CC BY
39
УДК 658.512
Обеспечение принципа комплексности при проектировании сложных машиностроительных объектов с применением функционально-стоимостного анализа
Дмитрий Семенович Лиокумович, аспирант, e-mail: bolniza_sa@mail.ru
Марина Владимировна Силуянова, д.т.н., проф., каф. «Двигатели летательных аппаратов
и теплотехника», e-mail: dc2mati@yandex.ru
ФГБОУ ВПО «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского, Москва
Рассмотрены аспекты применения метода функционально-стоимостного анализа и основные принципы, обеспечивающие требуемый уровень конкурентоспособности проектных решений сложных машиностроительных объектов; предложена методика разрешения противоречий комплексных проектных решений и достижения рациональных сбалансированных соотношений качественных и стоимостных показателей в информационном слое на ранних стадиях жизненного цикла изделий в проектной, производственной и эксплуатационной системах.
The authors considered the aspects of the method of value analysis and the basic principles that provide the desired level of competitiveness of design solutions of complex engineering objects. The article proposed the technique of the resolution of contradictions of complex design decisions and achieving rational balanced ratio of quality and cost indicators in the information layer in the early stages of product life cycle in design, manufacturing and operational systems.
Ключевые слова: комплексное проектное решение, функционально-стоимостной анализ, пространство проектирования, контуры, информационное единство, конкурентоспособность.
Keywords: complex design solution, value analysis, space of design, outlines, information unity, competitiveness.
Сближение экономики нашей страны с высокоразвитыми и эффективными экономиками стран Америки, Европы и Юго-Восточной Азии породило немало проблем и сложностей для российского бизнеса и хозяйства в целом, поскольку наша промышленность пока не выпускает на международный рынок широкой номенклатуры машиностроительных объектов и не обладает большим количеством современных производственных фондов. Перед ней стоит проблема выбора конкурентоспособных объектов и модернизации основных фондов и производства в целом. Все это, безусловно, в перспективе будет значительно понижать конкурентоспособность российской продукции.
Процессы проектирования, производства и применения по назначению сложных технических систем сопровождаются выявлением и разрешением противоречий между функциональными требованиями, конструктивными решениями, производственными и эксплуатационными условиями. Для обеспечения конкурентоспособности предлагается большую часть противоречий комплексных проектных решений выявлять и разрешать в информационном слое на ранних стадиях жизненного цикла изделий и проектной, производственной и
эксплуатационной систем методами функционально-стоимостного анализа [1].
Основными принципами, обеспечивающими требуемый уровень конкурентоспособности проектных решений, являются принципы системного единства, комплексности и информационного единства.
Принцип системного единства предполагает совместное рассмотрение сложных машиностроительных объектов как единого целого и как совокупности отдельно функционирующих частей (элементов).
Принцип комплексности заключается в том, что обеспечивается взаимосвязь всех видов проектирования структурных элементов и всего объекта в целом для всех стадий и этапов жизненного цикла сложных машиностроительных объектов.
Принцип информационного единства состоит в том, что во всех автоматизированных системах, обеспечивающих проектирование, функциональных и инвариантных подсистемах и средствах обеспечения используются единые терминология, способы представления информации и проблемноориентированные языки проектирования.
Объектами производства в машиностроении являются транспортные средства, сами средства машиностроительного производства, двигатели и
другие машины, а также такие структурные элементы изделий, как агрегаты, системы, узлы и детали [2]. Поскольку эти изделия различного назначения являются сложными техническими системами и часто их конструкция не может быть определена окончательно вплоть до снятия изделия с производства, для производственных стадий их жизненного цикла характерна неразрывная связь с конструкторской подготовкой производства.
Особенности сложных машиностроительных объектов как объектов производства состоят в следующем: многономенклатурность и многодеталь-ность изделий, разнообразие применяемых конструкционных материалов, сложность пространственных форм и большие габаритные размеры, высокие требования к качеству изделий в целом и к его отдельным конструктивным элементам.
