanorurki (m.in utworzone z siarczku
wolframu) oraz nanorurki utworzone z DNA.
nanorurki węglowe
układ pamięci oparty o nanorurki (2004)
nanorurka węglowa
• moduł Young‘a > 1000
MPa (stal ∼ 200 MPa)
• wytrzymałość na
rozciąganie ∼ 200 GPa
(stal ∼ 1000 MPa)
• sztywność:
porównywalna z
diamentem
Na Tour de France 2006 Floyd Landis korzystał z roweru którego
konstrukcję wzmocniono nanorurkami.
Pozwoliło to zmniejszyć masę ramy roweru do jednego kilograma.
CZĄSTECZKI ZBUDOWANE WYŁĄCZNIE Z ATOMÓW WĘGLA.
MAKROCZĄSTECZKI WIELOWYMIAROWE
Diament
Grafit
(GRAFEN!)
Fulleren
W badaniach w 2006 roku znaleziono nanorurki w stali
damasceńskiej, co mogłoby tłumaczyć jej legendarną
twardość.
Stopy z pamięcią kształtu
Stopy z pamięcią kształtu są to materiały w których zachodzi
odwracalna, termosprężysta, przemiana martenzytyczna.
Powrót elementu do kształtu początkowego, po odkształceniu,
następuje w wyniku wyzwolenia naprężeń wewnętrznych podczas
przemiany odwrotnej w wyniku nagrzewania lub wskutek
zwolnienia naprężenia odkształcającego.
Pierwszy stop z efektem pamięci kształtu odkrył szwedzki badacz
Arne Olader w 1932 r. Był to stop złota z kadmem.
Zjawisko efektu pamięci kształtu zostało wyjaśnione w 1938 r.
Najpopularniejszy stop z efektem pamięci kształtu został odkryty w
1958 r. Był to Nitinol, który nazwę otrzymał od symboli Ni, Ti oraz
placówki gdzie został odkryty (NOL).
Nitinol jest stopem niklu (49-51%) i tytanu (49-51%).
Cykl życia maszyny i jego etapy - przypomnienie
Przygotowanie
produkcji
Generowanie i
identyfikacja potrzeb
Produkcja
Dystrybucja
Eksploatacja
Likwidacja
technologiczność
wytwarzania
podatność
transportowa
niezawodność
recykling
podatność montażowa
przechowalność
naprawialność
podatność na
kasację
inne
inne
inne
inne
właściwości obiektu technicznego
Etap przygotowania produkcji
– stadium cyklu życia maszyny, w którym
decyduje się o jej ostatecznym kształcie,
– następuje szczegółowe odwzorowanie
zamysłu projektanta odnośnie postaci
przyszłej maszyny,
– najczęściej występująca forma przedstawiania
tego zamysłu ⇒ utwór w postaci projektu
konstrukcji, który powstał podczas fazy
projektowania, będącej elementem
składowym tego etapu.
Systemowe ujęcie projektowania dowolnej
maszyny nakazuje równoczesne analizowanie
trzech następujących jego aspektów:
¾podmiotu projektowania
¾przedmiotu projektowania
¾procesu projektowania
podmiot projektowania – osoba
lub zespół ludzi wykonujący lub
mogący wykonać działanie
zwane projektowaniem (ktoś kto
projektuje)
przedmiot projektowania - maszyna, proces,
cecha, itp. (coś co jest projektowane; nie
musi być fizycznie realizowalne)
proces projektowania - zbiór czynności (działań)
podmiotu projektowania nakierowany na przedmiot
projektowania
podmiotu projektowania – osoba lub zespół
ludzi wykonujący lub mogący wykonać
działanie zwane projektowaniem (ktoś kto
projektuje),
przedmiotu projektowania - maszyna, proces,
cecha, itp. (cos co jest projektowane; nie
musi być fizycznie realizowalne).
procesu projektowania - zbiór czynności
(działań) podmiotu projektowania
nakierowany na przedmiot projektowania.
Czynności podmiotu projektowania
skierowanych na przedmiot projektowania
mogą być uporządkowane według:
¾ związku przyczynowego ich wyniku
(uporządkowanie logiczne),
¾ następstwa czasowego ich rzeczywistego
wykonania (uporządkowanie organizacyjne ).
Uporządkowanie procesu projektowania stanowi
jego strukturę.
Struktura taka może być opisywana z różnym
stopniem dokładności.
Klasycznym opisem uznawanym przez
projektoznawców jest opis podany przez Asimowa,
składający się z uporządkowanych kroków
wykonywanych wg jednolitego schematu.
