1 / 46

Sinteza konceptualnih tehničnih sistemov

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

jirair
Download Presentation

Sinteza konceptualnih tehničnih sistemov

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Sinteza konceptualnih tehničnih sistemov Janez Rihtaršič

  2. 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

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

  4. Fizikalna narava tehničnih sistemov 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]. Jedro konstruiranja je razsodno prehajanje od funkcije do oblike [Roozenburg in Eekels 1995].

  5. Fizikalna narava tehničnih sistemov 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].

  6. Fizikalna narava tehničnih sistemov Konceptualni tehnični sistem s poudarjeno verigo fizikalnih zakonov [Žavbi in Duhovnik 2000, 2001].

  7. F21 M31 L31 L22 F22 p31 L21 F11 Fg Fizikalna narava tehničnih sistemov M21 L21 F11 Fg

  8. Fizikalna narava tehničnih sistemov

  9. Fizikalna narava tehničnih sistemov l51 p31 F22 L22 F23 L21 L31 F21 L23 F11 Fg

  10. Fizikalna narava tehničnih sistemov 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]. 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].

  11. Struktura tehničnih sistemov

  12. Struktura tehničnih sistemov

  13. 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].

  14. Tehnični sistem Generiranje idej: intuitivno oz. deskriptivno ali razumsko razčlenjevanje (diskurzivne) oz. preskriptivno? - Literatura - Analiza obstoječih rešitev - Brain storming - Metoda 635 - Delphi metoda - Sinektika - Galerijska metoda - Bionika - Aksiomatsko konstruiranje - Uporaba kontradikcij - Katalogi rešitev - Morfološke matrike - Uporaba fizikalnih zakonov - …

  15. Fizikalni zakon Y = f (X) a) Vrsta spremenljivke: Pogojne količine Povezovalne količine • odvisna spremenljivkaY • neodvisna spremenljivka X vzroki efekti b) Ponovljivost spremenljivke (fizikalnih zakonov) • s ponavljanjem • brez ponavljanja Generiranje idej z veriženjem fizikalnih zakonov Vplivi na rezultate veriženja: 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 )

  16. Generiranje idej z veriženjem fizikalnih zakonov Vpliv definiranja odvisne oz. neodvisne spremenljivke Y = f (X) Vpliv na število in raznovrstnost generiranih verig.

  17. Generiranje idej z veriženjem fizikalnih zakonov Vpliv ponovljivosti spremenljivk oz. fizikalnih zakonov v verigi Vpliv na število generiranih verig v odvisnosti od dolžine verige.

  18. Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Sinteza: besedna ali oblikovna? - 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 efektov in komponent [Chakrabarti 2004] … - Veriženje fizikalnih zakonov in osnovnih shem

  19. Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema 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].

  20. Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Veriga fizikalnih zakonov in njej pripadajoča veriga osnovnih shem[Žavbi in Duhovnik 2000].

  21. Pogojne lastnosti Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema OS Fizikalne količine Geometrijski elementi linijski element (L) Vzročne spremenljivke površinski element (A) točkovni element (P) Povezovalna struktura Efektivne spremenljivke volumski element (V) Zgradba Osnovne Sheme [Rihtaršič et al. 2008].

  22. L L m(V,) m(V,) ω ω vr vr Fcor Fcor a) b) c) L m(V,) ω vr Fcor Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Definiranje vzročnih in efektivnih fizikalnih spremenljivk (Coriolisova sila).

  23. Točkovni in površinski geometrijski element. Linijski geometrijski element. Volumski geometrijski element in povezovalna struktura. Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Identifikacija geometrijskih elementov:

  24. V(k) F g l V(L,) p L Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Primeri osnovnih shem • Vzmetni zakon • Hidrostatični tlak vzrok: Fvzrok: l efekt:lefekt :F pogoj: - Geometrijski element: V(k) vzrok: Lvzrok: p efektt:peffect :L pogoj: g Geometrijski element: V(L,ρ) • Zakon lomnega količnika • Štefan-Boltzmannov zakon α0 L(α0) V0(n0) vzrok: nvzrok: n efekt:efekt : pogoj: - Geometrijski elementi: L(0), V0(A, n0), V(A,n) Q vzrok: Tvzrok: T efekt:Qefekt :Q pogoj:- Geometrijski element: V(A, e,T) V(n) V(e,, A,T) α

  25. V(k) F l Preoblikovanje volumskega geometrijskega elementa v osnovni shemi, ki je komplementarna vzmetnemu zakonu: a) tlačno, b) upogibno in c) vzvojno obremenjena vzmet. Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Oblikovne lastnosti osnovnih shem : vzmetni zakon vzrok: Fvzrok: l efekt:lefekt :F pogoj: - Geometrijski element: V(k)

  26. Linijski geometrijski element. Volumski geometrijski element. Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Oblikovne lastnosti osnovnih shem  oblikovanje geometrijskih elementov

  27. Povezava treh površinskih geometrijskih elementov na plašču vpenjalnega konusa vrtalne glave. Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Povezovalne lastnosti osnovnih shem

  28. 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 1 2 1 2 b) a) 1 2 2 1 c) d) 1 2 3 e) Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Povezovalne lastnosti osnovnih shem: statični tlak

  29. Poenostavitev sklopov in nadaljnje povezovanje v celotni TS. 1 4 1 4 + + = 2 5 6 2 5 6 3 3 Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Povezovanje verig osnovnih shem Povezovanje osnovnih shem v sklop.

