Стадии и этапы проектирования

Проектирование

1.1 Основные определения процесса проектирования

Проектирование – процесс, позволяющий провести некую техническую идею до её инженерной модели. Результатом этого процесса является проект, который представляет из себя, как правило, графическую часть (чертежи, схемы) и пояснительную записку (описание назначения изделия, функции, технические характеристики и т.д.).

Алгоритм проектирования – совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования. Алгоритм проектирования может быть общим (для определенного класса объектов) и специальным (для одного объекта). Под выполнением проектирования понимается нахождение результата проектирования.

Результат проектирования – проектное решение (совокупность проектных решений), удовлетворяющее заданным требованиям, необходимое для создания объекта проектирования. В заданные требования должны быть включены требования к форме представления проектного решения.

Проектное решение – промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Типовое проектное решение – уже существующее проектное решение, используемое при проектировании.

Цель процесса проектирования состоит, прежде всего, в том, чтобы на основе исходной информации, получаемой в процессе проектирования, разработать техническую документацию для изготовления объекта проектирования. Проектирование включает в себя разработку технического задания (ТЗ), отражающего потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Проектирование, по существу, представляет собой процесс управления с обратной связью. Техническое задание формирует входы, которые сравниваются с результатами проектирования, и если они не совпадают, цикл проектирования повторяется вновь до тех пор, пока отклонение от заданных технических требований не окажется в допустимых пределах.

Проектная процедура соответствует части проектной подсистемы, в результате выполнения которой принимается некоторое проектное решение. Она состоит из элементарных проектных операции, имеет твердо установленный порядок их выполнения и направлена на достижение локальной цели в процессе проектирования.

Под проектной операцией понимают условно выделенную часть проектной процедуры или элементарное действие, совершаемое конструктором в процессе проектирования. Примерами проектных процедур могут служить процедуры разработки кинематической или компоновочной схемы станка, технологии обработки изделий и т.п., а примерами проектных операций – расчет припусков, решение какого-либо уравнения и т.п.

Системы проектирования

Процесс проектирования осуществляется системой проектирования, т.е. совокупностью взаимодействующих друг с другом проектировщиков и необходимых для проектирования технических средств.

Система – совокупность элементов, объединенных единством цели и иерархией взаимоотношений. Частью системы может быть элемент или другая система (подсистема). В технике рассматриваются сложные технические системы (стс). Понятие сложности определяется наличием подсистем (п/с) различной физической природы. Каждая подсистема может выполнять свою подцель, но в результате все они работают на единую цель всей системы.

По существу, системы проектирования могут рассматриваться как сложные человеко-машинные многоконтурные, многомерные системы управления с обратной связью, требующие сбора, передачи, переработки и использования информации для достижения цели проектирования. Они должны быть подчинены тому или иному критерию оптимизации, например, критерию наименьшей продолжительности или максимального быстродействия при ограниченных затратах, или критерию быстрейшей окупаемости спроектированной системы и т.д.

Вначале термин «автоматизация проектирования» применялся во всех тех случаях, когда ЭВМ использовали для расчетов, связанных с проектированием. Но сейчас этот термин приобрел более специфический смысл, относящийся к интерактивным системам, в которых проектировщик и ЭВМ при решении задач проектирования взаимодействуют друг с другом. При помощи автоматизации проектирования результаты проектирования объектов, в которых использовались новые идеи и технические средства, могут быстро сообщаться проектировщику в удобной для него форме. Благодаря этому за короткий промежуток времени можно глубоко проникнуть в суть проблем, связанных с проектированием. Автоматизация проектирования также позволяет создавать необходимую документацию и проверять полученные результаты. Таким образом, сегодня речь идет о создании, так называемых, интеллектуальных человеко-машинных систем, в рамках которых возможно выполнение всего цикла проектных работ, начиная от научных исследований и кончая изготовлением конструкторской и технологической документации, а в ряде случаев – макетов или опытных образцов. Причем, «интеллектуальность» таких систем определяется тем, в какой степени эта система способствует раскрытию и использованию интеллектуальных возможностей человека, его знаний и опыта как специалиста, освобождая его от механической и нетворческой работы.

Проектирование – это комплекс работ по исследованию, расчетам и конструированию нового изделия или нового процесса. В основе проектирования лежит первичное описание – техническое задание.

