Технические науки /3. Отраслевое машиностроение

Асп. Борисова М.С., д.т.н. Гусаров А.В.

Московский государственный университет дизайна и технологии, Россия

Инвариантное моделирование технических систем

Как известно, технические продукты являются следствием потребностей людей, окружающей среды и требований уже существующей техники [1,2]. Поэтому целый ряд отраслей промышленности производит широкий спектр предметов массового спроса с помощью технологического оборудования различного целевого назначения. Создание и совершенствование такого оборудования в экономически оправданные сроки требует привлечения алгоритмического проектирования, современных информационных технологий и достижений в области мехатроники.

В сложившихся обстоятельствах специалисты в области прогнозирования развития, проектирования, изготовления и эксплуатации оборудования сталкиваются с серьёзными трудностями, поскольку они вынуждены работать с практически необозримым фондом узкоспециализированных методов и объектноориентированных моделей производственных процессов, машин, механизмов и приборов.

Предпосылки инвариантного моделирования. Еще в 1873 г. Максвелл отметил идентичность математических моделей механической колебательной системы и электрической цепи.

На появление, развитие и использование аналогово-цифровых вычислительных комплексов существенное влияние оказали элементарные типовые аналогии. Типовые линейные модули позволяют проводить исследование и оптимизацию достаточно сложных динамических систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями.

Все многообразие технологических процессов и оборудования в промышленности может быть описано при помощи ограниченного числа операторов. Это обстоятельство имеет особое значение для разработчиков технологического оборудования, поскольку оно активно оснащается гидравлическими, пневматическими, электронными устройствами и механизмами. Такой междисциплинарный инструментарий дает возможность формировать произвольные структуры технических систем, исходя из единых методологических посылок. Формализация технологических процессов, принципов действия машин, механизмов и устройств требует математического описания систематизированных эффектов. Современные базы данных ВУЗов, НИИ, КБ, фирм насчитывают тысячи эффектов и постоянно пополняются.

Математические модели эффектов можно существенно «уплотнить». Из фондов эффектов выделяется достаточно большая группа, описываемая идентичными уравнениями.

Структурно-логические модели. Если рассмотреть структуру того или иного физического оператора, то не всегда наблюдается однородность в математическом описании явлений. Вместе с тем, в настоящее время известен целый ряд идентичных «плоских» или «пространственных» структурно-логических моделей, предназначенных для описания механических, гидравлических, пневматических, электронных и других систем.

С целью компактного представления этих моделей можно воспользоваться одним из языков логических схем. Физические операторы обозначаются посредством символов и выражений концептуальной алгебры. [1].

Междисциплинарные обобщенные модели. Формализованные описания с «избытком» или «недостатком».

Известно, что в процессе создания, совершенствования и изучения технических систем пользователи и разработчики стоят перед необходимостью работы с формализованными описаниями не только оборудования, но соответствующих технологических процессов и материалов. При работе с большим числом громоздких выражений это создает определенный дискомфорт и сопряжено с существенными затратами времени на подготовку необходимой документации. Задача существенно упрощается, если воспользоваться обобщенными моделями, оформленными в виде некоторых макропоследовательностей. По мере необходимости можно создавать междисциплинарные макропоследовательности. Подобные междисциплинарные макропоследовательности могут привлекаться при описании объектов и процессов химической, микробиологической, пищевой, текстильной, легкой и других отраслей промышленности.

В ходе создания конкретной макропоследовательности пользователь может формировать обобщенную модель «с избытком» или «с недостатком». В первом случае задача пользователя, как правило, сводится к удалению лишних символов. Если мы имеем дело со вторым случаем, то здесь пользователь наряду с удалением символов должен привлекать дополнительные средства соответствующего текстового процессора. Рациональное содержание модуля выбирается пользователем, исходя из конкретных условий и своей профессиональной подготовки.

Конечно, пользователь или разработчик (конструктор) имеет возможность создавать и эффективно применять для различных целей не только текстовые, но и графические, а также комбинированные междисциплинарные обобщенные модели - «кентавры».

Развитие современного общества тесно связано с разработкой новых конкурентоспособных технических продуктов. Известно, что время, необходимое для создания новых изделий уменьшается в два раза каждые двадцать пять лет. Разнообразие объектов проектирования удваивается через каждые десять, а сложность технических систем по числу комплектующих элементов – через пятнадцать лет. В целом объем работ, связанных с поиском новых технических решений возрастает в 10 раз каждые десять лет. Многие отрасли промышленности развиваются сверхвысокими темпами. Проектные задачи становятся труднообозримыми. Об этом свидетельствуют многочисленные публикации в различных источниках информации.

А так же современный инженер должен иметь ввиду, что многие успешные предприятия имеют глубокую диверсификации производства.

Принимая во внимания изложенное, можно утверждать - инструментарий обобщенного моделирования может быть полезен читателям, которые связаны с решением проектно-конструкторских, производственных других инженерных задач.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Fukin W.A., Koller R., Gusarow A.W. u.a. Allgemeine Konstruktionstechnik, Methode zur Modellierung und Optimierung technischer Systeme. 2., vollig neubearbeitete und erweiterte Auflage. Deutsch - russischer Hochschultext (Lehrbuch) - Erstes internationale Lehrbuch fur technische Hochschulen Russlands und Lander der Europaischen Union . KnoRus - Verlag, Аachen /Klagenfurt/Biel-Bienne/Kaiserslautern/ Stockholm/Pirmasens /Saint-Petersburg/ Moskau . 2002. = Фукин В.А.,Коллер Р., Гусаров А.В. и др. «Стратегия и тактика инвариантного конструирования, моделирования и оптимизация технических систем» (Второе переработанное и дополненное издание) Русско-немецкий учебно-методический комплекс. Первый интернациональный учебник для высших технических учебных заведений России и стран Европейского Союза. Издательство Кно-Рус. Москва/ Санкт-Петербург/ Аaхен / Клагенфурт/ Биль-Бинне/ Кайзерслаутерн/ Пирмазенс/ Стокгольм.2002.

2. Feldhusen, Jörg; Benders, Martin J.; Günther, Benedikt: Adding a material and process selection to the systematic engineering design process. In: Proceedings of the Eight International Symposium on Tools and Methods of Competitive Engineering - TMCE 2010, April 12-16, Ancona, Italy. Eds. Imre Horváth, Ferruccio Mandorli and Zoltán Rusák. - Delft : Faculty of Industrial Design Engineering, Delft University of Technology, The Netherlands Vol. 1, 2010.