Sinteza konceptualnih tehničnih sistemov

Metodika konstruiranja

Sinteza konceptualnih tehničnih sistemov

Janez Rihtaršič


Sinteza konceptualnih tehničnih sistemov

• Kazalo

– Tehnični sistem– Fizikalna narava tehničnih sistemov (abstraktno)– Struktura tehničnih sistemov (konkretno)– Generiranje idej z uporabo veriženja fizikalnih zakonov– Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega

sistema– Oblikovne variacije generiranih fizikalnih rešitev– Računalniška implementacija– Literatura


Sinteza pomeni ustvarjanje artefaktov, načrtov ali programov, ki služijo za zadovoljevanje človeških potreb [Andreasen 1998]. V splošnem sinteza pomeni združevanje, sestavljanje, mešanje ali zlaganje česarkoli v novo celoto, medtem ko analiza pomeni raziskavo nečesa v detajle, z namenom boljšega razumevanja, na podlagi katerega lahko potegnemo določene zaključke [Lossack 2002].

Tehnični sistem

Tehnični sistem je vsaka tehnična tvorba, ki jo ustvari človek [Koller 1994].


Funkcija je abstraktna formulacija naloge in je neodvisna od posameznih rešitev. Funkcije izhajajo iz zahtev lastnikov problema t.j. kupcev. Običajno funkcijo definiramo kot kombinacijo glagola in samostalnika, npr. “povečati tlak”, “prenos navora”, “zmanjšati hitrost”. Izhajajo iz pretvorb energije, materialov in signala

[Pahl in Beitz 2001].

Fizikalna narava tehničnih sistemov

Jedro konstruiranja je razsodno prehajanje od funkcije do oblike [Roozenburg in Eekels 1995].


Če rešitev problema vključuje znan fizikalni (kemijski, biološki) efekt predstavljen z enačbo in še posebno, če je vključenih več fizikalnih spremenljivk, potem lahko na podlagi njihovih medsebojnih povezav izpeljemo različne rešitve [Pahl in Beitz 2001].


Izpolnitev funkcije z uporabo fizikalnega zakona povzroči neko delovanje in vsako delovanje zahteva nosilca, to je pripadajoči strukturni element [Ersoy 1975].



Konceptualni tehnični sistem s poudarjeno verigo fizikalnih zakonov [Žavbi in Duhovnik 2000, 2001].



F11

L21

Fg

M21

F11

Fg

F22

F21

L22

L21

M31

L31

p31



Fg

F11

F21

F23

F22

L23

L21

L22

L31

l51

p31



Delovni princip je posledica kombinacije fizikalnih efektov in strukture (geometrija ter material) ter kot tak predstavlja prvi konkreten korak k strukturni rešitvi funkcije [Pahl in Beitz 2001].

Fizikalni efekti so elementarni fizikalni pojavi, ki se lahko na podlagi ohranitvenih zakonov (mase, energije, vrtilne količine, impulza,...) in ravnotežnih zakonov (ravnotežje sil, ravnotežje momentov,...) skozi medsebojne zveze fizikalnih količin popišejo [Ehrlenspiel 2003].


Struktura tehničnih sistemov


Generiranje idej z veriženjem fizikalnih zakonov

Noben naravni ali tehnični sistem ne deluje v nasprotju s fizikalnimi zakoni, zato lahko vsak tehnični sistem opišemo z enim ali več fizikalnimi zakoni [Koller in Kastrup 1994].


- Uporaba fizikalnih zakonov

Tehnični sistem

Generiranje idej: intuitivno oz. deskriptivno ali razumsko razčlenjevanje (diskurzivne) oz. preskriptivno?

- Brain storming

- Galerijska metoda

- Delphi metoda- Sinektika

- Bionika

- Morfološke matrike

- Katalogi rešitev

- Aksiomatsko konstruiranje

- Metoda 635

- …

- Uporaba kontradikcij

- Literatura

- Analiza obstoječih rešitev


Fizikalni zakon

Povezovalne količine

Pogojne količine

efektivzroki c) Število fizikalnih zakonov v verigi

d) Končanje veriženja fizikalnih zakonov - znan vhod / znan izhod - znan vhod / neznan izhod - neznan vhod / znan izhod (m, kg, s, A, mol, cd, K )

a) Vrsta spremenljivke: - odvisna spremenljivka Y- neodvisna spremenljivka X

Y = f (X)


b) Ponovljivost spremenljivke (fizikalnih zakonov)- s ponavljanjem- brez ponavljanja

Vplivi na rezultate veriženja:


Vpliv definiranja odvisne oz. neodvisne spremenljivke

Generiranje idej z veriženjem fizikalnih zakonovY = f (X)

Vpliv na število in raznovrstnost generiranih verig.