Различают следующие системы проектирования: неавтоматизированное проектирование и автоматизированное проектирование.

Процесс проектирования, осуществляемый человеком вручную (без использования ЭВМ), называют неавтоматизированным проектированием

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным проектированием.

Необходимо выделить понятие автоматического проектирования, которое остаётся для выполнения отдельных вычислительных операций, процедур, выполняемых средствами вычислительной техники согласно заложенным в них программам.

Т.о. автоматическим проектированием называют проектирование, при котором все преобразования описаний объекта и алгоритма его функционирования осуществляются без участия человека. Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно несложных объектов.

CAD/CAM системы

CAD/CAM системами на западе называют то, что в России принято называть аббревиатурой САПР, то есть Системы Автоматизированного Проектирования. Впервые термин СAD прозвучал в конце 50-х гг. прошлого века в Массачусетском технологическом институте в США. Распространение эта аббревиатура получила уже в 70-х гг. как международное обозначение технологии конструкторских работ. С началом применения вычислительной техники под словом CAD подразумевалась обработка данных средствами машинной графики. Однако этот один термин не отражает всего того, что им иногда называют. Например, САПР могут предназначаться для: черчения, для прочерчивания (эскизирования) или и для того, и для другого сразу. Многие системы САПР выполняют существенно больше функций, чем просто черчение и конструирование. Как правило, современные САПР, включают:

CAD – ComputerAidedDesign, или ComputerAidedDrafting (проектирование и конструирование с помощью ЭВМ или черчение с помощью ЭВМ). САПР конструктора.

CAM – ComputerAidedManufacturing. (автоматизированные системы технологической подготовки производства). САПР технолога.

САЕ – ComputerAidedEngineering (инженерные расчёты с помощью ЭВМ, исключая автоматизирование чертёжных работ). Проведение всех необходимых расчетов в процессе анализа выполненной конструкции. Иногда этот термин использовался как понятие более высокого уровня – для обозначения всех видов деятельности, которую инженер может выполнять с помощью компьютера.

PDM – ProductDataManagement (управление проектными данными). Предполагает полную информационную поддержку производства. Эксплуатация, рекламация, статистика поведения изделия (сопровождение изделия)

Чаще всего говорят о системах CAD/CAM/CAE/PDM.

Использование систем автоматизированного проектирования позволяет не только снизить трудоёмкость, временные и денежные затраты, но освободить человека от большого количества однообразной работы, например, от оформления большей части документопотока.

CAD/CAM-системы находят применение в широком диапазоне инженерной деятельности, начиная с решения сравнительно простых задач проектирования и изготовления конструкторско-технологической документации и, кончая, задачами объёмного геометрического моделирования, ведением проекта, управления распределенным процессом проектирования и т.п.

1.6. Комплексные автоматизированные системы

АСП – Автоматизированная Система Планирования – здесь выполняется планирование выпуска изделий

АСНИ – Автоматизированная Система Научных Исследований – здесь выполняется исследовательская часть конструкторских и технологических работ с использованием ЭВМ. Разработка, исследование новых принципов работы изделий, поиск и анализ мировых аналогов. Основные виды работ: математическое моделирование, натурные исследования, (например, создание электромобиля – проводится анализ электродвигателя).

САПР (CAD) – Система Автоматизированного Проектирования – совокупность увязанных друг с другом моделей проектных процедур, образующих логическую схему построения объекта (проекта) на основе математических методов, информационных данных и средств ВТ.

АСТПП (CAM) – Автоматизированная Система Технологической Подготовки Производства – заключается в разработке технологии: выбор заготовки, определение технологических переходов (операций), выбор оборудования, инструмента, оснастки, вплоть до управляющих программ для станков с ЧПУ.

Ввиду большой связанности процесса САПР и АСТПП многие современные системы автоматизации охватывают весь процесс, такие системы называются CAD/CAM системы (Unigraphics)

АСУП (PDM) – Автоматизированная Система Управления Предприятием – необходима для автоматизации организационного управления на предприятии. Анализ деятельности предприятия, планирование, диспетчирование, учет, контроль. Автоматизация работ управленческого персонала. Управление финансами; управление запасами (складским хозяйством); управление снабжением (статистика закупок, контракты на закупку); маркетинг (статистика и анализ реализации, контракты на реализацию, прогноз, реклама).

