ZASADY KONSTRUOWANIA W BUDOWIE MASZYN (WSTĘP) PROJEKTOWANIE całokształt działań mających na celu określenie sposobu zaspokojenia określonej potrzeby, prowadzonych według zasad metodologicznych projektowania optymalnego od stanu początkowego do stanu końcowego. STAN POCZĄTKOWY: potrzeba uświadomiona, potrzeba intuicyjna, potrzeba wykreowana. Potrzeba: kreacja potrzeby proces decyzyjny DECYZJA budowa nowego urządzenia (systemu) technicznego, modernizacja znanego rozwiązania, zakup licencji (technologii, know-how), zakup gotowego wyrobu (import). STAN KOŃCOWY: system, wyrób, obiekt, program, proces, organizacja zaspokajająca zdefiniowaną potrzebę. KONSTRUOWANIE działalność inżynierska mająca na celu rozwiązanie konkretnego zadania, będącego elementem projektowania zaspokajanego potrzeby. PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE (próba definicji): Projektowanie systemowe umożliwia uwzględnianie w procesie projektowania wszystkich współczesnych i przyszłych aspektów cyklu życia wyrobu technicznego (znanych i nieznanych), a w szczególności wniosków wynikających z analizy potrzeb konsumenta, wiedzy i motywacji decydentów, możliwości projektantów i wytwórców, z uwzględnianiem wszystkich kosztów całego cyklu życia. Projektowanie systemowe ma ścisłe związki z teorią (inżynierią) systemów i bazuje na skrócie myślowym 1 : TRZEBA WIDZIEĆ LAS A NIE POJEDYNCZE DRZEWA! 1 PATRZ: E-skrypt Wprowadzenie do POP 2010 Zasady konstruowania 2011 1
INŻYNIER XXI WIEKU Rola i znaczenie inżyniera w projektowaniu systemowym Nowoczesny inżynier XXI wieku musi posiadać wysokie kwalifikacje zawodowe, jak i odpowiednie predyspozycje osobiste. POŻĄDANE CECHY 2 : WIEDZA, wiedza jawna oraz wynikająca z doświadczenia wiedza ukryta. OSOBOWOŚĆ asertywność, umiejętność podejmowania decyzji, odpowiedzialność, umiejętność pracy zespołowej, otwartość i życzliwość, właściwa samoocena oraz ocena współpracowników, odporność na stres, umiejętność rozwiązywania konfliktów. MOTYWACJA wytworzenie osobistego (prywatnego) systemu wartości, pozytywne nastawienie do otoczenia, określenie priorytetów. ZAANGAŻOWANIE osobisty przykład, wspieranie współpracowników, liczenie się ze zdaniem innych UMIEJĘTNOŚĆ ZARZĄDZANIA CZASEM organizacja czasu własnego oraz czasu zespołu (zdolności kierownicze, przywódcze), zdolności organizacyjne. KREATYWNOŚĆ umiejętność szukania nowych rozwiązań, umiejętność kojarzenia faktów, chęć do podnoszenia kwalifikacji (samokształcenie). KOMPETENCJE posiadanie odpowiedniej wiedzy i umiejętności w obszarze techniki, zarządzania, komunikacji interpersonalnej (wiedza systemowa). ZNAJOMOŚĆ PARADYGMATU SYSTEMOWEGO uwzględnianie w swojej działalności wiedzy systemowej, uświadomienie sobie funkcjonowania w świecie opanowanym przez różne systemy. 2 PATRZ TEŻ: Dziubiński F., Lenik Z.: Wprowadzenie do techniki przewodnik do wykładów. Wydawnictwa Uczelniane Lublin 2007. Zasady konstruowania 2011 2