Wyniki‘i-1’ego
kroku
i-1 krok
Powtórz
i krok
NIE
Proces przetwarzania
informacji i-tego kroku
Żródło
informacji
i-tego kroku
i+1 krok
Decyzja
TAK
Wyniki i-tego
kroku
do i+1
kroku
Jednym z typowych wielokrotnie powtarzających się
działań wykonywanych w procesie projektowania jest
podejmowanie decyzji.
Proces wyboru decyzji może przebiegać różnymi
sposobami:
¾ wskazanie decyzji ad hoc przez projektanta na
podstawie jego wiedzy, doświadczenia i intuicji,
¾ wskazanie decyzji na podstawie badań, analizy
informacji lub modelu podejmowania decyzji
jednoznacznie określającego zależność między
przyjęciem decyzji a jej wynikiem.
Proces projektowania można rozpatrywać z wielu
punktów widzenia, m.in. w zależności od:
¾ poziomu innowacyjności,
¾ charakteru wykonywanych czynności,
¾ stopnia konkretyzacji.
Poziom innowacyjności:
¾ projektowanie rutynowe,
rutynowe
¾ projektowanie innowacyjne,
innowacyjne
¾ projektowanie kreatywne.
kreatywne
Podstawowe powody stosowania
innowacyjności podczas projektowania:
– uproszczenie złożonych mechanizmów,
– poszerzenie charakterystyk.
projektowanie rutynowe - komponowanie
maszyny z elementów znormalizowanych lub
należących do określonych typoszeregów
Schemat instalacji obiegowego smarowania przekładni
projektowanie innowacyjne - wprowadzanie
zmian w strukturze określonego węzła
konstrukcyjnego maszyny
Innowacja (łac. innovatio - odnowienie).
Innowacyjność - termin ten wiąże się z wprowadzeniem
czegoś nowego, nowatorstwem, ulepszeniem.
Za innowacyjne uznaje się wszystkie ulepszenia, jak i
tworzenie zupełnie nowych rzeczy, zjawisk lub wartości.
Innowacje mogą dotyczyć zarówno najwyższych technologii,
jak i elementów życia codziennego.
Nieudane próby zbudowania maszyny
do szycia - XVIII wiek.
Pierwsze zastosowanie praktyczne maszyna do szycia francuskiego krawca
Barthelemy Thimonniera, który w 1830
roku opatentował swój wynalazek.
Jego maszyna była ciężka, z igłą
pracującą w pozycji horyzontalnej, bo
tak od tysiącleci szyły kobiety, rwąca i
plącząca nić, co stanowiło jej
największą wadę.
Amerykanin Isaac M. Singer wpadł na
pomysł, iż igła powinna chodzić z góry
na dół, że inaczej trzeba ustawić
czółenka, a w ogóle całe urządzenie
musi być względnie tanie, łatwo
dostępne i tak proste, aby można
posługiwać się nim w domu.
projektowanie kreatywne - całkowita zmiana w
koncepcji realizacji określonych funkcji
szyna zasilająca
ze sterownikiem
podwójny układ
zasilający w paliwo i olej
zintegrowany
automatyczny filtr oleju
układ zasilający
pompa paliwowa
pompa olejowa
czujnik położenia wału
Silnik typu Flex jest oparty na technologii common-rail (potocznie wysokociśnieniowe sterowanie wtryskiem paliwa)
Konwencjonalne torpedy nie są w stanie
poruszać się szybciej w środowisku
wodnym, barierą jest tu opór wody.
Nowoczesne torpedy osiągają prędkości od
30 do 55 węzłów.
Ciecz zawsze będzie stawiać większy opór
niż powietrze, nawet dowolne zwiększanie
mocy urządzeń napędowych nic tu nie
zmieni.
Rewolucją okazała się tu dopiero kawitacja.
Jest to zjawisko powstawania w cieczy tzw.
"dziur" lub "bąbli" które mogą być wypełnione
parą lub gazem na skutek miejscowego
spadku ciśnienia.
Torpeda superkawitacyjna po wystrzeleniu z
wyrzutni porusza się w wodzie, w otoczeniu
bąbli powietrza które ułatwiają poruszanie
się torpedy.
Rosjanie uważają że ich torpeda typu
Szkwał osiąga prędkość ponad 200 węzłów.
