МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ

Выбор материала для изготовления детали может быть предопределен традициями, установившимися производственными связями, нежеланием отойти от существующих технологий и использовать имеющиеся готовые решения. Рассмотрим другой случай: необходимо поставить и решить задачу оптимального выбора материала, удовлетворяющего требованиям эксплуатационной надежности, технологичности, экономической и других целесообразных требований в их оптимальном сочетании.

С самого начала ограничим множество конструкционных материалов металлами и сплавами. Подобное ограничение с методологической точки зрения не является существенным, но позволяет более наглядно иллюстрировать предлагаемые подходы. Металлические материалы могут быть классифицированы по нескольким признакам. Но какой бы признак не был взят за основу, внутри группы окажется большая группа материалов, которую можно разбить на подгруппы, и т.д. Иными словами, множество всех конструкционных материалов представляет собой иерархическую систему распределения групп. В этой связи за классификационный принцип целесообразно принять иерархический (рис. 7.1).

Самым общим классификационным признаком, который используют при разбиении множества материалов на несколько больших групп, является основа сплава. В монографиях и справочниках достаточно содержательно представлено деление сплавов по этому признаку.

В пределах групп материалов, объединенных общей основой, целесообразно в качестве доминирующего признака использовать назначение сплавов, их область применения. Классификация материала по признаку применения отражает и аккумулирует в общем виде опыт использования той или иной группы материалов для деталей определенного назначения. Этот тип классификации достаточно полно представлен в справочной литературе. На этом этапе анализа трудно остановиться на той или иной группе. Тем более что выбор производится по нескольким критериям оптимизации. По мере дальнейшего деления на группы задача осложняется вследствие увеличения числа альтернативных решений.

В пределах группы, объединенной признаком «область применения», выбор осложнен большим разнообразием сплавов, отлича-

ющихся химическим составом. Сложность выбора единственного сплава обусловлена наличием нескольких критериев оптимальности. Причем, как правило, природа задачи выбора материала такова, что ни один из критериев оптимальности не является универсальным, возрастание оптимальности с точки зрения одного критерия ведет к снижению оптимальности по другим критериям. Возникает непростая задача поиска компромисса.

Рис. 7.7. Иерархическая структура множества конструкционных материалов

Первый этап анализа характеризуется выбором основы сплава. При делении металлических материалов по этому признаку формируются самые крупные подмножества. Выбор материалов при этом производится по ряду параметров оптимизации — критериев. Для того чтобы произвести выбор, необходимо, во-первых, иметь ВОЗможность сравнивать альтернативы, т.е. на каждом этапе определять отношения предпочтительности отдельных частных параметров оптимизации. Во-вторых, необходимо определить правила или алгоритм принятия решений на основе оценок нескольких частных параметров оптимизации. Последнее требует разработки обобщенных параметров оптимизации.

После того, как определена основа, перечень возможных конструкционных материалов существенно сужается, однако он еще велик. Так, число сплавов на основе железа приближается к 10 000. Для выбора одного из них целесообразно перейти ко второму этапу — разбиению выделенной группы на подгруппы по признаку «назначение». Для выбора альтернативы по этому признаку необходимо задать отношения предпочтительности частных и обобщенных параметров оптимизации. Далее возможно деление на группы по системе легирования, химическому составу и т.д. В табл. 7.1 представлена последовательность анализа при решении задачи выбора материала. Определение критериев выбора, параметров оптимизации будет рассмотрено далее.

Таблица 7.1

Последовательность анализа при решении задачи выбора материала

На начальном этапе задача определения параметров оптимизации не может быть решена, так как перечень их может изменяться по мере того, как постигаются физические предпосылки решения задачи. Без понимания логических причинно-следственных связей, которые способен установить профессионал-металловед, невозможно содержательно проработать совокупность задач при выборе материалов (рис. 1,2а, 1,2в).

