PODSTAWY PROJEKTOWANIA INŻYNIERSKIEGO 2004

1.Podać minimum 2 przykładowe definicje procesu projektowania

Projektowaniem nazywa się czynności wykonywane w celu określenia zadań, środków i organizacji procesów produkcji: obiektu, który zamierza się wyprodukować, rozbudować lub zmodernizować oraz w celu ustalenia wysokości nakładów finansowych potrzebnych do zrealizowania przedsięwzięcia.

Proces zaspokajania potrzeb składający się z 4 faz:

1. formułowanie problemu,

2. koncepcyjna,

3. opracowania projektu,

4. weryfikacji.

Efektem projektowania jest nowy przedmiot lub usługa

2.Na czym polega rola projektowania w procesie realizacji technicznej -zaspokajania potrzeb

Projektowanie jest etapem pomiędzy rozpoznawaniem potrzeb, a etapem produkcji. Polega ono na szukaniu projektowego rozwiązania oraz modelowaniu i symulacji zaprojektowanego wyrobu. Jednak na tym proces projektowania się nie kończy. Z późniejszych etapów realizacji technicznej projektowanie czerpie informacje o doświadczeniach z produkowania, sprzedaży, eksploatacji, informacje o stanie zaspokajania potrzeb oraz z procesu likwidacji i wykorzystuje te informacje w następnych cyklach projektowania.

3.Zasadnicze fazy i etapy w strukturze procesu projektowania

1. Faza formułowania problemu

   • Formułowanie problemu

   • Analiza problemu

2. Faza koncepcyjna

   • Poszukiwanie rozwiązań

   • Ocena i wybór rozwiązań

3. Faza opracowania projektu

   • Projektowanie wstępne

   • Projektowanie szczegółowe

4. Faza weryfikacji

   • Wykonanie prototypu

   • Badanie prototypu

4.Wyjaśnić w oparciu o strukturę procesu projektowania jego iteracyjny charakter

Iteracyjny charakter projektowania polega na ciągle powtarzającym się procesie badania potrzeb, szukaniu dla nich rozwiązań, ich zaprojektowaniu, wytworzeniu, dystrybucji, eksploatacji, likwidacji i zebraniu doświadczeń z każdego etapu, by następna produkcja była jeszcze lepsza.

5.Na czym polega ogólne sformułowanie problemu projektowego?

Ogólne sformułowanie problemu projektowego polega na:

• określeniu stanu wejściowego (niezadowalającego)

• określeniu stanu wyjściowego (zadawalającego)

• zebraniu informacji na temat rozwiązywanego problemu

• określeniu założeń i zmiennych stanu wejściowego

• określeniu założeń i zmiennych stanu wyjściowego

• określeniu zmiennych rozwiązań,

• określeniu ograniczeń,

• określeniu wielkości produkcji,

• określeniu kryteriów oceny,

• wstępnej ocenie wykonalności urządzenia

6.Co to są zmienne i ograniczenia rozwiązania projektowego? Podać przykłady

Warianty rozwiązań problemu mogą się różnić pod wieloma względami np.:

• zasada działania

• parametry techniczne

• parametry ekonomiczne

Zmienne rozwiązania projektowego to wielkości dzięki którym możemy rozróżniać te warianty. Są to np.:

• rozmieszczenie zespołów

• rodzaje napędów

• gabaryty

• ciężar

• zasada działania

Dziedzinę zmiennych określają ograniczenia rozwiązania projektowego które w sposób zdeterminowany krępują swobodę projektowania i powinny zostać ściśle określone przez zamawiającego. Są to np.:

• rozmiar

• waga

• cena

• hałaśliwość

• złożoność

7.Kryteria oceny rozwiązań projektowych i sposoby wyznaczania stopnia ich ważności

Kryteriami oceny rozwiązań projektowych będziemy nazywali te cechy, które określają:

