Процесс инженерного проектирования , также известный как метод проектирования , представляет собой общую серию шагов, которые инженеры используют при создании функциональных продуктов и процессов. Процесс является в высшей степени итеративным — части процесса часто должны быть повторены много раз, прежде чем можно будет ввести другую — хотя часть(и), которые подвергаются итерации, и количество таких циклов в любом конкретном проекте могут различаться.
Это процесс принятия решений (часто итеративный), в котором инженерные науки, фундаментальные науки и математика применяются для оптимального преобразования ресурсов для достижения поставленной цели. Среди основных элементов процесса проектирования — установление целей и критериев, синтез, анализ, построение, тестирование и оценка. [1]
Важно понимать, что существуют различные рамки/артикуляции процесса инженерного проектирования. Различная используемая терминология может иметь различную степень совпадения, что влияет на то, какие шаги указываются явно или считаются «высокоуровневыми» по сравнению с подчиненными в любой данной модели. Это, конечно, применимо к любым конкретным примерам шагов/последовательностей, приведенным здесь.
Один из примеров структуры процесса инженерного проектирования описывает следующие этапы: исследование, концептуализация, оценка осуществимости, установление требований к проектированию, предварительное проектирование, детальное проектирование, планирование производства и проектирование инструмента, а также производство . [2] Другие, отмечая, что «разные авторы (как в исследовательской литературе, так и в учебниках) определяют различные фазы процесса проектирования с различными видами деятельности, происходящими в них», предложили более упрощенные/обобщенные модели, такие как определение проблемы, концептуальное проектирование , предварительное проектирование, детальное проектирование и проектная коммуникация . [3] Другое резюме процесса, взятое из европейской литературы по инженерному проектированию, включает разъяснение задачи, концептуальное проектирование, проектирование воплощения, детальное проектирование . [4] (ПРИМЕЧАНИЕ: в этих примерах другие ключевые аспекты, такие как оценка концепции и прототипирование, являются подмножествами и/или расширениями одного или нескольких из перечисленных шагов.)
Различные этапы процесса проектирования (и даже более ранние) могут включать значительное количество времени, затрачиваемого на поиск информации и исследования . [5] Следует учитывать существующую применимую литературу, проблемы и успехи, связанные с существующими решениями, затраты и потребности рынка. [5]
Источник информации должен быть релевантным. Обратное проектирование может быть эффективным методом, если на рынке доступны другие решения. [5] Другие источники информации включают Интернет, местные библиотеки , доступные правительственные документы, личные организации, отраслевые журналы , каталоги поставщиков и отдельных экспертов . [5]
Установление требований к проектированию и проведение анализа требований , иногда называемое определением проблемы (или считающееся связанной деятельностью), является одним из важнейших элементов процесса проектирования [6] в некоторых отраслях, и эта задача часто выполняется одновременно с анализом осуществимости. Требования к проектированию контролируют проектирование продукта или процесса, разрабатываемого на протяжении всего процесса инженерного проектирования. Они включают в себя такие основные вещи, как функции, атрибуты и спецификации , определяемые после оценки потребностей пользователя. Некоторые требования к проектированию включают в себя параметры оборудования и программного обеспечения, ремонтопригодность , доступность и тестируемость . [2]
В некоторых случаях проводится технико-экономическое обоснование, после которого разрабатываются графики, планы ресурсов и сметы для следующего этапа. Технико-экономическое обоснование представляет собой оценку и анализ потенциала предлагаемого проекта для поддержки процесса принятия решений . Оно описывает и анализирует альтернативы или методы достижения желаемого результата. Технико-экономическое обоснование помогает сузить область проекта для определения наилучшего сценария. Формируется отчет о технико-экономическом обосновании, после чего выполняется Post Feasibility Review.