АСУ ТП – Автоматизированная Система Управления Технологическим Процессом. Функциями АСУТП являются сбор и обработка данных о состоянии оборудования и протекании производственных процессов для принятия решений по загрузке станков, выполнению технологических маршрутов. Программное обеспечение АСУТП на этих уровнях представлено системой диспетчерского управления и сбора данных, называемой SCADA (SupervisoryControlandDataAcquisition), а техническое обеспечение – персональными ЭВМ и микрокомпьютерами, связанными локальной вычислительной сетью. Для систем АСУТП характерно использование программируемых логических контроллеров (ПЛК или PLK – ProgrammedLogicController), – компьютеров, встроенных в технологическое оборудование, управляющая и вычислительная машина одновременно.

На уровне управления технологическим оборудованием в АСУТП выполняются запуск, тестирование, выключение станков, сигнализация о неисправностях, выработка управляющих воздействий для рабочих органов программно управляемого оборудования. Для этого в составе технологического оборудования используются системы управления на базе встроенных контроллеров.

САПР как сложная система

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем.

Структурными составляющими САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами системы и создаваемые как самостоятельные системы. Это выделенные по некоторым признакам части САПР, обеспечивающие выполнение некоторых законченных проектных задач с получением соответствующих проектных решений и проектных документов.

Различают подсистемы функциональные (проектирующие) и обеспечивающие (обслуживающие).

Функциональные подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами функциональных подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.

Обеспечивающие подсистемы предоставляют необходимые ресурсы для работы функциональных подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР.

Типичными обеспечивающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, управления процессом проектирования, пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, CASE (ComputerAidedSoftwareEngineering) для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

Функциональные подсистемы

Функциональные подсистемы выполняют проектные процедуры и операции, используя при этом, в общем случае, все средства обеспечивающих подсистем.

Набор функциональных подсистем, в общем случае, для каждой САПР различен и зависит от задач на решение которых ориентированна данная САПР, однако функциональные подсистемы любой САПР можно разделить на четыре основных вида и представить в виде типового набора функциональных подсистем (т.е. набора подсистем которые содержатся в любой САПР объекта):

ФП1 – поиск аналогов

ФП2 – инженерный синтез

ФП3 – инженерный анализ

ФП4 – формирование и ведение проектной документации

ФП1 – поиск аналогов разрабатываемого изделия. Аналог нового изделия – это такое известное изделие, которое отвечает большинству заданных характеристик.

Работа в ФП1 заключается в анализе существующих технических решений, находящихся в базах данных (желательно мирового уровня).

ФП2 и ФП3 – это подсистемы, обеспечивающие поиск и генерацию вариантов технического решения и определения характеристик объекта (качественных показателей). Осуществляется моделирование структуры и поведения объекта, а также оптимизация характеристик объекта. Ведется выполнение всех вычислительных процедур и процедур текущего отображения.

ФП4 – формирование и ведение проектной документации. Эта подсистема в соответствии с существующими ГОСТами и другими нормативами формирует всю необходимую проектную документацию. Ведение документации предполагает классифицированное хранение всей документации для выдачи копий, а также для возможности небольших коррекций.

В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два вида функциональных подсистем:

объектно-ориентированные (объектные);

объектно-независимые (инвариантные).

К объектным подсистемам относят подсистемы, выполняющие одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования. Например, подсистема проектирования технологических систем; подсистема моделирования динамики, проектируемой конструкции и др.

К инвариантным подсистемам относят подсистемы, выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции. Например, подсистема расчетов деталей машин; подсистема расчетов режимов резания; подсистема расчета технико-экономических показателей и др.

Процесс проектирования реализуется в функциональных подсистемах в виде определенной последовательности проектных процедур и операций.

Введение

Проектирование механического оборудования и конструкций —процесс, который требует от разработчика фундаментальных знаний и опыта практической работы. В основе методов расчета и проектирования лежат законы механики, математики и прикладных инженерных дисциплин. Использование этих знаний и опыта в сочетании с применением современных компьютерных программ позволяет проектировщикам создавать механическое оборудование на уровне лучших мировых аналогов.

