Формулирование цели

Вы fop Варианта тсхничеснодо решения

Построение мопели

вычисления (оптимиоидя)

Оценка и выдача. ренамендаций

Рис. 2.1.

Схема процесса инженер ного анализа

Существуют два типа моделей - физические и математические. Физические модели имеют ту же физическую природу, что и оригинал. Физическое моделирование дает наиболее полное представление об исследуемых явлениях, однако оно часто связано со значительными затратами времени и средств. Математические модели основываются на идентичности математического описания процессов в модели и оригинале; они делятся на аналитические и численные модели.

Аналитические модели позволяют провести исследования в наиболее общем виде, однако возможности их построения ограничиваются известными трудностями, в основном связанными с необходи-упрощения рассматриваемого явле-

мостью существенного .. ......

ния. Как правило, аналитическое моделирование применяется для анализа сравнительно несложных явлений. Наиболее универсальный метод математического моделирования - численное, осуществляемое с помощью ЭВМ. Численное моделирование в настоящее время является основным инструментом исследования сложных систем.

Хотя процессу инженерного анализа и свойственны творческие черты, все же этот вид деятельности в основном опирается на здравый смысл и специальные знания. Он носит более узкий характер, чем изобретательство. Эти два процесса отличаются в том отнощении, что изобретательство направлено на поиск возможных рещений, и целью его является создание возможно большего числа альтернатив *. Инженерный же анализ направлен на изучение этих рещений, и целью его является получение фактических результатов по каждой из рассматриваемых альтернатив.

Третья составляющая инженерного проектирования - принятие решений есть процесс выбора одной альтернативы из многих, наилучшей из них. Этот процесс характеризуется следующими чертами:

1) наличие цели. Если ее нет, то не возникает потребность в принятии решения;

* Альтернатива - необходимость выбора между исключающими друг друга возможностями; в тексте - каждая из этих возможностей.

2) наличие альтернативных линий поведения. Это означает, что существует несколько способов достижения цели. С различными альтернативами связаны различные вероятности успеха и различные затраты, причем не всегда достоверно известные. Поэтому принятие решения зачастую сопряжено с неопределенностью;

3) необходимость учета существенных факторов (ограничений) - геометрических (габариты и форма устройства), весовых, прочностных, экономических и т. д.

В ряде случаев указанные три черты процесса принятия рещений удобно представить в виде Д-диаграммы.

После того, как четко сформулирована цель (определена целевая функция), необходимо составить возможно более полный перечень возможных решений, поскольку от полноты и качества этого перечня зависит качество решения. После этого составляется перечень существенных ограничений, которые должны быть учтены при принятии решения. Процесс принятия решения, как правило, многошаговый, в котором каждый последующий шаг сужает область поиска, ограничивая как число возможных вариантов решения задачи, так и число факторов, которое следует учитывать. Это весьма трудоемкий процесс, соединяющий в себе науку и искусство. Поэтому очень важно уметь приводить сложный процесс принятия решения к задаче, которую можно решать с помощью математических методов с использованием ЭВМ. Это достигается, если принятие решения основывается на исходных количественных факторах, то есть когда этот процесс удается формализовать. В этом случае принятие решения базируется на количественных методах оптимизации. Представив поставленную цель в виде целевой функции 7 = 7 (%, х, д: ), где Хъ х, Хд - независимые параметры, определяющие характеристики проектируемого объекта, можно свести задачу принятия решения к оптимизационной задаче отыскания экстремума целевой функции.

При подготовке и принятии решения проектировщик сталкивается с необходимостью компромиссного выбора или, иными словами, с поиском условного оптимума. К тому же очень часто исходные факторы носят не количественный, а качественный характер, что затрудняет поиск оптимума. При этом инженеру часто приходится принимать решения и двигаться дальше, не будучи уверенным в том, что принимаемое им решение является наилучшим. Альтернатива, возможно, пригодная лишь на первый случай, должна быть принята, прежде чем ее можно будет проанализировать и оптимизировать. Поэтому среди качеств, необходимых инженеру-проектировщику, не последнюю роль играет способность принимать решение в сложных ситуациях.

Анализ проектирования как творческого процесса позволяет квалифицировать его как итерационный процесс, в котором три его составляющих неразрывно связаны. Общая схема этого процесса представлена на рис. 2.2.

