Теория решений изобретательских задач Сюэ Цидун

Составим КФС датчика измерения давления и температуры согласно описанию изобретения. Устройство состоит из следующих элементов: 1 – полый вал; 2 – пъезопластина; 3 – два диска; 4 – опорные кольца; 5 – обод; 6 – магниты; 7 – кольцо; 8 – контактная жидкость; 9 – магнитная жидкость; Изобразим их взаимодействие в виде граф-схемы: Рисунок 8 – КФС устройстваБинарные отношения элементов (действия друг на друга): 3-1 – диски закреплённые на валу;4-1 – кольца установлены на валу;7-1 – кольца установлены на валу;4-3 – кольца размещены на наружных сторонах дисков;5-3 – бод закреплён с дисками;5-4 – бод закреплён с кольцами;2-1 – пъезопластина жёстко закреплена валу;4-6 – полюсной наконечник4-го кольца для одного из магнитов;7-6 - полюсной наконечник 7-го кольца для одного из магнитов;6-5 –магниты образуют площадки смятия на ободе;(2-8)(8-2) – акустический контакт пьёзопластины с контактной жидкостью;(8-5)(5-8) – акустический контакт контактной жидкости с ободом;(6-9)(9-6) – контакт магнитной жидкости с магнитом в зазоре между магнитом и валом;(1-9)(9-1) – контакт магнитной жидкости с валом в зазоре между магнитом и валом;При анализе схемы необходимо обнаружить особые элементы: 1. изолированные (не содержат связей); 2. входные (в которые нельзя попасть из других элементов); 3. выходные (из которых нельзя попасть в другие элементы). Поиск элементов проводится при использовании матрицы смежности , по которой для каждого элемента (где – число элементов в топологической структуре) определяется вектор , с компонентами:,т.е. - сумма элементов строки матрицы (определяет число связей, выходящих из k-го элемента), – сумма элементов столбца матрицы (определяет число связей, входящих в -й элемент). Если , то элемент – изолирован.Составим матрицу смежности системы: №123456789ak100000000002100000010231000000001410100100035001100010360000100001710000100028010010000291000010002ak51212302016Из матрицы смежности видно, что 1. нет изолированных элементов; 2. входные: 7; 3. выходные: 1. 6.1 Анализ связей1. Петли – наличие связи между входом и выходом одного и того же элемента. В этой структуре нет, так как отсутствуют единицы на главной диагонали. 2. Контур – чередующаяся последовательность элементов aи связей u, в которой начальный и конечный элемент совпадает при условии k > 2. В данной структуре нет контуров. 3. Определение связных подструктур производиться по пересечению множеств: , где – множество элементов структуры, которые можно достичь по связям из данного элемента i; –множество элементов структуры, из которых можно достичь элемент i.Таблица 1. Анализ связанных подструктурПересечениеКоличество общих элементовB(1) = {}{2,3,4,5,6,7,8,9}={}0B(2) = {1,3,4,5,6,8,9}{4,5,6,7,8,9}={4,5,6,8,9}5B(3) = {1}{2,4,5,6,7,8,9}={}0B(4) = {1,2,3,5,6,8,9}{2,5,6,7,8,9}={2,5,6,8,9}5B(5) = {1,2,3,4,6,8,9}{4,5,6,7,8,9}={4,6,8,9}4B(6) = {1,2,3,4,5,8,9}{2,4,5,7,8,9}={2,4,5,8,9}5B(7) = {1,6}{}={}0B(8) = {1,2,3,4,5,6,8,9}{2,6,7,8,9}={2,6,8,9}4B(9) = {1,2,3,4,5,6,8}{1,2,4,5,6,7,8}={1,2,4,5,6,8}6Свернем 5,8 в один элемент, а также 9,1 и получим следующую структуру: Рисунок 9 – Результат свертывания связной подструктуры6.2 Определение степени связностиПри оценке элементной связности определяется наименьшее количество элементов, удаление которых из структуры приводит к несвязной структуре, содержащей изолированные элементы. Эта операция имеет двоякое значение: нахождение элементов, удаление которых не отражается на КФС; нахождение элементов, удаление которых ведет к распаду КФС. Здесь же необходимо найти один главный (наиболее значимый для КФС) элемент. В итоге нужно получить минимально необходимую и достаточную КФС. Ранжирование элементов по важности представлено в табл. 2. Таблица 2. Ранжирование элементов КФСУдаляемый элементКоличество образовавшихся осколков ИС (изолированные элементы структуры)Отметка важности(-) – можно удалять(+) – важный для ИС(++) – главный элемент10+20++30+40+50++60++70+Без удаляемых элементов получаем новую структуру, представленную на рис. 10. Рисунок 10 – Минимально необходимая и достаточная структураПри оценке связности по действиям определяется наиболее важное действие, удаление которого приводит к устранению конфликта. Главное действие – (1-2) – воздействие вала на пъезопластину и воздействие магнита на наконечник (6-4).Оценка избыточности связности. При оценке избыточности связности учитываются следующие величины: R – количество связей (действий), n – количество элементов. Тогда, необходимое число связей для связности структуры: Rmin= n-1.Тогда степень избыточности связности:Для исходной структуры:Для полученной структуры: При получаем неизбыточную структуру.6.3 Анализ функциональных преобразованийЭлементарная цепочка функциональных преобразований (или минимальная КФС): RO (источник операции) –> O (операция) –> OO (объект операции) –> R (результат). Таких цепочек в рассматриваемой структуре четыре: 7–> 6–> 5 –> 4–>17–> 6 –> 5–>3–>17 –> 6 –> 5 –> 2 –> 17–> 17 –> 6 –> 1(7– главный функционер). Таблица 3. Смысловой анализ цепочеквысказываниеоценкаКольцо 7 прикрепленное к магниту 6, который сминает обод 5, подтягивая опорные диски 3, прикрепленные к валу 1верноКольцо 7 прикрепленное к магниту 6, который сминает обод 5, подтягивая опорные диски 4, прикрепленные к валу 1верноКольцо 7 прикрепленное к магниту 6, который сминает обод 5, воздействуя на пъезопластину 2, которая воздействует на вал 1верноКольцо 7 воздействует на вал 1верноКольцо 7 воздействует на вал магнит 6, который воздействует на валверноНеобходимо сократить первую и вторую цепочки до трех элементов. Здесь 1 – результат, 7 – изделие. Следовательно, надо выбрать среди элементов 2,3,4,5,6инструменты для элемента 6. В результате получаем новый набор цепочек3–>7–>1,6–>7–>1, 4–>7–>1. Рисунок 11– Смысловой анализ цепочекС точки зрения вепольного анализа, получена структура, представляющая вредный веполь и отражающая нежелательные эффекты системы. 6.4 Определение диаметра структурыПусть dij– длина минимального пути между входным элементом iи выходным j, равная числу действий, составляющих этот путь. Тогда, если I и J - множества входных и выходных элементов структуры, то диаметр структуры:d=max dij , i I, j Jхарактеризует максимальное число связей, разделяющих входные и выходные элементы – наибольшая длина причинно – следственной цепочки. Для исходной КФС (2 – 8 – 5 – 4 –6– 9– 1) d= 7. Для полученной КФС (например,3 – 7 – 1) d = 2. Для перехода к схеме конфликта необходимо получить d = 1.6.5 Определение полюса действия – наиболее нагруженного элементаПолюсом действия называется элемент, инцидентный более чем двум связям. В полученной однополюсной структуре (рис. 11) явным полюсным элементом является структура, свернутая в элемент 7. Показатель полюсности V(7) = 2. Определим полюс в исходной системе.V(1) = 5; V(2) = 3; V(3) = 3; V(4) = 4; V(5) = 5; V(6) = 4; V(7) = 2; V(8) = 4; V(9) = 2. Получаем, что в исходной системе два полюса с показателем 5 и три полюса с показателем 4. Можно сделать вывод, что конфликт в исходной схеме был сосредоточен в радиотехнических элементах системы (1,5,4,6,8).