М е х а н и ч е с к о й с и с т е м о й называется такая совокупность твердых тел, в которой положение (движение) каждого элемента определяется положением (движением) остальных.

Совокупность механических систем образует бесчисленное множество конструкций, машин, механизмов и различных вспомогательных устройств.

Механическая система геометрически неизменных элементов называется к о н с т р у к ц и е й. Перемещение отдельных точек конструкции возможно лишь в результате деформации системы.

М а ш и н а — устройство, выполняющее преобразование движения, энергии, материалов и информации. В зависимости от функций, которые они выполняют, машины подразделяются на энергетические, транспортные, технологические, информационные и специальные.

Часть машины, преобразующая движение одного или нескольких тел в требуемое движение других тел, называется м е х а н и з м о м .Твердое тело, входящее в состав механизма, носит название з в е н а. Механизм состоит из следующих частей: входного звена, которому сообщается преобразуемое в дальнейшем механизмом движение, промежуточных звеньев и выходного звена, которое и совершает требуемое от механизма движение.

Звенья бывают неподвижные (которые не перемещаются в процессе работы механизма) и подвижные (перемещающиеся). Подвижное соединение звеньев называется кинематической парой. Звенья кинематической пары допускают относительное движение, которое можно характеризовать числом степеней свободы, равным числу возможных независимых перемещений данной механической системы.

К и н е м а т и ч е с к о й ц е п ь ю называется система звеньев, образующих кинематические пары. Кинематические цепи подразделяются на плоские и пространственные. В плоской цепи все звенья совершают движение, параллельное одной и той же неподвижной плоскости.

Элемент механической системы, изготовленный из материала одной марки без применения сборочных операций, называется деталью. Деталь представляет собой общее понятие, которое в каждом конкретном случае можно уточнить соответствующем названием.

У з е л (сборочная единица) — комплекс деталей, собранных посредством сборочных операций отдельно от других составных частей и совместно выполняющих определенные функции. Совокупность простейших узлов образует более сложное механическое устройство, такое как сложный узел, механизм, машина и т. д. Машина, как правило, состоит из сотен, тысяч и даже миллионов отдельных деталей, и выход из строя хотя бы одной из них может привести к прекращению работы машины в целом. Это обстоятельство требует от разработчика глубоких знаний и практического опыта при принятии конструкторских решений. Крометого, сегодня невозможно создать надежную конкурентоспособную конструкцию машины без использования компьютерных методов анализа, которые позволяют определить ее основные геометрические размеры и сделать выбор материалов.

Основные требования, предъявляемые к машинам и механизмам

Как отдельные детали и узлы любой машины, так и машина в целом должны

удовлетворять следующим требованиям:

• работоспособности;

• надежности;

• технологичности;

• экономичности;

• эргономичности.

Р а б о т о с п о с о б н ы м и называются детали, выходные параметры которых

удовлетворяют условиям, оговоренным при их конструировании.

Н а д е ж н о с т ь — способность детали сохранять выходные параметры в установленных пределах в течение заданного промежутка времени.

Т е х н о л о г и ч н ы м и называются детали, затраты средств, времени и труда на изготовление которых минимальны.

Э к о н о м и ч н о с т ьдеталей определяется затратами на ее проектирование, изготовление и последующую эксплуатацию. Для обеспечения экономичность прежде всего следует добиваться снижения материалоемкости, энергоемкости и трудоемкости производства.

Наконец, детали должны быть э р г о н о м и ч н ы м и, т. е. иметь современные эстетичные формы и отделку, а также обеспечивать удобство в обращении при их эксплуатации и техническом обслуживании.

Оптимальное удовлетворение совокупности описанных выше требований, которые к тому же зачастую противоречат друг другу, и определяет как квалификацию конструктора, так и уровень проектирования в целом.

Моделирование

Для практического выполнения указанных требований необходимо перейти от конкретной детали к ее модели. При этом точность определения характеристик детали существенно зависит от ее адекватности модели. Дадим краткое описание моделей, принимаемых при выполнении расчетов.

Модель материала. При выполнении статических расчетов материал (если противное не оговорено особо) представляется как однородная сплошная среда, обладающая изотропными свойствами. Изотропия свойств предполагает постоянство характеристик материала по любому направлению внутри него. Эта модель хорошо описывают металлические материалы, работающие в упругой зоне, однако для композиционных материалов оказывается неприемлемой.

