Под проектированием понимают создание образа не существующего объекта в заданной форме [1]. В технике проектирование может рассматриваться как создание описаний нового или модернизируемого технического объекта (изделия, процесса), достаточных для реализации этого объекта в заданных условиях. Процесс проектирования можно определить и как совокупность эвристических и алгоритмических операций, выполняемых на разных стадиях работы над проектом.
Проектирование начинается с разработки технического предложения или технического задания. В результате работы создается проект – комплект документации, содержащий информацию, достаточную для изготовления объекта. Комплект содержит чертежи, спецификации, пояснительные записки и т. д. Проект создается в результате выполнения комплекса исследовательских, расчетных или конструкторских работ.
Процесс проектирования может быть автоматическим, автоматизированным и неавтоматизированным. Автоматическое проектирование производится без участия человека на промежуточных этапах. Автоматизированное проектирование выполняется в процессе взаимодействии человека и компьютера. Неавтоматизированное проектирование осуществляется человеком без использования компьютеров. Автоматизированное проектирование реализуется посредством системы автоматизированного проектирования (САПР).
Системный подход в техническом проектировании
В конкретных ситуациях проблемы часто решаются на основе ситуативного подхода, который опирается на опыт, интуицию, логику. Так удобно решать относительно простые тактические задачи.
Современные методы проектирования используют системный подход, при котором технические объекты рассматриваются как целостная совокупность (система) всех элементов и связей между ними. Состояние системы в любой момент времени определяется параметрами. Считается, что система имеет цель функционирования, состоит из подсистем (элементов). Элементы системы имеют иерархическую связь (элементы нижнего уровня подчинены элементам более высокого уровня).
В числе прочих принципов системного подхода можно отметить: принцип историзма (объект рассматривается с учетом этапов его развития до рассматриваемого момента); принцип динамизма (свойства объекта изменяются во времени); принцип сходства (при исследовании необходимо использовать результаты изучения сходных объектов). Иначе говоря, системный подход – это еще и методология познания, основанная на представлении объектов целостной системой: инженерной, экономической, социальной и т. д.
Базируясь на системном подходе, можно выделить ряд основополагающих принципов процесса проектирования [1, 2]:
1. Структуризация процесса проектирования, выделение последовательных стадий, этапов, процедур. Структуризация отражает блочно-иерархический подход к проектированию.
2. Принцип итерационности процесса проектирования отражает возможность корректировать ранее принятые решения, устранять ошибки, допущенные на предыдущих стадиях.
3. Модульный принцип состоит в максимальном использовании однотипных узлов (модулей) при проектировании машин.
4. Принцип унификации – многократного применения в конструкциях машин одних и тех же элементов, сокращающего номенклатуру деталей и материалов.
5. Принцип преемственности позволяет совмещать новые конструктивные элементы с хорошо отработанными ранее узлами.
6. Принцип блочности (декомпозиции) предусматривает разбиение объектов на блоки, которые проектируются отдельно.
7. Принцип иерархичности предусматривает разделение объекта на иерархические уровни. Например, машины разделяют на уровни: машина, агрегат, узел, деталь. Механизмы разбивают на механизм, подузел, деталь, элемент детали. В сложных системах выделяют систему, подсистему, элемент. Предусматривают дополнительные подуровни.
Методы и технологии проектирования
Проектирование сложных объектов основано на применении принципов, использованных рядом теорий и подходов.
К основным методам (способам) проектирования относят: декомпозицию, абстракцию, установление иерархии (классификации). Алгоритмическая декомпозиция означает разделение процесса на модули, выполняющие отдельные этапы общего процесса. Объектно-ориентированная декомпозиция рассматривает сложные системы как упорядоченную совокупность объектов, которые в процессе взаимодействия друг с другом определяют поведение системы (граф). Абстракция – игнорирование второстепенных деталей сложных объектов, создающая их обобщенную, идеализированную модель.
Способами проектирования называют еще и разновидности моделирования: натурное, физическое и математическое. Натурное и физическое моделирование дают максимально достоверные результаты, но их реализация дорогостоящая и длительная. Поэтому они все более вытесняются математическим моделированием с использованием методов многовариантного проектирования и оптимизации.
Оптимальное проектирование можно разделить на два класса.
К первому классу относят задачи, в которых структура объекта считается заданной, и определяются числовые значения параметров, свойственных данной структуре. Такие задачи называют задачами параметрической оптимизации.
Ко второму классу принадлежат задачи, в которых предметом оптимизации являются не только параметры, но и структура объекта. Например, выбираются оптимальный тип устройства или конструкций для заданных условий. Такие задачи называют задачами структурной (структурно-схемной) оптимизации. Их решают методом последовательного исследования множеств или методом оптимального проектирования с автоматическим поиском схем.