  30. Shaft A9.1.7 A9.1.8 A9.1.6 a) A9.2.3 Connecting hub A9.1.9 A9.1.5 A9.1.7 Shroud A9.1.8 Blade Washer A9.2.4 A9.1.9 A9.2.2 A9.1.6 A9.1.1 A9.1.4 A9.1.2 A9.1.3 A9.1.1 A9.1.5 Fluid A9.1.3 A9.2.1 Connecting hub A9.1.2 Hub A9.1.4 Washer A9.3.5 A9.3.6 A9.3.4 Sealing ring b) c) A9.5.4 A9.5.6 Impeller hub A9.3.8 A9.3.7 Shroud A9.5.5 A9.3.j A9.3.1 A9.3.i A9.5.m A9.4.m A9.4.i A9.5.l A9.5.1 Blade A9.4.l A9.4.j A9.4.14 A9.4.29 A9.4.15 A9.4. n A9.4. k A9.4.30 Diffuser Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Povezovanje verig osnovnih shem: Primer sesalne enote Sestavni deli puhala sesalne enote in povezave med njimi (mehanske – polna črta, preko delovnega medija – črtkana črta).

  31. A9.5.1 A9.3.8 A9.1.6 A9.5.5 A9.5.4 A9.5.6 A9.3.7 A9.1.7 A9.4.14 Impeller Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema 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. .

  32. Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Povezovalne lastnosti osnovnih shem : povezovanje geometrijskih elementov

  33. V(A21) g A11 B B g F11 + + = F01 F11 F01 F01 Fg/2 Fg/2 b) F11 B g g B B B B B g a) Fg Fg/2 Fg c) Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema Primer generiranja alternativnih ščipalk za perilo I [Rihtaršič et al. 2007].

  34. Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema g A21 A11 g F11 F11 p21 p21 + + + = p F01 F01 F01 l31 l31 Fg/2 Fg/2 b) F11 p21 g g g p p p l31 Fg l31 l31 l31 l31 Fg/2 a) Fg/2 c) Primer generiranja alternativnih ščipalk za perilo II.

  35. Transformacija med fizikalnimi zakoni in strukturo tehničnega sistema F01 g F21 A V21 g F11 + + = F01 F11 F01 F11F21 Fg/2 b) p21 a) Primer generiranja alternativnih ščipalk za perilo III.

  36. Ni p01 p01 I41 p01 I41 Fe b) a) I41 p01 Fe Ni c) d) I41 I41 Oblikovne variacije generiranih fizikalnih rešitev F11 p01 B31 l21 I41 a) A V(l, 0, N) V(Li, mat.) V(A, L) p01 I41 B31 F11 F11 Li l21 B31 l21 b) Primer generiranja alternativnih generatorjev tlaka I.

  37. U41 Q21,Q22 E31 F11 p01 Oblikovne variacije generiranih fizikalnih rešitev V(A1,A2) V3(r, 0) E31 p01 U41 F11 A2(-q22) A1(+q21) E31 F11 F11 l21 V1(q21) l41 A11 V2(q22) V(A1, A2) U41 p01 U41 p01 b) U41 U41 a) p01 p01 p01 U41 c) d) Primer generiranja alternativnih generatorjev tlaka II.

  38. Fe I41 I41 p01 Nonmagnetic p01 I41 b) a) p01 p01 I41 p01 p01 c) d) p01 I41 Oblikovne variacije generiranih fizikalnih rešitev I41 F11 F21 B31 p01 V(l, 0, N) V(A31, 0) F21  I41 F11 A1 p01 F11 B31 B31 F21 A2 A11 Primer generiranja alternativnih generatorjev tlaka III.

  39. Računalniškaimplementacija Moduli programskega orodja Sophy za podporo izgradnje konceptualnih tehničnih sistemov.

  40. Računalniška implementacija A – knjižnica geometrijskih elementov in fizikalnih količin B – delovna površina C – seznam aktiviranih geometrijskih elementov in fizikalnih količin D – lastnosti geometrijskih elementov in fizikalnih veličin E – opis in raba fizikalnega zakona Modul za generiranje osnovnih shem.

  41. Računalniška implementacija Dodajanje in urejanje fizikalnih količin.

  42. Računalniška implementacija Modul za generiranje verig fizikalnih zakonov.

  43. Računalniška implementacija Modul za generiranje verig fizikalnih zakonov.

  44. Računalniška implementacija Modul za strukturno sintezo.

  45. Literatura Literatura 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 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 Weiterentwicklungtechnischer 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 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)

  46. Literatura 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 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) 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 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 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

More Related