Charakter czynności wykonywanych
prac projektowych:
¾ projektowanie konceptualne
¾ projektowanie szczegółowe
projektowanie konceptualne ⇒ wyznaczanie i dobór
sposobów działania maszyny oraz wyznaczanie jej
koncepcji konstrukcyjnej
Ms
I1; M1
I2; M2
Ms
1
13
1
3
2
3
4
6
2
7
8
12
B
A
B-B
A
B
Szczegół
A-A
5
9
11
10
projektowanie szczegółowe (konstruowanie) ⇒
dobór cech konstrukcyjnych i ich weryfikacja
zgodnie z przyjętymi założeniami
Stopień konkretyzacji:
1. Założenia konstrukcyjne ⇒ uściślenie
sformułowania zadania.
2. Projektowanie koncepcyjne ⇒ wybór optymalnej
koncepcji działania maszyny.
3. Projektowanie konstrukcyjne ⇒ dobór cech
(właściwości) projektowanej maszyny.
4. Projektowanie realizacyjne ⇒ uzupełnienie
projektu różnymi rysunkami, przepisami, itd.
Założenia konstrukcyjne
Głównym celem założeń konstrukcyjnych
jest:
sformułowanie podstawowych założeń
techniczno-ekonomicznych projektowanej
maszyny,
sformułowanie podstawowych funkcji
realizowanych przez maszynę,
opracowane listy wymagań projektowych
czyli tzw. specyfikacji projektowej.
W celu sformułowania założeń technicznoekonomicznych
należy
rozpatrzyć
w
pierwszej kolejności tzw. racje istnienia
maszyny,
maszyny tj.:
¾ celowości technicznej,
¾ celowości technologicznej,
¾ celowości ekonomicznej.
⇓
¾ po co to robimy?
¾ czy jesteśmy w stanie to wykonać?
¾ czy nam się to opłaca?
W celu sformułowania podstawowych
funkcji maszyny, projektant powinien
określić
główne
elementy
założeń
konstrukcyjnych:
¾ dane sytuacyjne,
¾ dane ilościowe,
¾ opis istoty działania.
Zarówno założenia techniczno-ekonomiczne jak
podstawowe funkcje maszyny powinny być
sformułowane w postaci wymagań projektowych.
projektowych
Wymagania te mogą być przedstawione jako:
¾ żądania,
dania które należy spełnić bez względu na
okoliczności
¾ życzenia,
yczenia które powinny być uwzględnione w
miarę istniejących możliwości.
Formułowanie problemu
projektowego
Wstępna identyfikacja
potrzeb
Potrzeby użytkownika?
Konkurencyjność?
przeszukiwanie
informacji
Wymagania? Cele?
Ograniczenia?
Kryteria oceny?
interpretacja
wyników
PROCES FORMUŁOWANIA
ZAŁOŻEŃ TECHNICZNYCH
literatura przedmiotowa,
przeglądy, badanie
rynku, obserwacje,
porównania z analogami
wybór założeń
konstrukcyjnych
decyzja
tak
Projektowanie
koncepcyjne
nie
Projektowanie koncepcyjne
Projektowanie koncepcyjne ⇒ część czynności
procesu projektowania, w której po sformułowaniu
zadania zostaje określony sposób rozwiązania zadania.
Pierwszy twórczy zabieg procesu projektowania ⇒
stworzenie koncepcji jako pewnej wizji projektowanej
maszyny.
Koncepcja zostanie wykreowana wówczas, gdy
zgodnie z przyjętą w założeniach konstrukcyjnych istotą
działania, pojawi się zarys struktury projektowanej
maszyny.
Zarys tej struktury może być uzyskany w wyniku:
¾ odwzorowania rozwiązań analogicznych,
¾ doskonalenia istniejących rozwiązań,
¾ wymyślania nowych rozwiązań.
odwzorowanie maszyn analogicznych
doskonalenia istniejących rozwiązań
poszukiwania zupełnie nowych rozwiązań opartych na
znanych prawach fizyki
1. Battery
2. Microchip circuit makes quartz crystal oscillate
3. Microchip circuit detects the crystal's oscillations
and turns them into regular electric pulses
4. Electric pulses drive miniature electric stepping
motor.
5. Electric stepping motor turns gears.
poszukiwanie zupełnie nowych rozwiązań opartych na
znanych prawach fizyki
Vitruvius; nachylenie akweduktu nie mniejsze niż 0,34 m
na 1 km jego długości .
Tworzenie koncepcji
Wyobraźnia jest
ważniejsza od wiedzy.