Funomeja (.синтез)

Модель

/Jftanuj

Принятие \XoS

решения

Рис. 2.2. Схема процесса проектирования

Существенным в этой схеме является то, что синтез новых технических объектов осуществляется на основе многократного повторения анализа для различных вариантов проектных альтернатив (наборов входных параметров).

Оптимизация в процессе проектирования играет двоякую роль, обеспечивая, с одной стороны, определение в рамках выбранной альтернативы наивыгоднейшего сочетания проектных параметров и, с другой стороны, - выявление наилучшей, в известном смысле, альтернативы из рассматриваемых.

2.2. ЭВОЛЮЦИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САМОЛЕТОВ

При проектировании можно базироваться на двух принципах: эволюционные изменения и создание нового. В первом случае изделие совершенствуется в течение определенного времени путем внесения незначительных улучшений. При этом риск допустить крупные ошибки невелик. Бурный рост научных и технических открытий, весь ход общественного развития выдвинули на первый план задачу создания изделий, базирующихся на новых технических решениях. Такой путь проектирования сопряжен с большей степенью риска. На практике в соответствии с диалектикой проектирования эволюционные изменения и появление нового происходят одновременно, т. е. конструктор одновременно создает новое и осуществляет эволюционные изменения. Для реализации такого подхода к проектированию самолетов потребовался определенный этап развития авиации, этап накопления опыта и фактов, обобщения их в систему знаний - науку о проектировании нового вида техники.

Этот период характеризовался становлением методологии проектирования самолетов. Под методологией проектирования понимается совокупность принципов и методов, а также математический аппарат, с помощью которого решаются проектно-кон-структорские задачи. Рассмотрим, как развивались методы проектирования, на примере решения задачи о выборе проектных параметров, определяющих форму и размеры самолета.

В основе проектирования первых самолетов лежал метод копирования (метод подобия), базирующийся в основном на законах подобия. Не имея опыта проектирования, не зная законов аэродинамического полета, конструкторы создавали само-

деты, копируя очертания птиц, летучих мышей и других летающих существ. Были разработаны бесчисленные проекты летательных аппаратов тяжелее воздуха.

В 20-х годах нашего века, когда уже был накоплен значительный опыт разработки и постройки первых самолетов и планеров, когда авиационные науки (в основном бурно развивающаяся аэродинамика) позволяли установить основные связи между формой, размерами самолета и его летными характеристиками, метод копирования был вытеснен так называемым статистическим методом. В его основе уже лежит определенный научный подход, основанный на обработке прошлого опыта, установлении эмпирических закономерностей, отражающих объективные законы проектирования. При этом методе параметры нового самолета определяются на основе экстраполяции статистически обработанных данных по ранее созданным самолетам аналогичного назначения (самолетам-прототипам). Этот метод базируется на предположении о непрерывном, плавном изменении во времени параметров и характеристик самолетов определенного типа. Однако экстраполяция параметров и характеристик при длительном сроке создания современного самолета (6 ... 10 лет) в условиях научно-технической революции может привести к существенным, принципиальным ошибкам. Недостаток такого метода проектирования заключается и в том, что он не позволяет учитывать все многообразие связей между параметрами и характеристиками самолета, а следовательно, определять пути изменения данных прототипов. Естественно поэтому, что использование этого метода оправдано лишь при применении эволюционного принципа проектирования. Когда проектируется принципиально новый самолет, возможности этого метода ограничены. Вместе с тем опыт авиастроения свидетельствует, что только очень немногие проекты могут быть признаны соверщенно новыми, и даже при их разработке значительное число технических решений принимается на основе прошлого опыта. По этой причине статистический метод в целом либо в отдельных его частях по-прежнему находится на вооружении проектировщиков, трансформировавшись в так называемый метод проектирования от прототипа.

Дальнейшее развитие методов расчета весовых, аэродинамических характеристик, расчетов устойчивости и управляемости, показателей эффективности самолета поставили на реальную основу развитие аналитических методов определения его основных проектных параметров. Эти методы базируются на совместном решении системы уравнений, учитывающих важнейшие связи между параметрами и характеристиками самолета с учетом различного рода ограничений. В результате такого решения ищется допустимый (в смысле удовлетворения уравнениям существования самолета) вариант проекта. Применение аналитических методов открыло широкую возможность для проведения параметрических исследований по определению влияния изменения проектных