Цель оценки осуществимости — определить, может ли проект инженера перейти в фазу проектирования. Это основано на двух критериях: проект должен быть основан на достижимой идее, и он должен быть в пределах ограничений по стоимости . Важно, чтобы инженеры с опытом и здравым смыслом были вовлечены в эту часть исследования осуществимости. [2]
Концептуальное исследование ( концептуализация , концептуальный дизайн ) часто является этапом планирования проекта, который включает в себя создание идей и учет плюсов и минусов реализации этих идей. Этот этап проекта выполняется для минимизации вероятности ошибки, управления затратами, оценки рисков и оценки потенциального успеха предполагаемого проекта. В любом случае, как только определена инженерная проблема или вопрос, должны быть выявлены потенциальные решения. Эти решения могут быть найдены с помощью идеации , ментального процесса, посредством которого генерируются идеи. Фактически, этот шаг часто называют идеацией или «генерацией концепции». Ниже приведены широко используемые методы: [2]
Затем различные сгенерированные идеи должны пройти этап оценки концепции , на котором используются различные инструменты для сравнения и сопоставления относительных сильных и слабых сторон возможных альтернатив.
Предварительный проект, или проект высокого уровня, включает (также называемый FEED или базовым проектом), часто заполняет пробел между концепцией проекта и детальным проектом, особенно в случаях, когда уровень концептуализации, достигнутый во время разработки идеи, недостаточен для полной оценки. Таким образом, в этой задаче определяется общая конфигурация системы, а схемы , диаграммы и макеты проекта могут обеспечить раннюю конфигурацию проекта. (Это, в частности, сильно варьируется в зависимости от области, отрасли и продукта.) Во время детального проектирования и оптимизации параметры создаваемой детали будут меняться, но предварительный проект фокусируется на создании общей структуры для построения проекта. [2]
S. Blanchard и J. Fabrycky описывают это так: «„Что“, инициирующее концептуальное проектирование, производит „Как“ из усилий по оценке концептуального проектирования, применяемых к осуществимым концепциям концептуального проектирования. Затем „Как“ переносится в предварительное проектирование посредством распределенных требований. Там они становятся „Что“ и направляют предварительное проектирование на решение „Как“ на этом более низком уровне».
После FEED следует фаза детального проектирования (детального инжиниринга), которая может также включать закупку материалов. Эта фаза дополнительно прорабатывает каждый аспект проекта/продукта путем полного описания посредством твердотельного моделирования , чертежей , а также спецификаций .
Программы автоматизированного проектирования (САПР) сделали фазу детального проектирования более эффективной. Например, программа САПР может обеспечить оптимизацию для уменьшения объема без ущерба качеству детали. Она также может вычислять напряжение и смещение с использованием метода конечных элементов для определения напряжений по всей детали. [7]
Планирование производства и проектирование инструмента состоит из планирования того, как массово производить продукт и какие инструменты следует использовать в процессе производства . Задачи, которые необходимо выполнить на этом этапе, включают выбор материалов, выбор производственных процессов, определение последовательности операций и выбор инструментов, таких как приспособления, зажимы, инструменты для резки металла и формовки металла или пластика. Эта задача также включает дополнительные итерации тестирования прототипа, чтобы гарантировать, что версия, произведенная массово, соответствует стандартам квалификационных испытаний . [2]
Инженерия формулирует проблему, которая может быть решена посредством проектирования. Наука формулирует вопрос, который может быть решен посредством исследования. Процесс инженерного проектирования имеет некоторое сходство с научным методом . [8] Оба процесса начинаются с существующих знаний и постепенно становятся более конкретными в поиске знаний (в случае «чистой» или фундаментальной науки) или решения (в случае «прикладной» науки, такой как инженерия). Ключевое различие между инженерным процессом и научным процессом заключается в том, что инженерный процесс фокусируется на проектировании , творчестве и инновациях, в то время как научный процесс подчеркивает объяснение, прогнозирование и открытие (наблюдение) .
Методы преподаются и разрабатываются в университетах, в том числе: