Методы инженерного творчества. Поиск ресурсов при решении технических задач

1. МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА

Процесс создания любого технического объекта состоит из двух стадий проектирования объекта и его изготовления.
В настоящее время именно на стадии проектирования закладываются те или иные
значения показателей качества технического объекта, в то время как на стадии
изготовления стремятся, в лучшем случае, обеспечить заданную эффективность
функционирования объекта.
Вместе с тем в начале 50-х гг. XX в. резко обострилось противоречие между бурным
развитием науки, техники и производства и процессом мыслительной деятельности
человека, практически постоянно применяющего при поиске новых технических
решений метод проб и ошибок. Так, если в технически развитых странах мира
производительность труда в сфере производства возросла с 1900 по 1960 г. в среднем
на 1000 %, то в сфере проектирования - только на 20 %.
По единому мнению многих зарубежных и отечественных ученых, выход из такой
ситуации был возможен только путем создания и развития интеллектуальных
специальных средств инженерного творчества, т. е. методов активизации творческого
мышления.

2. МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА

К настоящему времени создано большое количество методов и приемов творчества.
Особенно активно разработка методов поиска новых идей и решений осуществлялась
в 60-90 гг. XX в. Это было вызвано целым рядом побуждающих факторов: высокими
темпами развития техники, появлением компьютеров и компьютерных технологий
творчества, все возрастающей конкуренцией товаров и интеллектуальных услуг и т. п.
При этом уделялось внимание не только разработке новых методов, но и увеличению
эффективности использования уже известных методов, в частности, путем
применения ЭВМ.
Все существующие методы и приемы творческой деятельности человека, в
зависимости от выполняемых мыслительных операций в процессе поиска решения,
условно подразделяют на три группы:
интуитивные;
эвристические;
алгоритмические (компьютерные).

3. МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА

Интуитивные методы направлены на активное использование и развитие способностей
человека принимать то или иное решение на основе своей интуиции. К этой группе методов
относятся, например, метод мозгового штурма, синектика.
Эвристические методы содержат в себе совокупность методических приемов, процедур,
правил и т. п., в которых приводится краткое описание или указание, как преобразовать
исследуемый объект или в каком направлении следует двигаться, чтобы найти нужное
решение. Эвристические методы по своей сущности играют роль «подсказки» идей искомого
решения, но не гарантируют его нахождения. Однако при умелом владении этими методами
вероятность получения достаточно эффективных решений весьма велика.
Состав группы эвристических методов очень обширен. Практически все известные в
настоящее время методы и приемы можно отнести к эвристическим методам, включая
древнейший метод проб и ошибок. В эту группу входят ассоциативные методы, метод
эвристических приемов, приемы инверсии, эмпатии, аналогии, метод контрольных вопросов и
многие другие.
Алгоритмические (компьютерные) методы представляют собой достаточно четко описанную
последовательность операций анализа и синтеза, направленную на поиск наиболее
эффективного из возможных решений поставленной творческой задачи.
К этой группе методов относятся алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ),
функционально-стоимостный анализ, методы автоматизированного поиска физических
принципов действия и др.

4.

Технические система
Технический объект (ТО) - это созданный человеком непосредственно или
опосредованно (например, автоматом) объект, предназначенный для
удовлетворения определенной потребности.
Под системой понимают комплекс взаимосвязанных объектов.
Объекты, из которых состоит система, называют её элементами. Элемент и система
являются относительными понятиями
Техническая система (ТС) - это искусственно созданная совокупность
взаимосвязанных элементов, выделенная из окружающей среды и
взаимодействующая с ней как целое для удовлетворения определенной
потребности окружения (человека, общества, других технических систем)
Окружающая среда
технического объекта. Каждый
технический объект находится в
определенном взаимодействии с
окружающей средой (внешней
средой, окружением).

5.

Технические система

6.

По положению системы в иерархии:
• надсистема, система, подсистема.
По связям с окружением:
• открытые (с определённым окружением, т.е. по крайней мере, с одним входом или выходом);
• замкнутые (без связей с окружением).
По изменению состояния:
• динамические (состояние изменяется во времени);
• статические (состояние не изменяется во времени).
По характеру функционирования:
• детерминированные (в зависимости от состояния системы можно однозначно судить о её
функционировании);
• стохастические (можно только высказывать предположение относительно различных
возможных вариантов функционирования).
По происхождению системы:
• естественные (созданные природой);
• искусственные (созданные людьми).
По степени сложности структуры:
• предельно сложные (например, мозг, народное хозяйство);
• очень сложные (например, полностью автоматизированное предприятие, производственный
комплекс);
• сложные (например, легковой автомобиль, библиотека университета);
• простые (например, семейная библиотека, болтовое соединение).
По виду элементов:
• системы типа «объект» (элементами являются предметы, например: дом, двигатель, машина);
• системы типа «процесс» (элементами являются операции, например: изготовление,
фильтрация, перегонка).

7.

8. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Ресурс — средство, к которому обращаются в случае необходимости.

9. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Вещества.
Полезные функции ТО часто реализуются через свойства веществ. Эти свойства во
многом определяются видом и состоянием вещества:
твердое (монолитное и дисперсное), жидкое (монолитное и дисперсное),
газообразное, ионизированное.
Если одно вещество, находящееся в раздробленном (диспергированном)
состоянии, равномерно распределено в массе другого вещества, то такую систему
называют дисперсной.
В таких системах раздробленное вещество принято называть дисперсной фазой, а
среду, в которой она распределена, - дисперсионной средой.
Так, например, система, представляющая собой взмученную глину в воде, состоит из
взвешенных мелких частиц глины – дисперсной фазы и воды – дисперсионной среды.

10. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Вещества.
Твердые
дисперсные
вещества
(ТДВ)

11. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Вещества.
Щеточные
конструкции

12. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
Если определить поле как пространство, каждой точке которого можно поставить в
соответствие некоторую скалярную или векторную величину, то это понятие будет
хорошо согласовываться с понятием поля, принятым в физике и математике.
Природные и абстрактные
поля могут быть
скалярные, например,
поле давлений в
жидкости, поле
распределения
температур,
концентрации одного из
веществ в некоторой
смеси и др. и векторные,
например, магнитное
поле, поле скоростей,
ускорений и др.

13. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
Форму тела можно рассматривать, с одной стороны, как некоторую полевую
характеристику вещества и, с другой стороны, — как взаимодействие вещества и
абстрактного поля — распределение вещества в пространстве, формы тела.
Метацентр
Метацентр - точка пересечения: линии действия выталкивающей силы, проходящей
через центр водоизмещения и продольной оси симметрии судна.
При наклонах судна положение метацентра меняется.
Остойчивость судна гарантирована, если самый низший из его метацентров лежит
выше центра тяжести судна.
Различают продольный и поперечный метацентры судна.

14. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
В начале XVII века у шведов не было больших кораблей, вооружённых тяжёлыми пушками. В принципе, для
Балтийского моря вполне подходили и мелкие суда, но шведский король Густав Адольф (1594-1632) отличался
чрезвычайной амбициозностью. Он решил создать костяк флота, состоящий из больших линейных кораблей. По
его задумке их должно было быть 5.
Первым в этой серии и стал "Васа". Но у судна слишком высоко расположили центр тяжести, а ширина плавучего
средства оказалась недостаточно большой. Что же касается других 4-х военных судов, то они благополучно
служили в шведском флоте вплоть до 60-х годов XVII столетия. Их называли королевскими судами, а от
затонувшего судна они отличались тем, что были на 1,5 метра шире.

15. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
Эйфелева башня при высоте 300м весит около 7300 тонн.
Шаболовская телевизионная башня

16. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
Шаболовская телевизионная башня

17. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
Шаболовская телевизионная башня
Первой страной, использовавшей
изобретение Шухова, была Япония,
построившая в 1963 году яркую 108метровую телевышку в порту города Кобе

18. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
Венцом воплощения идеи
Шухова стала 610-метровая
гиперболоидная конструкция
в Китае, строительство
которой длилось с 2005 по
2009 год

19. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
Парабола — геометрическое место точек М, равноудаленных от заданной точки F —
фокуса и заданной прямой АА'
Параболическая антенна: 1 — фронт
волны, падающей на зеркало; 2 —
облучатель; 3 — раскрыв зеркала; 4 —
параболическое зеркало; 5 — фронт
волны, отражённой от зеркала; F —
фокус параболоида. Стрелками показан
ход лучей.

20. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
IRAM 30-m Millimeter Radio Telescope. Радиотелескоп расположен на Pico Veleta в
Сьерра-Невада, Андалузия, Испания. Радиотелескоп работает в миллиметровом
диапазоне - от 1 мм до 3 мм. Это второй по величине миллиметровый телескоп в мире.
Телескоп представляет собой классическую параболическую антенну, которая позволяет
изучать расширяющиеся космические объекты, таких как близкие галактики и
межзвездный газ. Поверхность параболы регулируется с точностью до 55 микрон, что
примерно соответствует диаметру человеческого волоса.

21. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
ГИДРОГЕНЕРАТОР
Вращающийся с определенной частотой, создаваемый ротором, поток возбуждения,
пересекает витки статорной обмотки, он совершает индуцирование в фазах с
переменной ЭДС, изменяемой с частотой, определяемой по формуле:
f1=pn2/60.
При присоединении статора к нагрузке, ток в обмотке создает магнитное поле,
вращающееся со скоростью одинаковой со скоростью вращения ротора.
Магнитодвижущая сила обмоток возбуждения и статорной обмотки, и результирующие
вращающегося магнитного поля, создают результирующий магнитный поток.

22. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Поля.
ГЕОСТАЦИОНАРНЫЕ СПУТНИКОВЫЕ ОРБИТЫ
Этот тип орбиты используется для размещения космических аппаратов чаще всего,
ведь он обладает существенными преимуществами: возможна непрерывная
круглосуточная связь, а сдвиг частоты практически отсутствует. Геостационарные
спутники располагаются на высоте около 36000 км над поверхностью Земли и
двигаются со скоростью ее вращения, как бы «зависая» над определенной точкой
экватора, «подспутниковой точкой».

23. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Пространство.
Ресурс пространства можно использовать в виде двух приемов:
1) проанализировать форму объекта, посмотреть нельзя ли ее изменить, чтобы получить
нужное свойство;
2) проанализировать взаимное расположение объектов; наклонить, повернуть, поменять
их местами, использовать пустое пространство, расположить один объект внутри другого
(принцип матрешки), проверить рационально ли используется пространство.

24. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Пространство.

25. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Пространство.
Травяные крыши Норвегии

26. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Время.
Ресурс времени предполагает использование следующих приемов: сделать заранее
(или наоборот позднее), увеличить или уменьшить время воздействия (протекания
процесса), изменить временные характеристики полей. Для этого в ТС часто
необходимо вводить вещества или поля.

27. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Время.
Предварительно напряженными металлическими конструкциями называются такие
конструкции, в которых в процессе изготовления или монтажа искусственно создаются
в наиболее напряженных сечениях или стержнях собственные напряжения,
противоположные по знаку напряжениям от расчетной нагрузки.

28. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Время.
Башня, вес которой более 32 тысяч тонн,
возведена на монолитном кольцевом
железобетонном фундаменте шириной 9,5
метра, высотой 3 метра и диаметром
(описанной окружности) 74 метра. В
десятиугольной железобетонной ленте
фундамента с помощью системы кольцевой
напряженной арматуры (она состоит из 104
пучков, в каждом пучке по 24 проволоки
диаметром 5 миллиметров каждая) создано
предварительное напряжение — каждый
пучок натянут гидравлическими
домкратами с силой около 60 тонн.

29. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Время.
При всем существующем
многообразии способов пуска
насосотурбинных
гидроагрегатов в насосный
режим все они могут быть
сведены к двум вариантам:
асинхронный пуск путем
включения электромашины
неподвижного агрегата в сеть
на полное или пониженное
напряжение;
синхронный (или частотный)
пуск, при котором агрегат
раскручивается до
подсинхронной скорости
вращения, синхронизируется с
электросетью, а затем
нагружается до номинальной
производительности.

30. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Физико-технические эффекты.
Под физико-техническими эффектами понимают различные приложения
физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и
явления, которые могут быть использованы в технических устройствах.
Принцип действия турбинных и крыльчатых
счетчиков основан на измерении числа оборотов
крыльчатки, которая вращается со скоростью,
пропорциональной расходу жидкости, протекающей
в трубопроводе:
n = k Vср/l , где Vср = Q0/S , тогда
n = k Q0 /Sl
Крыльчатые расходомеры (ось вращения
крыльчатки перпендикулярна
направлению движения жидкости)
применяются для измерения малых
расходов.
Турбинные расходомеры (ось вращения
турбинки параллельна направлению
движения потока жидкости) - применяются
для измерения больших расходов.
где n – число оборотов; k- постоянный коэффициент для
данного расходомера; l - шаг лопастей крыльчатки; Vсрсредняя скорость потока жидкости; Q0 u S- расход и
площадь сечения трубопровода.
Вращение оси крыльчатки (турбинки) через
редуктор и магнитную муфту передается счетному
механизму, по показаниям которого определяют
количество жидкости, прошедшей через прибор.

31. ПОИСК РЕСУРСОВ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Физико-технические эффекты.
Электромагнитные расходомеры
Принцип действия электромагнитных расходомеров (ЭМР) основан на измерении ЭДС,
индуктируемой в потоке электропроводной жидкости под действием внешнего
магнитного поля.
Принципиальная
схема
электромагнитного
расходомера с
постоянным
магнитом
ЭДС определяется
E=4*Q*B/(π*d)
В – магнитная индукция в
зазоре между полюсами
магнита
Гидравлические потери на приборе
минимальны, потому что первичные
преобразователи электромагнитных
расходомеров не имеют частей,
выступающих внутрь трубопровода, сужений
или изменений профиля. Эти расходомеры
используют в биохимической и пищевой
промышленности, где доминирующими
являются требования к стерильности
измерений среды, так как преобразователь
расходомера и технологический
трубопровод можно чистить и стерилизовать
без демонтажа. Отсутствие полых
углублений исключает застаивание и
коагулирование измеряемого продукта```
Принципиальная
схема
электромагнитного
расходомера с
переменным
магнитным полем
ЭДС определяется
E=(4Q/πd)*Bmax*sinωt
Bmax=B/sinωt– амплитудное значение
магнитной индукции, ω=2πf – круговая
частота; t – время.