• działanie

• parametry

• warunki pracy

• wskaźniki techniczno-ekonomiczne

• inne

Kryteria te służą do oceny wariantu projektowanego wyrobu

Metodą wyznaczania ważności kryteriów jest METODA DECYZJI WYMUSZONYCH

Kruterium	1	2	3	Suma decyzji pozytywnych	Ważność kryterium
Cena	1	0		1	1/3
Wygląd	0		0	0	0
Funkcjonalność		1	1	2	2/3

8.Morfologiczna metoda generowania rozwiązań - przykład zastosowania w technice

1. Rozpoznanie problemu

2. Analiza problemu – identyfikacja parametrów problemu (wzajemnie uniezależnionych czynników, cech, funkcji lub elementów produktu) np. kształt, kolor, źródło energii. Następnie poszukuje się możliwych stanów parametru np. dla pierwszego: owalny, kwadratowy, trójkątny.

3. Synteza problemu, budowa tablicy morfologicznej

	1	2	3
A	A1	A2	A3
B	B1	B2	B3
C	C1	C2	C3

1. Redukcja przestrzeni morfologicznej. Polega na wybraniu losowo dwu parametrów i zbudowaniu tablicy. Następnie redukuje się możliwości nie przedstawiające wartości. Później wyniki tej tabeli zestawia się z kolejnym parametrem itd. aż zostaną użyte wszystkie parametry. Wtedy dostajemy kilka rozwiązań do zastosowania

9.Burza mózgów (brainstroming) - sposób postępowania i zasadnicze cechy

Jest to metoda grupowa, której celem jest pobudzenie ludzi do szybkiego myślenia. Optymalny skład to 6-8 osób – najlepiej osoby różnorodne: różny zawód doświadczenie, wiek, płeć, nie muszą to być specjaliści. Musi być przewodniczący i sekretarz – osoba, która będzie zapamiętywała pomysły. Dobrze jest mieć magnetofon, kamerę, tablice. Mogą też być eksperci, którzy nie biorą udziału w dyskusji, ale obserwują ją z boku. Powinna trwać do 40 minut.

Reguły postępowania:

1. nie jest dozwolona krytyka pomysłów

2. przewodniczący może i powinien zachęcać uczestników do korzystania z wcześniejszych pomysłów

3. ważne jest by wynikiem sesji była duża liczba pomysłów, ich jakość nie jest analizowana

ZALETY:

• nie wymaga przygotowania

• zwykle generuje dużą liczbę powiązanych ze sobą pomysłów

• świeżość

WADY:

• pomysły nie mają autora

• często są to pomysły oderwane od autora

• eksperci muszą zrobić analizę pomysłów

10.Analogie jako podstawa poszukiwania rozwiązań - podać przykłady

4 rodzaje analogii:

1. osobista – polega na tym, że tak „wczuwamy” się w daną sytuację, że problem czujemy sobą, np. ktoś, kto chce naśladować belkę zrobi mostek

2. prosta (bezpośrednia) – wykorzystuje przeważnie podobieństwa do przyrody. To co wymyślimy jest podobne do tego co natura już wcześniej wymyśliła np. łódź podwodna i ryba, samolot i ptak

3. symboliczna – stosuje różne rodzaje przenośni, metafor (głowa, ucho, gniazdo) Skojarzenie pewnych rzeczy może prowadzić do rozwiązania.

4. fantastyczna – rozwiązując pewien problem zawieszamy pewne prawa np. fizyczne. Tworzymy pomysły: „co by było gdyby...”

11.Metoda 635 poszukiwania rozwiązań - sposób postępowania i zasadnicze cechy

Mamy:

• 6 uczestników

• każdy z nich po 3 pomysły

• czas trwania 5 minut

Sposób postępowania:

Każdy z 6 uczestników otrzymuje kartkę papieru. Jeden z nich przedstawia problem. Każdy z uczestników wymyśla 3 pomysły. Po 5 minutach kartki przechodzą dalej (do kolejnego uczestnika). Kolejna osoba czyta pomysły poprzednika i dopisuje swoje. Później eksperci otrzymują ten materiał i dokonują analizy.