Важными физическими свойствами материалов с точки зрения машиностроения являются упругость, пластичность и ползучесть.

У п р у г о с т ь — свойство материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки.

П л а с т и ч н о с т ь — свойство материала частично сохранять деформацию после снятия нагрузки.

П о л з у ч е с т ь — свойство материала увеличивать деформацию со временем при постоянной нагрузке.

Модель формы. В ряде случаев форма детали оказывается сложной, и ее упрощение (без существенной потери степени адекватности реальной детали) может значительно облегчить выполнение необходимых расчетов.

Наиболее часто в качестве моделей формы используют брусья, стержни, балки, пластины, оболочки и т. д. Справедливости ради заметим, что такое упрощение оказывается не всегда оправданным, но в ряде случаев приводит к удовлетворительным результатам.

Б р у с — твердое тело, один из размеров которого значительно больше двух других. Геометрически брус получается параллельным перемещением плоской геометрической фигуры вдоль одной из осей.

С т е р ж н е м называется брус, который нагружается силами растяжения либо сжатия. Совокупность стержней, соединенных шарнирами, образует ф е р м е н н у ю к о н с т р у к ц и ю. Если же брус в процессе нагружения преимущественно изгибается, то он называется б а л к о й .Совокупность балок, жестко соединенных между собой, носит название р а м ы.

О б о л о ч к а — тело, образованное двумя геометрически подобными и близко расположенными поверхностями. Если этими поверхностями являются параллельные плоскости, то мы имеем дело с п л а с т и н о й.

С математической точки зрения твердое тело при моделировании наиболее строго можно описать как совокупность геометрически подобных элементов, связанных между собой таким образом, что они образуют структуру, близкую по форме к моделируемому объекту. Такой прием составляет основу метода конечных элементов (МКЭ) . В этом случае форма детали моделируется достаточно точно. В качестве конечных элементов при решении плоских конечно-элементных задач обычно используются стержни, треугольники, квадраты и т. д., а в случае моделирования объемов — кубы, тетраэдры, призматические элементы и т. п.

В подавляющем большинстве случаев при формировании модели учет макро и микрогеометрии поверхностного слоя не производится. Иногда это может привести к существенным ошибкам, что заставляет разработчиков, особенно при построении объемных моделей, учитывать наличие неоднородного поверхностного слоя. При этом следует отметить, что микрогеометрия определяется чистотой обработки поверхности, а макрогеометрия описывается допуском на погрешность формы поверхности.

Модели нагружения. Внешнее воздействие на отдельную деталь либо конструкцию в целом условно можно представить как действие таких силовых факторов, как:

• сосредоточенная сила;

• сосредоточенный момент;

• сила, распределенная по длине;

• сила, распределенная по площади;

• момент, распределенный по длине;

• момент, распределенный по площади;

• объемная нагрузка;

• массовая нагрузка.

Под нагружением моментом понимается действие на объект пары параллельных сил. Массовыми называются силы, действующие на частицы материала, например, инерционные, силы тяжести и т. д.

Если нагрузка остается постоянной во времени, то она называется статической, в противном случае — переменной. Переменное нагружение может быть регулярным и нерегулярным (случайным). Регулярно изменяющаяся нагрузка характеризуется периодическим законом изменения, а нерегулярное нагружение описывается случайной функцией.

Модель закрепления. Под закреплением понимается ограничение числа степеней свободы точки закрепления.

Принятые модели можно использовать для комплексного анализа элементов

механических систем. В большинстве случаев такой анализ выполняется для геометрически определенных размеров деталей. Задача конструктора при этом сводится к проверке обоснованности принятых параметров, а серия расчетов называется

п р о в е р о ч н ы м и р а с ч е т а м и. Проверочные расчеты удобно выполнять с помощью современных программных средств. Наибольший эффект получается при использовании параметризованных компьютерных программ, что позволяет без больших затрат изменять параметры модели, добиваясь тем самым определения наилучших конструктивных соотношений.

В отдельных случаях, исходя из условий нагружения, а также кинематических, динамических и других параметров, можно с достаточной степенью точности прогнозировать основные геометрические размеры. Такие расчеты в дальнейшем называются п р о е к т и р о в о ч н ы м и .Для проектировочных расчетов

необходимо знать аналитические зависимости, связывающие между собой основные параметры, которые можно разрешить относительно любой из анализируемых переменных.

