Основы проектирования механизмов. Стадии разработки. Конструирование. Оптимизация

Проектированиемназывается процесс разработки комплексной технической документации, содержащей технико-экономические обоснования, расчеты, чертежи, макеты, сметы, пояснительные записки и другие материалы, необходимые для производства машины. По типу изображения объекта различают чертежноеи объемное проектирование;последнее включает выполнение макета или модели объекта. Для деталей машин характерен чертежный метод проектирования.

Совокупность конструкторских документов, полученных в результате проектирования, называется проектом.

Правила проектирования и оформления проектов стандартизованы в Единой системе конструкторской документации (ЕСКД), которая устанавливает пять стадий разработки конструк­торской документации на изделия всех отраслей промышленности, а именно:

техническое заданиеустанавливает основное назначение и технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию;

техническое предложениесовокупность конструкторских документов, содержащих технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации изделия на основании анализа технического задания, сравнительной оценки возможных решений с учетом особенностей разрабатываемого и существующих подобных изделий, а также патентных материалов;

эскизный проект совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальныеконструктивные решения, дающие общие представления об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие его основные параметры и габаритные размеры;

технический проектсовокупность конструкторских документов, содержащих окончательныетехнические решения, дающие полное представление об устройстве изделия и исходные данные для разработки рабочей конструкторской документации.

Разработка технической документациивключает чертежи узлов и деталей, спецификации, технические условия на изготовление, сборку, испытание изделия и др.

В соответствии с разработанной в процессе проектирования конструкторской документацией в дальнейшем создается технологическая документация, которая определяет технологию изготовления изделия.

Конструкторские, технологические, а также нормативно-технические документы (последние включают стандарты всех категорий, руководящие технические материалы, общие технические требования и т.п.) в совокупности составляют техническую документацию, необходимую для организации и осуществления производства, испытаний, эксплуатации и ремонта предмета производства (изделия).

Условия работы деталей машин бывают весьма разнообразными и трудно поддающимися точному учету, поэтому расчеты деталей машин часто выполняют по приближенным, а иногда эмпирическим формулам, являющимся результатом обобщения накопленного опыта проектирования, испытаний и эксплуатации деталей и узлов машин.

В процессе проектирования деталей машин встречаются два вида расчетов, а именно: проектный расчет, при котором обычно определяются основные размеры деталей или узла,проверочный расчет,когда для созданной конструкции определяется, например, значение напряжений в опасных сечениях, тепловой режим, долговечность и другие параметры.

В настоящее время успешно развивается система автоматизации проектирования САПР.

Любое изделие, отвечающее своему назначению, может быть выполнено во многих вариантах. Оптимизация – это выбор наилучшего проектного решения.

Результатом традиционного проектирования является получение лишь работоспособных, но не всегда наилучших вариантов конструкторских решений.

При оптимальном проектировании поиск наилучшего из работоспособных вариантов осуще­ствляется на основе математической теории оптимизации.

Для того чтобы использовать теорию оптимизации на практике, необходимо построить математическую модель объекта проектирования. Моделирование начинается с определения величин, значениями которых можно варьировать (управляемые параметры), а также фиксированных величин. Определение значений управляемых параметров, которым соответствует наилучшее (оптимальное) решение, представляет собой задачу оптимизации.

В реальных условиях на выбор значений управляемых параметров налагаются ограничения. Совокупность этих ограничений определяет так называемое допустимое множество задачи оптимизации.

Разрабатываемые изделия характеризуются определенными свойствами. Свойства, по которымведут оценку при выборе лучшего решения, называются критериями.

Обязательной составной частью математической модели является числовое значение критерия, минимальному или максимальному значению которого (в зависимости от конкретной задачи) соответствует наилучший вариант конструктивного решения. Величина этого критерия является функцией управляемых параметров и называется целевой функцией.

Различают задачи однокритериальные, проводимые по одному обобщенному или доминирую­щему критерию (например, массе), и многокритериальные (задачи векторной оптимизации), проводимые одновременно по нескольким частным критериям.

Обобщенным критерием, к которому следует стремиться, является принцип минимума затраты живого и овеществленного труда при изготовлении и эксплуатации с учетом распределения трудовых затрат по времени, но реализация этого критерия затрудняется его сложностью. Этот критерий применяют также в упрощенной форме:

– для технологических машин в виде минимизации себестоимости единицы продукции;

– для энергетических машин в виде минимизации себестоимости единицы электроэнергии;

– для транспортных машин – минимизации себестоимости перевозки единицы массы грузов на единицу расстояния и т.д.

Важнейшими частными критериями механических конструкций являются:

– минимум массы, отнесенный к единице мощности, или момента, массоподъемности, производительности и т.д.; этот критерий является простым и достаточно эффективным, так как стоимость материала составляет значительную часть стоимости несложных машин;

– минимум объема (габаритов); этот критерий тесно связан с массой;

– жесткость, отнесенная к единице массы, – простейший критерий, эффективный для многих деталей машин и элементов несущих конструкций.

При малом взаимном влиянии частных критериев оптимизации (или его отсутствии) эффективнопроводить оптимизацию, пользуясь комплексным критерием, включающим с разумно выбраннымивесовыми коэффициентами частные целевые функции. Весовые коэффициенты можно устанавливать по экспертным оценкам или по расчетам хорошо зарекомендовавших себя конструкций.