На рис. 7.3 отражена в общем виде совокупность частных задач, которые необходимо решить при оптимальном выборе материала. На рис. 7.4 представлено дерево целей в качестве способа систематизации перечня критериев, которые необходимо установить. Представленное дерево определяет содержание информационной среды, ее компоненты, наличие которых необходимо для корректного решения задачи. Стрелки, соединяющие элементы дерева, показывают развитие и уточнение смыслового и информационного содержания блока, к которому они направлены. Блоки пронумерованы (1...18). Хронологическая последовательность отработки этапов решения задачи представлена в табл. 7.2.

Общий алгоритм решения рассматриваемой задачи представлен на рис. 7.2 в виде линейного графа с обратными связями. Последние указывают на возможность возвращения к предыдущему этапу с целью уточнения некоторых деталей после того, как становятся более понятными фрагменты решения последующего этапа. Таким образом, основной принцип системного анализа — последовательноциклический.

Таблица 7.2

Хронологическая последовательность отработки этапов решения задачи

Исходным пунктом решения задачи является чертеж детали и совокупность требований. Естественно, что прежде чем чертежу появиться, при конструкторской проработке учитывались в известной мере условия эксплуатации детали. Тем не менее, при выборе материала инженер — металловед-машиностроитель должен иметь представление об условиях работы детали. Последнее позволяет ему компетентно сформулировать требования: эксплуатационные, технологические, требования надежности, что является основой при решении задачи выбора материала. Кроме того, в конкретных условиях могут определяться ограничения с учетом экологических, экономических, конъюнктурно-технологических и прочих требований. По мере выдвижения требований к детали и материалу не исключается возможность изменения конструкции детали.

Определенное влияние на выбор материала, удовлетворяющего требованиям, безусловно, оказывает способ изготовления детали. Если вопрос очевиден, то, следуя линейной стратегии, переходим к следующему его пункту. Но, как правило, обнаруживается несколько конкурирующих способов изготовления. Для выявления наилучшего целесообразно провести оптимизационный анализ, в основе

а

Г--------------------------------------------------------------------------------I

6

в

Рис. 72. Этапы формализации задач оптимального выбора материалов:

а — совокупность взаимосвязанных задач при оптимальном выборе материала; б — вариант линейного графа решения; в — формализованная блок-схема

которого лежат либо метод экспертных оценок, либо комплексный анализ альтернатив с несколькими параметрами оптимизации .

Уточнение технологии изготовления может повлиять на набор технологических или других требований, что оправдывает логический возврат по обратной связи (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Общая структура частных задач при оптимальном выборе материала

Основу сплава при наличии альтернатив выбирают с учетом перспективности, конкурентоспособности в будущем и других факторов. Литературный обзор, экспертный опрос, многопараметрический анализ на перспективу — основные эффективные способы удачного решения вопроса. Выбор основы может повлиять на варианты технологии в большей или меньшей степени (рис. 7.4).

Математические модели разрабатывают на основании результатов заранее спланированных экспериментов или путем использования данных других исследователей. Построение моделей для каждого

частного параметра оптимизации осуществляют одним из известных методов: методом наименьших квадратов (МНК); методом построения интервальных моделей. Последнему методу следует отдать предпочтение в случаях, когда с помощью метода наименьших квадратов получают очень сложные модели, неудобные для решения оптимизационных задач.

Вари,

изготовлен

і

©

детали

<

*4

©

Рис. 7.4. Блок-схема алгоритма решения задачи оптимального выбора материала

Выбор метода решения оптимизационной задачи зависит от сложности моделей и формы представления задачи. Устойчивые решения имеют место в случаях, когда множество решений является выпуклым, а обобщенный параметр представлен квадратичными формами. В этих случаях задача может быть решена методами Пауэла, Хука-Дживса.

Результат, полученный при решении оптимизационной задачи, необходимо проанализировать. По тем или иным соображениям могут быть изменены основа, метод упрочнения, система легирования, изменены приоритеты, содержащиеся в обобщенном параметре оптимизации. В таком случае решение повторяется, начиная с этапа, который подвергнут ревизии.