параметров и ограничений на технико-экономические характеристики самолета. Отсюда оставался один шаг до решения задач по отысканию наивыгоднейших (оптимальных) параметров самолета, удовлетворяющих выбранному критерию оценки совершенства проектных решений. Это дало толчок к развитию так называемых методов оптимального проектирования самолетов. Первой отечественной работой, посвященной оптимизации параметров самолета, является работа советского инженера Н. Н. Фадеева Изыскание рациональных размеров самолета (Труды ЦАГИ, вып. 461, 1939). Практическая реализация методов оптимального проек-. тирования длительное время затруднялась чисто вычислитель-! ными трудностями, особенно при решении многопараметрических; задач. Применение последовательной оптимизации по отдельным параметрам не давало ощутимых результатов.

Примерно к середине 60-х годов сложились объективные предпосылки для дальнейшего развития теории проектирования самолета. Важнейшие из них:

- развитие общей теории сложных технических систем (системотехники);

- развитие прикладных авиационных наук, раскрывающих сущность явлений, определяющих законы формирования самолета и его подсистем;

- успехи в области математики, в первую очередь теории оптимизации и численных методов;

- появление ЭВМ.

По мере накопления опыта решения различных задач оптимизации отдельных элементов самолета, все более широкого использования ЭВМ при решении таких задач постепенно увеличивалось число параметров, вовлекаемых в процесс одновременной оптимизации. Совершенствовались критерии оценки проектно-конструк-торских решений в направлении учета многоцелевого характера применения самолета и динамики изменения требований к нему за период эксплуатации.

Наряду с этим развивалась общая теория проектирования больших систем, на базе которой практика и теория проектирования самолетов постепенно обретают логическую завершенность, обеспечивая подлинно научный подход к прогнозированию параметров и характеристик будущего самолета. Идеи системного проектирования интуитивно использовались при проектировании самолетов и ранее. Они нашли отражение в расчленении процесса проектирования на этапы, а самолета - на подсистемы и агрегаты. Системное проектирование базируется на строго упорядоченном комплексном подходе, учитывающем сложные связи и взаимное влияние между элементами системы. Включая в себя как составную часть метод оптимального проектирования, оно отличается от широко распространенных процедур оптимизации отдельных устройств и характеристик систем применением системных, в частности комплексных (обобщенных), критериев оптималь-28

ности, использованием математических моделей, описывающих существенные черты системы в целом, математическим аппаратом оптимизации, широким применением ЭВМ.

2.3. МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Теоретической базой проектирования больших технических систем (к которым, как мы показали, относится самолет) является сравнительно недавно появившаяся наука - системотехника, которая ставит своей целью создание и изучение наиболее общих способов описания законов функционирования и методов анализа и синтеза больших систем. В отличие от проектно-технических дисциплин (аэродинамика, динамика, строительная механика и т. д.), изучающих отдельные процессы, объекты, элементы и устройства, системотехника изучает поведение больших совокупностей определенным образом взаимосвязанных процессов, объектов и устройств.

- Системотехника тесно переплетается с теорией исследования операций (ТИО). В ТИО излагаются критерии оптимальности и оценки эффективности различных решений, операций, проектов, рассматривается теория моделирования операций и проектов, а также даются математические методы оптимизации различных рещений. Таким образом, ТИО, наряду с концепциями системного подхода, является методологической основой проектирования оптимальных технических систем.

После формализации на основе математического моделирования задача проектирования системы может быть сведена к задаче нахождения глобального экстремума функции многих переменных (параметров) при ограничениях на эти параметры в виде функциональных равенств и неравенств. Область вычислительной математики, занимающаяся решением таких задач (математическое программирование), является математической основой проектирования оптимальных систем.

Системное исследование - это изучение системы и ее поведения в целом как единого объекта, выполняющего определенные функции в конкретных условиях. Системный подход - это учет всего, что влияет на выполнение системой поставленных перед нею задач и достижение определенных целей.

В основе системного подхода лежит предположение о возможности расчленения сложных систем и процессов на составляющие их относительно самостоятельные элементы (подсистемы, подпроцессы). Это существенно облегчает анализ и синтез сколь угодно сложных систем. При этом очень важно правильно выбрать объект системного исследования, чтобы системное его изучение давало значительный эффект по сравнению с рассмотрением системы по частям. Обладая достаточной масштабностью, чтобы имело смысл его отдельное исследование, такой объект должен допускать хотя бы приближенное описание его структуры и функционирова-