К 82 полный текст книги
Скачать 1.96 Mb.
|
| ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ТРИ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВА ИНЖЕНЕРА: ПРЕДСТАВЛЕНИЕ, ОПТИМИЗАЦИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ Глава четвертая. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ Наглядное представление Игрушечный поезд, глобус, статуэтка, модель здания, модель молекулярного строения какого-либо вещества, модель самолета — все это трехмерные изображения, или модели, реальных вещей, окружающих нас.  Рис. 4-1. Наглядный вид машины, изготовляющей бумажные стаканчики. Инженеры, разрабатывавшие эту машину, использовали ее модель для оценки степени ее безопасности, простоты и легкости работы яа ней, а также для объяснения, как она будет работать. Перечисленные сооружения имеют и двухмерные изображения — фотографии, эскизы, карты и планы. Поскольку эти двух- или трехмерные изображения имеют физическое сходство с изображаемыми сооружениями, их и называют наглядными изображениями. \046\ Наглядные модели служат для того, чтобы создать четкий зрительный образ предмета. Модель проектируемого автомобиля, например, помогает представить себе, как он будет выглядеть после сборки согласно чертежам.  Рис. 4-2. Трехмерная наглядная модель проектируемого завода для производства кислорода. Такая модель, изготовленная по чертежам еще не построенного завода, необходима главным образом для проверки правильности конструкции, соединений узлов. Двухмерные наглядные изображения, например карта, эскиз, фотография, чертеж сооружения в разрезе,— удобное средство информации. На рис. 4-1 и 4-2 приведены примеры наглядных изображений. \047\ Схематическое представление Схема может изображать какой-либо реальный прибор, не имеющий физического сходства с ней. Примером такого представления является принципиальная схема радиоприемника. Примеры схематического представления приведены на рис. 4-3, 4-4 и 4-10. В каждом случае положение линий и условных обозначений отражает структуру и поведение реального прибора. В своей работе инженер широко использует схематический метод представления, чтобы связать различные системы и их действия. Графическое представление Примеры графического представления показаны на рис. 4-5 и 4-6. Все рисунки в гл. 5 являются графиками. В общем случае график показывает зависимость одной величины, например скорости, тока, от другой, например температуры, времени или давления. Подобные графики помогают инженеру представить себе поведение проектируемого предмета в тех или иных условиях. Использование графиков в инженерном деле иллюстрирует рис. 4-5, который позволяет определить, какой процент партии электронных ламп будет работать (на испытательном стенде) по прошествии определенного числа часов. Математическое представление Математическое выражение V=mRT/pM обозначает, что объем, занимаемый каким-либо газом, зависит от массы т, молекулярного веса М этого газа, температуры Т и давления р (R — постоянный коэффициент, одинаковый для всех газов). Это математическое выражение позволяет предсказать объем, который займет какой-либо газ при определенных значениях т, Т, р и М. Точно так же, применяя систему правил и условий, принятых в математике, и используя обозначения, принятые для представления физических явлений и их взаимодействий, можно составить математическое выражение, позволяющее предсказать многие физические явления, определить, как будут протекать процессы и вести себя при определенных условиях механизмы и конструкции. Математика дает инженеру мощный \048\  Рис. 4-3. Схема системы жизнеобеспечения космического корабля, предназначенного для длительных полетов. \049\  Рис. 4-4. Сетевой график — схематическое представление части инженерного проекта. Стрелки, обозначающие различные фазы проекта, указывают последовательность тех или иных операций. Стрелки, ведущие к кружкам, указывают действия, которые должны закончиться до того, как начнутся действия, указанные стрелками, идущими от кружков. Цифры под стрелкой — число дней, которое по проекту отводится на выполнение данной работы. Такие графики часто называют методом сетевого планирования. Они приносят большую помощь при реализации крупных проектов. Здесь приведен график строительства фундамента, системы трубопроводов и здания воздухоочистительного завода. \050\ аппаpaт, например гиперболические, параболические и экспоненциальные функции и пр. Одной из целей обучения инженера математике является создание у него своего рода склада часто применяемых символических представлений, а также дисциплины мышления, которую дает изучение математики. Способность инженера мыслить логично также значительно  Рис. 4-5. График, позволяющий определить процент электронных ламп, которые будут работать после испытательного срока (N, ч).  