Процесс инженерного проектирования , также известный как инженерный метод , представляет собой обычную серию шагов, которые инженеры используют при создании функциональных продуктов и процессов. Этот процесс является очень итеративным — части процесса часто приходится повторять много раз, прежде чем можно будет ввести другую — хотя части, которые подвергаются итерации, и количество таких циклов в любом конкретном проекте могут различаться.
Это процесс принятия решений (часто итеративный), в котором фундаментальные науки, математика и инженерные науки применяются для оптимального преобразования ресурсов для достижения поставленной цели. Среди фундаментальных элементов процесса проектирования — установление целей и критериев, синтез, анализ, построение, тестирование и оценка. [1]
Важно понимать, что существуют различные рамки/сочленения процесса инженерного проектирования. Различная используемая терминология может иметь разную степень совпадения, что влияет на то, какие шаги излагаются явно или считаются «высокоуровневыми», а не подчиненными в любой конкретной модели. Это, конечно же, применимо и к любому конкретному примеру шагов/последовательностей, приведенных здесь.
В одном из примеров процесса инженерного проектирования очерчены следующие этапы: исследование, концептуализация, технико-экономическое обоснование, установление требований к проектированию, предварительное проектирование, детальное проектирование, планирование производства и проектирование инструментов, а также производство . [2] Другие, отмечая, что «разные авторы (как в исследовательской литературе, так и в учебниках) определяют разные фазы процесса проектирования с различными видами деятельности, происходящими внутри них», предложили более упрощенные/обобщенные модели – такие как определение проблемы, концептуальное проектирование , предварительный проект, рабочий проект и проектная коммуникация . [3] Другое краткое изложение процесса, взятое из европейской литературы по инженерному проектированию, включает разъяснение задачи, концептуальное проектирование, проектирование варианта реализации, детальное проектирование . [4] (ПРИМЕЧАНИЕ. В этих примерах другие ключевые аспекты, такие как оценка концепции и создание прототипов, являются подмножествами и/или расширениями одного или нескольких перечисленных шагов.)
Различные этапы процесса проектирования (и даже более ранние) могут потребовать значительного количества времени, затрачиваемого на поиск информации и исследования . [5] Следует учитывать существующую применимую литературу, проблемы и успехи, связанные с существующими решениями, затратами и потребностями рынка. [5]
Источник информации должен быть актуальным. Обратное проектирование может быть эффективным методом, если на рынке доступны другие решения. [5] Другие источники информации включают Интернет, местные библиотеки , доступные правительственные документы, частные организации, отраслевые журналы , каталоги поставщиков и отдельных экспертов . [5]
Установление требований к проектированию и проведение анализа требований , иногда называемого определением проблемы (или считающегося сопутствующей деятельностью), является одним из наиболее важных элементов процесса проектирования [6] , и эта задача часто выполняется одновременно с технико-экономическим обоснованием. Требования к проектированию контролируют проектирование разрабатываемого продукта или процесса на протяжении всего процесса инженерного проектирования. К ним относятся базовые вещи, такие как функции, атрибуты и спецификации , определяемые после оценки потребностей пользователя. Некоторые требования к проектированию включают параметры аппаратного и программного обеспечения, ремонтопригодность , доступность и тестируемость . [2]
В некоторых случаях проводится технико-экономическое обоснование , после которого разрабатываются графики, ресурсные планы и сметы следующего этапа. Технико-экономическое обоснование представляет собой оценку и анализ потенциала предлагаемого проекта для поддержки процесса принятия решений . В нем излагаются и анализируются альтернативы или методы достижения желаемого результата. Технико-экономическое обоснование помогает сузить рамки проекта и определить лучший сценарий. Создается технико-экономическое обоснование, после которого проводится пост-технико-экономическое обоснование.
Целью технико-экономического обоснования является определение того, может ли инженерный проект перейти на стадию проектирования. Это основано на двух критериях: проект должен основываться на достижимой идее и соответствовать ограничениям по стоимости . Важно, чтобы в этой части технико-экономического обоснования участвовали инженеры с опытом и здравым смыслом. [2]
Исследование концепции ( концептуализация , концептуальное проектирование ) часто является этапом планирования проекта, который включает в себя выработку идей и учет плюсов и минусов реализации этих идей. Этот этап проекта проводится для минимизации вероятности ошибки, управления затратами, оценки рисков и потенциального успеха намеченного проекта. В любом случае, как только инженерная проблема или проблема определена, необходимо определить потенциальные решения. Эти решения можно найти, используя мышление — умственный процесс, посредством которого генерируются идеи. Фактически, этот шаг часто называют « генерацией идей » или «генерацией концепции». Широко используются следующие методы: [2]
Различные сгенерированные идеи затем 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 в себя (также называемый FEED или базовый проект), часто устраняет разрыв между концепцией проекта и детальным проектированием, особенно в тех случаях, когда уровень концептуализации, достигнутый во время формирования 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 заметно зависит от области, отрасли и продукта.) Во время детального проектирования и оптимизации параметры создаваемой детали будут меняться, но предварительное проектирование фокусируется на создании общей структуры для построения проекта. [2]
С. Бланшар и Дж. Фабрики описывают это так: «Что?», инициирующее концептуальное проектирование, порождает «как» в результате усилий по оценке концептуального проекта, применяемых к осуществимым концепциям концептуального дизайна. Затем «как» учитываются при предварительном проектировании с помощью установленных требований. Там они становятся «что» и разрабатывают предварительный проект для решения «как» на этом более низком уровне».
После FEED следует этап детального проектирования (детального проектирования), который также может включать закупку материалов. На этом этапе дополнительно разрабатывается каждый аспект проекта/продукта путем полного описания посредством твердотельного моделирования , чертежей и спецификаций .
Программы компьютерного проектирования (САПР) сделали этап детального проектирования более эффективным. Например, программа САПР может обеспечить оптимизацию для уменьшения объема без ущерба для качества детали. Он также может рассчитывать напряжение и смещение , используя метод конечных элементов для определения напряжений во всей детали. [7]
Планирование производства и проектирование инструментов состоит из планирования того, как массово производить продукт и какие инструменты следует использовать в производственном процессе. Задачи, которые необходимо выполнить на этом этапе, включают выбор материалов, выбор производственных процессов, определение последовательности операций и выбор таких инструментов, как приспособления, приспособления, инструменты для резки металла и инструменты для формовки металла или пластмассы. Эта задача также включает в себя дополнительные итерации тестирования прототипа, чтобы гарантировать, что серийная версия соответствует стандартам квалификационного тестирования . [2]
Инженерное дело формулирует проблему, которую можно решить посредством проектирования. Наука формулирует вопрос, который может быть решен путем исследования. Процесс инженерного проектирования имеет некоторое сходство с научным методом . [8] Оба процесса начинаются с уже существующих знаний и постепенно становятся более конкретными в поисках 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 дизайне , творчестве и инновациях , тогда как научный процесс делает упор на открытиях (наблюдениях) .
В университетах преподаются и разрабатываются методы, в том числе: