Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

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

«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!)будущийспециалист обязан овладетьзнаниями 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.

УСЛОВНЫЕОБОЗНАЧЕНИЯ

АБИЗ — автоматизированный банк инженерных енаний

ИТ — инженерное творчество ИТР — идеальное техническоерешение 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 — универсальноепространство параметров -

ФО — физическая операция

ФП — функция планирования ФПД — физическийпринцип 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» .

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 (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 .

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 , 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 1977 г. было проведено условное разделение между эвристическими и компьютерными методами (с помощью первых решают задачи технического творчества, с помощью вторых — задачи поискового конструирования). К задачам технического творчества были традиционно отнесены такие, при которых человек решает поставленную задачу способом «проб и ошибок» или с помощью эвристических методов без использования ЭВМ. К задачам поискового конструирования отнесены такие творческие инженерные задачи, которые человек решает с использованием ЭВМ.

...

1. Введение

Человечество переступило порог третьего тысячелетия. Наше общество связывает свои надежды с ожидаемыми переменами. В этих условиях недопустимо оставаться на позициях формализма и догматизма, которые в инженерной, особенно научной и учебной деятельности, нивелируют способности и оставляют в тени творческую индивидуальность личности.

Мы считаем, что специалист, не имеющий основательной методологической подготовки, не может должным образом ориентироваться в непрерывно обновляющемся многообразии мира техники, даже в относительно узкой "своей" специальной области, не говоря уже о межотраслевых задачах. Для полной деятельности совершенно не достаточно иметь даже очень хорошую, но относительно узкую подготовку. Необходимо сформировать свою мировоззренческую позицию, связанную с научным и инженерным творчеством в Вашей области деятельности.

Существует много подходов к описанию процесса творчества. В одних описывается деятельность выдающихся ученых, педагогов, мыслителей, предпринимателей, артистов и других творческих личностей. Рассказывается творческая лаборатория деятельности, но нет выхода на обобщения, позволяющие говорить об общей методологии творчества. Проблемы творчества не связываются с системным подходом и законами развития систем.

В других подходах рассматриваются проблемы методологии творчества при изобретательстве и проектировании систем. Системный подход в них явно не используется, входит как-то интуитивно и подменяется другими понятиями.

В ряде работ по системному подходу не рассматриваются законы развития и функционирования систем.

Много работ посвящено методам принятия решений, но они не базируются на идеях системности и законах развития систем.

Есть рад работ, посвященных методам создания новых технических решений. Но предлагаемая в них методология не содержит взаимосвязи системного подхода, законов развития систем и методов принятия решений.

Ряд работ посвящен анализу творческой деятельности, психологии творчества, влиянию человеческого фактора на принятие решений, но без связи с системным подходом, и закономерностями развития систем.

Сегодня без ускорения научно-технического прогресса наше общество не решит своих экономических и социальных проблем. Особое внимание следует уделять анализу проблем на стыке разных наук - естественных, технических и общественных. Поэтому необходимо в общей взаимосвязи, на основе системного подхода овладение законами развития технических наук, эволюции антропогенного мира.

Необходимо привлечь внимание к формированию мировоззренческих позиций инженеров, научных работников и преподавателей. Каждому из нас необходимо овладеть искусством системного подхода, использовать объективные законы и закономерности развития техники и на их основе принимать практические творческие решения.

В соответствии с предложенной концепцией тремя составными частями инженерного творчества являются системный подход - законы развития техники - методы принятия решений.

Системный подход как методология изучения объекта состоит в том, что его недопустимо рассматривать без учета всей его полноты и сложности строения, целостности, взаимодействия и взаимообусловленности всех составляемых элементов между собой и со средой, из которой этот объект (система) выделен. В сложности строения рождается новое качество, которое отсутствовало у элементов, ее составляющих. Сущность системного подхода и проста, и сложна. И ультрасовременная и древняя, как мир, ибо уходит корнями к истокам человеческой цивилизации.

Законы развития техники должны быть основой и мощным ускорителем ее развития.

Техника - это одно из проявлений творческой человеческой деятельности, то, что называют иногда второй природой (антропогенным миром), полагая при этом первой природой естественный мир. Ни у кого нет желания пренебрегать объективными законами природы. А вот в антропогенном мире у людей, не ведающих о законах его развития, о характере их действия возникает соблазн «перескочить» через эти законы. В наших институтах пока, к сожалению, законы развития техники не изучаются.

Методы принятия решений необходимы для поиска решений все более усложняющихся технических задач. Овладеть разнообразным инструментарием мыслительного процесса для интенсификации творческой деятельности это настоятельная задача инженера ученого педагога. В целом речь идет о повышении общей культуры мышления, творчества в наши дни.

Деятельность инженера, ученого педагога (учителя) должна опираться на творчество особенно в наше время. Недостаточно узкой специальной подготовки для полноценной научной и инженерной деятельности. Непрерывно обновляющееся многообразие мира техники неразрывная связь не только с естественными, но и социальными проблемами с межотраслевыми задачами требуют от специалиста основательной методологической подготовки, укрепления своих мировоззренческих позиции и совершенствования творческого арсенала.

Человек, овладевая природными и общественными условиями своего существования, создает свою – «вторую природу». Этот человеческий мир, базируясь на природе вместе с тем составляет ту великую «прибавку», которая исторически является самой молодой, но вместе с тем самой качественно сложной реальностью миро знания .

Техника как часть антропогенного мира определяется как совокупность средств человеческой деятельности создаваемых в целях производства и обслуживания непосредственных потребностей общества.

Проблема качественных различии мира «естественного» и искусственного» не нова. Однако в нашем сознании главным образом в силу несовершенства образования сложился стереотип такого убеждения, при котором «искусственному» миру как вторичному как бы предписывается исполнять только законы, действующие в «естественном» мире.

Однако в эпоху НТР такие стереотипы не только не соответствуют фактическому положению в науке, но наносят ей непоправимый вред, ибо сама практика научного познания начинает требовать, чтобы закономерности знания об искусственном нашли свое адекватное отражение в научной картине мира и методологии.

Одним из ярких проявлении тому служат высказывания крупного естествоиспытателя Герберта Саимона . Основные положения науки об искусственном по мнению Герберта Саимона сводятся к следующему:

«Мир в котором мы живем в значительно большей мере является творением человеческих рук чем природы это гораздо более искусственный мир нежели естественный». Естественное выступает перед человеком, как непосредственно данное; оно есть и изучается как таковое во всех его закономерностях. Искусственное же, прежде чем стать таковым, должно быть создано. Иными словами оно должно быть спроектировано и произведено.

Между познанием человека направленным на естественный объект и познанием и деятельностью человека направленными на создание искусственных вещей есть существенное различие. Оно состоит в том, что если в первом случае в нем преобладает анализ, а во втором синтез ».

Сердцевина идеи Г. Саймона заключается в том, что необходимо разработать некую универсальную теорию конструирования или основы методологии создания искусственного. Он верит, что создание такой теории позволит исправить тот «флюс», который сейчас в нашем познании составляют естественно научные знания.