Vpliv ponovljivosti spremenljivk oz. fizikalnih zakonov v verigi


Vpliv na število generiranih verig v odvisnosti od dolžine verige.


- Veriženje efektov in komponent [Chakrabarti 2004]

Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema

- Besedna sinteza [Taura et al. 2007]

…

- Katalogi poenostavljenih tehničnih sistemov [Koller in Kastrup 1994]

- Baze standardnih delov [Campbell et al. 2003]

- Organ [Jensen 1999]

- Nucleus [Vegte in Horvath 2003]

- Generični fizikalni model [Souchkov 1998]

- C&CM (Elementarni model) [Matthiesen 2002]

- Veriženje fizikalnih zakonov in osnovnih shem

Sinteza: besedna ali oblikovna?


Osnovna shema predstavljajo geometrijsko strukturo in fizikalne pogoje, ki so potrebni za realizacijo fizikalnega efekta.


Shema predstavlja rešitev konstrukcijskega problema, kjer so že določena prostorska in strukturna razmerja med temeljnimi komponentami za izpolnjevanje glavnih funkcij. Shema je realtivno eksplicitna glede posebnih lastnosti ali komponent, vendar ne predstavlja detajlov [French1985].



Veriga fizikalnih zakonov in njej pripadajoča veriga osnovnih shem [Žavbi in Duhovnik 2000].



Geometrijski elementi

Fizikalne količine

Vzročne spremenljivke

Efektivne spremenljivke

Pogojne lastnosti

OS

linijski element

(L)

točkovni element

(P)

volumski element

(V)

površinski element

(A)Povezovalna

struktura

Zgradba Osnovne Sheme [Rihtaršič et al. 2008].



Definiranje vzročnih in efektivnih fizikalnih spremenljivk (Coriolisova sila).

L

Fcor

ωm(V,)

vr

L

Fcor

ωm(V,)

vr

L

Fcor

ωm(V,)

vr

a) b) c)



Točkovni in površinski geometrijski element.

Linijski geometrijski element.

Volumski geometrijski element in povezovalna struktura.

Identifikacija geometrijskih elementov:



Primeri osnovnih shem

• Vzmetni zakon

F

l

V(k)vzrok: F vzrok: lefekt: l efekt : Fpogoj: -Geometrijski element: V(k)

• Hidrostatični tlak

vzrok: L vzrok: pefektt: p effect : Lpogoj: gGeometrijski element: V(L,ρ)

V(L,)Lp

g

• Zakon lomnega količnika

vzrok: n vzrok: nefekt: efekt : pogoj: -Geometrijski elementi: L(0), V0(A, n0), V(A,n)

V0(n0)

V(n)

α

α0

L(α0)Q

• Štefan-Boltzmannov zakon

vzrok: T vzrok: Tefekt: Q efekt : Qpogoj: -Geometrijski element: V(A, e,T)

4ATetQ

sinsin 0

0

nn

gLp lkF

V(e,, A,T)



Oblikovne lastnosti osnovnih shem : vzmetni zakon

F

l

V(k)vzrok: F vzrok: lefekt: l efekt : Fpogoj: -Geometrijski element: V(k)

lkF

Preoblikovanje volumskega geometrijskega elementa v osnovni shemi, ki je komplementarna vzmetnemu zakonu: a) tlačno, b) upogibno in c) vzvojno obremenjena vzmet.



Oblikovne lastnosti osnovnih shem oblikovanje geometrijskih elementov

Linijski geometrijski element.

Volumski geometrijski element.



Povezava treh površinskih geometrijskih elementov na plašču vpenjalnega konusa vrtalne glave.

Povezovalne lastnosti osnovnih shem



Povezovalne lastnosti osnovnih shem: statični tlak

Povezovanje osnovnih shem:a) preko povezovalnih fizikalnih količin (vzroki in efekti),b) preko pogojnih fizikalnih količin,c) preko geometrijskih elementov,d) vzporedno preko več fizikalnih količin,e) povezave več osnovnih shem (verig fizikalnih zakonov) preko skupne fizikalne količine ali geometrijskega elementa

a) b)

c) d)

e)

1

1

1

1

2 2

2 2

1

32



Povezovanje verig osnovnih shem

+ + =

1

2

3

4

5 6

1

2

3

4

5

6

Povezovanje osnovnih shem v sklop.

