ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Σχεδιασμός Κατασκευών Ενότητα 1: Εισαγωγικά Δρ Κ. Στεργίου Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.
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
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
Σκοποί ενότητας Στην 1η Ενότητα οι φοιτητές διδάσκονται και μελετούν την έννοια του Σχεδιασμού. Σχεδιασμός είναι μια διαδικασία βελτιστοποίησης που διεξάγεται κάτω από ένα πλήθος δεδομένων προϋποθέσεων πολλές από τις οποίες αλληλοσυγκρούονται π.χ. ένα προϊόν θα πρέπει να είναι καλής ποιότητας αλλά και φθηνό ή να έχει μικρό βάρος αλλά και μεγάλη αντοχή 4
Περιεχόμενα ενότητας Γενικά περί Σχεδιασμού Μεθόδευση στο Σχεδιασμό Παράδειγμα εύρεσης λύσεων σε κατασκευαστικό πρόβλημα Είδη κατασκευών 5
Σχεδιασμός Κατασκευών (1) Σκοπός Σκοπός του μαθήματος είναι η εκμάθηση του τρόπου προσέγγισης τεχνικών προβλημάτων με την παροχή στο μηχανικό των κατάλληλων μεθοδολογικών εργαλείων για την επίλυσή τους. Στόχος είναι ο μηχανικός Να εισαχθεί στο πνεύμα της κατασκευαστικής μεθοδολογίας Της εύρεσης βέλτιστων λύσεων σε ένα πλαίσιο δεδομένων και αντικρουόμενων απαιτήσεων που προέρχονται από Τεχνολογικούς, Οικονομικούς, Περιβαλλοντικούς, Νομικούς κ.ά παράγοντες 6
Σχεδιασμός Κατασκευών (2) Σήμερα: Ταχύτατος ρυθμός κατασκευής και διάθεσης νέων προϊόντων στην αγορά Ηλεκτρομηχανολογική βιομηχανία: Μέσα σε 4 χρόνια το 50% των σημερινών προϊόντων θα έχει αντικατασταθεί από άλλα θα έχει τροποποιηθεί ουσιαστικά Με την ολοένα αυξανόμενη ένταση του ανταγωνισμού Διατιθέμενος χρόνος για την επεξεργασία ενός κατασκευαστικού προβλήματος ολοένα και μικρότερος Αυξανόμενες απαιτήσεις στα βιομηχανικά προϊόντα για μικρότερο κόστος αυξάνουν : Παλιότερη άποψη: τις δυσκολίες που καλούνται να αντιμετωπίσουν τα τμήματα μελετών των εργοστασίων τις απαιτήσεις, ειδικές γνώσεις, απόδοση των μελετητών Επιτυχημένη κατασκευή εξαρτάται μακρά εμπειρία στον κατασκευαστικό τομέα έμφυτο ταλέντο εργασία με βάση τη διαισθητική σκέψη με ιδέες που εμφανίζονται ξαφνικά στο υποσυνείδητο καλύτερη ποιότητα μεγαλύτερες δυνατότητες 7
Σχεδιασμός Κατασκευών (3) Μειονεκτήματα: σωστή ιδέα δεν μπορεί να την εξαναγκάσει κανείς να έρθει στον επιθυμητό χρόνο το αποτέλεσμα εξαρτάται από το ταλέντο και την πείρα του Μελετητή οι λύσεις που προκύπτουν πιθανόν να βρίσκονται μόνο μέσα στον ορίζοντα της ειδικότητας του Μελετητή και να έχουν επηρεασθεί από προσωπικές του προκαταλήψεις Σήμερα επιδιώκεται εργασία με συμπερασματική σκέψη: πορεία εργασίας πιο συνειδητή επιτρέπει σταδιακή επεξεργασία του προβλήματος 8