Анализ выполняется по ряду критериев. Если удается ряд расчетных критериев привести к одному объединенному, то он рассматривается как функция цели. Оптимизацией называется процедура минимизации целевой функции. Наиболее часто в механике машин и конструкций в качестве параметров оптимизации принимаются вес, габаритные размеры, стоимость и т. д. Иногда задачу оптимизации приходится решать с ограничениями, т. е. выполнять ряд дополнительных условий.

Очевидно, что конструкция, полученная посредством оптимизации, является наилучшей, а сам процесс оптимизации является необходимым инструментом создания конкурентоспособных машин.

Оптимальное проектирование

3.1. Аналогии оптимальных решений в природе и технике

Большое количество инженерных решений, использующихся в различных областях техники, имеет аналогии в живой природе и растительном мире. В некоторых случаях человек осознанно пытается копировать природные решения, иногда это происходит неосознанно, являясь результатом накопленного жизненного опыта. Ценность решений, скопированных у природы, нельзя переоценить, так как здесь речь идет фактически о наилучших из всех возможных, т.е. об оптимальных решениях. Человечество это осознало достаточно давно, в частности, Леонардо да Винчи писал: “Хотя человеческая искусность способна многое изобрести… все же она никогда не создаст предмета более прекрасного, простого и правильного, чем создает природа, потому что в ее изобретениях нет ничего лишнего, ничего недостающего (ничего нельзя прибавить, ничего отнять)”.

Конструкции, созданные природой, совершенны. Целесообразность элементов их строения удивительна и тем больше поражает, чем больше узнаешь о ней.

Попробуем рассмотреть конструкторскую деятельность природы на примере двух ее созданий: из мира растений – дерева, из мира живого – животных «с наружным скелетом», как называли древних моллюсков с раковинами.

Дерево имеет три крупных элемента – крону, ствол и корень. Для воспроизводства веществ дереву необходима развитая поверхность листьев. Это приводит к увеличению парусности, что при сильном ветре может вызвать изгибающие моменты, которые либо сломают ствол, либо вывернут корень из почвы. Поэтому природа уменьшает величину внешних сил, прикладываемых к дереву: во-первых, все листья укрепляются на длинных и тонких черешках, легко гнущихся и скручивающихся без разрушения. Как только подует ветер, листья поворачиваются таким образом, что воздух между ними проходит свободно, в результате чего сила ветра, гнущая дерево, резко ослабляется. Во-вторых, для веток и ствола природа подобрала достаточно эластичный материал: они гнутся, при этом площадь, обдуваемая ветром, уменьшается. Говоря техническим языком, создается эффект обтекания струи воздуха, как это бывает с округлым предметом.

Как видим, природа в первую очередь ослабила силы воздействий, а не пошла в лобовую атаку, увеличивая прочность ствола и корневой системы. Надежному сопротивлению изгибающим силам с любой стороны способствует то, что ствол дерева круглый, утолщающийся у корня (например, изгибающий момент у стойки с заделанным концом увеличивается к основанию).

Некоторые деревья-соломины вынуждены, склонившись в одну сторону и раскачиваясь, как пшеница в поле, воспринимать труднейшее сочетание нагрузок – изгиб с кручением. Природа остроумно решила конструкцию стволов и таких деревьев. Например, стволы разных видов бамбука представляют собой круглую пустотелую тонкостенную трубу, подкрепленную внутри жесткими поперечинами. Это оптимальное решение при минимуме материала, которое необходимо было затратить на преодоление такого вида внешней нагрузки. У очень больших деревьев круглый ствол внизу укрепляется мощными подпорками из доскообразных корней, которые, как контрфорсы, с нескольких сторон подпирают его. Это позволяет высоким деревьям многих пород эффективно сопротивляться огромным прикорневым моментам.

Наконец, природа разработала удачную конструкцию корня. Он разветвлен, подобно ветвям кроны, что позволяет ему сильнее закрепиться в земле. Стержни корней эластичны: несущие, наиболее прочные и жесткие волокна расположены в центре корневого стержня, а не на периферии, как у ствола, которому необходимо больше сопротивляться крутящим моментам.