Рис. 4-6. Графическое представление распределения работ вдоль сборочной линии, указывающее (в масштабе) среднее время, необходимое для выполнения той или иной операции. \051\ улучшается благодаря изучению математики; помимо того, он приобретает опыт в обращении с математическими выражениями, с помощью которых анализирует различные варианты, которые могут встретиться на практике. Математика — наиболее мощное и эффективное средство представления и предсказания. Язык ее четок, краток и универсален. Ее символы, правила и условия создают чрезвычайно удобный аппарат для размышлений. Да и можно ли выразить словами те логические операции, которые выполняются с помощью математики? При огромной полезности и утилитарности математики как средства предсказания, обобщения и размышлений не приходится удивляться тому большому вниманию, которое уделяется математике в инженерном образовании. Моделирование Как уже говорилось, наглядное представление очень полезно для оценки результатов проектирования за чертежной доской. Модель проектируемого высокоскоростного самолета испытывают в аэродинамической трубе, для того чтобы определить аэродинамические характеристики будущего самолета. С той же целью используют огромные экспериментальные бассейны (рис. 4-7), где испытывают модели судов. На рис. 4-8 показана климатическая камера, где создаются условия космического пространства, т. е. низкая температура, вакуум, интенсивная солнечная радиация и др. Такие камеры используют для проверки моделей космических кораблей, летящих в космосе. Предсказание с помощью эксперимента на модели реального объекта называется моделированием. Оно позволяет инженеру оценить возможные варианты конструкций в безопасных условиях. Едва ли можно строить каждую систему из числа тех, которые инженер разрабатывает в процессе проектирования, например, химического завода, и экспериментировать с ними, чтобы определить лучший вариант. Аналоговое моделирование На рис. 4-7 и 4-8 приведены примеры наглядного моделирования. Существует два других вида моделирования, используемых так же широко. В этих случаях \052\ инженер экспериментирует с объектами, имеющими лишь отдаленное сходство с реальными проектируемыми устройствами или же вообще не имеющими сходства с ними. Примером одного из этих видов моделирования, называемого аналоговым, является применение электронных приборов для оценки уличного движения, о чём  Рис. 4-7. Бассейн размерами 15,2x915 м для испытания моделей океанских судов. На движущейся вдоль бассейна платформе находятся пишущая аппаратура и персонал, ведущий испытания моделей. Приборы управляют движением модели (атомной подводной лодки) так, чтобы можно было исследовать ее маневренность и мореходные качества. Специальное устройство (на рисунке не показано) создает волны требуемых размеров. рассказано в гл. 3. В этой модели электрические импульсы и провода, не имеющие ничего общего ни с автомобилями, ни с улицами, тем не менее являются аналогами их. В аналоговой модели, показанной на рис 4-9 вода действует подобно воздуху. Это устройство применяется для того, чтобы смоделировать движение потока воздуха через лопасти проектируемой газовой турбины, показанные на рисунке как клиновидные отрезки Вода окрашена, что позволяет определить пути потоков газа омывающего лопасти турбины. Скорость потока воды \053\  Рис. 4-8. Климатическая камера, в которой создают условия космического пространства. Здесь же испытывается прототип космического корабля.  Рис. 4-9. Аналоговая модель частя газивон турояны, разрабатываемой для реактивного самолета. Вода в данном случае ведет себя аналогично газу, что и «позволяет применить ее в эксперименте \054\ равна всего лишь одной тысячной реальной скорости газа в турбине. Изменяя форму лопастей, угол их наклона и место, исследователь может определить, как увеличить до максимума эффективность этой части турбины. Таким образом, в аналоговых моделях используется некоторая среда, ведущая себя аналогично реальному явлению. Часто такой средой служит электричество. Так, например, электрическое напряжение может служить аналогом давления пара при моделировании тепловой электростанции с паровыми турбинами. Цифровое моделирование Предположим, что инженер получил задание разработать проект расширения аэропорта. В процессе этого проектирования он оценивает различные типы устройства взлетно-посадочных полос и их количество в одном варианте. Можно, например, построить на аэродроме одну полосу, которая предназначена для самолетов всех типов, а кроме того, вторую полосу, предназначенную для самолетов только с поршневыми двигателями и легких типов. Для определения достоинства такого возможного варианта инженер должен определить, как этот вариант справится с возможным потоком самолетов. Такая оценка не столь простое дело, как может показаться: нагрузка на полосу не всегда будет соответствовать расписанию. Посадки, взлеты и другие операции на полосе можно предсказать только с некоторой степенью приближения, так как всегда существует вероятность того, что прилетит какой-нибудь незапланированный самолет. Следует также предусмотреть возможность немедленной посадки прибывшего самолета, несмотря на то, что несколько самолетов в это время уже ожидают своей очереди на посадку, а также возможность неудачной посадки и появления незапланированного самолета. Все эти варианты инженер должен анализировать с помощью модели. Упрощенный вариант такой модели показан на рис. 4-10. На этом рисунке случайные элементы и времена событий представлены генераторами случайных величин, показанными в виде окружностей. Главной частью такого генератора, представляющего собой рулетку, является свободно подвешенная \055\  Рис. 4-10. Схематическое изображение одной из фаз цифрового моделирования. Анализируются операции взлета и посадки на двух взлетно-посадочных полосах аэропорта. Подобная процедура может быть повторена сотни раз для получения окончательных результатов. \056\ стрелка. Чтобы определить время, необходимое для приземления данного самолета, оператор вручную устанавливает стрелку соответствующего генератора случайных величин, выполняет вычисления и определяет «да» или «нет» в соответствии с действиями, показанными на рис. 4-10.