Сейчас очевидным становится, что инженеру, чтобы строить конкретную действительность, исходя из потребностей общества, уже недостаточно только «всеобщей ориентации», он должен иметь под рукой «эффективные познавательные инструменты».

Инженер, как правило, не добывает фундаментальных знаний «о природе вещей», но он добывает фундаментальные знания «о синтезе вещей». И вряд ли можно сказать, что эти исследования менее важны, чем первые. Потому что конечной целью всякого человеческого познания, да и вообще - проявления активной человеческой позиции, является не накопление знаний, как таковых, а стремление заставлять их служить себе.

Здесь мы подходим к важному выводу, что объективное существование (точнее - сосуществование) двух типов знаний: об естественном и об искусственном - рождает два типа системных исследований, один из которых развивается на базе общетеоретической, общефилософской, другой - на специально научной.

Если непосредственной целью естествознания является познание истины, раскрытия законов природы, то непосредственной целью технических наук является содействие человеку в практическом использовании этих законов, выяснение и обоснование их применения. Методологическое единство естествознания состоит в том, что как в природе, так и в технике люди имеют дело с единой материей, существующей и развивающейся по единым законам. Отсюда следует, что универсальные диалектико-материалистические принципы познания не могут не быть общими как для природы, так и техники.

Обогащение материалистической диалектики, как общей теории развития, обусловливается преимущественно спецификой технического объекта, проявляющегося в том, что здесь взаимодействуют «две формы объективного процесса: природа и целеполагающая деятельность человека» .

Сознательная жизнь человека, особенно творческая деятельность, представляет непрерывную последовательность принятия решений по многим вопросам и проблемам, вызываемым потребностью общества и его лично.

Вследствие этого необходимо привлечь внимание к данной проблеме и попытаться разобраться и ответить на следующие вопросы.

На каких принципах (основах) зиждется методология принятия решений в творческой деятельности? Что есть общего между философской теорией познания, системным подходом и разнообразными методами принятия решений? Как разобраться и овладеть многочисленными частными приемами, и в каких областях они эффективны? Как обучаться этим методам активизации и интенсификации мыслительного процесса? Какую роль играют в этом современные компьютеры, информационно-измерительная и другая техника? Могут ли они заменить творческую деятельность человека? Достаточно ли обучать инженера, ученого лишь специальным дисциплинам по его профессии? Как не завязнуть в трясине «глухоты специализации»?

Существует два понятия «принятие решения», а именно:

Философское (общее), затрагивающее глубинные мыслительные процессы в познании мира;

Прагматическое (конкретное), описывающее методологию решения инженерных задач.

Прагматический аспект. Сюда мы относим многочисленные практические методы принятия решений, изложенные ниже, в том числе Акоффа, Альтшуллера и др. Принятие решения рассматривается как процесс, состоящий условно по меньшей мере из четырех этапов.

Первый этап - исследование проблемы и постановка цели (задачи).

Часто исследование потребности протекает медленно, часто бессознательно, а то и подспудно. Исследование потребности заканчивается постановкой задачи на разработку нового решения, на преодоление вскрытого основного противоречия.

Второй этап - разработка альтернативных вариантов нового (искомого) решения, т.е. поиск разных путей преодоления основного противоречия.

Третий этап - оценка и ранжирование альтернативных решений с точки зрения их приближения к требованиям, сформулированным в процессе постановки задачи.

Четвертый этап - тесно связан с предыдущими, как и все между собой. После выбора и утверждения одного из альтернативных вариантов необходимо глубокое и системное осмысление полученного результата, какие новые проблемы порождаются? Если результаты неудовлетворительны, то необходимо вернуться к начальной стадии процесса, к следующему витку поиска решения.

Теория и алгоритм решения изобретательских задач (ТРИЗ и ЛРИЗ)Г.С.Альтшулдера.

Эти приемы разработаны известным изобретателем Г.С. Альтщуллером . В основе ТРИЗ лежит представление о закономерном развитии технических систем, а также патентный фонд, содержащий описание многих миллионов изобретений, справочный фонд физических эффектов и явлений. На базе ТРИЗ создан ряд алгоритмов решения изобретательских задач АРИЗ 77 и ТРИЗ-85 как альтернатива малоэффективному и неперспективному старому способу «проб и ошибок» и другим методам.

ТРИЗ (теория решения изобретательских задач) является в настоящее время единственной методологией поиска новых решений, дающей стабильные положительные результаты, доступной для массового изучения и использования в производственных условиях. Так считают многие сторонники и последователи Г С Альтшуллера разработавшие «изобретающую машину».

Теоретическим фундаментом ТРИЗ, наряду с законами развития технических систем, является анализ и обработка больших массивов патентной информации. В качестве ключевых понятий в ТРИЗ выступают:

Изобретательская ситуация (описание технической системы с указанием на тот либо иной недостаток);

Техническое противоречие. Это понятие основывается на том, что поскольку техническая система представляет собой целостный «организм» (систему), то попытки улучшения одной ее части (функции, свойства) приводят к неминуемому ухудшению других частей.

Решить изобретательскую задачу - значит выявить и устранить техническое противоречие.

Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) - пример применения материалистической диалектики и системного подхода к процессу технического творчества. Методика основана на учении о технических противоречиях (ТРИЗ). «Процесс решения - это последовательность операций по выявлению, уточнению и преодолению технического противоречия. Последовательность, направленность и активизация мышления достигаются при этом ориентировкой на идеальный конечный результат (ИКР), т.е. идеальное решение, способ, устройство».

1. Уемов А. И. Системный подход и общая теория систем М.: Мысль 1982 246с.

2. Балашов Е. П. Эволюционный синтез систем М.: Радио и связь. 1985 328с

3. Кузьмин П. К. Принципы системности в теории и методологии К. Маркса. М. Политиздат, 1986. 399с.

4. Самарин В. В. Техника и общество. Социально философские проблемы развития техники. М.: Мысль 1988. 143с.

5. Саймон Герберт. Наука об искусственном. М. Мир 1972 216с.

6. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретательства, 2-е изд. М.: Московский рабочий. 1973,164с.

7. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. М.: Сов радио, 1979, 216с.

8. Альтшулдер Г.С. Найти идею. Введение в теорию решения изобретательских задач. Новосибирск: Наука. 1985. 196с

ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

основы инженерного творчества

Учебное пособие

Волгоград

УДК 658.518.2(075.8)

Рецензенты: главный конструктор -КРАН» ; технический директор СМИ»

Никифоров, инженерного творчества: учеб. пособие / . ВолгГТУ, Волгоград, 2008. – 96 с.

Дается общее представление об основных методах инженерного творчества, приводится их краткая характеристика, классификация и сфера применения.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 151001.65 «Технология машиностроения», а также может быть полезно для инженерно-технических работников машиностроительных предприятий, связанных с созданием и модернизацией техники.