Cechy:

• każdy z pomysłów jest uzupełniany i przemyślany

• twórcy mogą mieć udokumentowane potwierdzenie autorstwa

• istnieje dokument sesji, niepotrzebny jest sekretarz

• konieczność zapisania pomysłów

• brak lidera

12.Metoda decyzji wymuszonych jako podstawa oceny i wyboru wariantów rozwiązań

1. ważenie kryteriów oceny:

Kruterium	1	2	3	Suma decyzji pozytywnych	Ważność kryterium
Cena	1	0		1	1/3
Wygląd	0		0	0	0
Funkcjonalność		1	1	2	2/3

1. Selekcja ze względu na kryteria dominujące

L.P	Kryterium oceny / Wariant rozwiązania	Decyzje	Suma decyzji pozytywnych	Wartości ocen
		1	2	3
1	Czas realizacji
	Wariant 1	0	1	1
	Wariant 2	1
	Wariant 3		0
	Wariant 4			0
	Wariant 5

1. Analiza i ocena rozwiązań ze względu na funkcję wartości

Kryterium oceny / Wariant rozwiązania	Wariant 1
L.P	Kryterium
1	Czas
2	Koszt
3	Hałas
4	Instalacja
5	Obsługa
Suma	0,29

13.Metoda ważonych charakterystyk wartości użytecznych jako oceny i wyboru rozwiązania

14.Iloczynowa metoda oceny rozwiązań wariantów projektowych

15.Omówić przykłady zmiennych obciążenia (wytężeniowych i natężeniowych) konstrukcji maszyn i urządzeń

Struktura fizyczna/rodzaj zmiennej	Zmienna wytężeniowa e	Zmienna natężeniowa f	Moc N=e*f
Mechaniczna	Siła F [N]	Prędkość v [m/s]	N=F*v
Hydrauliczna	Ciśnienie p [Pa]	Natężenie przepływu Q [m/s]	N=p*q
Pneumatyczna (gazowa)	Ciśnienie p [Pa]	Masowe natężenie przepływu q[kg/s]	N=p*q
Elektryczna	Napięcie U [V]	Natężenie I [A]	N=U*I
Cieplna	Temperatura T [K]	Strumień cieplny	N=T*sc

16.Przedstawić typowe charakterystyki obciążenia konstrukcji maszyn i urządzeń

obciążenia mechaniczne mogą doprowadzić do zniszczenia części

• obciążenia stałe – z reguły z granicą plastyczności k=Q/xq, Q- obciążenie plastyczne, Xq współczynnik bezpieczeństwa, naprężenie dopuszczalne

• obciążenia zmienne k=Z/Xz, Xz =beta – współczynnik działania karbu

• obciążenia obliczeniowe =obciążenia nominalne* współczynnik przeciążenia

• obciążenia nominalne – na podstawie nominalnych warunków ustalonych przez konstruktora: moc nominalna i obroty nominalne.

17.Współczynnik bezpieczeństwa konstrukcji maszyn i urządzeń. Wyjaśnić pojęcie i jego zastosowanie oraz sposobów określania jego wartości

Współczynnik bezpieczeństwa jest liczbą, która w procesie obliczeń konstrukcji uwzględnia niepewność związaną z rodzajem stosowanego materiału, ważnością przedmiotu, jakością wykonania. Zapewnia on bezpieczeństwo konstrukcji w wypadku wystąpienia niewielkich odchyleń od norm stosowanych podczas obliczeń.

