Σχεδιασμός Κατασκευών

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Σχεδιασμός Κατασκευών Ενότητα 5: Παραλλαγές Αρχών Λειτουργίας Δρ Κ. Στεργίου Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας Στην 5η Ενότητα οι φοιτητές διδάσκονται και μελετούν την έννοια των παραλλαγών αρχών λειτουργίας. Στη μεθοδική πορεία εργασίας είναι επιθυμητό ένα κατά το δυνατόν ευρύ πεδίο λύσεων. Αν ληφθούν υπόψη οι διάφορες απόψεις ταξινόμησης και τα χαρακτηριστικά, συχνά προκύπτει ένας μεγάλος αριθμός από προτάσεις λύσεων. Σ' αυτό ακριβώς το πλήθος βρίσκεται η ισχύς αλλά και η αδυναμία μιας συστηματικής εξέτασης. Ο μεγάλος αριθμός λύσεων που πολλές φορές δεν μπορούν να εφαρμοστούν και πρακτικά δεν είναι δυνατόν να επεξεργασθούν, πρέπει να περιοριστεί το συντομότερο. Από την άλλη πλευρά πρέπει να δοθεί προσοχή ώστε να μην διαφύγουν κατάλληλες αρχές λύσεων, οι οποίες μόνο σε συνδυασμό με άλλες θ' αφήσουν να διαφανεί μια καλή ολική λύση. 4

5 Περιεχόμενα ενότητας Απόψεις Tαξινόμησης και Χαρακτηριστικά Συνδυασμός Αρχών Λύσεων Μορφολογικός Πίνακας Επιλογή Κατάλληλων Παραλλαγών Λύσεων Διαμόρφωση Κριτηρίων Αξιολόγησης Κύρια Χαρακτηριστικά για την Αξιολόγηση Αρχών Λειτουργίας Οικονομική Αξιολόγηση Παραλλαγών 5

6 Απόψεις Ταξινόμησης και Χαρακτηριστικά για Παραλλαγή σε Διαμορφωτικό Επίπεδο Αναζήτησης Απόψεις ταξινόμησης: Επιφάνεια ενέργειας, κίνηση ενέργειας και βασικές ιδιότητες του υλικού Χαρακτηριστικά: Επιφάνεια ενέργειας Είδος: Μορφή: Παραδείγματα: σημείο, γραμμή, επιφάνεια, σώμα στρογγύλευση, κύκλος, έλλειψη, υπερβολή, παραβολή, τρίγωνο, τετράγωνο, παραλληλόγραμμο, πεντάγωνο, εξάγωνο, οκτάγωνο, κύλινδρος, κώνος, ρόμβος, κύβος, σφαίρα, συμμετρική, ασύμμετρη θέση: Μέγεθος: Αριθμός: αξονική, ακτινική, κατακόρυφη, οριζόντια παράλληλη, εν σειρά μικρό, μεγάλο, στενό, πλατύ, ψηλό, χαμηλό διαιρούμενη, ολόσωμη απλή, διπλή, πολλαπλή Κίνηση ενέργειας Είδος: Μορφή: ήρεμη, οριζόντ. μετατόπιση, περιστροφική ομοιόμορφη, ανομοιόμορφη, παλινδρομική στο επίπεδο ή στο χώρο Διεύθυνση: κατά τη διεύθυνση x, y, z και/ή περί τον άξονα χ, y, ζ Μέγεθος: μέγεθος της ταχύτητας Αριθμός: μία, περισσότερες, σύνθετες κινήσεις Βασικές ιδιότητες Κατάσταση: στερεό, υγρό, αέριο Συμπεριφορά: άκαμπτο, ελαστικό, πλαστικό, παχύρευστο Μορφή: στερεό σώμα, κόκκοι, σκόνη, κονιορτός 6

7 Απόψεις Tαξινόμησης και Χαρακτηριστικά για Παραλλαγή σε Φυσικό Επίπεδο Αναζήτησης Απόψεις ταξινόμησης: Είδη ενέργειας, φυσικά φαινόμενα και μορφές εμφάνισης Χαρακτηριστικά: Παραδείγματα: Μηχανική: βαρύτητα, αδράνεια, φυγόκεντρη δύναμη Υδραυλική: υδροστατική, υδροδυναμική Πνευματική: αεροστατική, αεροδυναμική ηλεκτροστατική, ηλεκτροδυναμική, επαγωγική, χωρητική, Ηλεκτρική: πιεζοηλεκτρική, μετασχηματισμός, ανόρθωση Μαγνητική: σιδηρομαγνητική, ηλεκτρομαγνητική ανάκλαση, διάθλαση, παράθλαση, επαλληλία, Οπτική: πόλωση, υπέρυθρος, θεατός, υπεριώδης διαστολή, φαινόμενο διμετάλλου, αποταμιευτής θερμική: θερμότητας, μεταφορά θερμότητας, θερμοαγωγιμότητα, θερμομόνωση καύση, οξείδωση, αναγωγή, διάλυση, σύνδεση, μετατροπή, Χημική: ηλεκτρόλυση εξώθερμη, εσώθερμη αντίδραση Πυρηνική: ακτινοβολία, ισότοπα, πηγή ενέργειας Βιολογική: ζύμωση, σήψη, αποσύνθεση 7