Ил. 16. Табл. 2. Библиогр.: 14 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN 0087-4 Ó Волгоградский

государственный

0 " style="border-collapse:collapse">

Введение

Современное классическое техническое образование, предоставляемое в наших вузах, ориентировано в первую очередь на обучение студентов решению типовых задач, которые возможно встретятся в будущей профессиональной деятельности . Эти задачи могут быть решены путем логического вывода из ранее известных посылок, при этом имеется готовая постановка задачи, известен способ ее решения, а также предпола-гаемый ответ. Однако задачи, возникающие перед инженером, могут носить различный характер. И поэтому, безусловно, необходимое умение решать типовые инженерные задачи должно быть дополнено умением решать задачи инженерные творческие. А для этого необходимо, чтобы будущий специалист, прежде всего, овладел бы системным видение м мира, в том числе и мира технических систем, знаниями и навыками, необходимыми специалисту для решения нетиповых, творческих задач. Нельзя сказать, что накопленный на сегодняшний день огромный научно-технический потенциал создавался людьми, не владеющими творческим подходом к решению. Однако, как показывает анализ литературы по рассматриваемому вопросу, творческие инженерные задачи, как правило, находили решение в результате некоего интуитивного озарения, посетившего разработчика.

В настоящее время возникла и активно развивается наука, изучающая методы и способы ускоренного и целенаправленного нахождения оптимальных технических решений при создании сложных технических систем. Одно из названий этой науки – «Методы инженерного творчества». Помочь ознакомиться с этой дисциплиной и призвано данное учебное пособие . Учебное пособие структурировано на 5 глав. В первой главе приводится краткий исторический обзор развития методов технического инженерного творчества и изобретательства, описан применяемый до сих пор метод проб и ошибок, приведены направления его совершенствования и присущие недостатки. Во второй главе представлены различные подходы к классификации стратегий, методов и результатов изобретательского творчества. В 3, 4 и 5-ой главах последовательно освещены методы интуитивного поиска, методы систематизации и методы упорядоченного поиска технических решений.

Учебное пособие построено на основании ряда литературных источников, представленных в списке литературы. Автор учебного пособия не всегда придерживался указания ссылок на первоисточники, чтобы не перегружать текст и не быть привязанным к точному цитированию.

Для того чтобы оживить содержание учебного пособия, в него внесены художественные иллюстрации, специально подготовленные художником, которой автор приносит огромную благодарность.

Список аббревиатур

МПиО – метод проб и ошибок;

МА – мозговая атака; мозговой штурм;

ТО – технический объект:

ПКД – проблема, как она дана;

ПКП – проблема как её понимают;

ФСА – функционально-стоимостный анализ;

FDM – фундаментальный метод проектирования Мэтчетта;

ТРИЗ – теория решения изобретательских задач;

АРИЗ – алгоритм решения изобретательских задач;

ИКР – идеальный конечный результат;

ТС – техническая система;

КПД – коэффициент полезного действия;

ВПР – вещественно-полевые ресурсы;

ТП – техническое противоречие;

ФП – физическое противоречие;

РВС – оператор «размер–время–стоимость»;

ММЧ – метод моделирования «маленькими человечками»;

РТВ – курс развития творческого воображения.

1. Предпосылки возникновения методов поиска новых технических решений

1.1. Исторические корни технического творчества и изобретательства

Современное научно-теоретическое мышление стремится проникнуть в сущность изучаемых явлений и процессов. Это возможно при условии целостного подхода к объекту изучения, рассмотрения этого объекта в возникновении и развитии, т. е. применения исторического подхода к его изучению.

Ученые и философы с древних времен пытались определить закономерности творческого мышления. Термин «эвристика», произошедший от легендарного возгласа Архимеда «Эврика!» («Нашел!»), ввел древнегреческий математик Папп Александрийский в III веке н. э. Он обобщил труды античных математиков, рассказал о том, как работал Евклид при поиске мате­матических доказательств. Методы, отличные от чисто логических, Папп объединил под условным названием «эвристика». Его трактат «Искусство решать задачи» можно считать первым специальным методическим пособием, показывающим, как вернее действовать, если задачу нельзя решить с помощью известных математических или логических приемов.

Если рассматривать историю становления эвристики хронологи­чески, то следует отметить, что разработку учения об эвристических методах начал еще древнегреческий философ Сократ (469–399 гг. до н. э.). Он ставил себе цель преподавать не готовую систему знаний, а метод, с помощью которого можно создавать систему. В беседах, дискуссиях со своими собеседниками, ставя наводящие вопросы, он стимулировал пробуждение скрытых (латентных) творческих спо­собностей людей, рождение ими продуктивных идей. Метод называл­ся майотикой Сократа. Дословно это означает «акушерское искус­ство», что достаточно метко выражает суть.

Архимеду (287–212 гг. до н. э.) принадлежит уже подробное учение о методах рассмотрения и решения задач. С помощью упро­щенных представлений (говоря современным языком, моделей) он выдвигал и обосновывал гипотезы, которые затем можно было точно доказать математически. В своем труде «Стомахион» Архимед описал некоторые способы создания новых технических объ­ектов из уже известных элементов.

Таким образом, уже в древности с развитием науки возникли методические сборники о том, как нужно действовать, если задачу заранее нельзя решить с помощью известных математических или логических методов. Последующий упадок античных наук привел к забвению на многие века за­ложенных в прошлом тысячелетии некоторых начал эвристики. Сыграла свою негативную роль церковь, которая препятствовала всему новому, а образ техника, изобретателя, алхимика связывался с действием темных сил. Технические нововведения не только не приветствовались, но и запрещались.

Лишь в XVI–XVII вв. труды Г. Галилея (гг.), Ф. Бэкона (1561–1626 гг.) возродили эвристиче­ские подходы к науке.

В 1250 г. испанский философ Раймунд Луллий спроектировал систему, с помощью которой можно было комбинировать некоторые принципы и основные понятия и тем самым получить все познания, к которым вообще способен человеческий разум. Для комбинирования применялись вращающиеся четырехугольники или окружности, на которые были нанесены буквы, цифры и рисунки. Это позволяло механически или автоматически получать разные комбинации. Метод был чисто спекулятивным, принципы и понятия не были научно обоснованы, а вся методика была поставлена на службу религии.

Вторую систему создал французский философ и математик Рене Декарт (1596–1650). В своем труде «Правила для руководства ума» он предложил метод, с помощью которого все проблемы путем разложения на простые составные части можно свести к математическим, а все математические – к алгебраическим задачам. Для алгебраических задач Декарт хотел разработать универсальный метод решения. Труд остался незаконченным. Такая судьба постигла бы его и сейчас. Бесконечное множество проблем, с которыми сталкивается человек, нельзя решить с помощью универсального алгоритма. И не для всех задач можно дать четкие алгоритмы.

Под влиянием Луллия и Декарта первым, кто попытался описать логику создания основного про­дукта инженерного творчества – изобретения, был выдающийся ученый, основатель Академии наук в Германии, (1646–1716 гг.). Он призывал пользоваться разумом так, чтобы «оценивать не только явное, но также и изобретать, откры­вать скрытое». Путь к достижению цели он видел в расчленении всех понятий на некоторые элементарные ячейки, образующие как бы азбуку человеческих мыслей. А дальше в действие вступала ком­бинато-рика: «путем комбинирования немногого можно составить бес­конечное». Всю жизнь работал ученый над усовершенствованием «искусства изобретения», обоснованным им в своей диссертационной работе. Но труд его также полон пробелов.