Рис. 4-11. Часть табличной записи, выполняемой при моделировании, показанном на рис. 4-10. Кроме того, оператор записывает данные в таблицу, показанную на рис. 4-11. Так как в такой системе проектирования основой являются цифры, то она получила название цифрового моделирования. В основном цифровое моделирование представляет собой серию последовательных цифровых выкладок по определенным правилам, приводящую к тому или иному * Это время определено с помощью генератора случайных величин, подобного показанному на рис.4-10 \057\ решению. Это позволяет выполнить операции на ЭВМ, так как ручные вычисления очень трудоемки. Применение ЭВМ для цифрового моделирования становится все более популярным в инженерной практике. В большинстве цифровых моделирующих систем учитывается фактор случайности, подобно тому, как это делалось в рассмотренном выше случае реконструкции аэропорта. Такое моделирование часто называют моделированием по методу Монте-Карло2. Этим методом пользуются в военном деле (теория стратегических игр), на транспорте, в строительстве, на производстве и пр. Цифровое и аналоговое моделирование дают более точные результаты, чем другие виды моделирования, не говоря уже о том, что они требуют гораздо меньше времени. С помощью цифрового и аналогового моделирования можно экономить годы человеческого труда. Так, например, ЭВМ может решить задачу о реконструкции аэропорта с двумя взлетно-посадочными полосами буквально за несколько минут. Таким образом, аналоговые и цифровые модели в очень короткий промежуток времени могут синтезировать опыт, который мог бы потребовать годы человеческого труда. Другие виды моделирования Существуют и другие виды моделирования. Так, например, космонавт на рис. 4-12 хочет осуществить посадку на Луну, сидя в модели космического корабля, установленной в наземной лаборатории. Сигналы о том, как этот «космонавт» осуществляет посадку корабля на Луну, передаются в ЭВМ. Она управляет перемещением телевизионной камеры, направленной на модель Луны. Изображение поверхности ее на телевизионном экране в кабине космонавта создает ему иллюзию полета. На рис. 4-13 показано устройство, с помощью которого моделируются условия работы будущего космонавта. На рис. 4-14 показано, как с помощью аппаратуры удается моделировать положение многих самолетов в воздухе. Благодаря такому широкомасштабному моделированию удается разрешить все сложные вопросы регулирования движения нескольких реактивных самолетов, приближающихся к аэропорту. Во всех рассмотренных выше примерах один или несколько человек участвуют непосредственно в моделировании. \058\ Если два человека или более соревнуются в таком виде моделирования, то его называют «игрой».3 Моделирование с участием человека полезно как для предсказаний, так и для тренировки. Весьма желательно, разумеется, чтобы молодые пилоты учились на своих ошибках ,не на самолетах, а на их моделях, создающих  Рис. 4-12. Этот человек тренируется в осуществлении посадки на Луну и стыковки с другим космическим кораблем. В 5 ч пополудни он, однако, пойдет домой, как и большинство других служащих авиафирмы, поскольку полет он совершал о модели космического корабля в лаборатории. для пилота реальные условия полета, потому что ошибка в реальном полете более печальна, гаем звук сирены, возвещающей об ошибке при тренировке на модели. Другие устройства, с помощью которых моделируются условия полета, показаны на рис. 4-15 и 4-16. Первое устройство имеет кабину пилота с приборами управления и специальную проекционную камеру, которая проецирует на экран перед пилотом движущийся пейзаж, создавая полную иллюзию полета. Пилот с помощью рычагов управления совершает взлет самолета, его маневры в воздухе и посадку, а аналоговая модель определяет, как ведет себя самолет при тех или иных действиях пилота. \059\ Снятую картину «полета» затем показывают пилоту на экране, чтобы он мог увидеть, как он управлял самолетом. Такую же процедуру выполняют и во время испытательных полетов. Ощущения пилота при работе на такой модели такие же, как и при работе на реальном самолете. Используемые узлы и системы  Рис. 4-13. Благодаря воздушной подушке (а) опоры конструкции находятся на высоте 2,5 см над полом, устраняя трение между опорами и полом. Воздушные «подшипники» и оси вращения с малым трением (б и в) по существу настолько устраняют действие сил