Σχεδιασμός Δημιουργία ενός προϊόντος που να εκπληρώνει κατά τον καλλίτερο (επί του παρόντος) τρόπο τις προϋποθέσεις που έχουν τεθεί Περιλαμβάνει την επεξεργασία ενός τεχνικού κατασκευάσματος από τη διαμόρφωση της δομής και λειτουργικότητάς του μέχρι την εκπόνηση των έτοιμων για την παραγωγή σχεδίων Δημιουργική εργασία Μηχανικού που προϋποθέτει: γνώσεις φυσικής, χημείας, μηχανικής, ηλεκτροτεχνίας γνώσεις στην ειδική περιοχή που επεξεργάζεται Αποτελεί διαδικασία βελτιστοποιήσεως μέσα από ένα πλήθος προϋποθέσεων που έχουν τεθεί και που αλληλοσυγκρούονται Νέα χαρακτηριστικά στο σχεδιασμό: Ομαδική εργασία (team work) Επιτρέπει την αλληλοσυμπλήρωση, κατανομή της εργασίας, μείωση του χρόνου σχεδιασμού Μεθόδευση: Ορίζει συγκεκριμένα βήματα, κανόνες και μεθόδους για διευκόλυνση της εργασίας οικονομία χρόνου αποφυγή λήψεως λανθασμένων αποφάσεων 9
Μεθόδευση στο Σχεδιασμό Γενική αρχή: Σύνθετα προβλήματα επιλύονται ποιο εύκολα αν υποδιαιρεθούν σε επιμέρους προβλήματα και εξετασθούν χωριστά Διάρθρωση εργασίας στο σχεδιασμό με μικρά συνειδητά βήματα, κανόνες και μεθόδους ώστε να παρέχεται πλήρης εποπτεία Συστηματοποιημένη και λογικά προγραμματισμένη πορεία εργασίας Με τη βοήθεια της μεθόδευσης στο Σχεδιασμό ο μελετητής διευκολύνει την εργασία του και μπορεί να καταλήξει σε σύντομο χρόνο στη βέλτιστη λύση χωρίς να έχει μακρά εμπειρία και πρότυπα επιτυχημένων παρεμφερών κατασκευών εξασφαλίζει αντικειμενικά κριτήρια και οδηγεί σε ορθές λύσεις που δεν εξαρτώνται από την τύχη και την έμπνευση της στιγμής έχει τη δυνατότητα να εκμαθευτεί και να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με ηλεκτρονικούς υπολογιστές Άλλα πλεονεκτήματα: Δυνατότητα χρήσης και σε άλλους μη τεχνικούς κλάδους Δίνει γενικό τρόπο επίλυσης προβλημάτων 10
Παλαιότερα: Κυρίως Διαισθητικά Τρόπος Σχεδιασμού Μιας Κατασκευής (1) 1. Διασάφηση του προβλήματος: Γινόταν προφορική περιγραφή του προς ανάπτυξη κατασκευάσματος. Οι ανάγκες της αγοράς προσδιορίζονταν διαισθητικά. 2. Λύση του προβλήματος: Με τις ιδέες του μελετητή, καθαρά με διαισθητική σκέψη. Αποτελέσματα Κατασκευές που είχαν μεγαλύτερες πιθανότητες να μην πιάσουν στην αγορά Συχνές επαναλήψεις στη μελέτη λόγω ελλιπούς διασάφησης τους προβλήματος και έλλειψης στοιχείων για τη μελέτη Προσκόλληση σε μία και μόνο λύση λόγω του φαινομένου «παρωπίδων» ή της αίσθησης του «αλλάνθαστου» Μεγάλος απαιτούμενος χρόνος για τη δημιουργία μελετητών για σχεδιασμό κατασκευών, λόγω της απαραίτητης πείρας που έπρεπε να συλλεχθεί. 11
Τρόπος Σχεδιασμού Μιας Κατασκευής (2) Σημερινή κατάσταση: Διαισθητικά αλλά με μεθοδική υποστήριξη 1. Διασάφηση του προβλήματος: Έγγραφη περιγραφή του υπό ανάπτυξη τεχνικού κατασκευάσματος με σαφή πίνακα προδιαγραφών 2. Λύση του προβλήματος: Σταδιακή εργασία με συγκεκριμένα μεθοδικά βήματα. Χαρακτηριστικά: Μεγαλύτερες πιθανότητες επιτυχίας στην αγορά, λόγω συστηματικότερης έρευνας της αγοράς (τιμή που μπορεί να επιτευχθεί, χρονικά όρια, τεχνικές απαιτήσεις) Εύρεση βέλτιστης λύσης σαν επιλογή μεταξύ περισσότερων προτεινόμενων, που προέκυψαν με μεθοδική εργασία. Χρόνος και κόστος που απαιτείται για την ανάπτυξη μιας καλής λύσης (όχι οποιασδήποτε λύσης), είναι μικρότερα όταν υπάρχει προγραμματισμένη (και μεθοδική εργασία), έστω και αν αρχικά φαίνεται η όλη δουλειά να πηγαίνει πιο αργά. Τρόπος εργασίας μπορεί πλέον να εκμαθευτεί. 12