Однако труды Луллия, Декарта и Лейбница оказались весьма перспективными. Комбинаторика как метод мышления в наше время нашла широкое применение. В 1932 г. Вильгельм Оствальд показал, как полезны могут быть комбинации для получения изобретений. А Фриц Цвикки, американский астроном, родившийся в Швейцарии, назвал этот метод «морфологическим анализом» и применил его сначала для поиска всех возможных классов звезд. Затем разработал несколько новых астрономических приборов и классифицировал все мыслимые принципы построения движителей и двигателей летательных аппаратов. Во Франции практически одновременно А. Молье использовал аналогичный метод.

Значительный вклад в развитие идей эвристики внес Христиан Вольф (1679–1754 гг.), который дал более четкое ее определение, предложил ряд правил искусства изобретательства.

Чешский математик и философ Бернард Больцано (1781– 1848 гг.) создал фундаментальный труд – «Наукоучение». В нем есть большой раздел «Искусство изобретательства» с изложением различ­ных его методов и эвристических правил.

В России теорией эвристики в начале XX века много занимался инженер-патентовед. В ряде своих книг он на­стойчиво декларировал возможность создания науки о творчестве, и в частности об изобретательстве. Но он оказался в плену триад формальной аристотелевской логики и творческую лабораторию изобретателя так и не показал.

1.2. Метод проб и ошибок

https://pandia.ru/text/78/049/images/image007_124.gif" width="296 height=182" height="182">

Рис. 1. Схема поиска методом "проб и ошибок".

ВИ – вектор психологической инерции; ПК – поисковая концепция

От точки, которую мы назовем "Задача", изобретатель должен попасть в точку "Решение". Где именно находится эта точка, заранее, конечно, неизвестно. Изобретатель создает определенную поисковую концепцию (ПК) , т. е. выбирает направление поисков. Начинаются "броски" в выбранном направлении (они условно обозначены стрелками): "А если попробовать так?" А потом становится ясно, что неправильна вся поисковая концепция – поиски идут не в том направлении. Изобретатель возвращается к задаче, выдвигает новую поисковую концепцию и начинает новую серию "бросков". В практике количество попыток обычно намного больше, чем изображено на схеме.

При переборе вариантов безраздельно властвует субъективизм, отсутствуют правила выдвижения идей и критерии их оценки. Правда, по мере развития тех­ники, накопления знаний и опыта изобретатель реже выдвигает нелепые идеи. Он, как правило, представляет себе, что возможно и что невозможно. В процессе поис­ка ему не нужно проверять все возможные варианты – опыт, знания позволяют многие из них заранее оце­нить, принять или отвергнуть. И все-таки далеко не все поддается оценке.

МПиО и сегодня можно использовать для решения простых задач. Но как быть со сложными проблемами, которые требуют рассмотрения и оценки сотен или даже тысяч возможных вариантов? Ведь на их решение могут уйти многие месяцы или годы и безо всяких гарантий на успех. Нередко именно поэтому изобретатель подчас останавливается далеко не на лучшем варианте решения.

Изобретений без признаков яркой творческой мыс­ли многие тысячи. И если, за неимением лучшего, их все-таки внедряют, то часто этим не столько ускоряют, сколько тормозят научно-технический прогресс.

МПиО не для создания изобретений высокого уровня. Даже если кому-то удается найти удачную идею, терпеливо перебрав множество вари­антов или случайно выйдя на правильное решение, то маловероятно, что со следующей задачей изобретатель сумеет справиться на таком же уровне и в приемлемый срок. Большие творческие способности несколько увели­чивают эту вероятность, но в целом и способности не компенсируют недостатков метода проб и ошибок. Не намного облегчает дело так называемый эстафетный механизм нахож­дения сильных решений, при котором последующие по­коления исследователей и изобретателей учитывают отрицательный опыт предшественников и не ищут в заведомо бесперспективных направлениях. Выявляя и отбрасывая все новые подобные направления, исследо­ватели постепенно как бы достраивают пирамиду по­иска до самой вершины.

Хотя с помощью метода проб и ошибок создана вся современная техника, однако до 70–80-гг. XIX века несовершенство метода ничем не компенсировалось. Решение трудных задач растягивалось на десятки лет. Одной и той же проблемой иногда занималось не­сколько поколений изобретателей. Чтобы повысить эффективность творческого поиска, в него стали постепенно вовлекать все больше специалистов, причем самого разного профиля. Зону поиска в таких случаях дробили на небольшие участки, каждым из которых занимался подчас специальный многочисленный коллектив . Так рождались специализированные, узкопрофильные НИИ, КБ с многочисленными подразделениями. С развитием НТР и ростом объемов творческого труда увеличивалось число отраслевых институтов и конструкторских бюро.

Такой, чисто экстенсивный, путь развития не способен удовлетворить уровень и темпы развития техники сегодняшнего дня. В условиях современной экономики столь нерациональная растрата материальных средств, людских ресурсов, их творческого потенциала способна привести лишь к банкротству предприятия.

Некоторые скептики могут возразить и привести факты, свидетельствующие о том, что открытие или изобретение сделано внезапно, по воле случая, безо всякого пере­бора вариантов. Пришла мгновенная догадка – и задача решена. В качестве подтверждения приведут с десяток широко известных, но мало что объясняющих примеров.

Марилс вынул из бочки со скипидаром случайно упавший ту­да рабочий костюм. Он оказался чистым, без пятен. Благодаря этому в 1870 г. был изобретен способ химической очистки тканей.

Физик Беккерель случайно открыл радиоактивность, обнаружив, что завернутая в черную бумагу фотопластинка, лежавшая ря­дом с солью урана, оказалась засвеченной.

Уатта вид кипящего чайника натолкнул на идею паровой машины, а обычная паутина подсказала инженеру Брандту принцип конструкции висячих мостов.

Случайных открытий действительно было, да и сей­час есть, немало, но не бывает случайных открывате­лей! «На случай наталкиваются те, кто его заслу­живает», – прекрасно сформулировал Лагранж. Или, как сказано в биографии Пастера: «Те, кто делает все, чтобы на него натолкнуться».

Эдисону, по его собственному признанию, прихо­дилось работать над одним изобретением в среднем семь лет. По крайней мере треть этого времени уходила на по­иски идеи.

Вот что писал изобретатель Николай Тесла, работав­ший одно время в лаборатории Эдисона: «Если бы Эди­сону понадобилось найти иголку в стоге сена, он не стал бы терять времени на то, чтобы определить наиболее ве­роятное место ее нахождения. Он немедленно с лихора­дочным прилежанием пчелы начал бы осматривать соло­минку за соломинкой, пока не нашел бы предмета своих поисков. Его методы крайне неэффективны: он может за­тратить огромное количество времени и энергии и не до­стигнуть ничего, если только ему не поможет счастливая случайность. Вначале я с печалью наблюдал за его дея­тельностью, понимая, что небольшие теоретические зна­ния и вычисления сэкономили бы ему тридцать процентов труда. Но он питал неподдельное презрение к книжному образованию и математическим знаниям, доверяясь все­цело своему чутью изобретателя и здравому смыслу аме­риканца».