Albert Einstein
Zasady tworzenia koncepcji
Zasada 1. Unikaj za wszelką cenę krytycyzmu podczas generowania
koncepcji
Zasada 2. Korzystaj z doświadczenia innych – my nie możemy dziedziczyć
geniuszu Leonarda ale możemy czytać jego dzieła.
Zasada 3. Wzoruj się na dobrych sprawdzonych metodach – możesz
zastosować sprawdzone metody w celu zwiększenia swoich możliwości
twórczych
Zasada 4. Musisz być pozytywnie nastawiony – ty możesz wygenerować
koncepcję
Zasada 5. Korzystaj ze swojej wiedzy – zrozumienie problemu pozwoli ci go
rozwiązać
Zasada 6. Musisz włożyć swój wysiłek – Edison zauważył, że:
‘Inwencja to tylko 1% inspiracji twórczej a pozostałe 99% to pot’
pot
Wszystkie zasady wynikają z umiejętności a doskonali się je tylko w
praktyce.
Tworzenie koncepcji
Zasada 1. Unikaj za wszelką cenę krytycyzmu podczas generowania
koncepcji
Tworzenie koncepcji
Zasada 2. Korzystaj z doświadczenia innych – my nie możemy dziedziczyć
geniuszu Leonarda ale możemy czytać jego dzieła.
Tworzenie koncepcji
Zasada 3. Wzoruj się na dobrych sprawdzonych metodach – możesz
zastosować sprawdzone metody w celu zwiększenia swoich możliwości
twórczych.
Tworzenie koncepcji
Zasada 4. Musisz być pozytywnie nastawiony – ty możesz wygenerować
koncepcję
Tworzenie koncepcji
Zasada 5. Korzystaj ze swojej wiedzy – zrozumienie problemu pozwoli ci go
rozwiązać
Tworzenie koncepcji
Zasada 6. Musisz włożyć swój wysiłek – Edison zauważył, że:
‘Inwencja to tylko 1% inspiracji twórczej a pozostałe 99% to pot’
pot
W poszukiwaniu koncepcji rozwiązania
mogą być pomocne wszelkiego rodzaju
metody wspomagające ich uzyskanie, takie
jak np.
¾ burza mózgów,
¾ agregacja,
¾ kombinowanie z interakcją,
¾ metoda delficka,
¾ inkubacja,
¾ macierz morfologiczna,
morfologiczna
¾ wiele innych.
burza mózgów
(grupowe myślenie spontaniczne) wymyślił w 1936
roku Alex Osborn.
Składa się ona z dwu zasadniczych etapów: sesji
twórczej oraz sesji oceniającej.
W czasie sesji twórczej obowiązują cztery zasady:
¾ liczy się liczba pomysłów,
¾ brak krytyki,
¾ pomysły podane przez innych mogą być pochwycone i
rozwijane,
¾ rozwiązania niekonwencjonalne są dobre (brak logiki i
realizmu).
inkubacja
Projekt Manhattan (ang. Manhattan Project) – skrócona nazwa od
Manhattan Engineering District - kryptonimu amerykańskiego programu
budowy bomby atomowej.
Badania prowadzono w 3 ośrodkach: w Columbia University w Nowym
Jorku, uniwersytecie w Chicago i uniwersytecie stanu Kalifornia, konstrukcję
bomby opracowano w Los Alamos;
W 1945 roku w ramach Projektu Manhattan wyprodukowano pierwszą
amerykańską bombę atomową.
W sierpniu tego samego roku podobna konstrukcja została wykorzystana
przeciwko Japonii (6 sierpnia Hiroshima, 9 sierpnia Nagasaki).
Według szacunków siła wybuchu ładunku plutonu wykorzystanego w bombie
nie miała przekroczyć 500 ton trotylu (inaczej TNT). W trakcie wybuchu
odnotowano siłę odpowiadającą wybuchowi 18 600 ton TNT.
W projekcie brali udział m.in.:
Luis Alvarez (noblista 1968)
Hans Bethe (noblista 1967)
Enrico Fermi (noblista 1938)
Emilio Segrè (noblista 1959)
Richard Feynman (noblista 1965)
Józef Rotblat (noblista 1995)
Owen Chamberlain (noblista 1959)
Edward Teller
J. Robert Oppenheimer
Niels Bohr - noblista 1922
Albert Einstein - noblista 1921
Erwin Schroedinger - noblista 1933
Otto Stern - noblista 1943
macierz morfologiczna
Istota analizy morfologicznej polega na
1. Rozbiciu obiektu na elementy składowe i określenie
wszystkich opisujących te elementy parametrów,
atrybutów, cech itd. Terminy mogą się różnić w zależności
od dziedziny wiedzy.