На этапах функционально-стоимостного анализа и исследования методами математического моделирования машиностроительные объекты, как сложные технические системы (СТС), представляются в виде математической модели в форме абстрактной структуры
S(A) = {А, РА, МА, ЯА}, (1)
где А - базовое множество элементов сложной технической системы; Р - базовое множество свойств (контуров) элементов; N - базовое множество параметров элементов А и контуров РА; Ел - множество отношений, определяемых на базовых множествах А, Р, N.
Базовое множество элементов сложной технической системы описывается выражением вида
А = {А1,Л2, ...,А, .,Ап}, (2)
где А = {а1 ^.^а)^.^а'т} •
Следует отметить, что А, Аг-, а'}- это структурные элементы изделия (агрегаты, узлы, детали, их элементы, т.е. тела или поверхности), которые могут быть абстрактными или конкретными на определенных этапах моделирования.
При этом А, Аг- и т.п. являются элементами составными, т.е. не только могут быть элементами включающего их множества, но и представляют собой множество элементов следующего (нижнего) структурного уровня.
В то же время а1, а‘]- и т.п. являются целыми
(неделимыми) на определенном уровне анализа элементами, независимо от конструкции. Например, на определенном уровне функционально-
стоимостного анализа и деталь, и узел, и агрегат и даже самолет или двигатель могут быть представлены как целый и неделимый элемент, несмотря на то, что двигатель и его агрегаты являются, в сущности, сложной технической системой.
Базовое множество свойств (контуров) элементов представляется в виде
РА = Р ,...,рА ,...,Р^}, (3)
где рА = {/,...,/),..., /т }.
В выражении (3) Р, РА, /' - контуры (свойства) структурных элементов изделия, представляемые как логические переменные, принимающие определенное значение при сопоставлении с характеризуемыми ими элементами. Контуры Р, рА являются составными, а / - элементарными.
Составные контуры Р, ¥А при сопоставлении с элементами а’]- е А1, А1 е А определяются через совокупность характеризующих их свойств следующего структурного уровня, в то время как элементарные контуры / являются параметрически определяемыми.
Понятие контур является абстрактным и используется для представления совокупности свойств определенного назначения. По назначению при функционально-стоимостном анализе свойства подразделяются на четыре взаимозависимые группы: Р - функциональные, Р - конструктивные, РТ - технологические, Р - стоимостные (технико-экономические) [3].
Для соответствия требованиям технического задания определяется набор функциональных контуров каждый из которых характеризуется множеством параметров N постоянных или переменных.
Реализация функциональных контуров выполняется набором конструктивных элементов А, описываемых в терминах конструктивных контуров Р. Для конструктивных контуров Р характерен набор параметров N, которые также (как и параметры функциональных контуров N) могут быть постоянными и переменными.
Множества функциональных (Р) и конструктивных (Р) контуров и характеризующих их параметров N и N могут пересекаться.
Параметры, в свою очередь, подразделяются на входные, собственные (внутренние) и выходные.
Схема формирования пространства проектирования представлена на рис. 1. В соответствии с
Рис. 1. Схема формирования пространства проектирования
предлагаемой организационной схемой проектирование выполняется в ограниченном пространстве, являющемся предметной областью. В пространстве предметной области реализуются следующие виды проектирования: функциональное, конструктивное, технологическое, эксплуатационное (технико-экономическое).
При этом различные факторы и параметры могут рассматриваться как условия или ограничения. Сочетание условий и ограничений предопределяет применяемые методики для формирования, оценки и выбора рациональных вариантов комплексных проектных решений.
В тех случаях, когда невозможно строго формализовано оценить проектные решения, их необходимо выбирать на основе предпочтений. Предпочтения характерны не только для выбора решений, но и для ранжирования факторов и параметров при установлении ограничений и условий, применяемых для оценки и выбора вариантов.
Определение и исследование взаимосвязанных факторов и параметров выполняется методами функционально-стоимостного анализа.
Пространство проектирования (РД), (РкДк), (РТДТ), (РД8) подразделяется на четыре сопряженных подпространства, в которых по традиционным методикам проектирования выполняются обособленные проектные работы.
Проектирование в подпространстве ((Р'Д), (Р^,Дк)) обеспечивает функциональное совершен-
ство. Подпространство ((РкДк), (РТ,ДТ)) определяет реализуемость изделия в технологической системе. Проектирование в подпространстве ((РТ,ДТ), (Р^Д3)) обеспечивает технологичность изделия. В подпространстве ((Р^Д), (Р^Д8)) выполняется согласование результатов оценки функционального совершенства, реализуемости и технологичности и определяется конкурентоспособность комплексных проектных решений.
Для реализации отдельного набора функциональных контуров могут быть применены варианты различных конструктивных элементов А с разными наборами конструктивных контуров Р и параметров N , для которых справедливо соотношение
ДА = {да,..., ДА = ,...,п‘,...,п'т},..., ДА}, (4)
где Д4, ДА, п, - параметры, характеризующие элементы а1, е А1, А1 е А и контуры / е РгА, которые могут принимать количественное либо лингвистическое значение. Параметры Д могут быть интегральными или комплексными, описывающими область, поле или допуск, а также частными, имеющими конкретное значение.
Сопоставление элементов а, е А1, А1 е А и характеризующих их контуров /' е РА, а также сопоставление элементов и контуров Р с параметрами Д , ДА , п, выполняется на основе множества отношений
Т)А _ с пЛ пЛ рА \
К — {,«1 ,...,К, ,...,Кп }.
(5)
Отношения КЛ е КЛ задаются на базовых множествах А, ¥, N. В моделях функциональностоимостного анализа выделены четыре специальных типа отношений: отношения принадлежности Ке; отношения порядка К; отношения эквивалентности К^; отношения функции К Множество отношений КЛ (Л, Л) на базовом множестве элементов А, определяемых как подмножества декартова произведения А А, включает в себя выражение
КЛ (Л, Л) — {Ке, Кр}. (6)
Множество отношений К(Л, ¥) на базовых множествах элементов А и контуров ¥Л включает в себя выражение
КА (Л,¥Л) —{Ке,К^}
.
(7)
Взаимозависимые контуры ¥Л е ¥Л связаны отношениями, заданными на базовом множестве ¥ и определяемыми как подмножества декартова произведения ¥' ¥Л:
КА (¥Л,¥Л) —{Ке,К/}, (8)
причем К определяется как п-местная функция высказываний, а ¥гЛ е ¥Л задается фактически п-мест-ным предикатом, областью определения которого является подмножество базового множества ¥ .
Кроме определения контура ¥А на базовом множестве ¥ , каждый элементарный контур / может быть определен подмножеством множества параметров N на основе отношений КА (¥Л, МЛ ) —
— {Ке, К/} следующим образом.
Каждый контур / характеризуется набором параметров
К(/г ) — {п>1, — ,п]; — ,пп }. (9)
Требуемое качество контура / будет обеспечено, когда для каждого параметра п/ е N(/) погрешность значения ш, не выходит за пределы установленного поля допуска А/
Vп; е N(/ )(®ге Л/). (10)
Контур / может быть представлен логической переменной, и его состояние может быть определено следующим образом:
П, если Уп, е N(f )(©/. с Л/),
1 (11)
[0, если 3 п/ е N(/ )(&/ \ Л/ ф 0).
Множество параметров N является не только основой описания элементов множества А, что представляется в форме отношений КЛ(Л, Д), и контуров элементов множества ¥, что представляется в форме отношений К(¥, Ni), но и является взаимозависимым внутри, что определяется отношением
КЛ (¥ЛN) —{Ке,К°,К/}. (12)
При этом следует еще раз подчеркнуть, что параметры п/ е N1^, N1^ е NЛ являются не только
качественными, но и лингвистическими переменными и константами.