Koszt systemu Koszt systemu Koszt systemu EFEKTYWNOŚĆ INŻYNIERIA SYSTEMÓW (skrót) 3 Graficzna ilustracja cyklu i faz życia systemów technicznych: Dojrzałość Reanimacja Szybki rozwój Schyłek Inkubacja CZAS Użytkownik Producent Użytkownik Sprzężenia zwrotne (korekta, poprawa) Identyfikacja potrzeby Planowanie działań Gromadzenie wiedzy Projektowanie, przygotowanie produkcji Wytwarzanie Badania, testy, oceny Dystrybucja, użytkowanie, eksploatacja. Ocena stopnia zaspokojenia potrzeby NOWA POTRZEBA Likwidacja, recykling Czas życia systemu Koszty cyklu życia systemu technicznego: a) Koszty badania i wdrożenia Koszty wytworzenia i budowy Koszty eksploatacji i utrzymania Koszty wycofania i likwidacji Cykl życia systemu (lata) b) Koszty badania i wdrożenia Koszty wytworzenia i budowy Koszty eksploatacji i utrzymania Koszty wycofania i likwidacji Cykl życia systemu (lata) 3 c) PATRZ: E-skrypt Inżynieria systemów. Zasady konstruowania 2011 3
PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE Lekcja natury, bionika (biomechanika, biomimetyka) PROJEKTOWANIE, KONSTRUOWANIE, PLANOWANIE PROJEKTOWANIE URZĄDZEŃ I SYSTEMÓW MECHATRONICZNYCH Mechatronika część inżynierii systemów 4 LEKCJA NATURY Wymiary i perspektywy poznawcze mechatroniki jako części inżynierii systemów Rozwój systemów technicznych ograniczających rolę człowieka 4 PATRZ: E-skrypt Mechatronika dla mechaników Zasady konstruowania 2011 4
PODSTAWOWE ZASADY KONSTRUKCJI W procesie projektowania należy pamiętać o dwóch podstawowych zasadach konstrukcji. Nazywane są one podstawowymi, gdyż dotyczą ogólnej koncepcji projektowania. Zasada I: Konstrukcja powinna spełniać wszystkie podstawowe warunki konstrukcyjne w stopniu nie gorszym od założonego. Zasada II: Konstrukcja powinna być optymalna w danych warunkach ze względu na podstawowe kryterium optymalizacyjne. Konstrukcję spełniającą zasadę I nazywa się konstrukcją dobrą przy przyjętych warunkach. Zwykle można określić zbiór konstrukcji dobrych, nazywany zbiorem konstrukcji dopuszczalnych. Konstrukcję spełniającą zasadę II nazywa się konstrukcją optymalną ze względu na przyjęte kryterium optymalizacyjne. Termin optymalny wywodzi się z łacińskiego słowa optimus najlepszy. Konstrukcja optymalna oznacza więc konstrukcję najlepszą. Konstrukcja optymalna musi należeć do zbioru konstrukcji dopuszczalnych musi być więc konstrukcją dobrą. Aby uniknąć nieporozumień należy podkreślić, że o optymalizacji można mówić wówczas, gdy korzysta się z kryterium optymalizacyjnego. Oprócz podstawowych zasad konstrukcji istnieje wiele zasad szczegółowych, które konstrukcja musi spełniać w stopniu nie gorszym od założonych na początku procesu projektowania (narzuconych przez klienta), zgodnie z I zasadą konstrukcji. Do najważniejszych szczegółowych zasad konstrukcji należą: bezpieczeństwo funkcjonalność niezawodność i trwałość sprawność prawidłowość doboru materiałów dobór właściwej technologii lekkość ergonomiczność łatwość eksploatacji i napraw niskie koszty eksploatacji zgodność z obowiązującymi normami i przepisami łatwość likwidacji i wiele innych. Praca zbiorowa pod red. Zbigniewa Osińskiego: PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN, Wyd Naukowe PWN 2003 Zasady konstruowania 2011 5