Названные выше открытия и изобретения сделали вовсе не случайные люди, а видные ученые, опытные специалисты, накопившие обширные знания и опыт. Случай лишь ускорил ход их мыслей, сконцентриро­вал их в едином направлении, стал своего рода им­пульсом в создании нового. Но подобное может про­исходить лишь с человеком ищущим, способным такой случай заметить, понять и, наконец, объяснить и сде­лать выводы.

Не нужно забывать, что известные «случайные» от­крытия – лишь малая толика всего огромного количества открытий и изобретений, сделанных на протяжении ис­тории человечества. А основная масса новшеств – ре­зультат постепенного накопления знаний и длительного творческого труда.

Извечный и безостановочный поиск на основе МПиО помог человеку открыть мир тех­ники. Но времена неудержимо меняются. Метод пере­бора вариантов, тысячелетия добросовестно служивший человечеству, стал недостаточно быстрым и эф­фективным. Уже в XIX в. он практически исчерпал свои возможности. А в наш век лавинного потока информа­ции, быстрого развития науки и техники МПиО стал неприемлемым. Основанная на нем тех­нология творческого труда пришла в глубокое противо­речие с требованиями научно-технического прогресса.

Систематизируем ряд "усовершенствований" МПиО:

1. Увеличение числа "проб", например, с помощью большого числа людей, одновременно работающих над проблемой.

В конце XIX века применение метода проб и ошибок усовершенствовал Эдисон. В его мастерской работало до тысячи человек, поэтому можно было разделить одну техническую проблему на несколько задач и по каждой задаче одновременно вести проверку многих вариантов. Фактически Эдисон изобрел научно-исследовательский институт.

2. Замена вещественных проб мысленными.

Замена вещественных экспериментов мысленными – большой шаг вперед. Из 100 вариантов 99 или 95 рассматривают мысленно, и только оставшиеся 1–5 вариантов испытывают "в натуре" – это огромный выигрыш в затраченных силах, средствах, времени. Увеличение количества занятых в решении проблемы специалистов – тоже большой шаг вперед в организации технического творчества. Но как можно разделить задачу и чтобы каждый перебирал свои варианты?

Объем знаний, доступных современному изобретателю, настолько велик, что результаты многих проб могут быть предсказаны заранее. Изобретатель может опираться не только на личные знания, но и на необъятную научно-техническую литературу , может консультироваться с другими специалистами. Все это позволяет теоретически оценивать большую часть вариантов, не прибегая к реальным, вещественным опытам. Мысленные эксперименты идут намного быстрее, в этом их основное преимущество. Но мысленные эксперименты субъективны, они не защищены от психологических помех. Кроме того, мысленные эксперименты, в отличие от реальных, как правило, не сопровождаются неожиданными побочными открытиями, обнаружением всевозможных непредвиденных явлений и эффектов.

3. Увеличение степени фильтрации – главная тенденция исторического развития метода проб и ошибок.

Когда-то варианты решения задач перебирали буквально наугад. Но по мере развития технических знаний формировались представления о том, что в принципе возможно и что невозможно. Сообразуясь с этими представлениями, современный изобретатель фильтрует варианты, отбрасывая то, что кажется ему неудачным. Фильтрация облегчает решение задач, имеющих нормальные, т. е. более или менее привычные, ответы, и резко затрудняет решение задач, требующих нетривиальных, "диких" идей.

4. Создание т. н. "неалгоритмических методов" (методы мозговой атаки, синектика и др.)

Несмотря на перечисленные направления улучшения работы по МПиО, он обладает рядом недостатков :

1) при решении творческой задачи по МПиО, пробы осуществляются либо по линии наименьшего сопротивления (по "вектору инерции"), либо (что лучше) "во все стороны";

2) процесс решения по МПиО плохо управляется человеком, так как зависит от множества случайных и трудноучитываемых факторов;

3) положительный опыт, полученный при решении задачи не накапливается и не становится широко доступным другим;

4) за внешнюю простоту МПиО приходится расплачиваться потерями времени, бесконечными пробами и отсутствием гарантии получения решения задачи.

2. Классификация методов поиска новых

технических решений

Существуют различные подходы к классификации методов инженерного творчества. Классификация может основываться на рассмотрении уровня полученных технических решений. Такая классификация была предложена на основе анализа множества опи­саний изобретений. Он разделил процесс творческого поиска на несколько последовательных стадий и сформулировал осуществляемые на каж-дой из них изменения. Таким образом сложилась классификация уровней творчества, одна из ее возможных модификаций представлена в табл. 1.

Поиск начинается с выбора задачи, а затем поисковой концепции (подхода), и это не случайно: очень важен верный выбор задачи в начале пути. При выборе проис­ходит конкретизация задачи. Анализ данных табл. 1 показывает, что от первого к пятому уровню меняется сам характер поиска по всем его стадиям. При этом на первом уровне используется готовое решение почти без выбора, на втором осуществляется выбор, а от третьего к пятому уровню все более сложными становятся вно­симые изменения, качественно меняется их характер. На четвертом уровне создается принципиально новый объект, а на пятом – новая система таких объектов. Таким образом, творческий характер поиска нарастает от одного уровня к другому.

Издательство: Машиностроение

Год издания: 1988

Язык: русский

Страниц: 368

Краткое содержание

Предисловие

Условные обозначения

Введение

Часть 1. Теоретические основы инженерного творчества

Глава 1. Основные инвариантные понятия техники В основе любой сформировавшейся научной или учебной дисциплины лежит относительно небольшой набор четко определенных понятий, которые служат строительными блоками всего здания определенного раз¬дела науки. Эти понятия, как правило, связаны между собой и с понятиями фундаментальных наук. Правильно выбранные и правильно определенные понятия живут, можно сказать, вечно в соответствующей дисциплине и способствуют ее прогрессивному развитию. К таковым можно отнести, например, понятия вида и рода, органа и клетки, гена и экологической ниши в биологии, массы и ускорения, электрического заряда и напряженности поля, атома и электрона в физике и т. д. Введение ошибочных понятий, напротив, затормаживает развитие науки или способствует возникновению ложных построений, которые затем отбрасываются. В настоящей главе сделана попытка определить основные понятия техники в рамках обобщенных методов ИТ. Система таких понятий позволит рассуждать на одном языке о разных объектах техники и достаточно четко сопоставлять их свойства. При формировании основных понятий руководствовались следующими принципами: каждое понятие должно иметь отношение ко всем известным (или почти ко всем) техническим объектам (ТО)

Глава 2. Функционально-физический анализ технических объектов В настоящей главе дается методика углубленного изучения конструкции и структуры ТО, который требуется усовершенствовать. При таком изучении в первую очередь необходимо понять и уточнить следующее: какие функции выполняет каждый элемент ТО и как элементы функционально связаны между собой; какие физические операции (преобразования) выполняет каждый элемент и как они взаимосвязаны между собой; на основе каких физико-технических эффектов работает каждый элемент ТО и как они взаимосвязаны между собой. При выяснении этих вопросов появляется четкое и цельное представление об устройстве ТО (которое требуемся усовершенствовать) с функциональной и физической точек зрения. Без такого представления затруднительно заниматься поиском наиболее эффективного нового технического решения. Построение конструктивной ФС основывается на законе соответствия между функцией и структурой ТО. Разделение ТО на элементы. В основу анализа функций ТО и построения конструктивной ФС положен принцип выделения и рассмотрения структур с двухуровневой иерархией, т. е. любой ТО можно разделить на несколько элементов, каждый из которых имеет вполне определенную функцию (или функции) по обеспечению работы ТО или его элементов.

