Половинкин А. И. - Основы инженерного творчества
А. И. Половинкин
ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА
2-е издание, переработанное и дополненное
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов высших технических учебных заведений
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1988
ББК 32.81 П52 УДК 668.512.2 (075.8)
Рецензенты д-р техн. наук проф, Р. Р. Мавлютов, канд. техн. наук А. В. Никитин, канд. психологических наук А. А. Вербицкий Половинкин А. И.
Основы инженерного творчества: Учеб. пособие для студентов втузов.—М.: Машиностроение, 1988. — 368 с.г ил.
ISBN 5-217-00016-3
Даны основные понятия, единые для различных эвристических и машинных методов инженерного творчества (функция технического объекта, функциональная структура, физический принцип действия, техническое решение, критерии развития и др.). Изложены наиболее распространенные эвристические методы: мозговой штурм, метод эвристических приемов, морфо< логический анализ и синтез, функционально-стоимостной анализ, Изложены машинные методы поискового проектирования и конструирования применительно к задачам поиска улучшенных физических принципов действия и технических решений. Весь материал иллюстрирован иа примерах из различных областей техники.
ISBN 5-217-00016-3 ©Издательство «Машиностроение», 1988
ПРЕДИСЛОВИЕ
В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года», утвержденных XXVII съездом КПСС, указана генеральная линия нашей страны — ускорение социально-экономического развития на основе научно-технического прогресса и всесторонней интенсификации. При этом отмечено главное направление работы: «Осуществить коренное повышение технического уровня выпускаемой продукции. Обеспечить создание и освоение производства техники новых поколений, позволяющей многократно повысить производительность труда, улучшить его условия, существенно снизить материальные затраты». Решение этих задач в первую очередь связано с изобретением, разработкой и освоением новых машин, приборов и оборудования, новых технологий и материалов.
Один из главных недостатков в подготовке большинства выпускников инженерных специальностей — неумение самостоятельно ставить новые задачи, неумение решать задачи поиска новых конструкторско-технологических решений на уровне изобретений, обеспечивающих в итоге повышение качества продукции, достижение мирового уровня, всестороннюю интенсификацию и экономию ресурсов. Учебный процесс в основном построен на решении таких теоретических и практических задач, для которых уже имеется готовая постановка задачи, дается способ ее решения в виде четкого алгоритма, имеются примеры решения задач по этому способу, а преподавателю (а часто и студенту) известен ответ. При этом решение задачи часто превращается в рутинную работу, не требующую глубоких творческих размышлений.
В дополнение к приобретению навыков решения таких задач (что выпускник также должен уметь хорошо делать!) будущий специалист обязан овладеть знаниями и навыками решения творческих инженерных задач, в которых нет готовой постановки, неизвестен способ решения, нет близких примеров решения аналогичных задач, а преподавателю — неизвестен ответ, обычно имеющий несколько вариантов.
Необходимость восполнения указанного пробела в подготовке специалистов особо выделена в «Основных направлениях перестройки высшего и среднего специального образования в стране», где сказано: «Первоочередная задача — осуществить решительный поворот от массового, валового обучения к усилению индивидуального подхода, развитию творческих способностей будущих специалистов ... Процесс формирования инженерных кадров должен быть подчинен развитию у них навыков самостоятельного технического творчества, системного анализа технико-экономических проблем, умения находить эффективные решения».
Введение в вузах дисциплины «Основы инженерного творчества» призвано сыграть ключевую роль в реализации этого директивного указания, а также в перестройке и повышении эффективности их работы. Опыт преподавания такой дисциплины в ряде вузов страны и за рубежом позволяет прогнозировать прогрессивные положительные результаты изучения методов инженерного творчества в увязке с другими дисциплинами и различными видами учебной работы.
Во-первых, резко возрастает доля студентов, работающих увлеченно и самостоятельно, в итоге приобретающих активную позицию и повышенный творческий потенциал — весьма актуальные качества для молодого специалиста. Во-вторых, многократно увеличивается доля курсовых и дипломных проектов, содержащих творческие инженерные решения. В-третьих, возрастает объем интеллектуальной продукции на кафедре в виде авторских свидетельств и патентов на изобретения, сделанных преподавателями и студентами, а также в виде разработанных и реализованных на практике предложений по новым конструкторско-технологическим решениям.