Poenostavitev sklopov in nadaljnje povezovanje v celotni TS.



Povezovanje verig osnovnih shem: Primer sesalne enote

Sestavni deli puhala sesalne enote in povezave med njimi (mehanske – polna črta, preko delovnega medija – črtkana črta).

Shroud

Blade

Impeller hub

Washer

Connecting hub

A9.1.1 A9.1.3A9.1.4

A9.1.5

A9.1.6A9.1.7A9.1.8

A9.1.9

A9.1.2

A9.2.4

A9.2.3

A9.2.2

A9.2.1

A9.3.7

A9.3.6A9.3.5 A9.3.4

A9.3.8

A9.3.jA9.3.1

A9.4.i

A9.4.j

A9.4.l A9.4.14 A9.4.29

A9.5.5

A9.5.4

A9.5.lA9.5.1

Shaft

A9.4.m

Sealing ring

Fluid

Diffuser

A9.3.i

A9.4. k

A9.5.m

A9.4. n

A9.4.15A9.4.30

A9.5.6

a)

Shroud

HubWasher

Connecting hub

Blade

b)

A9.1.7A9.1.8

A9.1.9

A9.1.1A9.1.2

A9.1.5

A9.1.6

A9.1.3 A9.1.4

c)



Povezovanje verig osnovnih shem: Primer sesalne enote

Sestavni deli aerodinamskega sklopa sesalne enote z geometrijskimi elementi, ki se povezujejo z geometrijskimi elementi preostalih delov aerodinamskega sklopa sesalne enote. .

A9.5.1A9.4.14

Impeller

A9.3.8 A9.1.6A9.5.5

A9.5.4A9.5.6

A9.3.7A9.1.7



Povezovalne lastnosti osnovnih shem : povezovanje geometrijskih elementov


Primer generiranja alternativnih ščipalk za perilo I [Rihtaršič et al. 2007].

g

F11

F01

A11

+ + =

B

F11

Fg/2

g B

Fg/2

F01

V(A21)

b)

g

Fg/2

B

Fg

gB B

Fg

gB B

c)

a)

F01

F11

B

012F

Fg

1101 FF

0

221

11 2BA

F



Primer generiranja alternativnih ščipalk za perilo II.

p21

F11+ + =

Fg/2

p

g

l31

p21

l31

F11

F01

A11

+

g

Fg/2

F01

A21

g

p

l31Fg l31Fg/2

l31

g

Fg/2

g

l31

p p

a)

F01

F11

p21

l31

c)

b)

012F

Fg

1101 FF

212111 ApF

222

3121 64

rr

lDp

m



Primer generiranja alternativnih ščipalk za perilo III.

F21g

+ =

F11 F21

g

Fg/2

F01

A

F11

F01

+

V21

F01

F11

p21b)

a)

012F

Fg

1101 FF

212111 gVFF



Oblikovne variacije generiranih fizikalnih rešitev

Primer generiranja alternativnih generatorjev tlaka I.

lNIB 410

313121 Bl AE

LF 21

11l

11

1101 A

Fp

c)

p01 I41p01

I41

Ni

Fe

p01

I41

NiFe

p01

I41 I41

a) b)

d)

a)

p01F11 l21

B31 I41

b)

V(Li, mat.)

l21

B31

Li

F11

l21

V(A, L)

B31

I41

V(l, 0, N) A

F11

p01


Primer generiranja alternativnih generatorjev tlaka II.

U41

c)

p01

U41

a)

U41 p01 p01

U41

b)

d)

U41

p01

p01

Q21,Q22 E31 U41p01 F11

41

4131 l

UE )( 3122,21 EfQ 2

210

222111 4 l

QQF

11

1101 A

Fp

l41 A11

F11

p01

l21V1(q21)V2(q22)

F11 F11

V3(r, 0)

V(A1, A2)

E31

A1(+q21) A2(-q22)

V(A1,A2)

U41

E31



Primer generiranja alternativnih generatorjev tlaka III.

a)

p01

b)

p01

I41

Fe

c) d)

I41

p01

I41

I41

I41

p01 p01

p01 p01

Nonmagnetic

p01 F21 B31 I41F11

lNI

B 41031

0

23131

21 2BAF tan2111 FF

11

1101 A

Fp

A11

F11 p01

F21 A1

A2

F11 B31

V(A31, 0)

F21

B31

I41

V(l, 0, N)



Računalniška implementacija

Moduli programskega orodja Sophy za podporo izgradnje konceptualnih tehničnih sistemov.



Modul za generiranje osnovnih shem.