2. Stworzeniu listy parametrów.
3. Ustaleniu zbioru możliwych wartości parametrów. Zbiór
zawiera skończoną ilość elementów. Elementy mogą być
liczbami, przedziałami liczb, przymiotnikami, itd.
4. Analizie wszystkich kombinacji tych wartości, poszukiwanie
i wybór takich powiązań, które rozwiązują problem.
Wyobraźmy sobie, że chcąc skonstruować zawór dla
popularnych cieczy, stworzyliśmy listę parametrów i
wybraliśmy ich wartości.
1. Rodzaj energii napędzającej zawór: {mięśnie rąk, mięśnie nóg,
mechanicznie, elektrycznie, hydraulicznie, pneumatycznie}
2. Sposób wykonania czynności: {naciskać, ciągnąć, pchać, suwać,
obracać}
3. Kształt zaworu: {walec, kula, stożek, nieregularny, zmienny}
4. Materiał zaworu: {stal, miedź, mosiądz, złoto, tworzywo sztuczne,
szkło, porcelana, żywa substancja}
5. Kształt uchwytu: {krzyżakowy, cylindryczny, kwadratowy, stożkowy}
6. Materiał uchwytu: {stal, miedź, mosiądz, złoto, tworzywo sztuczne,
szkło, drewno}
Tabela 1.
Macierz odkrycia dla parametrów: „rodzaj energii napędzającej zawór” i „sposób wykonania czynności”
Sposób wykonania czynności
Rodzaj
energii
napędzającej
zawór
mięśnie rąk
naciskać
mięśnie rąk
ciągnąć
mięśnie rąk
pchać
mięśnie rąk
suwać
mięśnie rąk
obracać
mięśnie nóg
naciskać
mięśnie nóg
ciągnąć
mięśnie nóg
pchać
mięśnie nóg
suwać
mięśnie nóg
obracać
mechanicznie
naciskać
mechanicznie
ciągnąć
mechanicznie
pchać
mechanicznie
suwać
mechanicznie
obracać
elektrycznie
naciskać
elektrycznie
ciągnąć
elektrycznie
pchać
elektrycznie
suwać
elektrycznie
obracać
hydraulicznie
naciskać
hydraulicznie
ciągnąć
hydraulicznie
pchać
hydraulicznie
suwać
hydraulicznie
obracać
pneumatycznie
naciskać
pneumatycznie
ciągnąć
pneumatycznie
pchać
pneumatycznie
suwać
pneumatycznie
obracać
Tabela 2.
Macierz odkrycia dla wstępnych iloczynów morfologicznych wybranych z tabeli 1 i „kształtu zaworu” jako kolejnego parametru
Kształt zaworu
hydraulicznie
ciągnąć
hydraulicznie
ciągnąć
walec
hydraulicznie
ciągnąć
kula
hydraulicznie
ciągnąć
stożek
hydraulicznie
ciągnąć
nieregularny
hydraulicznie
ciągnąć
zmienny
elektrycznie
suwać
elektrycznie
suwać
walec
elektrycznie
suwać
kula
elektrycznie
suwać
stożek
elektrycznie
suwać
nieregularny
elektrycznie
suwać
zmienny
elektrycznie
obracać
elektrycznie
obracać
walec
elektrycznie
obracać
kula
elektrycznie
obracać
stożek
elektrycznie
obracać
nieregularny
elektrycznie
obracać
zmienny
hydraulicznie
obracać
hydraulicznie
obracać
walec
hydraulicznie
obracać
kula
hydraulicznie
obracać
stożek
hydraulicznie
obracać
nieregularny
hydraulicznie
obracać
zmienny
pneumatycznie
obracać
pneumatycznie
obracać
walec
pneumatycznie
obracać
kula
pneumatycznie
obracać
stożek
pneumatycznie
obracać
nieregularny
pneumatycznie
obracać
zmienny
E lement
napędzający
Brak
E lement po średniczący
C ylindrycz
D ysk p łask i
Sferyczny
ny
D ysk p łaski
T oro idalny
Stożko w y
niezgodność
brak zmiany
przełożenia
brak zm iany
przełożenia
brak zm iany
przełożenia
brak zmiany
przełożenia
niezgodność
brak zmiany
przełożenia
T oroidaln y
niezgodność
niezgodność
niezgodność
niezgodność
niezgodność
Stożko w y
brak zm iany
przełożenia
C ylindryczny
Sferyczny
niezgodność
Projektowanie konstrukcyjne
Projektowanie konstrukcyjne ⇒
przypisywanie cech konstrukcyjnych do
projektowanej maszyny.