Автор выражает благодарность и признательность Т. П. Бабинцевой, С. А. Генералову, Т. М. Зверевой, С. Г. Колесникову, С. А. Николаеву, Я- Ш. Флейтману, С. А. Фоменкову, оказавшим большую помощь в подготовке рукописи книги.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
АБИЗ — автоматизированный банк инженерных енаний
ИТ — инженерное творчество ИТР — идеальное техническое решение КПД — коэффициент полезного действия
МА — мозговая атака НТП — научно-технический прогресс
ОС — окружающая среда РЭА — радиоэлектронная аппаратура САПР — система автоматизированного проектирования СДС — синтез допустимой структуры
ТЗ — техническое задание ТИЗ — творческая инженерная задача
ТО — технический объект
ТР — техническое решение
ТФ — техническая функция УПП — универсальное пространство параметров -
ФО — физическая операция
ФП — функция планирования ФПД — физический принцип действия
ФС — функциональная структура ФСА — функционально-стоимостной анализ ФТЭ — физико-технический эффект
ФУ — функция управления
ФЭ — функциональный элемент ШЛП — шаг локального поиска
ЭП — эвристический прием
ЭФ — энергетическая функция
ВВЕДЕНИЕ
История развития человечества — это прежде всего история изобретения, создания и совершенствования различных изделий и технологий. Систематическое использование и обработка нашими далекими предками камня и палки, начавшиеся около миллиона лет назад, технология добывания и использования огня, возникшая примерно 100 тыс. лет назад, лук и стрелы с кремниевыми наконечниками, появившиеся около 10 тыс. лет назад, повозка с колесами, выплавка бронзы, водяное колесо, токарный станок, скрипка, паровая машина, пластмассы, телевизор, вычислительная машина, космический аппарат, искусственное сердце и необозримо многое другое — все это результаты удивительного, мучительного и величественного процесса, называемого творчеством.
Тысячи известных и безымянных изобретателей и рационализаторов породили необъятный теперь мир техники и технологии. Этот мир действительно велик. Только в нашей стране номенклатура выпускаемых изделий превышает 20 млн. единиц!
Если говорить в целом об истории инженерного творчества (ИТ), то прежде всего вызывают удивление темпы его роста, которые иллюстрируются табл. 1, где под классом изделий подразумеваются технические объекты, имеющие одинаковые или очень близкие функции (например, класс молотков, болтов, стульев, стиральных машин, токарных станков, паровых турбин и т. д.). При взгляде на табл. 1 невольно возникает вопрос, какие же показатели по числу классов и сложности изделий будут через 100 лет?! Что изменится за этот, с одной стороны, малый промежуток времени (по сравнению со всей историей технического прогресса), а с другой — очень большой, если учесть современные, заметные каждому темпы развития техники, которые продолжают ускоренно возрастать?!
Что Вы, дорогой читатель, запишите в последней строке табл. 1? Каков будет мир техники через 25, 50 и 100 лет?
Цели и задачи настоящей учебной дисциплины — обучение навыкам постановки и решения задач поиска (изобретения) новых, более эффективных конструкторско-технологических решений, в том числе решений, превосходящих мировой уровень. Такие задачи возникают при разработке новых машин, приборов, технологического оборудования и технологий, при выполнении плановых работ по реконструкции и модернизации. Решение проблемы интенсивного развития экономики выдвинуло большое число дополнительных творческих инженерных задач, связанных с экономией трудовых ресурсов, сырья, материалов и энергии.
Другая не менее важная цель изучения дисциплины — подготовка к овладению интенсивной технологией инженерного творчества, основанной на использовании методов ИТ, специально подготовленной информации и вычислительной техники.
Почему с возрастающей настойчивостью ставится вопрос массового обучения молодежи методам ИТ?
В возрасте до 20—25 лет значительно легче формируется творческая личность, осваиваются психология и методология ИТ, нежели после 30 лет. Известно, что революционные идеи создания новых высокоэффективных машин, аппаратов, приборов и технологий чаще выдвигают и разрабатывают люди до 30 лет. Ускорение научно-технического прогресса, экономическая мощь страны находятся в прямой зависимости от ее творческого потенциала, т. е. от числа творчески работающих конструкторов, технологов, ученых. Широкое и активное участие молодежи в инженерном творчестве многократно увеличивает творческий потенциал страны.
Другая причина связана с возрастанием сложности изделий, что было уже показано в табл. 1, в глобально-историческом разрезе. Однако особый интерес вызывают последние десятилетия, в течение которых наблюдаются быстрый рост сложности изделий по числу деталей и используемых физических эффектов, расширение номенклатуры используемых материалов и комплектующих элементов, рост разнообразия самих технических систем, сокращение времени их создания и морального старения, возрастание объема патентной и научно-технической информации и т. д. Эти факторы привели к такому положению, когда объем работ по выбору новых улучшенных проектно-конструкторских решений, т. е. по ИТ, начиная с середины XX века возрастает за каждые 10 лет примерно в 10 раз (при условии сохранения качества разработок). Это по существу не прекращающееся во времени взрывообразное увеличение объема работ все более не согласуется с фактическим ростом числа научных и инженерно-технических работников, призванных обеспечивать технический прогресс. Ниже показано относительное возрастание объема работ по ИТ и максимально возможные темпы роста кадрового потенциала, призванного заниматься ИТ:
Заметим, что среди всех инженеров, техников и рабочих без обучения методам ИТ результативно занимаются ИТ не более 20%, т. е. абсолютный прирост кадрового потенциала в соответствии с приведенными данными нужно умножить на коэффициент 0,1—0,2.