8 Συνδυασμός Αρχών Λύσεων 8

9 Συνδυασμός Αρχών Λύσεων για την Πλήρωση της Ολικής Λειτουργίας μιας Μηχανής Συλλογής Πατατών 9

10 Κατ' αρχήν δομή μιας μηχανής συλλογής πατατών ως συνδυασμός λύσεων 10

11 Μορφολογικός Πίνακας για Ρολόγια και Συνδυασμοί Λύσεων (κατά Zwicky) 11

12 Απόσπασμα από έναν κατασκευαστικό κατάλογο για τη λειτουργία "αναστολή οριζοντίων κινήσεων κατά την επιστροφή" 12

13 Επιλογή Κατάλληλων Παραλλαγών Λύσεων Μεθοδική πορεία εργασίας: Επιθυμητό ένα κατά το δυνατό ευρύ πεδίο λύσεων (ισχύς/αδυναμία) Περιορισμός μεγάλου αριθμού λύσεων που δεν μπορούν να εφαρμοστούν πρακτικά και δεν είναι δυνατό να επεξεργασθούν κατά το δυνατόν συντομότερα! Προσοχή ώστε να μη διαφύγουν κατάλληλες αρχές λύσεων οι οποίες σε συνδυασμό με άλλες θα οδηγήσουν σε πλεονεκτική ολική λύση. Συγκεκριμενοποίηση σε Παραλλαγές Αρχών Λειτουργίας Μια αρχή λειτουργίας θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη: Τεχνική λειτουργία Οι σημαντικότερες ιδιότητες των προτεινόμενων συνδυασμών πρέπει να γίνουν πιο συγκεκριμένες ποιοτικά και ποσοτικά με Βασικούς υπολογισμούς με απλοποιημένες προϋποθέσεις Μελέτες διατάξεων ή διαμόρφωσης σε σκίτσα για τη μορφή, απαιτούμενο χώρο Προκαταρκτικά πειράματα ή δοκιμές σε μοντέλλα για προσδιορισμό βασικών ιδιοτήτων Κινηματικά μοντέλλα για έλεγχο βασικού τρόπου λειτουργίας Νέα αναζήτηση ευρεσιτεχνίας & βιβλιογραφίας με πιο συγκεκριμένο σκοπό Έρευνα αγοράς για τεχνολογίες, υλικά, προμηθευόμενα πλήρη τεμάχια για χρήση Οικονομική πραγματοποίηση Ασφάλεια για τον άνθρωπο και το περιβάλλον Περιορισμούς που προέρχονται από τη σχέση μηχανήςανθρώπου Παραγωγή και δυνατότητες μεταφοράς συναρμολόγησης - συντήρησης 13

14 Παράδειγμα Πίνακα Επιλογής για Μεθοδική Επιλογή 14

15 Πρόταση Λύσης Παραλλαγή Αρχής Λειτουργίας Συνολική δύναμη του υγρού (στατικά): F ολ = γ * V = 7,5 N/dm 3 ( )dm 3 = N (βενζίνη) Πρόσθετες δυνάμεις από επιταχύνσεις (εξετάζεται μόνο το υγρό): F πρ = m * α = ( )Kg * (± 30m/s 2 ) =± ( )N 15