Cechy konstrukcyjne:
¾ cechy geometryczne
¾ cechy materiałowe
¾ cechy dynamiczne
cechy geometryczne: wymiary, kształt,
tolerancje, pasowania, stan powierzchni, itp.
cechy materiałowe: masa, struktura
materiału, wytrzymałość, wskaźniki
fizykochemiczne (gęstość, lepkość), itp.,
cechy dynamiczne: obciążenia, naprężenia,
napięcia wstępne, itp.
Dobór poszczególnych cech
konstrukcyjnych musi być zgodny z tzw.
zasadami konstrukcji.
konstrukcji
Rozróżnia się następujące zasady
konstrukcji:
9 szczegółowe zasady konstrukcji
9 ogólne zasady konstrukcji
Szczegółowe zasady konstrukcji
¾ podstawowe zasady konstrukcji (zawsze
powinny być uwzględniane w projekcie)
¾ pomocnicze zasady konstrukcji (powinny
być uwzględniane w projekcie w miarę
istniejących możliwości - estetyka,
możliwość wykorzystania materiałów
rodzimych.
Podstawowe zasady konstrukcji
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
funkcjonalność,
trwałość,
niezawodność,
sprawność,
lekkość,
taniość i dostępność materiałów (zasada
optymalnego tworzywa),
właściwy układ przenoszenia obciążenia (zasada
optymalnego obciążenia),
technologiczność wytwarzania,
łatwość eksploatacji,
ergonomiczność,
zgodność z obowiązującymi przepisami.
Funkcjonalność
Funkcjonalność ⇒ poprawne spełnienie przez maszynę
funkcji, do których spełnienia jest ona przeznaczona.
Funkcje maszyny:
¾ podstawowe – są niezbędne do działania maszyny
¾ podrzędne – nie są niezbędne do działania maszyny
¾ zbędne - są, ale nikt ich nie oczekuje
zbędne
(wydziela ciepło)
PRZYKŁAD: Lodówka
podrzędne
(kostkarka do lodu)
podstawowa
(ma chłodzić)
Funkcje są określane przez zadania, które maszyna ma
wykonać, oraz parametry techniczne, takie jak: moc,
prędkości obrotowe, udźwig, itp.
Zasada funkcjonalności musi być bezwzględnie spełniona.
Trwałość
Trwałość (w sensie opisowym) ⇒ właściwość maszyny do
pozostawania w stanie zdolności do poprawnej pracy z
koniecznymi przerwami na obsługę zapobiegawczą lub
naprawczą aż do chwili osiągnięcia stanu granicznego.
Stan graniczny może być związany z nadmiernym
zużyciem, pęknięciem, zbyt dużym luzem, itp.
Typowym przykładem zespołu maszynowego o zdanej
trwałości są łożyska toczne.
Niezawodność
Niezawodność (w sensie opisowym) ⇒ właściwość
maszyny poprawnej pracy do wystąpienia
uszkodzenia w określonych warunkach pracy.
Sprzęgło
Silnik
Przekładnia
Uszczelnienie
Łożysko
Jeżeli warunki pracy ulegną zmianie to zmieni się również niezawodność
Sprawność
Sprawność ⇒ stosunek energii efektywnie
zużytkowanej w maszynie do energii
doprowadzonej.
Zmniejszenie zużycia energii wymaga
zwiększenia sprawności maszyn a to z kolei
wymaga zmniejszenia oporów w jej węzłach.
Można to uzyskać dwiema drogami:
¾ poprzez dobór odpowiednich parametrów
(charakterystyk) konstrukcyjnych maszyny
¾ poprzez dobór odpowiednich warunków tarcia
w węźle maszyny
dobór odpowiednich parametrów charakterystyk)
konstrukcyjnych maszyny, np. kąta pochylenia linii
śrubowej, odpowiedniej temperatury pracy maszyn, itp.,
γ
100
η [%]
80
60
50
40
20
0
0
γ
10º
20º
30º
40º
kąt pochylenia gwintu
γ
50º
poprzez dobór odpowiednich warunków tarcia w
węźle maszyny, np. zapewnienie odpowiedniej
gładkości trących elementów, dobór odpowiednich
materiałów i odpowiedniego smarowania
Lekkość maszyny
Lekkość maszyny związana jest z koniecznością
zmniejszenia zużycia materiału.