KRYTERIA OCENY KONSTRUKCJI Przy podejmowaniu decyzji o wyborze należy posługiwać się pewnymi kryteriami oceny rozwiązania (konstrukcji). Podstawy konstrukcji maszyn pod red. Marka Dietricha, t. 1 1. KRYTERIUM BEZPIECZEŃSTWA Wyrób nie powinien zagrażać użytkownikom. Nie wolno dopuszczać do powstania zagrożeń (ocena zagrożenia subiektywna). Nadzór państwa dozór techniczny. Dyrektywy Unii Europejskiej, normy ISO, firmy ubezpieczeniowe. Ocena ryzyka związanego z zagrożeniami (jednym z celów projektowania mechatronicznego jest ograniczenie roli człowieka). 2. KRYTERIUM NIEZAWODNOŚCI Kryterium ściśle związane z kryterium bezpieczeństwa. Systemy awaria jednego elementu może doprowadzić do zniszczenia całego systemu. SYSTEM JEST TAK NIEZAWODNY, JAK JEGO NAJ- SŁABSZY ELEMENT. Najczęściej najsłabszym elementem systemu jest człowiek. 3. KRYTERIUM MASY 4. KRYTERIUM EKONOMIKI EKSPLOATACJI 5. KRYTERIUM TECHNOLOGICZNOŚCI 6. KRYTERIUM ERGONOMII I ESTETYKI 7. KRYTERIUM EKOLOGICZNOŚCI (patrz Internet: The 3R Initiative, Sound Material-Cycle Society) Podejście systemowe (holistyczne) do procesu projektowania pozwala na ocenę ważności kryteriów oceny i wypracowanie rozwiązania kompromisowego. Waga poszczególnych kryteriów proces decyzyjny, w którym uczestniczą klienci, decydenci, konstruktorzy i ekonomiści. Zasady konstruowania 2011 6
ROLA I ZNACZENIE PROJEKTOWANIA OPTYMALNEGO PROJEKTOWANIE działalność związana z zaspokajaniem potrzeb człowieka w wielu dziedzinach ludzkiej aktywności (maszyny, urządzenia, systemy organizacji, systemy finansowania, systemy logistyczne, inne systemy, programy komputerowe, akcje reklamowe i promocyjne itd. KONSTRUOWANIE projektowanie urządzeń technicznych (maszyn). PROJEKT abstrakcyjny obraz wytworu, układu lub systemu, zarejestrowany w postaci dokumentacji projektowej. KONSTRUKCJA abstrakcyjny obraz maszyny (urządzenia technicznego) wraz ze wszystkimi jej parametrami, będący wynikiem twórczej działalności konstruktora, mający swoje źródło w jego umyśle. Konstrukcja jest rejestrowana w postaci dokumentacji konstrukcyjnej (rysunki, obliczenia, opisy, warunki eksploatacji itp.). Dokumentacja konstrukcyjna musi być zgodna z obowiązującymi normami i zgodna z wymaganiami rysunku technicznego (maszynowego). Rzeczywistość OTOCZENIE (potrzeby i możliwości) Zadanie konstrukcyjne (opis możliwości realizacji zdefiniowanej potrzeby) Model (abstrakcyjny, nominalny, matematyczny, komputerowy) Badanie modelu (rozwiązanie modelu, budowa prototypu) Wdrożenie rozwiązania (weryfikacja rozwiązania, walidacja rozwiązania) Zasady konstruowania 2011 7
Schemat procesu projektowania Schemat procesu projektowania optymalnego Schemat wstępnych etapów procesu projektowania belki statycznie wyznaczalnej, obciążonej siłami statycznymi. I informacje, Z zasady podstawowe, O ocena, M.P. metoda projektowania Czesław Szymczak: ELEMENTY TEORII PROJEKTOWANIA, Wyd. Naukowe PWN 1998 Zasady konstruowania 2011 8