A – knjižnica geometrijskih elementov in fizikalnih količin

B – delovna površinaC – seznam aktiviranih geometrijskih

elementov in fizikalnih količin

D – lastnosti geometrijskih elementov in fizikalnih veličin

E – opis in raba fizikalnega zakona



Dodajanje in urejanje fizikalnih količin.



Modul za generiranje verig fizikalnih zakonov.



Modul za strukturno sintezo.


Literatura

Literatura

Pahl, G., Beitz, W., 2001. Engineering Design, a Systematic Approach. 2nd ed. Springer-Verlag, London.

Koller, R., Konstruktionslehre für den Maschinenbau, Grundlagen zur Neu und Weiterentwicklung technischer Produkte, 3. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1994.

Ersoy, M., Wirkfläche und Wirkraum: Ausgangelemente zum ermitteln der Gestalt beim Rechnergestützten Konstruieren, Doktorsko delo, Fakultät für Maschienenbau und Elektrotechnik, Technischen Universität Carolo-Wilhelmina, 1975

Ehrlenspiel, K., Integrierte Produktentwicklung, Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit, 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München, 2003

French, M.,J., Conceptual Design for Engineers. Design Council, London, 1985.

Lossack., R., S., Design processes and context for the support of design synthesis. In: Chakrabarti A (ed) Engineering Design Synthesis; Understanding, Approaches and Tools. Springer Verlag, London, 2002, pp. 213-227

Andreasen, M., M., The role of Artefact Theories in Design, In: Grabowski, H., Rude, S., Grein, G., (eds) Universal Design Theory, Proceeding of the workshop, Karlsruhe, Germany, 1998, Shaker Verlag, Achen, 1998

Roozenburg, NFM, Eekels J, Product design: fundamentals and methods. Bath: John Wiley & Sons Ltd; 1995.

Koller, R., Kastrup, N., Prinziplösungen zur Konstruktion Technischer Produkte, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1994.

Žavbi, R., Duhovnik, J., Conceptual design of technical systems using functions and physical laws. Artificial Intelligence for Engineering Design, Analysis and Manufacturing, Vol.14, 2000, (p.69-83)

Žavbi, R., Duhovnik , J., Conceptual design chains with basic schematics based on an algorithm of conceptual design. Journal of Engineering Design, Vol.12, št.2, 2001, (p.131-145)


Campbell, M.I., Cagan, J., Kotovsky, K., The A-Design approach to managing automated design synthesis. Research in Engineering Design, Vol.14, 2003, (p.12-24)

Taura, T., Nagai Y., Morita, J., Takeuchi, T., A Study on design Creative process Focused on Concept combination Types in Compariso with Linguistic Interpretation Process, ICED07, Bocquet, J.C. (ed), Pariz, 2007

Literatura

Matthiesen, S., Ein Beitrag zur Basisdefinition des Element-modelles "Wirkflächenpaare & Leitstützstrukturen" zum Zusammenhang von Funktion und Gestalt technischer Systeme, Institut für Maschinenkonstruktionslehre und Kraftfahrzeugbau, Doktors Dissertation, Universität Karlsruhe, 2002

Jensen, T., Functional Modelling in a Design Support System, PhD thesis, Department of Control and Engineering Design, Technical University of Denmark, Lyngby, 1999.

Van der Vegte, W.,F., Horvath, I., Nucleus-based product conceptualization - part 2: application in designing for use. ICED 03, Stockholm, 2003, datoteka št.1328.

Souchkov, V., V., Knowledge-Based Support For Innovative Design, PhD thesis, University of Twente, 1998

Chakrabarti, A., A New Approach to Structure Sharing, Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2004, Vol. 4, p.11 - 19.

Žavbi, R., Duhovnik, J., The Problem of Transition from Basic Schematics to a Schematic of Technical System, Proceedings of the 6 th International Design Conference, Dubrovnik, volume 2, Marjanović, Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, Zagreb, 2000b, pp. (67 - 72)

Rihtaršič J., Žavbi R., Duhovnik J., "Physical nature of technical systems" In. D. Marjanovič, M. Štorga, N. Pavković, N. Bojčetić, eds., Proceedings of DESIGN 08,Vol.1, pp. 53-60, file no.167, 2008.

Rihtaršič, J., Žavbi, R., Duhovnik, J., Application of Wirk Elements for Elementary Embodiments of Technical Systems, In: Bocquet, J.C. (ed), ICED 07, Paris, 2007

Sinteza konceptualnih tehničnih sistemov

Documents

Transcript of Sinteza konceptualnih tehničnih sistemov