X_W=X₁*X₂*X₃*X₄

Nazwa współczynnika	Wartość	Zastosowanie
X1 – pewność założeń	1,1	Przeprowadzone badania wytrzymałościowe danego materiału i zastosowane ścisłe metody obliczeń
	1,2-1,4	Znany gatunek materiału oraz zwykłe metody obliczeń
	1,5-2,0	Obciążenia udarne
X2 – ważność przedmiotu	1,0-1,1	Zniszczenie danej części spowoduje zatrzymanie maszyny
	1,1-1,2	Spowoduje uszkodzenie maszyny
	1,3-1,5	Może spowodować wypadek
X3 – jednorodność materiału	1,0 – 1,05	Ścisła kontrola jednorodności po przeróbce plastycznej (metodami rentgenograficznymi, ultradźwiękowymi itp.)
	1,1	Materiały kute, walcowane, ciągnione
	1,2	Odlewy ciśnieniowe, odśrodkowe
	1,3	Starannie wykonane połączenia spawane
	1,4-1,7	Odlewy piaskowe, połączenia spawane o prawidłowym wyglądzie
	1,0 – 1,05	Ścisła kontrola wymiarów każdego przedmiotu
	1,05 – 1,1	Normalna kontrola metodą wyrywkową
	1,1-1,15	Pręty, blachy
	1,2	Konstrukcje spawane, odlewy

18.Przedstaw charakterystyki rozciągania i ściskania typowych materiałów: stal, żeliwo, brąz, beton

19.Wytrzymałość materiału na ściskanie i rozciąganie - podstawowe zależności

Obliczenia wytrzymałościowe elementu rozciąganego lub ściskanego wykonuje się w celu sprawdzenia czy są spełnione warunki wytrzymałościowe (naprężenia)

                 

gdzie P - siła rozciągająca (ściskająca), A - pole przekroju poprzecznego elementu rozciąganego (ściskanego), k_r - naprężenie dopuszczalne przy rozciąganiu, k_c - naprężenie dopuszczalne przy ściskaniu.

Naprężenie dopuszczalne na rozciąganie i ściskanie k_r  i k_c

                 

gdzie R_c, R_m, R_e - wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie, n - współczynnik bezpieczeństwa.

Gdy siły przyłożone są dostatecznie małe, przemieszczenie sprężyste jest zawsze proporcjonalne do siły:

l=	P*l
	A*E

E – moduł Younga

Przyjmując wydłużenie względne:

20.Wytrzymałość materiału na ścinanie - podstawowe zależności

Nominalne naprężenia styczne w przekroju ścinanym wyraża się wzorem

                 

w którym P - siła ścinająca, styczna do przekroju ścinanego, A - pole przekroju poprzecznego elementu ścinanego.

Naprężenie to nie musi spełniać warunek

                 

gdzie k_t - naprężenie dopuszczalne przy ścinaniu i wynosi  k_t = (0,5 ÷ 0,8)k_r 

Podstawowe przykłady elementów ścinanych to: połączenia nitowe, spawane, sworzniowe i wpustowe.

21.Wyjaśnić na czym polega wytrzymałość materiału na zginanie – podać podstawowe zależności

Największe naprężenie normalne występuje we włóknach najdalej położonych od osi obojętnej przekroju poprzecznego

                 

gdzie M - moment gnący, y_max - odległość najdalej położonych włókien od osi obojętnej, I_z - moment bezwładności względem osi obojętnej.

Wskaźnikiem wytrzymałości przekroju na zginanie względem osi obojętnej nazywamy stosunek momentu bezwładności tego przekroju względem osi obojętnej do odległości włókien skrajnych od tej osi

                 

gdzie I - moment bezwładności względem osi obojętnej, e - odległość włókien skrajnych od tej osi.

      Obliczenia wytrzymałościowe belek zginanych sprowadzają się do określenia największego naprężenia normalnego, występującego w przekroju poprzecznym belki.

Warunek wytrzymałościowy przedstawia się następująco

                  

gdzie k_g - naprężenie dopuszczalne przy zginaniu.

22.Wyjaśnić na czym polega wytrzymałość materiału na skręcanie – podać podstawowe zależności.

W wyniku skręcania pręta w jego przekrojach występują tylko naprężenia styczne. Naprężenia styczne podczas skręcania zmieniają się proporcjonalnie do ich odległości od środka przekroju.

       

Na zewnętrznej powierzchni elementu skręcanego naprężenia są największe, i wynosi

                 

gdzie I_o - biegunowy moment przekroju względem środka tego przekroju, M_s - moment skręcający, r - odległość od warstwy zewnętrznej pręta.