трения, к которым человек привык на Земле, что он может передвигать себя выдыхаемым или вдыхаемым потоком воздуха. Этот прибор применяется для моделирования условий космоса ,где нет трения, для оценки способности космонавта выполнять операции, связанные с управлением кораблем, его ремонтом и профилактикой. Когда космонавт пользуется гаечным ключом, он ;вращается вместе с ним вокруг гайки. \060\  Рис. 4-14. На диспетчерском пункте аэропорта проводится широкомасштабное моделирование управления движением самолетов. Каждый из участников осуществляет заранее установленный план полета (выдерживает заданный курс, расписание, скорость, высоту полета и т. д.). По мере того как операторы выполняют план полета, манипулируя рукоятками на пульте, на экране радиолокационной станции, контролирующей движение самолетов, появляются эхо-сигналы от самолетов. Переговоры между пилотом (сидящим в соседней комнате) и диспетчером-руководителем полета ведутся с помощью двусторонней радиосвязи. Так моделируются полеты и управления ими, подобные реальной ситуации в воздухе. самолета монтируют на раме за пилотской кабиной (см. рис. 4-15). Электрическая аналоговая машина моделирует работу отсутствующих узлов самолета. Подобный метод позволяет оценить работоспособность новых узлов и систем самолета. Важность пользования методом моделирования Методы представления, описанные в этой главе, часто называют общим словом «модели». В инженерной терминологии слово «модель» звучит одинаково со словом «представление». Инженер пользуется наглядными" моделями, графическими, математическими и др. Важность и общность этих моделей не всегда становятся сразу же очевидными. В любом случае модель — это подобие реального объекта или процесса, описывающее .структуру и поведение его в реальных условиях. \061\  Рис. 4-15. Устройство для моделирования полетов, позволяющее инженерам испытать прототип самолета до его постройки. Применение подобных устройств позволяет испытать в полете несуществующий самолет. Устройство позволяет, кроме того, оценить работу некоторых реальных узлов и приборов проектируемого самолета при меньших затратах времени и средств, чем на реальном самолете, и без риска потерь.  Рис. 4-16. Крупный план модели кабины, показанной на рис. 4-15. Кабина с приборами и рычагами управления окружена экраном, на который проецируется движущаяся поверхность Земли. Кабина неподвижна, но изображения на экране движутся в соответствии с действиями пилота, что и создает иллюзию полета. 62 \062\  Рис. 4-17. График изменения скорости воздушных потоков во времени. Очень большая роль уделяется моделям при обучении инженеров. Курс черчения учит инженера готовить наглядные диаграммы и графические модели и читать их. Курс математики дает возможность научиться обращаться с различными символами и применять на практике такую систему моделирования. При обучении естественным наукам студентов также знакомят с моделями различных структур и их поведением в природе. Обучение во втузе знакомит будущих инженеров с различными моделями и учит их, как и где использовать эти модели при решении инженерных задач. |
Похожие:
 | И «Осторожно! Вредные продукты» издавалась под псевдонимом «Михаил Ефремов» и, по цензурным соображениям, только в усеченном виде.... |  | Ответ Министерства (Письмо от 8 декабря 2011 г. N д06-6110, далее – приведен полный текст Письма) |
| Ниже представлен полный текст федерального закона "Об образовании в Российской Федерации" (от 29. 12. 2012 n 273-фз) | | Приказ Федеральной налоговой службы от 5 марта 2012 г. № Ммв-7-6/138@ “Об утверждении форматов счета-фактуры, журнала учета полученных... |
| Резолютивная часть постановления объявлена 26 февраля 2013 года. Полный текст постановления изготовлен 05 марта 2013 года | | Перед вами,— полный текст обстоятельного труда известного русского врача И. Н. Введенского «Опыт принудительной трезвости», подводящего... |
| Закладка похозяйственной книги Документ «Правовой акт на открытие похозяйственной книги» 13 | | Интернет, осуществляется в соответствии с постановлением Правительства РФ от 24 сентября 2013г. №842 (вступил в силу с 1 января 2014... |
| Тип работы (продающий текст, seo-текст на внутренние страницы, текст на главную, Landing Page, другое) | | Резолютивная часть решения объявлена 2 июля 2015 года. Полный текст решения изготовлен 9 июля 2015 года |