Глава 3. Критерии технических объектов Значение критериев развития особенно важно для специалистов, которые стремятся при разработке новых изделий превзойти уровень лучших мировых достижений или приобрести изделия на уровне лучших мировых достижений. Для решения этих задач критерии развития играют роль компаса, указывающего направления магистрального прогрессивного развития изделий и технологий. Поскольку любой ТО, как правило, имеет несколько критериев развития, то принцип прогрессивного развития для каждого нового поколения ТО заключается в улучшении одних и неухудшении других критериев. Наборы критериев развития для различных классов ТО в значительной степени совпадают, поэтому в целом развитие техники в большой мере подчинено, можно сказать, единому набору критериев, определяющих развитие техники. Этот единый набор включает следующие четыре группы критериев: функциональные критерии, характеризующие важнейшие показатели реализации функции ТО; технологические критерии, связанные только с возможностью и простотой изготовления ТО; экономические критерии, определяющие только экономическую целесообразность реализации функции с помощью рассматриваемого ТО.

Глава 4. Конструктивная эволюция технических объектов Изучение конструктивной эволюции связано с изучением и анализом истории развития интересующего класса ТО, имеющих одинаковые или близкие функции. Такое исследование основывается на законе прогрессивной эволюции ТО, суть которого состоит в повторении следующего цикла: 1) начало изготовления и использования поколения технических объектов; 2) накопление в течение времени недостатков у поколения 3) создание (разработка) нового поколения устраняющего недостатки и начало его изготовления и использования. Укажем некоторые наиболее важные цели проведения анализа конструктивной эволюции, которые, как увидим, несомненно оправдают значительные затраты на изучение и исследование истории техники. При создании нового поколения ТО, как правило, имеется несколько путей дальнейшего конструктивного изменения и совершенствования ТО. Среди всех альтернативных путей обычно только один бывает наиболее правильным и перспективным. Остальные часто оказываются тупиковыми. Поэтому перед конструктором каждый раз стоит ответственная задача не только изобрести несколько альтернативных улучшенных технических решений, но, главное, найти единственное наиболее правильное решение.

Глава 5. Законы строения и развития техники и их приложения Как уже было сказано, наивысший уровень инженерного творчества заключается в выявлении и формулировании законов и закономерностей строения и развития техники и сознательном их использовании при поиске более эффективных и рациональных конструкторско-технологических решений. Наука о законах техники только начинает формиро¬ваться. И первый этап, естественно, связан с формулированием и обоснованием гипотез о законах строения и развития техники. Сегодня нет пока достаточно обоснованных общепризнанных отдельных законов техники и нет еще даже в гипотезах полной замкнутой их системы. Создание такой системы, как и обоснование отдельных законов - одно из важнейших актуальных современных направлений фундаментальных исследований, относящихся к технозианию и общей теории проектирования. Это направление ждет своих энтузиастов-исследователей. Однако, в отличие от недавнего времени сегодня уже имеются теоретические и методические разработки по законам и закономерностям техники, которые представляют большой интерес для практического использования в инженерном творчестве. Законы техники, а также более частные и локальные закономерности могут иметь многоплановое приложение в инженерном творчестве. Во-первых, на основе законов и закономерностей техники могут быть разработаны наиболее эффективные методология и методы инженерного творчества. Во-вторых, привязка законов и закономерностей к конкретному классу ТО позволяет определить наиболее правильные структурные свойства, облик и характеристики ТО в следующих поколениях.

Глава 6. О роли красоты в инженерном творчестве и эстетической подготовке инженеров Часть 2. Методы инженерного творчества