Всмотримся далее в конструкцию дерева. Природа ловко использовала свое «знание» о концентрации напряжений возле участков с переменой сечения. Ветви у стыка со стволом утолщаются, плавно переходят в его тело. Наоборот, черешки листьев и плодов, которые должны опадать в свое время, имеют явный концентратор напряжений в месте прикрепления к ветке. Осенью в этом стыке изменится структура связей, и достаточно будет легкого ветра для обламывания.

Природа сумела создать и другие эффективные способы, благодаря которым ее конструкции выживают в, казалось бы, очень сложных условиях.

Приведем несколько наиболее примечательных примеров, свидетельствующих о прочности и выносливости природных конструкций.

Как известно, есть деревья-гиганты и деревья-карлики. Самые высокие эвкалипты достигают 162 м, секвойи и секвойи-ядендроны – 110 м с объемом древесины в одном стволе до 1800 м³. Некоторые экземпляры таких деревьев живут до 4000 лет. Самое маленькое дерево с романтическим названием кассиопея имеет высоту не более 10 см и растет в горах. На удивление прочной в пересчете на единицу удельного веса (всего 0, 27 от удельного веса воды) является древесина «дерева гробов», как ее называют в Китае за долгую сохранность в земле. Впрочем, по удельному весу рекорд принадлежит дереву амбач из тропической Африки. Удельный вес его древесины составляет всего 0, 15 г/см³.

Знаменитое дерево Индии баньян, из которого, кроме всего прочего, добывают шеллак, имеет самую большую по ширине крону – в окружности до 500 м. Для того чтобы ветви такого дерева не обломились от собственной тяжести, от них к земле отрастают корни-подпорки в виде колонн диаметром около 2 м. Знаменитый каль-кутский 150-летний баньян опирает свои ветви на 300 таких колонн.

Иратерия, растущая на илистых почвах, приподнимает свой ствол на корнях-ходулях высотой в рост человека. Система таких ходулей обеспечивает гибкость дерева при ветрах, а их большое отклонение уменьшает силу на каждый корень, что так важно в слабых илистых грунтах. Этот же способ пружинящих опор применила природа и для конструирования мангровых деревьев.

Очень тяжелую древесину (до 1, 2 г/см³) имеет южноамериканское дерево квебахо (испанское название, звучащее в переводе так: «сломайтопор»). Однако чемпионами по твердости и удельному весу являются самшит и диоспирос эбеновый (удельный вес 1, 33 г/см³).

Уникальная прочность и удобная форма бамбука нашли применение в самых неожиданных изделиях человека: стрелах, мотыгах, кирках, кинжалах и просто трубах. Но, пожалуй, менее известно, что бамбук применялся в качестве пушечного ствола тибетцами и в германской кавалерии, а Япония изготовляла из бамбука гранатометы, в частности, они использовались при штурме Порт-Артура в 1904 г. Наконец, еще 20 лет назад в Китае защищалась диссертация, посвященная прочности бамбукобетона. Кстати, прочность волокон бамбука близка к прочности стали.Возможности природы, вооруженной законами естественного отбора и освобожденной от ответственности за неудачную конструкцию, огромны.Рассмотрим теперь другой вид конструкций природы. Предками существующих сегодня морских раковин наутилус, принадлежащих к головоногим, были небезызвестные аммониты. Аммониты плавали с помощью реактивной струи; для обеспечения плавучести в камерах их раковин должно было поддерживаться давление газа около 1 атм. Именно из-за этих газовых камер в первую очередь надо было решить вопросы прочности раковины, ведь наутилусу приходится жить на глубине до 600 м. На такой глубине стенки испытывают давление в 60 атм. То, что прочность раковин для таких глубин достаточна, ученые Дентон и Джилпин-Браун проверили еще в 1966 г. Разрушение раковины наступало на глубинах, несколько превышающих 600 м. Как же раковина аммонитов, имеющая более 10 см в диаметре, выдерживает такие давления? Весь длинный, закрученный в спираль конический интерьер раковины разделен перегородками, число которых увеличивается по мере увеличения диаметра и при наибольшем диаметре достигает ста.

Рис. 3.1.1. – Линии контакта перегородок наутилуса

⇐ Предыдущая 8 9 10 11 12 13 14 15 1617