16 Διαμόρφωση Κριτηρίων Αξιολόγησης Ανάγκη αξιολόγησης με βάση οικονομικά και τεχνικά κριτήρια Προκύπτουν από απαιτήσεις του Πίνακα Προδιαγραφών Δυνατότητα πλήρωσης των απαιτήσεων (τι πιθανότητα κάτω από ποιες δυσκολίες) Επιδίωξη υπέρβασης ελαχίστων απαιτήσεων (εύρος υπέρβασης) Πλήρωση επιθυμιών (ναι - όχι - πόσο ικανοποιητικά) Προκύπτουν από γενικές τεχνικές και οικονομικές ιδιότητες (κατά πόσον πληρούνται, πόσο ικανοποιητικές είναι) Θα πρέπει να είναι ανεξάρτητα το ένα από το άλλο για να αποφεύγεται διπλή αξιολόγηση Ίδια βαρύτητα (επιδίωξη) Χαρακτηρισμός των παραλλαγών των λύσεων με ουδέτερα γράμματα (Α,Β ) Να επιλέγονται πλεονεκτήματα σαν βάση για την αξιολόγηση (θετική διατύπωση κριτηρίων, π.χ. μικρός θόρυβος αντί θορυβώδης, υψηλός βαθμός απόδοσης αντί μεγάλες απώλειες 16

17 Έλεγχος εάν Πληρούνται οι Προδιαγραφές 17

18 Κύρια Χαρακτηριστικά για την Αξιολόγηση Αρχών Λειτουργίας Κύριο Παραδείγματα Χαρακτηριστικό Λειτουργία Αρχή ενέργειας Διαμόρφωση Ασφάλεια Ιδιότητες φορέων δευτερευουσών λειτουργιών που προκύπτουν από την επιλεγμένη αρχή λύσης ή από την παραλλαγή αρχής λειτουργίας Ιδιότητες της ή των επιλεγμένων αρχών όσον αφορά την απλή και μονοσήμαντη πλήρωση της λειτουργίας, επαρκής ενέργεια Μικρός αριθμός στοιχείων, απλότητα, μικρός απαιτούμενος χώρος όχι ιδιαίτερα προβλήματα υλικού και κατασκευής Προτίμηση της άμεσης τεχνικής ασφάλειας (από τη φύση του ασφαλές) πρόσθετα μέτρα ασφάλειας δεν είναι απαραίτητα εγγυημένη ασφάλεια εργασίας και περιβάλλοντος Εργονομία Παραγωγή Έλεγχος Συναρμολόγηση Μεταφορά Χρήση Ικανοποιητική σχέση ανθρώπου-μηχανής, καμία επιβάρυνση ή ενόχληση, καλή διαμόρφωση Λίγες και εύχρηστες μέθοδοι παραγωγής, όχι πολυδάπανες ιδιοσυσκευές, μικρός αριθμός απλών τεμαχίων Λίγοι έλεγχοι ή δοκιμές αναγκαίες, απλή και ασφαλής διεξαγωγή τους Εύκολη, άνετη και γρήγορη χωρίς ιδιαίτερα βοηθητικά μέσα Κανονικές δυνατότητες μεταφοράς χωρίς ριψοκινδύνευμα Απλή λειτουργία, μακρά διάρκεια ζωής, μικρή φθορά, εύκολος και προφανής χειρισμός Συντήρηση Μικρή και απλή συντήρηση και καθαρισμός, εύκολη επιθεώρηση και επισκευή Κοστος Όχι ιδιαίτερα έξοδα λειτουργίας ή διάφορα άλλα δευτερεύοντα έξοδα. 18

19 Τεχνική Αξία Τεχνική αξία (μεταξύ 0 1): Λόγος της πραγματικής ολικής αξίας προς την αξία της ιδεατής κατασκευής W p k p1 + p t = = pid n pid p k : ο βαθμός που δίνεται στο κάθε κριτήριο p id : ιδεατός (μέγιστος) βαθμός που μπορεί να πάρει το κριτήριο π.χ. 4 n : αριθμός των κριτηρίων Αν υπάρχουν συντελεστές βαρύτητας (g 1 g n ) η τεχνική αξία θα είναι: W t = g 1 p ( g g + g 2 2 p g n + p g n n ) p p id n W t >0.8 καλή λύση W t 0.7 καλή λύση, θέλει βελτίωση W t <0.6 μη ικανοποιητική λύση οπωσδήποτε βελτίωση 19

20 Οικονομική Αξίας Λόγος ιδεατού κόστους προς πραγματικό κόστος κατασκευής της κάθε παραλλαγής W w = H H i k = 0.8H επ 0.8Η ή H H k k min H i : ιδεατό κόστος κατασκευής Η k : πραγματικό κόστος κατασκευής H επ : επιτρεπόμενο κόστος κατασκευής Η min : κόστος κατασκευής της φθηνότερης παραλλαγής 20