Глава 7. Постановка и анализ задачи

Глава 8. Методы мозговой атаки

Глава 9. Метод эвритических приемов

Глава 10. Морфологический анализ и синтез технических решений

Глава 11. Автоматизированный синтез физических принципов действия

Глава 12. Автоматизированный синтез технических решений

Глава 13. Автоматизированный поиск оптимальных технических решений

Глава 14. Функционально-стоимостный анализ технических объектов

Заключение

Приложение

Список литературы

Алфавитно-предметный указатель

• 707 просмотров

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ _________________________________________________ А.А.Черный ПРИНЦИПЫ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА Учебное пособие Пенза 2005 УДК 687.02/.05 Черный А.А. Принципы инженерного творчества: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 43 с.: библиогр. 14 назв. Изложены принципы инженерного творчества. Рассмотрены сущ- ность и принципы системного подхода к инженерным задачам, методы ак- тивизации инженерного творчества, возможность применения ЭВМ в творческом процессе. Приведены алгоритм решения изобретательских за- дач и схемы описания нового технического решения. Учебное пособие подготовлено в Научно-исследовательском ин- ституте плавки литейных сплавов при Пензенском государственном уни- верситете. Оно может быть использовано в учебном процессе при подго- товке инженеров по специальности «Машины и технология литейного производства», а также инженерно-техническими работниками при выпол- нении научно-исследовательских работ. Рецензенты: Кафедра «Машины и технология литейного производства» Камско- го политехнического института»; А.С.Белоусов, главный металлург ОАО «Пензадизельмаш» © А.А.Черный, 2005 2 ВВЕДЕНИЕ История возникновения и развития человечества – это, прежде всего, история изобретения различных изделий и технологий. Инженерное дело – это творческая техническая деятельность. В ли- тейном производстве имеется огромное количество нерешенных проблем. И поскольку без литых заготовок невозможно сделать многие машины, устройства, приспособления, сооружения, то предстоит решать сложные задачи улучшения качества и свойств отливок, создания новых компози- ционных материалов на основе литья. Оборудование, технологические процессы литейного производства необходимо непрерывно совершенство- вать, заменять более эффективными, безопасными, безвредными, энерго- сберегающими, экономичными разработками на основе новых открытий и изобретений. Чтобы стать изобретателем, нужным производству специалистом, надо научиться инженерному творчеству. По мере включения специалиста в творческий процесс накапливается опыт решения творческих задач. Ин- женер постепенно может стать новатором, крупным производственным деятелем, рационализатором, изобретателем. На основе изобретений многие специалисты защищают кандидат- ские и докторские диссертации. Инженеры-изобретатели становятся уче- ными, обучают изобретательству молодых специалистов. А это способст- вует тому, что количество запатентованных изобретений с каждым годом возрастает. Без изобретений нет новой техники, новых технологий. Поэтому обучение изобретательству дает большой экономический эффект. Запатен- тованные изобретения можно выгодно не только внедрять в производство, но и продавать зарубежным фирмам. Следовательно, инженерное творчество обеспечивает ускорение научно-технического прогресса и экономическое укрепление государства. 3 ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА Различают научное, научно-техническое и техническое творчество. Научное творчество удовлетворяет потребности познания окружающего мира, т. е. это творчество в фундаментальных науках, результатом которо- го являются открытия. Открытие - это установление неизвестных ранее объективно су- ществующих закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания. Научно-техническое творчество заключается в исследовании за- кономерностей известных явлений с целью их использования в практике. В основе этого вида творчества лежат прикладные науки, различного рода отраслевые исследования, в результате которых разрабатываются новые технические и технологические решения. Результатом данного вида твор- ческой деятельности являются преимущественно сложные изобретения. Техническое творчество реализуется в результате инженерной дея- тельности, направленной на разработку новых технических решений на основании известных закономерностей. Результатом технического творче- ства являются простые изобретения, рационализаторские предложения и конструкторские разработки. В качестве основного признака отличия одного показателя, харак- теризующего результат процесса творчества, от другого можно использо- вать степень новизны полученного решения. Промышленный образец – это новое художественно- конструкторское решение изделия, определяющее его внешний вид, соот- ветствующее требованиям технической эстетики, пригодное к осуществле- нию промышленным способом и дающее положительный эффект. Любую инженерную задачу (ИЗ) можно упрощенно представить совокупностью трех компонентов: < ИД, А, Р >, где ИД - исходные данные (материалы, сырье, энергия, информация и т. п.); А - алгоритм решения за- дачи (способ переработки сырья, обработки информации или преобразова- ния энергии, технология изготовления изделий); Р - результат решения за- дачи (конечный продукт). Эти компоненты в зависимости от типа задачи могут быть извест- ными (заданными) или неизвестными (неопределенными). В зависимости от этого все множество инженерных задач можно свести к конечному чис- лу типов задач. Если все компоненты задачи известны, то имеет место обычная инженерная задача. Ко второму типу относятся задачи, в которых неизвестны исходные данные. Это инженерная задача поиска сырья, исходного продукта, источ- 4 ника энергии или информации и т.д. для достижения известной цели из- вестным способом. В третьем типе задач неизвестен способ преобразования исходных данных в конечный результат. Это инженерная задача поиска новой техно- логии переработки сырья, нового способа преобразования энергии или ал- горитма обработки информации, новой конструкции или новой технологии изготовления заданного изделия из конкретных материалов. К четвертому типу относятся задачи, в которых неизвестен конеч- ный результат, т.е. задачи поиска новой модели конструкции, формы, функции, материала и т.д. путем преобразования заданных исходных дан- ных известными способами (технология). Пятый тип – это задачи, в которых известен лишь конечный ре- зультат (продукт, изделие). Это инженерные задачи поиска нового исход- ного сырья и новой технологии для достижения известной цели, создания искусственных конструкций, материалов. В шестом типе задач известными являются только исходные дан- ные. Это инженерные задачи утилизации, эффективного использования ре- зервов и возможностей, превращения вредных явлений в полезные, поиска нового применения известных объектов. К седьмому типу относят задачи, в которых известен лишь способ, явление преобразования. Это задачи практического применения открытий, результатов научных исследований, законов, физических и химических эффектов и явлений. И, наконец, последний тип, когда неизвестен ни один из компонен- тов, относится к новым, пока еще не существующим задачам. Данная классификация инженерных задач позволяет предопреде- лить необходимые методы и средства решения. Если один или два компо- нента неизвестны, то задача может быть отнесена к изобретательским за- дачам. Решение изобретательской задачи немыслимо без сбора, анализа и переработки информации о новейших творческих разработках, о тенден- циях развития соответствующей отрасли техники и конкретного техниче- ского объекта, о существующих и прогнозируемых общественных потреб- ностях, новых научных достижениях и технических возможностях. Одним из решающих факторов научно-технического прогресса яв- ляется трансформация научных знаний и результатов творческой деятель- ности в производственные процессы. 5 СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ИНЖЕНЕРНОМ ТВОРЧЕСТВЕ Системой называется такая совокупность элементов, обладающих различными свойствами, параметрами и пространственной структурой, ко- торая обеспечивает выполнение какой-либо единой цели или функции. Система – это совокупность элементов, связанных технологически, конст- руктивно, функционально. Эффективное решение инженерной задачи возможно лишь на ос- нове всестороннего, целостного рассмотрения разрабатываемой системы и ее развития (изменения) в процессе взаимодействия с окружающей средой. Лишь такой системный подход способен привести к подлинно творческим новаторским решениям, вплоть до сложных изобретений и научных от- крытий. Для систем рассматриваются три характерных типа задач. Задача анализа – задана структура системы, необходимо опреде- лить ее функционирование (поведение). Задача синтеза – заданы характер функционирования и другие требования к системе, необходимо определить структуру, которая удовле- творяет постановленным требованиям. Задача «черного ящика» - задана система, структура которой неиз- вестна или частично, определить ее функционирование и, возможно, структуру. В общем случае, для того чтобы любой объект можно было рас- сматривать как систему, необходимо определить его системные характери- стики: функцию, структуру, свойства и связи с окружающей средой. В задачу системного анализа объектов входят: - разработка формализованных моделей, описывающих структуру, функцию и свойства систем; - характеристика иерархического строения систем и взаимосвязей элементов различного уровня; - определение интегральной функции системы на основе функций отдельных элементов; - определение общих свойств системы, исходя из свойств состав- ляющих ее элементов. Системный подход к творческой деятельности ориентирует инже- нера применять научные методы там, где силы воображения и опыта не- достаточно. Такой подход является предпосылкой изобретательской дея- тельности и эффективного проектирования и конструирования, а также по- зволяет отойти от устаревших традиций и шаблонов. С развитием науки появляются новые знания, которые