Uzyskuje się ją poprzez właściwe wykorzystanie
materiału, ukształtowanie części, i odpowiedni dobór
materiałów.
Może to się wiązać jednocześnie ze zmniejszeniem
trwałości i niezawodności w wyniku zwiększenia
obciążeń oraz ze wzrostem kosztów wywołanych
użyciem drogich materiałów i kosztowniejszych metod
wytwarzania.
Naprężenia zginające
σ=
Mg
Wx
σ - naprężenia zginające,
Mg – moment gnący (obciążenie),
Wx – wskaźnik przekroju poprzecznego na zginanie
zaginanego elementu .
Wskaźnik Wx charakteryzuje sztywność zginanego
elementu.
Wskaźnik Wx dla przekroju prostokątnego:
2
b⋅h
Wx =
6
h
h
b
b
decyduje o sztywności zginanego elementu
h
Naprężenia skręcające
Ms
τ=
Ws
τ - naprężenia zginające,
Ms – moment skręcający (obciążenie),
Ws – wskaźnik przekroju poprzecznego na skręcanie
skrecanego elementu .
Wskaźnik Ws charakteryzuje sztywność skręcanego elementu.
τ max
M
⇒
M
ρ
Wskaźnik Ws dla przekroju kołowego:
pełnego
Ws =
drążonego
πd
3
16
Ws =
π (D − d
4
16 D
d
D
d
4
)
Taniość i dostępność materiałów
Dobierając materiały, należy uwzględnić te, które
spełniają wymagania wytrzymałościowe i
technologiczne, a spośród nich wybrać możliwie
najtańsze, jednocześnie dostępne na rynku.
Istnieje duża różnorodność tworzyw konstrukcyjnych,
mających różne właściwości fizyko-chemiczne
(wytrzymałość, odporność na zużycie, właściwości
cierne, zdolność pochłaniania drgań) oraz
technologiczne (obrabialność, tłoczność, spawalność).
Właściwy układ przenoszenia
obciążenia
Właściwy układ przenoszenia obciążenia ⇒
dobór schematu konstrukcyjnego maszyny do
danego układu przenoszenia obciążeń.
Można to uzyskać poprzez m.in.:
a) zapewnienie równomierności rozkładu obciążeń
i naprężeń,
b) podział obciążenia na większą liczbę
elementów,
c) wprowadzenie obciążeń wstępnych.
Właściwy układ
przenoszenia obciążenia
a) zapewnienie równomierności rozkładu naprężeń –
belka równej sztywności
b) podział obciążenia na większą liczbę elementów
W
S
J
C
c) wprowadzenie obciążeń wstępnych
a)
b)
c)
d)
P<1000 N
1000 N
P>1000 N
Technologiczność wytwarzania
(konstrukcji)
Technologiczność konstrukcji ⇒ zespół cech
konstrukcyjnych określonego elementu umożliwiających
łatwe wykonanie go w danych warunkach produkcyjnych.
Decydują o tym informacje przekazywane przez
projektanta, głównie za pomocą rysunku technicznego
(materiały, ich wymiary, kształt, dokładność i jakości
powierzchni, twardość, itp.
Projektant podając te informacje, powinien uwzględnić nie
tylko wymagania wynikające z zadań, jakie ma spełnić
dany element maszyny (maszyna), ale również
wymagania wynikające z warunku technologiczności
konstrukcji.
Należy przewidzieć optymalny w danym przypadku
materiał i proces technologiczny, jaki będzie zastosowany
przy wytwarzaniu projektowanego elementu.
Łatwość eksploatacji
Łatwość eksploatacji ⇒ przez prostota
obsługi i łatwość napraw.
Łatwość obsługi, wygodny dostęp do
punktów smarowania oraz do elementów
wymagających
regulacji
skraca
czas
pomocniczy pracy maszyny i pozwala na jej
bardziej ekonomiczne wykorzystanie.
Łatwość napraw skraca czas przestoju
maszyn.
RAH-66 Comanche
Maintainability Comanche will be easily sustained, will require fewer personnel
and support equipment, and will provide a decisive battlefield capability in day,
night and adverse weather operations. Comanche has been designed to be
exceptionally maintainable and easily transportable. Through its keel-beam
construction, numerous access panels, easily accessible line-replaceable
units/modules and advanced diagnostics, the RAH-66 possesses "designed-in"
maintainability. Comanche aircraft will be able to be rapidly loaded into or
unloaded from any Air Force transport aircraft.
