Формирование структуры СТС. Морфологический анализ и синтез

Морфологический метод основан на комбинаторике. В СТС выделяют группу основных компонентов (признаков). Наиболее распространён функциональный подход. В качестве признака берутся функции компонент Ф_i, где i – номер функции.

Для любого признака функции предполагают всевозможные варианты способов реализации – альтернативы , где r_i – номер альтернативы реализации функции.

Так получают таблицу перечня признаков и альтернатив, т.е. морфологическую таблицу

Например:

Ф1	…..	Фi	…..	Фk
	…..		…..
	…..		…..
	…..		…..
…..	…..	…..	…..	…..
	…..		…..

Если из любого столбца морфологической таблицы взять по первой альтернативе, то получим некоторый структурный облик СТС. Число возможных вариантов структурных схем равно произведению количества альтернатив в любом столбце, т.е.

N=r₁*r₂*…*r_i*…*r_k

Т.о. суть морфологического метода формирования структуры СТС состоит в построении морфологической таблицы, т.е. в выборе признака функции к заполнению таблицы всевозможными альтернативами и выборе из всего множества получаемых комбинаций наилучших решений.

Методика составления морфологической таблицы

1. Заготовка столбцов таблицы

Морфологическую таблицу строят на основе структурной схемы конкретного прототипа или обобщения ряда прототипов. Таблица состоит из нескольких столбцов, число которых равно числу анализируемых решений. Заглавиями столбцов являются обозначения или описания функций компонентов. Столбцы лучше располагать в таком порядке, чтобы наиболее функциональные или конструктивно связанные элементы находились, по возможности, в соседних столбцах. Если элемент СТС выполняет одновременно несколько функций, то целесообразно составлять столбцы для каждой рассматриваемой функции или заменять полифункциональные элементы на элементы, реализующие отдельные функции или их меньшее число.

2. Заполнение столбцов таблицы альтернативами

В таблицу сначала вносят реализации функции-прототипа. Затем в любом столбце путём объединения двух или более альтернатив выделяют комбинированные более эффективные варианты, в значительно большей мере устраняющие количественный недостаток или улучшающие количественное достоинство, чем отдельные альтернативы. Такие комбинации записывают в столбец в качестве дополнительных альтернатив.

3. Выбор наиболее эффективных вариантов

Для выбора наилучших решений необходимо сформулировать критерий предпочтения. Тогда цель синтеза по заданному критерию состоит в выборе наиболее эффективного варианта структуры СТС для окончательной проработки.

В качестве критерия для синтеза структуры рассматривается векторный критерий.

К={K_нтз, К_ээ,К_р,К_эб,К_рп}

1. K_нтз – критерий научно-технологической значимости, который включает показатели:

1.1 новизна

1.2 степень фундаментальности

1.3 преимущество по сравнению с аналогами

1.4 патентоспособность

1.5 применимость во многих системах оружия

1.6 перспективность

1.7 вероятность технического успеха

2. К_ээ – критерий экономической эффективности, который включает показатели:

2.1 срок окупаемости инвестиций

2.2 простая норма чистой прибыли

3. К_р – рыночный показатель

3.1 наличие спроса на продукцию и потребителей

3.2 размер потенциального рынка

3.3 возможности сбыта продукции

4. К_эб – критерий экологичности и безопасности

4.1 возможное вредное воздействие технических процессов и продукции на окружающую среду

4.2 степень безопасности работы

4.3 затраты на обеспечение экологичности и безопасности

5. К_рп – реализуемость проекта

5.1 доступность всех видов ресурсов

5.2 готовность к практической реализации

5.3 научные и технические возможности организации выполнения проекта

Выбор наиболее эффективных вариантов выполняется в последовательности:

1) Сокращение числа столбцов и числа альтернатив в столбце, т.е. уменьшение размерности морфологической матрицы; сокращение числа альтернатив проводят для выполнения требований:

N≤N_об, где N_об – некоторое обозримое число возможных вариантов, т.е. число вариантов, которое можно исследовать при ограниченных ресурсах.