Согласно методу последовательного исследования множеств, вначале на основе имеющегося опыта отбирают ограниченное число перспективных структур объекта, каждая из которых может быть описана своей совокупностью параметров. Далее последовательно проводят параметрическую оптимизацию каждой структуры (исследуют множество вариантов, реализующих данную структуру). Наконец, полученные оптимальные варианты сравнивают между собой и из них выбирают наилучший, принимая его за окончательное оптимальное решение задачи.
Методика решения задач проектирования различает два основных типа процессов проектирования: «сверху вниз» (от сложного к простому) и «снизу вверх» (от простого к сложному). При нисходящем проектировании (проектирование «сверху вниз») сначала решаются задачи проектирования верхних уровней, затем нижних. При восходящем – наоборот. Практически процесс проектирования сочетает оба способа на различных этапах. Комплекс декомпозируется на устройства, то есть, в свою очередь, на узлы, а после проектирования узлов начинается обратный процесс: «сборка» узлов в устройство, а устройств – в комплекс.
Используются два подхода к конструированию при использовании автоматизированного проектирования. Первый подход базируется на двумерной геометрической модели и использовании компьютера как электронного кульмана. Изделие представляет чертеж, содержащий информацию для изготовления. Второй подход основан на пространственной геометрической модели изделия, по отношению к которой чертеж играет вспомогательную роль. При первом подходе (традиционном) обмен информацией осуществляется на основе конструкторской и технологической документации; при втором – на основе внутримашинного представления объекта.
В числе технологий проектирования различают сквозное проектирование,которое обеспечивает эффективную передачу данных и результатов каждого текущего этапа проектирования сразу во все последующие этапы. При этом используются общие базы: база данных и база знаний. Параллельное проектирование развивает технологию сквозного проектирования, представляя всем участникам работы всю информацию о промежуточных и окончательных характеристиках изделия, начиная с самых ранних этапов проектирования. В отличие от сквозного проектирования, вся информация поступает не только на последующие этапы проектирования, но на предыдущие, т. к. все этапы начинают выполняться одновременно. В процессе проектирования объединяются все инструментальные средства, к которым можно отнести среду управления проектированием, систему управления данными проекта и систему поддержки принятия решений.
Стадии проектирования, документация
В общем случае выделяют стадии проектирования: предпроектные исследования, техническое задание, эскизный проект, технический проект, рабочий проект, испытание, внедрение в производство. Необходимые стадии и этапы выполняемых работ обычно устанавливаются техническим заданием. При этом первые две стадии могут рассматриваться более детально с выделением стадий:
– научно-исследовательских работ (патентный поиск, разработка и согласование с заказчиком технического задания (ТЗ), теоретические и экспериментальные исследования, обобщение результатов, обсуждение и согласование задания на ОКР);
– опытно-конструкторских работ (ТЗ, техническое предложение, эскизный проект, технический проект, разработка презентации).
На стадии научно-исследовательских работ (НИР) изучаются потребности в получении новых изделий, исследуются значения характеристик и параметров объектов. В результате формулируется техническое задание на разработку объекта. ТЗ определяет цель создания и назначение объекта, технические требования, условия работы, области применения, оценивает технический уровень и др. На основании технического задания разрабатывается техническое предложение – совокупность документов, отражающих технические решения, принятые в проекте, данные исследований, оценивающих целесообразность использования тех или иных решений.
На стадии опытно-конструкторских работ (ОКР) создается эскизный проект изделия, дающий общее представление об устройстве, принципе работы и параметрах проектируемого изделия. Проводится проверка и уточнение положений, установленных на стадии НИР.
В техническом проекте разрабатывается документация, дающая более полное представление об устройстве, компоновке, наличии узлов, проводятся все необходимые расчеты (динамические, прочностные, тепловые и т. д.).
Рабочий проект содержит полный комплект разработанной конструкторско-технологической документации, достаточный для изготовления объекта и др.
Часть проектирования, заканчивающаяся получением проектного решения, называется проектной процедурой. Выполнение одной или нескольких проектных процедур, объединенных по признаку принадлежности получаемых проектных решений к одному иерархическому уровню и (или) аспекту описаний, составляет этап проектирования.
При выполнении работ может быть выявлена необходимость корректировки технического задания. В этом случае чередуются процедуры внешнего и внутреннего проектирования. Под внешним проектированием понимаются процедуры формирования или корректировки технического задания, под внутренним проектированием – процедуры реализации сформированного технического задания.