Элемент 1 со своими связями образует «узкое» место структуры – место наиболее сильного конфликта.7 Составление потоково-информационной и структурно-энергетической схем устройстваПотоково-информационная схема (ПИС) отражает преобразование системой во времени потоков энергии, вещества, информации проходящих через систему. Составим потоково-информационную схему устройства : Рисунок 12 – Потоково-информационная схема.В структурно-энергетической схеме используется два типа элементов: вещество и поле. Под веществами понимаются любые элементы, устройства технической системы, ее функциональные части. Поля отражают любое взаимодействие между веществами. Составим структурно-энергетическую схему датчика давления и температуры: Рисунок 13 – структурно-энергетическая схемаОбозначения: П1 – электромагнитное поле, В1 – магниты, П2 – поле давления, В2 – кольца, П3 – поле давления, В3 – эластичный бод, П4 – поле давления, В4 – контактная жидкость, П5 – поле давления, В5 – пъезопластина.8 Моделирование процесса мышления по шагам решения изобретательской задачиНачальные условия для моделирования аттрактора Лоренца и Рёсслера: x = 1,2;y = 6,9; z = -3.На рис. 14 приведен график координат аттрактора Лоренца. Красным цветом на графике изображен момент распада. Распад происходит в момент времени t = 0,7 c. Рисунок 14 – График координат x, y, z аттрактора Лоренца и момент распада прототипа на техническое противоречие9 Определение физического свойства решения изобретательской задачи при помощи LT-таблицы кинематических величин Р.О. БартиниИспользуем таблицу Бартини для разрешения физического противоречияВ разделе 3.3 было выявлено физическое противоречие: Оперативная зона в течение оперативного времени должна быть упругой, чтобы возвращаться в исходное положение при ослаблении поля давления, и пластичной, чтобы хорошо воздействовать на вал.Поле, действующее на сильфон, по таблице Бартини определяется как давление: .Сила упругости зависит от жесткости. По таблице Бартини: . По логике «И» - «И» : L2T-4 · L3T-4= L5T-8Определим тренд: .Ниже представлена таблица Бартини с родительским трендом. Таблица 4. Система физических величин БартиниВозможное решение: – усиление поля давления, введением пружины перед пъезопластиной.10 Схема имитационного моделирования информационно-энергетической схемы в LT-базисе БартиниНа основании ИЭС (рис. 12), в которой учтены основные элементы структуры и связи между ними. Находим переходные матрицы блоков схемы. Передаточные матрицы блоков находятся по формуле: Магниты: от энергии эл. поля W к давлению. Перемещение имеет размерность длины [м], согласно таблице Бартини. Кольца: от давленияP к давлению Р. Эластичный бод: от давления P к давлению жидкости PКонтактная жидкость: от давления жидкости Р к давлению жидкости Р. Пъезопластина: от давления жидкости Р к давлению тока. Рассчитаем ресурсоемкость системы по формуле: Ресурсоемкость всей системы: Схема имитационного моделирования системы представлена на рис. 15. Рисунок 15 – Имитационная схема системыСписок литературы1. Бушуев А.Б., Литвинов Ю.В.. Моделирование процессов технического творчества. – СПб: Университет ИТМО, 2016. – 39с.2. Бушуев А.Б., Литвинов Ю.В.. Математическое моделирование процессов технического творчества. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 181с.3. Бушуев А.Б., Применение методов технического творчества в инновационной деятельности – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 124 с.4. Бушуев А.Б., Литвинов Ю.В. Функционально-структурное моделирование технических систем– СПб: Университет ИТМО, 2019. – 28.5. ди Бартини Р.О., Кузнецов П.Г. Множественность геометрий и множественность физик. // Материалы семинара "Кибернетика электроэнергетических систем". Брянск,1974.