Несоответствие между нормальным ростом объема работ и качеством подготовки инженерных кадров породило ряд негативных последствий, в первую очередь снижение качества многих новых изделий. В ближайшем будущем наиболее высокие темпы технического прогресса (в смысле повышения показателей эффективности изделий) будут в тех странах, в которых объем работ по ИТ в наибольшей мере приближается к нормальному росту. В связи с этим мы сможем справиться с быстро нарастающим объемом работ по ИТ и обеспечить нормальные темпы технического прогресса при выполнении двух условий:
при введении массового обучения ИТ;
при широком использовании вычислительной техники в решении трудоемких и сложных задач ИТ.
Существует мнение, что умение находить, ставить и решать изобретательские и рационализаторские задачи — это «божий дар», которому нельзя обучить. Как относиться к такой точке зрения? Может ли каждый научиться изобретать?
По мнению ряда авторитетных педагогов обучение ИТ заметно повышает творческий потенциал каждого человека. Конечно, у одаренных людей при одинаковом обучении со всеми творческий потенциал остается относительно более высоким. Здесь вполне можно провести аналогию со спортом. Каждого здорового человека можно научить достаточно хорошо играть в волейбол или шахматы, но у спортсменов, имеющих соответствующие природные данные, результаты будут выше.
Если говорить конкретнее, то основная цель обучения заключается в выявлении и раскрытии творческих наклонностей и способностей, о которых многие обучаемые не подозревают (и может быть до конца своей жизни не узнали бы!). Обучение ускоряет приобретение опыта и мастерства одаренными (в смысле ИТ) специалистами. Для людей, имеющих слабые природные задатки, обучение дает в руки инструмент и навыки, которые позволяют успешно решать довольно широкий круг творческих инженерных задач. И еще один нюанс, который лучше передать словами английских проф. М. Тринга и Э. Лейтуэйта: «Как показал наш собственный опыт, лишь немногие из тех, кто наделен талантом изобретателя, умеют развивать талант и пользоваться им» [13].
Таким образом, необходимость массового обучения молодежи ИТ кроме всего прочего сильно связана с поднятием престижа инженера, популярности инженерного труда и повышением качества обучения во втузе. Дело в том, что многие инженеры, не умея ставить и решать творческие задачи, вынуждены заниматься утомительной и неинтересной рутинной работой. Приобретение навыков постановки и решения творческих инженерных задач значительно увеличит долю творческого труда. Хорошо известно, что с ИТ обычно связаны наиболее яркие страницы внутренней жизни человека, работающего в области техники. Кроме того, ИТ часто приносит еще дополнительное моральное и материальное вознаграждение и глубокое удовлетворение полученным результатом. Поэтому массовое обучение методам ИТ — это один из наиболее действенных путей повышения интереса к инженерному труду.
Ответим на ряд вопросов. Какие в настоящее время существуют методы ИТ? Известно довольно большое число методов, которые условно можно разделить на две группы:
1. Эвристические методы технического творчества, основанные на использовании достаточно четко описанных методик и правил поиска новых технических решений. Эти методы начали разрабатывать еще с древних времен [9] (Сократ, Архимед); особое внимание им уделили выдающиеся ученые XVII—XVIII вв. Ф. Бэкон, Р. Декарт и Г. Лейбниц. Начиная с 40-х гг. нашего столетия резко возросли исследования и разработки по созданию и применению эвристических методов, методик, приемов, принципов, правил и т. п. В настоящее время известно более 100 эвристических методов, методик, подходов и их модификаций.
2. Компьютерные методы поискового конструирования, основанные на использовании ЭВМ в решении творческих инженерных задач. Эти методы начали разрабатывать и применять в 60-х годах. В настоящее время известны десятки различных подходов и методов поискового конструирования.
Обзор эвристических и компьютерных методов ИТ достаточно широко освещен в литературе [1, 5, 9, 25, 41 ].
Принимая во внимание довольно большое разнообразие методов ИТ и то, что их число продолжает расти (в силу молодости самой дисциплины), зададимся вопросом: Какому методу или каким методам рекомендуется в первую очередь обучать?
Как считают опытные педагоги и методисты, нецелесообразно обучать какому-либо одному методу или стараться освоить все имеющиеся подходы и методы. Студент или специалист на первом этапе или на первой ступени овладения методами ИТ должен научиться свободно пользоваться небольшим набором из трех — пяти методов. Дальнейшее повышение эффективности деятельности творчески работающего инженера связано с приобретением собственного опыта и расширением набора используемых методов и систем методов решения творческих инженерных задач.
Настоящий курс направлен на изучение трех эвристических методов (методы мозговой атаки, эвристических приемов, морфологического анализа и синтеза) и трех компьютерных методов (методы синтеза технических решений на И—ИЛИ графах, синтеза физических принципов действия, математического программирования — синтеза оптимальных структур и форм). Имеются и другие эффективные методы и системы методов инженерного творчества; метод синектики [24, 26], метод контрольных вопросов 141], алгоритм решения изобретательских задач 12], специальные объектно-ориентированные компьютерные методы синтеза и анализа конструкторско-технологических решений и др.
Какие принципиальные отличия имеют эвристические методы технического творчества и методы поискового конструирования?
В