Ergonomiczność
Ergonomiczność ⇒ dostosowanie maszyny
do potrzeb i możliwości obsługującego ją
człowieka.
Należy zapewnić konieczne bezpieczeństwo
i wygodę obsługi.
Zagrożenia mogą prowadzić do chorób
zawodowych lub skażenia środowiska.
90-110’
<90’
90-110’
<90’
90-110’
Zgodność z obowiązującymi
przepisami i normami
Zgodność z obowiązującymi przepisami i
normami wymagana jest poprzez
uregulowania prawne.
Stosowanie norm uzasadnione jest przy tym
względami ekonomicznymi.
Stosowanie norm na elementy ułatwia
proces konstruowania, wytwarzanie oraz
wymienność elementów w procesie
eksploatacji
Uregulowania prawne te mogą mieć
charakter:
– lokalny,
lokalny np. przepisy nadzoru technicznego,
budowlanego, górniczego, instytucji
klasyfikacyjnych,
– ogólnokrajowy,
lnokrajowy np. normy państwowe i
branżowe,
– międzynarodowy,
dzynarodowy np. normy ISO
(International Organization for
Standardization), normy IEC (International
Electrotechnical Commission), konwencje
międzynarodowe SOLAS, MARPOL.
Ogólne zasady konstrukcji tworzą ogólną
koncepcje projektowania.
Istnieją dwie ogólne zasady konstrukcji:
1. Konstrukcja powinna spełniać wszystkie
podstawowe wymagania, wynikające ze
szczegółowych zasad konstrukcji w stopniu równym
lub wyższym od założonego.
2. Konstrukcja powinna być optymalna (polioptymalna)
w danych warunkach ze względu na przyjęte
kryterium optymalizacji.
1. Konstrukcja, która spełnia pierwsza
zasadę, jest konstrukcja dobrą (poprawną).
Zwykle istnieje zbiór konstrukcji dobrych.
2. Konstrukcja spełniająca zasadę drugą jest
konstrukcją optymalną (polioptymalną) ze
względu na przyjęte kryterium
optymalizacji (lub wiele kryteriów w
przypadku optymalizacji wielokryterialnej)
Z tak sformułowanych ogólnych zasad
konstrukcji wynikają istotne wnioski.
¾ po pierwsze, że nie może istnieć
nieskończenie wiele konstrukcji
dobrych, przy czy pojęcie konstrukcja
dobra jest względna.
¾ po drugie, to konieczność poszukiwania
konstrukcji możliwie najlepszej, tzn.
optymalnej ze względu na przyjęte
kryterium optymalizacji.
Projektowanie realizacyjne
Projektowanie realizacyjne - część procesu projektowania, w
którym uzupełnia się projekt utworu technicznego:
9 ostatecznymi przepisami dotyczącymi układu elementów,
9 kształtu części,
9 rozmiarów części,
9 własności powierzchni części.
rozmiar części
z obliczeń wałka:
∅58
łożysko dostępne
(zgodne z normami):
6212 2Z
to oznacza średnicę
wewnętrzną łożyska ∅60
kształt części
podcięcie
obróbkowe
własności powierzchni części
tarcza
szlifierska
szlifować
O,63
W tej fazie projektowania formułuje się m.in.
ustalenia dotyczące rodzajów materiałów,
kontroli i możliwości wytwarzania,
dostarcza się materiały dokumentacyjne w postaci
rysunków lub innej formie w celu materialnego
urzeczywistnienia projektu.
Również faza przygotowania projektu
realizacyjnego wymaga koncentracji uwagi
inżyniera projektującego.
Decyduje on bowiem o pracach rozwojowych, a
jego pierwotne, koncepcje i zamiary nie powinny
ulec podczas dalszych działań rozmyciu i
zniekształceniu.
Nieporozumieniem byłoby założenie, że opisanie
części jest podrzędnym i niezbyt ważnym lub mniej
interesującym zadaniem.
Etapy cyklu życia maszyny a swoboda projektowania, koszt
oraz ‘wydatkowana’ wiedza
100%
Procent całości
Koszt
0%
Swoboda
projektowa
nia
Wiedza
Projektowanie konceptualne
Projektowanie konstrukcyjne
Czas realizacji projektu
Wytwarzanie
Zarządzanie projektem, np. budowlanym

Proces projektowania

Transkrypt

Podobne dokumenty

Drukuj ofertę

Fiat 600 - AUTO

formulowanie, wynajdywanie i rozwi^zywanie problem6w w