В процессах математического моделирования изделий, как сложных технических систем, и при формировании проектной, а также реальной модели описывается одно из состояний: либо то, которое определено в техническом задании и проектной документации, либо то, которое обеспечено в процессе производства.
Формирование области комплексного решения на примере проектирования в подпространстве (^А^), )), определяющем реализуемость
изделия, производится в процедурно-алгоритмической среде, обеспечивающей взаимодействие моделей изделий ^(Л) и моделей технологических систем ^(Р) с целью формирования моделей технологических процессов S(T). Схема и результат этого взаимодействия проиллюстрированы на рис. 2.
Создание сложной технической системы и элементов ее конструкции (агрегатов, узлов и деталей) начинается с определения целей и задач, которые формулируются в техническом задании. Для детализации целей и задач техническим заданием определяются основные эксплуатационные характеристики, которые должны обеспечиваться проектируемой системой в целом и ее элементами, а также задаются ограничения на параметры системы и устройств и диапазоны возможных изменений внешней среды.
На рис. 3 представлена схема взаимосвязанных подходов к оценочной деятельности и методов определения и оценки основных технико-экономических показателей наукоемкой продукции промышленных предприятий, работающих в современных условиях. Наиболее перспективными подходами являются «доходный», основанный на разработке бизнес-плана, и «рыночный», предполагающий сравнение принимаемых конструктивно-технологических и организационных решений с прототипами и аналогами, поставляемыми на рынок потенциальными конкурентами. Самыми перспективными методами оценки в настоящее
Рис. 2. Образование области комплексного решения для оценки реализуемости: а - формирование модели комплексного проектного решения; б - структурный элемент модели Б(Т) (ґ, - і-я объ-екто-операция; ал, - начальное и конечное состояние элементов технологической системы; /ъ/ я2 - начальное и конечное
состояние свойств и оценочных показателей)
Рис. 3. Подходы и методы оценки факторов и показателей при функционально-стоимостном анализе
время являются методы функционально-стоимост-
ного анализа сложных технических систем, основанные на имитационном моделировании объек-
тов и процессов их создания и применения на различных стадиях жизненного цикла.
Для повышения конкурентоспособности сложных технических систем в машиностроении стадии проектирования и производства должны сближаться на основе конструкторско-технологического задела, представленного в форме специальных баз знаний и баз данных комплексных проектных решений, с моделями функционально-стоимостного анализа, позволяющими выполнять для интеллектуальной и материальной продукции оценку функциональных и стоимостных характеристик по различным методикам, учитывающим затратные, функциональнопотребительские и рыночные свойства.
В сложившихся условиях, характеризующихся усилением конкурентной борьбы, научная проблема разработки и применения методов функциональностоимостного анализа авиационной техники, позволяющей комплексно исследовать процессы проектирования, подготовки производства, изготовления и эксплуатации в целях обеспечения конкурентоспособности, является очень актуальной.
Целью функционально-стоимостного анализа сложных технических систем является достижение рациональных сбалансированных соотношений качественных и стоимостных показателей сложных технических систем на всех стадиях жизненного цикла для обеспечения конкурентоспособности на внутренних и внешних рынках в современных технических и экономических условиях.
Тематика (и проблематика) функциональностоимостного анализа являются новыми и сложными, так как находятся на стыке таких разнородных видов интеллектуальной деятельности, как конструирование, технологическое проектирование, маркетинг и менеджмент, поэтому они могут служить основой для формирования и исследования инновационных процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Силуянова М. В. Функционально-стоимостной анализ агрегатов и узлов авиационных двигателей на производственных стадиях жизненного цикла: Учеб. пособие. М.: МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского. 2002.
2. Халфун Л. М., Попов В. Г., Силуянова М. В. Топливная аппаратура авиационных газотурбинных двигателей. М.: МАТИ. 2002.
3. Силуянова М. В., Анисимов А. Ю. Методы технологической подготовки производства сложнофассоных деталей с применением функционально-стоимостного анализа // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2011. Т. 7. № 2. С. 43 - 47.
Поступила 15.11.2011 г.