На практике N_{об max} составляет 10-15. Если N>N_об, то в любом столбце проводят сравнительный анализ альтернатив для выявления среди них наилучших и наихудших по степени снижения недостатков прототипа и улучшения его качества.

Другой путь уменьшения N – это сокращение числа столбцов. При этом среди всех столбцов выделяются главные, которые принадлежат функциям, решающим образом влияющие на эффективность и качество СТС, а также самые второстепенные и молозначащие функции, чтобы исключить строки или столбцы.

2) Сокращение множества возможных вариантов путём исключения наихудших комбинаций альтернатив. После выполнения условия N≤N_об следует составлять возможные варианты структур, т.е. комбинаций альтернатив для всех функций и сравнивать их для выбора лучших. Рассмотрим процедуру сокращения числа вариантов на примере морфологической таблицы

Ф1	Ф2	Ф3	Ф4	Ф5

Таблица 1

Для этого последовательно образуем комбинацию из нескольких альтернатив. Сначала из 2^х→3^х и т.д. Из составленных комбинаций исключим несовместные или нереализуемые, труднореализуемые, наиболее дорогие, в наименьшей мере устраняющие недостатки прототипа, в наименьшей мере улучшающие качества прототипа.

Шаг 2.1) В исходной таблице 1 выбираем 2 столбца с наименьшим числом альтернатив и образуем всевозможные парные комбинации

Таблица 2

Пусть в таблице 2 две комбинации допустимы и равноценны, две другие исключаем.

Шаг 2.2) Выбираем из таблицы 1 столбец с наименьшим числом альтернатив. С помощью альтернатив 5го столбца и допустимых комбинаций из таблицы 2 образуем всевозможные комбинации из 3х элементов

Таблица 3

Пусть в таблице 3 S комбинаций наихудшие, следовательно, исключаем их.

Шаг 2.3) Выбираем из таблицы 1 столбец с наименьшим числом альтернатив и, с помощью оставшихся в таблице 3 допустимых комбинаций, образуем всевозможные комбинации из 4х элементов

Таблица 4

Пусть в таблице 4 зачёркнуты наихудшие комбинации.

Шаг 2.4) Образуем таблицу вариантов из 5и элементов с помощью последнего столбца Ф1, имеющего наибольшее количество элементов.

Таблица 5

В таблице 5, после исключения наихудших альтернатив, остаётся множество допустимых вариантов. Если допустимых вариантов остаётся слишком много, то проводят сокращение по дополнительным критериям, среди которых используются надёжность, затраты, трудоёмкость.

3) Выбор наиболее эффективных вариантов

Полученное после сокращения множество возможных вариантов упорядочивают по показателям и располагают в последовательности от лучших к худшим. После ранжирования выбирают 3-5 наиболее эффективных вариантов для дальнейшей проработки.

4) Проработка наиболее эффективных вариантов

Проводят более детальную проектно-конструкторскую проработку наиболее эффективных вариантов с учётом детального списка требований к надёжности, удобству обслуживания, трудоёмкости изготовления, расходу электроэнергии и дефицитных материалов, стоимости и т.д. При этом отдельные наиболее важные и сложные функции могут быть, в свою очередь, проанализированы по морфологическому методу. Окончательный выбор обычно проводится экспертным путём. Выбор эффективных вариантов состоит в решении многокритериальной задачи методом МАИ. В данном случае методом МАИ определяются глобальные приоритеты по заданным комплексным критериям K_нтз, К_ээ,К_р,К_эб,К_рп.

После проведения ранжирования критериев определяется необходимый приоритет для каждой сравниваемой альтернативы путём свёртки глобальных приоритетов комплексных критериев на основе проведённой экспертной ранжировки.

Основы i-ой технологии проектирования конструкций.

При проектировании предусматривают следующие обобщённые процедуры:

1. Выбор опорного варианта конструкции

2. Выбор технического решения и оптимизация проектных параметров конструкции

3. Конструирование и выпуск технической документации

Процесс проектирования выполняется с учётом условий технической эксплуатации, т.е. определяется заданный спектр внешних воздействий статических и динамических критических нагрузок при потере устойчивости, спектр собственных частот, условия прочности и статической устойчивости, а также ограничения, налагаемые на спектр собственных частот, уравнения температурных напряжений.