Stosunek biegunowego momentu bezwładności do promienia przekroju kołowego nazywamy wskaźnikiem wytrzymałości przekroju na skręcanie.

                 

Obliczenia prętów poddanych skręcaniu sprowadzają się do warunku wytrzymałościowego i warunku sztywności.

Maksymalne naprężenia styczne w przekroju poprzecznym określamy ze wzoru

                 

gdzie k_s - naprężenie dopuszczalne przy skręcaniu k_s = (0,5 ÷ 0,6)k_r, W_o = 0,2 d³ (dla pręta o przekroju kołowym o średnicy d).

23.Wytrzymałość złożona: rozciąganie ze zginaniem: podstawowe zależności

Zginanie połączone z rozciąganiem lub ściskaniem jest najprostszym przypadkiem wytrzymałości złożonej. Każde z wymienionych obciążeń wywołuje naprężenia normalne (prostopadłe do przekroju poprzecznego).

    

      Naprężenie całkowite przy tym obciążeniu złożonym jest - zgodnie z zasadą superpozycji - sumą naprężeń wywołanych przez poszczególne obciążenia.

      Maksymalne naprężenia normalne dodatnie występują w skrajnych włóknach przekroju niebezpiecznego w przypadku rozciągania i zginania ma wartość

                 

      Maksymalne naprężenia normalne ujemne występują w skrajnych włóknach przekroju niebezpiecznego w przypadku ściskania i zginania ma wartość

                 

24.Wytrzymałość złożona: skręcanie ze zginaniem: podstawowe zależności

  Podczas zginania z równoczesnym skręcaniem występują jednocześnie naprężenia styczne (pochodzące od skręcania) oraz naprężenia normalne (wywołane zginaniem).

      Według hipotezy maksymalnych naprężeń stycznych

                 

      Przy zastosowaniu hipotezy energii odkształcenia postaciowego naprężenia zredukowane wyrażają się następującym wzorem

                 

Hipoteza Hubera

Zgodnie z tą hipotezą, o wytężeniu próbki decyduje nie ta część energii, która idzie na odkształcenie objętościowe, lecz jedynie ta część, która idzie na odkształcenie postaci. Podobnie otrzymamy:

Stosuje się ją dla materiałów plastycznych i podobnie naprężenie σ ₁ jest większe od granicy plastyczności.
Widzimy, że każda hipoteza inaczej odpowiada na pytanie, jakie naprężenia w trójosiowym stanie obciążeń są podobnie niebezpieczne dla próbki, jak odpowiednie naprężenia przy jednoosiowym rozciąganiu

25.Przedstaw zasady określenie wymiarów spoin w połączeniach spawanych

Obliczam dopuszczalne naprężenie dla spoiny

k’=k*z

k’ – dopuszczalne naprężenie dla spoiny

k – dopuszczalne naprężenie dla materiału (Q_R=Q_S=240MPa)

z – współczynnik wytrzymałości spoiny (z=0,65)

k’=	F
	a*l

a – grubość spoiny max. O,7h

l – długość spoiny

l=	F
	a*k’

26.Wyznaczyć dowolną metodą (analityczną bądź wykreślną) wykres momentów gnących i sił tnących prostej belki, jak na rysunku

Reakcje podpór:

Równanie sił działających na kierunek X ∑F_IX=0

Równanie sił działających na kierunek Y ∑F_IY=0

Równanie momentów sił ∑M_IA=0

Moment gnący: powyżej zamykającej (-), poniżej zamykającej (+)

Siła tnąca: powyżej linii (+), poniżej linii (-)

27.Wyznaczyć dowolną metodą siły wewnętrzne w prętach prostej kratownicy, jak na rysunku

Bow Cremona

28.Wyznaczyć rozmiary prętów stalowych obciążonych jak na rysunku.

Q=	F*XW
	A

Q – dopuszczalne naprężenie dla materiału

F – siła działająca na pręt

X_W – współczynnik bezpieczeństwa

A – pole przekroju pręta