21 Τεχνική Αξιολόγηση Παραλλαγών 21

22 Οικονομική Αξιολόγηση Παραλλαγών. 22

23 Εκτίμηση Ανασφαλειών Κρίσης Πιθανά λάθη που παρουσιάζουν οι μέθοδοι αξιολόγησης μπορούν να προέρχονται: Απόκλιση του κριτή από την ουδέτερη θέση (υποκειμενικότητα). Επιβάλλεται βαθμολογία από περισσότερα πρόσωπα Συγκρίσεις παραλλαγών με ίδια κριτήρια αξιολόγησης που δεν ταιριάζουν σε όλες τις παραλλαγές. Επιβάλλεται αλλαγή διατύπωσης ή εγκατάλειψη τέτοιων κριτηρίων Κρίση παραλλαγής με όλα τα κριτήρια διαδοχικά. Θα πρέπει να εξετάζονται όλες οι παραλλαγές διαδοχικά για κάθε κριτήριο Ισχυρή αλληλεξάρτηση των κριτηρίων μεταξύ τους Ελλιπή κριτήρια αξιολόγησης Ιδιότητες που χρησιμοποιούνται σαν κριτήρια δεν είναι μονοσήμαντα μεγέθη και περιέχουν στοιχείο αβεβαιότητας Συνίσταται: Ιδιότητες κριτηρίων να μην εκφράζονται ποσοτικά σε αριθμούς αλλά να δίνονται χονδρικές εκτιμήσεις όπου διακρίνεται καθαρά ο βαθμός ανακρίβειας 23

24 Αναζήτηση Ασθενών Σημείων Σε ευνοϊκές παραλλαγές λύσεων με καλές ολικές αξίες επιβάλλεται βελτίωση ασθενών σημείων Διόρθωση λύσης που συμβάλλει περισσότερο στην ολική αξία Επίτευξη υψηλής ολικής αξίας μέσω ισόρροπης αξίας κατατομής 24

25 Υλικά και Ποσοστιαίο Κόστος των Τριών Παραλλαγών Λύσεων ενός Λαβυρίνθου Στεγανότητας 25

26 Πίνακας Αξιολόγησης Παραλλαγών Λύσεων Α, B, C για ένα Λαβύρινθο Στεγανότητας 26

27 Διάγραμμα ισχύος (-S-) για τον προσδιορισμό της Ολικής Αξίας μιας λύσης 27

28 Πορεία Εργασίας κατά την Αξιολόγηση 1. Αναγνώριση εκείνων των ιδιοτήτων που θα βοηθήσουν στην απόφαση: Σημαντικές τεχνικές ιδιότητες καθώς επίσης ελάχιστες απαιτήσεις (όχι όλες οι απαιτήσεις!!) και επιθυμίες από τον πίνακα προδιαγραφών. Επιδίωξη ώστε να υπάρχει τουλάχιστον ένα κριτήριο αξιολόγησης από κάθε ομάδα κύριων χαρακτηριστικών (πίνακας 7-3) 2. Έλεγχος της σημασίας τους (βαρύτητας) για την ολική αξία της λύσης: Σύγκριση μόνον εκείνων που έχουν την ίδια βαρύτητα ή καθορισμός συντελεστών βαρύτητας όταν υπάρχει πολύ μεγάλη διαφορά στη σημασία. 3. Περιγραφή των ιδιοτήτων κατά το δυνατόν με ποσοστικά χαρακτηριστικά μεγέθη: π.χ. Ισχύς, κατανάλωση, αριθμός τεμαχίων κλπ. 4. Βαθμολογική κρίση κάθε μιας ιδιότητας των διαφόρων παραλλαγών: Βαθμολογία των ιδιοτήτων π.χ. με μονάδες από 0 έως 4 5. Προσδιορισμός της Ολικής Αξίας για κάθε παραλλαγή: Εύρεση της Τεχνικής Αξίας με σχηματισμό του αθροίσματος και αναφορά σε μια ιδεώδη τιμή. Εύρεση επίσης της Οικονομικής Αξίας. 6. Σύγκριση των παραλλαγών λύσεων: π.χ. στο Διάγραμμα -S 7. Εκτίμηση ανασφαλειών κρίσης: Πιθανή πραγματοποίηση διόρθωσης ή νέα κρίση περίπου ισόβαθμων παραλλαγών με βελτιωμένο επίπεδο πληροφοριών. 8. Αναζήτηση ασθενών σημείων για τη βελτίωση της επιλεγμένης παραλλαγής ή παραλλαγών: Εύρεση των ιδιοτήτων που έχουν μικρή βαθμολογία. Γενικά παραλλαγές με ισόρροπη βαθμολογία είναι, τις περισσότερες φορές, ευνοϊκότερες από εκείνες με πολύ διαφορετική βαθμολογία. 28

29 Τέλος Ενότητας