позволяют разработать новые материалы, технические решения и использовать их для 6 создания нового технологического оборудования (объектов техники). Но- вая техника внедряется в производство с целью повышения его эффектив- ности. Отсюда очевидно, что темпы развития науки должны опережать темпы развития техники и производства. Освоение нового изделия или технологического является, как пра- вило, результатом большой предварительной работы, включающей науч- ные исследования, научное прогнозирование, патентный поиск, сравнение с лучшими образцами передовых отечественных предприятий и зарубеж- ных фирм, предварительный расчет экономической эффективности капи- тальных затрат. Наибольший экономический эффект дают новые изделия или технологические процессы, разработанные на основе фундаменталь- ных исследований, принципиально новых научных идей и направлений, технических решений, защищенных охранными документами (авторскими свидетельствами или патентами). Важную роль в повышении эффективности инженерной деятельно- сти и ее творческих результатов при поиске новых технических решений играют знание закономерностей развития технических систем, умение их анализировать и использовать для выявления резервов их развития, опре- деления целесообразности совершенствования или создания принципиаль- но новых технических систем Закономерности развития техники должны помогать находить от- веты на ряд вопросов, которые могут возникать у творчески работающих конструкторов и инженеров, технологов. Это следующие вопросы: Как для определенного класса технических систем и техники в це- лом происходит прогрессивная конструктивная эволюция, т.е. как со вре- менем изменяются функциональная структура, принцип действия и техни- ческое решение? Как со временем изменяются производительность труда и другие критерии прогрессивного развития определенного класса технических сис- тем? Как возрастают со временем потребности и соответствующие им функции технических систем в смысле разнообразия и количественной ха- рактеристики? Как возрастает со временем разнообразие технических систем, имеющих одинаковые или близкие функции, а также разнообразие техни- ческих систем в отрасли? Как возрастает со временем сложность технических систем? Как растут со временем затраты энергии, материалов и информа- ции в расчете на одного человека? Таким образом, инженер, приступая к разработке новой техниче- ской системы, должен, используя диалектический метод и системный под- 7 ход как методическую основу технического творчества, проанализировать динамику развития и обоснованно сформулировать конкретную программу своих действий. Исходя из того, что технический объект рассматривается как сис- тема, системный подход основывается на ряде принципов, раскрывающих его сущность. Рассмотрим некоторые из них. Принцип целостности заключается в признании того, что некото- рые совокупности объектов могут проявлять себя как нечто целое, обла- дающее такими свойствами, которые принадлежат именно всему целому (системе), а его составным частям элементам и подсистемам данной (сис- темы), и позволяют выделить эту совокупность из основного мира, состав- ляющего окружающую среду данной системы. Например, совокупность гладильной подошвы, нагревательного элемента в виде спирали, регулятора температуры, ручки, собранных оп- ределенным образом, образует электрический утюг, который рассматрива- ется не как совокупность деталей, а как нечто целое, самостоятельное, об- ладающее свойствами, отличными от свойств своих частей. Из этого прин- ципа следует важная особенность системного подхода, заключающаяся в требовании не ограничиваться при разработке новых машин, устройств анализом их частей и взаимодействии между ними, а обязательно пости- гать и учитывать свойства системы как целого. Принцип совместимости элементов в системе указывает на то, что система, обладающая определенными системными свойствами, может быть построена не из любых элементов, а только из таких, свойства кото- рых удовлетворяют требованиям совместимости. Это означает, что собст- венные свойства элементов (форма, размеры, контур, поверхность, цвет, физико-механические характеристики и др.) должны быть такими, чтобы обеспечивать взаимодействие их друг с другом как частей единого целого. Принцип структурности заключается в признании того, что эле- менты, из которых создается система, находятся в системе не произвольно, а образуют определенную, характерную для данной системы структуру, описываемую некоторым системообразующим отношением, выражающим взаимосвязь и взаимозависимость между элементами в системе. Принцип нейтрализации дисфункций указывает на то, что в силу своих внутренних свойств или под воздействием внешней среды элементы системы могут приобретать свойства и функции, не соответствующие свойствами и функциям системы в целом. Поэтому при создании новых систем из определенной совокупности элементов с целью обеспечения ус- тойчивости системы необходимо предусматривать «механизмы», на пра- вильные на нейтрализацию дисфункций. 8 Принцип эволюции утверждает, что для различных технических систем характерно явление эволюции, поэтому необходимо использовать эволюцию как мощный инструмент технического творчества и не наносить вред будущему непродуманным вмешательством в эволюционные процес- сы развития. Принцип специализации и интеграции функций указывает на то, что при развитии систем происходят два как бы противоположных и в то же время взаимодополняющих явления, способствующих повышению эффек- тивности системы: с одной стороны, специализация элементов на выпол- нение определенных функций, с другой - сосредоточение родственных функций у определенных элементов, т.е. возникновение интегральных функций и иерархических структур. Принцип лабилизации функций. С развитием системы появляется свойство быстрого изменения и приобретения новых функций при относи- тельной стабильности состава и структуры системы. Принцип адаптации. Техническая система, функционирующая в изменяющейся окружающей среде, должна обладать свойствами адапта- ции, т.е. свойством перестраивать свои структуру, параметры и функцио- нирование с целью удовлетворения потребностей окружающей среды. Необходимость создания адаптивных систем следует из самого факта изменчивости окружающей среды, а возможность адаптации дости- гается вследствие изменения параметров структуры и поведения системы, применения механизмов положительных и отрицательных обратных свя- зей. Принцип изоморфизма указывает на существование изоморфизмов в структуре, функционировании и развитии систем различной субстанци- онной природы. Поиск общих свойств и закономерностей в строении, функционировании и развитии различных систем позволяет использовать их в разработке новой техники и технологии. Принцип полифункциональности заключается в признании поли- функциональности в назначении и поведении технических систем, выте- кающей из возможности существования системы нескольких целей или функций. Принцип комплексности состоит в том, что при разработке новых технических систем целесообразно использовать комплексный подход, за- ключающийся в построении и синтезе разноаспектных моделей одной и той же системы, а также в привлечении к работе представителей разных специальностей с целью полноты охвата всех проблем и аспектов. Принцип итеративности процесса разработки новых технических систем. Необходимость итераций вытекает из следующего: инженер, раз- рабатывая сложную техническую систему, не может охватить все возмож- 9 ные ситуации сразу, поэтому его знание оказывается неполным, нуждаю- щимся в дополнениях, уточнениях, в сравнениях с действительностью для выявления и устранения упущений. Необходимая полнота знания полнота знания и понимания достигается лишь в результате ряда итераций. Принцип учета вероятностных факторов. Любая достаточно сложная техническая система вследствие невозможности проследить все причинно-следственные связи в самой системе и в окружающей ее среде выступает как не вполне детерминированный объект. Отсюда при созда- нии новых технических систем и технологических процессов встает необ- ходимость статистического исследования и вероятностной оценки явле- ний, протекающих в системе и в окружающей среде путем сбора и обра- ботки соответствующих статистических данных. Принцип иерархической декомпозиции заключается в признании от- носительности понятий «система» и «элемент» в том смысле, что всякий элемент может быть рассмотрен как система при переходе к более детали- зированной страте анализа и всякая система может быть рассмотрена как подсистема или элемент более обширной системы. Принцип вариантности указывает на существование различных альтернатив технического решения системы, различных путей достижения одной и той же цели. Отсюда вытекает стремление проанализировать все возможные варианты решений с целью выбора наиболее эффективного. Принцип математизации. Для облегчения анализа и выбора реше- ния при разработке технических систем с помощью количественных оце- нок вариантов целесообразно применять математические методы исследо- вания операций, оптимизации и другой аппарат системного анализа. Принцип имитации заключается в целесообразности построения и программирования на ЭВМ моделей, имитирующих функционирование (поведение) технической системы или ее элементов. В результате такого воспроизведения процессов, протекающих в системе, проверяется пра- вильность принятых решений, заложенных в создаваемом объекте. Системный подход может и должен широко использоваться для решения разнообразных поисковых задач в технике, он предполагает рас- смотрение объекта как системы, имеющей многообразные связи между ее элементами. И в этом его основное отличие от традиционных требований классической науки, которые направляют умственную деятельность на отыскание простых элементарных основ всякого объекта, т.е. требуют све- дения сложного к простому. Системный подход не дает конкретных рекомендаций в поисковой деятельности, но, являясь не очень жестко связанной совокупностью по- знавательных правил, помогает найти общее направление поиска, увидеть задачу более полно и глубоко. 10