Παράδειγμα εύρεσης λύσεων σε κατασκευαστικό πρόβλημα 13
Παράδειγμα εύρεσης λύσεων σε κατασκευαστικό πρόβλημα (2) 14
Παράδειγμα εύρεσης λύσεων σε κατασκευαστικό πρόβλημα (3) 15
Είδη Κατασκευών ΝΕΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ (New Design, Neukonstruktion) Νέα προβλήματα με βάση νέες αρχές λειτουργίας Χρήση νέων τεχνολογιών Συνδυασμό γνωστών τεχνολογιών Αλλαγές γνωστών κατασκευών με νέες αρχές λειτουργίας ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ (Adjustment of Design, Anpassungskonstruktion) Χρήση γνωστών και δοκιμασμένων αρχών λειτουργίας με Προσαρμογή της διαμόρφωσης σε νέα δεδομένα. Βασικό ρόλο παίζει: Γεωμετρία, Αντοχή, Παραγωγή και Χρήση υλικών ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ (Variant Design, Variantenkonstruktion) Μεταβολή μεγέθους ή/και διάταξης επιμέρους τεμαχίων ή συγκροτημάτων Διατήρηση αρχών λειτουργίας της αρχικής κατασκευής π.χ. δημιουργία νέας σειράς μειωτήρων 16
Ανάλυση Συστημάτων Τεχνικά κατασκευάσματα: Συστήματα που συνδέονται με το περιβάλλον τους με μεγέθη εισόδου (inputs) μεγέθη εξόδου (outputs) Κάθε σύστημα υποδιαιρείται σε επιμέρους συστήματα Όρια συστήματος: Ότι ανήκει στο υπό εξέταση σύστημα Δουλειά του Μηχανικού: Επιμερισμός των συστημάτων Ανάλυση με βάση τη δομή: Σύστημα: Σύνδεσμος Επιμέρους υποσυστήματα: Ανάλυση με βάση τη λειτουργία: Σύστημα: Σύνδεση Επιμέρους υποσυστήματα: Εξισορρόπηση Σύμπλεξη Μετατροπή δύναμης σύμπλεξης σε κάθετη δύναμη Μεταφορά δύναμης τριβής Ο Μηχανικός πρέπει να σχηματίσει για κάθε περίπτωση κατάλληλα συστήματα και να τα ξεχωρίσει από το περιβάλλον με τα μεγέθη εισόδου και εξόδου τα όρια του συστήματος Ελαστικός σύνδεσμος Λυόμενος σύνδεσμος (συμπλέκτης) Καθένα από αυτά ανεξάρτητες ομάδες στοιχείων 17
Σύστημα «Σύνδεσμος» 18
Μετατροπή Ενέργειας - Ύλης - Σήματος Στις τεχνικές διαδικασίες κυριαρχεί ανάλογα με το πρόβλημα ή το είδος της λύσης: Μετατροπή ενέργειας Μετατροπή ύλης Μετατροπή σήματος Κύρια ροή - Δευτερεύουσα ροή Ενέργεια: Μηχανική, θερμική, ηλεκτρική, χημική, οπτική, πυρηνική, δύναμη, ρεύμα, θερμότητα Είδη: Αέριο, υγρό, στερεό, σκόνη, μη επεξεργασμένο προϊόν, αντικείμενο δοκιμών ή επεξεργασίας, τελικό προϊόν, επί μέρους τεμάχιο Π.χ. με μηχανική επεξεργασία σε τεμάχια δημιουργούνται επιφάνειες με ιδιαίτερες απαιτήσεις Σήμα (Φυσική μορφή του φορέα μιας πληροφορίας): Μέγεθος μετρήσεως, ένδειξη, σήμα ελέγχου, στοιχεία, πληροφορίες Π.χ. συγκέντρωση, διοχέτευση, σύγκριση, επεξεργασία, καταγραφή σημάτων Π.χ. Eργαλειομηχανή: μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική και θερμική MEK: χημική ενέργεια καυσίμου σε μηχανική και θερμική ενέργεια Πυρηνικό εργοστάσιο: πυρηνική σε θερμική ενέργεια Σε κάθε μετατροπή των παραπάνω μεγεθών πρέπει να δοθεί προσοχή στην ποσότητα & ποιότητα ώστε να προκύψουν μονοσήμαντα κριτήρια για τον ακριβή ορισμό του προβλήματος, για την επιλογή των λύσεων και την αξιολόγηση. Ύλη: Ιδιότητες: βάρος, χρώμα, κατάσταση κλπ. 19
Τέλος Ενότητας