INŻYNIERIA SYSTEMÓW (badania systemowe, analiza systemowa) Doświadczenie inżynierskie Normy, patenty, dyrektywy Potrzeba Założenia konstrukcyjne Koncepcja 1 Koncepcja 2 Koncepcja 3 WZ Projekt wstępny Projekt wstępny Projekt wstępny WT Projekt techniczny i wykonawczy WL Badania laboratoryjne WT Prototyp WD Wyrób Badania eksploatacyjne WDROŻENIE Uproszczony schemat procesu konstruowania WZ weryfikacja założeń WT weryfikacja teoretyczna WL weryfikacja laboratoryjna WD weryfikacja doświadczalna Zasady konstruowania 2011 9
OPTYMALIZACJA KONSTRUKCJI 5 Nauka o systemach Badania operacyjne Ogólna teoria optymalizacji Optymalizacja konstrukcji KLASYCZNA DEFINICJA OPTYMALIZACJI (matematyczna) Znaleźć minimum (maksimum) funkcji wielu zmiennych f(x) dla wartości x zawartej w określonym zbiorze X, gdzie: f(x) funkcja celu, kryterium optymalizacyjne, wskaźnik jakości, X zbiór rozwiązań dopuszczalnych (konstrukcji dobrych). PODSTAWOWE POJĘCIA I OKREŚLENIA OPTYMALIZACJI OPTYMALIZACJA dziedzina wiedzy zajmująca się metodami wyboru optymalnych działań związanych z działalnością człowieka w sferze techniki, gospodarki, zarządzania itp. OPTYMALIZACJA KONSTRUKCJI zajmuje się zagadnieniami związanymi z wyborem parametrów kształtu i cech fizycznych szeroko rozumianych konstrukcji. KONSTRUKCJA pojedynczy element (pręt, wał, belka), zbiór elementów, części maszyn i urządzeń, maszyna, zbiór maszyn i urządzeń itd. KSZTAŁT KONSTRUKCJI wymiary geometryczne, właściwości materiałowe i fizyczne, wytrzymałościowe lub odkształceniowe konstrukcji. PARAMETRY KONSTRUKCJI ZMIENNE DECYZYJNE (zmienne projektowe) Model matematyczny optymalizacji konstrukcji: Kryterium optymalizacyjne matematycznie wyrażone poprzez funkcję celu (lub zbiór funkcji celów optymalizacja wielokryterialna). Zbiór zmiennych decyzyjnych oraz pozostałych parametrów opisujących konstrukcję, Zbiór warunków ograniczających. 5 PATRZ: Marian Ostwald: Podstawy optymalizacji konstrukcji. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Poznańskiej 2005. Zasady konstruowania 2011 10
Porównanie projektowania zwykłego i optymalnego Projektowanie oparte na I zasadzie konstrukcji należy zaliczyć do projektowania zwykłego (klasycznego), polegającego na spełnieniu postawionych warunków. Rezultatem takiego projektowania będzie konstrukcja dobra. W projektowaniu optymalnym, zgodnie z II zasadą, aby konstrukcja była najlepsza (optymalna), musi być postawiony dodatkowy warunek. Warunek ten jako kryterium optymalizacyjne pozwali na porównanie kilku rozwiązań i na wybór rozwiązania najlepszego. PRZYKŁAD Belka o przekroju prostokątnym b h przenosi moment zginający M g = 1000 Nm. Naprężenia dopuszczalne dla materiału belki wynoszą dop = 150 MPa. Dobrać wymiary b i h przekroju poprzecznego belki [25]. Projektowanie zwykłe Wartości parametrów b oraz h można wyznaczyć z warunku wytrzymałościowego na zginanie belki: M 2 g bh dop, Wx, W 6 stąd: bh x 6M 2 g 3 40cm. dop 6 1000 150 Na podstawie warunku wytrzymałościowego metodą prób można dobrać wartości b i h spełniające ten warunek, otrzymując skończoną liczbę konstrukcji dobrych. Nie można jednak stwierdzić, która z tych konstrukcji będzie konstrukcją najlepszą. Przykładowo: b = 1,5 cm, h = 5,5 cm, F = bh = 8,25 cm 2, bh 2 = 45,375 cm 3, ale = 132,2 MPa < dop = 150 MPa konstrukcja posiada pewien zapas wytrzymałości, b = 2,5 cm, h = 4,0 cm, F = bh = 10,0 cm 2, bh 2 = 40,0 cm 3, b = 1,6 cm, h = 5,0 cm, F = bh = 8,0 cm 2, bh 2 = 40,0 cm 3, b = 1,5 cm, h = 5,16 cm, F = bh = 7,74 cm 2, bh 2 = 40,0 cm 3. Projektowanie optymalne Aby odpowiedzieć na pytanie, która z belek jest konstrukcją najlepszą należy sformułować kryterium optymalizacyjne. Najczęściej stosowanym kryterium jest kryterium ekonomiczne, wyrażające koszt konstrukcji. Pomijając koszty wytworzenia, można przyjąć, że koszt będzie zależał od ilości materiału zużytego do produkcji. W ten sposób kryterium można wyrazić przez pole powierzchni przekroju poprzecznego belki. Konstrukcja najlepsza to konstrukcja najtańsza, dla której pole powierzchni będzie najmniejsze. O tym, że intuicyjny wybór parametrów nie jest najlepszym sposobem postępowania może świadczyć porównanie następujących wartości: b h = 1,5 5,5 = 8,25 cm 2 oraz b h = 2,5 4 = 10 cm 2. Według przyjętego kryterium lepsze są pierwsze parametry, chociaż naprężenia dopuszczalne w tym przypadku są niższe od wartości dopuszczalnych. Oznacza to, że właściwości wytrzymałościowe belki nie są w pełni wykorzystane z ekonomicznego punktu widzenia jest to sytuacja niewłaściwa. Dobór parametrów wymaga innego sposobu rozwiązania. W projektowaniu optymalnym oprócz warunku wytrzymałościowego można sformułować jeszcze warunki dodatkowe, np. zażądać, aby spełnione były warunki za- Zasady konstruowania 2011 11
h bezpieczające belkę przed utratą stateczności. Dla uproszczenia można przyjąć, że warunek ten będzie wyrażony przez stosunek parametrów b i h: h h 1 oraz 4. b b Zadanie projektowania optymalnego należy sformułować następująco: kryterium optymalizacyjne: F bh min, warunek wytrzymałościowy: bh 2 40, warunki stateczności: h b, h 4b. W zadaniu występują dwie zmienne b i h. Zadanie najprościej można rozwiązać w sposób graficzny. Na rysunku 2.6 przedstawiono powyższe zależności w postaci krzywych. Każda z krzywych stanowi graniczny przypadek przyjętych warunków. Część płaszczyzny ograniczona tymi krzywymi określa obszar konstrukcji dobrych obszar rozwiązań dopuszczalnych. 10 b [cm] Warunek wytrzymałościowy h b 1 F = b h = b 5 5 7,367 10 Obszar dopuszczalny 1,357 A h b 4 0 5,248 5 10 h [cm] Rys. 2.6. Porównanie projektowania zwykłego i optymalnego Funkcja F = bh tworzy nad płaszczyzną o współrzędnych b h powierzchnie, której odwzorowaniem są warstwice odpowiadające różnym wartościom F. Podstawiając kolejno F = 5, 6,..., 10 otrzymuje się rodzinę warstwic. Najmniejszą wartość funkcji celu określa warstwica przechodząca przez krawędź obszaru dopuszczalnego, dla której F = 7,367 cm 2. Warstwica ta dotyka obszaru dopuszczalnego w punkcie A. Dokładne wartości zmiennych decyzyjnych b i h mogą być odczytane z rysunku. Z rysunku wynika też, że punkt A leży na przecięciu równań bh 2 = 40 oraz h = 4b. Rozwiązując ten układ równań, otrzymuje się optymalne wymiary przekroju belki: b = 1,357 cm oraz h = 5,428 cm. Zasady konstruowania 2011 12