Особенность процедуры проектирования конструкции заключается в разделении задачи на 2 этапа:

1) Получение методами математического программирования опорного варианта конструкции, который предусматривает собой оптимальное распределение массово-инерционных и жёсткостных характеристик в конструкциях минимальной массы, отвечающих требованиям прочности и жёсткости

2) Сравнение альтернативных вариантов с опорными

Лекция ?. 0?.0?.0? (№4Захаров)

Особенность процедуры проектирования конструкций заключается в разделении задачи на 2 этапа:

1) Получение методами математического прогнозирования опорного варианта конструкций, который представляет собой оптимизацию закона распределения массово-инерционных и жесткостныххарактеристик в конструкциях минимальной массы, отвечающих прочности и жесткости.

2) Сравнения альтернативных вариантов с опорными.

Выбор опорных вариантов конструкций.

Задача этого этапа состоит в том, чтобы сформировать множество альтернативных вариантов, а затем выбрать из этого множества один или несколько опорных вариантов. При формировании вариантов конструкции используются принципы декомпозиции.

Возможная чертежная схема декомпозиции (см. рис.1):

Проектируемую конструкцию СТС целесообразно представлять четырьмя узлами:

1 ур. – занимает конструктивно-компоновочная схема (ККС), представленная совокупностью параметров, характеризующих структуру, геометрию, аэродинамическую схему, компоновку оборудования и внешней нагрузки.

2 ур. - отражает основные концепции, которые должны быть предусмотрены при проектировании, и которыми можно предусмотреть различные варианты конструкторской реализации СТС в целом.

Например, могут быть заданы проработки с последующим сравнением модульной и ампульной (неразъемной) конструкций корпуса СТС.

Подсистемы следующего уровня для рассматриваемых вариантов проработки будут существенно различными.

3 ур. – составляют подсистемы, образованные, как правило, по функциональному признаку.

Например, для конструкции летательного аппарата (ЛА) – двигательная установка, крыло.

4 ур. – составляют узлы и модули подсистем.

На второй стадии проводится упорядочение массива вариантов. Эту процедуру выполняют с помощью специальных морфологических таблиц, в которых по определенным правилам заносятся информация обо всех известных и возможных реализациях Эов или подсистем. В качестве примера рассмотрим форму такой таблицы для 3 уровня….

Табл.1

В таблицу помещают все подсистемы и информацию о вариантах их технической реализации. Цифра 1 в строке говорит о том, что вариант реализуем. Если число возможных вариантов подсистем оказывается достаточно большим, то желательно в Табл. 1 для I варианта предусмотреть лишь наиболее эффективные варианты реализации. Пронумеровав подсистемы в принятой последовательности и присвоив порядковые номера разным подсистемам одного назначения, получим двумерный численный массив, который отражает все множество возможных вариантов. Далее производится отсеивание несовместимых и явно нерациональных вариантов. Чтобы отсеивать несовместимые варианты, составляется так называемая матрица совместимости в виде следующей таблицы:

Табл. 2

Цифра 1 в таблице 2 отмечает реализуемые варианты. Выбор опорных вариантов проводится на основе компонентного анализа. Для этого используется введение нормативных показателей и задание выбора варианта X, определяющего параметры конструкции, формулируется следующим образом:

Выбрать вектор X, обеспечивающий максимальные значения заданным показателям

 , где

Решение выполняют следующим образом:

Формируют ЦФ:

Где - контрольные показатели или нормативы.

Рациональный выбор X^* определяется в результате минимизации функции

,

Выбор рационального вектора с помощью данного алгоритма означает определение оптимальных по Парето решений, из которых по данным критериям определяются единственные.

Под множеством конструируемых параметров – понимаем совокупность геометрических параметров, с помощью которых определяется топология проектируемой СТС, а так же жесткостные и массово-инерционные характеристики. В общем виде методология проектирования конструкций могут быть представлены следующей схемой:

Рис1