Спочатку здійснюється функціональне проектування технічної сис­теми, тобто перехід від службової функції технічної системи до функ­ціональної структури, яка забезпечує принцип функціонування.

Принцип функціонування, або принцип дії — це сукупність фізич­них, хемічних та інших ефектів, законів і явищ природи, за допомогою яких реалізується бажана службова функція технічної системи. Необ­хідні для виконання службової функції фізико-хемічні ефекти певним чином зв'язуються між собою, утворюючи ланцюжок перетворень вхід­них дій у задані вихідні.

Схематично модель простого явища може бути зображена як фізич­не тіло е (тверде, рідке, газоподібне, їх поєднання, плазма, іони, моле­кули тощо), яке під дією зовнішнього впливу х видає на зовнішнє сере­довище дію y (рис. 1.12) при обмежувальних умовах g (вологість, концен­трація тощо).

Складне явище поєднує складові явища чи ефекти. Якщо кожне складове явище описане математично, то сукупність складових явищ опишеться за допомогою об'єднання їх моделей. Умовою такого об'єд­нання простих явищ чи ефектів є забезпечення відповідності умов на виході одного ефекту умовам на вході іншого. Наприклад, поєднання ефекту Джоуля-Ленца e₁ із явищем електрон­ної емісії для оксиду барію e₂, покладене в основу складного ефекту термоелектронної емісії, що використовується в більшості електронних приладів. Утворення цього складного ефекту представлене на рис. 1.13.

Метою функціонального проектування є створення принципу дії технічного об'єкта як системи взаємозв'язаних простих функцій. Тому проектування починається із декомпозиції службової функції об'єкта до множини простих функцій та встановлення зв'язків між ними. Ме­тою аналізу є взначення цих функцій та вибору раціональних видів зв'язків. При цьому слід брати до уваги наявність як основних функцій, які створюють прості фізичні ефекти, так і допоміжних.

Аналіз службової функції об'єкта грунтується на використанні сис­теми експлуатаційних показників, під якими розуміють характеристики технічної системи, що визначають якість виконання цієї функції та за­безпечують необхідний рівень її працездатності, довговічності, на­дійності та інших критеріїв якості. Ці показники дають змогу за допо­могою математичних моделей опису функціонування технічної систе­ми визначити множину функціональних параметрів Y(F), які характе­ризують технічну систему. Функціональний аналіз технічної системи передбачає створення математичних моделей функціонування об'єкта.

На цьому етапі структуризується службова функція, тобто будуєть­ся дерево цілей технічної системи шляхом декомпозиції за формальни­ми правилами службової функції технічної системи на множину прос­тих функцій, що зв'язані між собою відношеннями підпорядкування (рис. 1.14).

Ці прості функції створюють функціональний опис технічної систе­ми, що визначає її принцип дії. На першому рівні декомпозиції службо­ва функція технічної системи розглядається як результат спільної дії декількох основних функцій. Основні функції є результатом дії функцій першого рівня, а ці — результатом дії функцій другого рівня і так далі. Декомпозиція проводиться до одержання простих функцій, для реаліза­ції яких є очевидними конструктивні елементи.

Дерево функцій технічної системи матиме вигляд графа, вершини якого відображатимуть функції різних рівнів складності, а зв'язки — відношення підпорядкування між ними (рис. 1.15).

До функціонального опису технічної системи включаються лише прості функції останнього рівня декомпозиції, тобто ті, для яких легко вибрати конструктивні елементи, що необхідні для їх реалізації, а саме:

,

де f — проста функція найнижчого рівня декомпозиції.

Кожна проста функція зв'язана з парою елементів технічного об'єк­та. Один з цих елементів є активним, тобто носієм дії, інший — пасив­ним, на який спрямована ця дія. При описі простої функції вказуються дієслово, що задає дію, та пасивний елемент, на який спрямована ця дія. Якщо, наприклад, елемент 2 фіксується елементом 1 , то проста функ­ція f1 визначиться як f1 = <фіксувати елемент 2>. Глибша конкретиза­ція полягає в заданні функціональних параметрів, що описують конк­ретні умови реалізації функції, наприклад:

Множинність шляхів забезпечення однієї й тієї ж службової функ­ції технічної системи, що визначається можливістю використання різ­них законів природи, вимагає розгляду не

одного, а генерування на про­ектній операції G декількох варіантів принципів функціонування, до кож­ного з яких застосовуються певні методи аналізу та оцінки на операції W. Зменшення множини варіантів принципів дії технічної системи до­сягається при застосуванні математичних моделей, що описують її функ­ціонування, які отримані в результаті вивчення процесів, що відбува­ються в технічній системі.

Під час технічного проектування здійснюється перехід від функціо­нального до технічного опису об'єкта, що є найбільш важливим і най­менш формалізованим етапом, оскільки кожній функціональній струк­турі відповідає багато варіантів конструкції технічної системи. Розгля­немо, наприклад, технічну систему, що складається з п'яти деталей: А, В, С, D, Е. Декомпозиція службової функції визначила прості функції цієї технічної системи. Деталь А реалізує три прості функції, а саме: якісь механічні зв'язки з деталями В, С, D. Для їх реалізації деталь А повинна мати три конструктивні елементи — функціональні модулі по­верхонь (КЕ₁,КЕ₂,KE₃,) — (рис. 1.16). Відповідні взаємодії реалізуються конструктивними елементами деталей, що контактують з нею.

Рис.1.16. Зв'язок між функціональною структурою та конструкцією технічної системи.

Але кожен із цих конструктивних елементів може бути найрізнома­нітнішим, тому багатоваріантність задачі проектування зростає, оскіль­ки кожному варіантові принципу функціонування відповідає декілька варіантів конструкції об'єкта. Кожен із цих варіантів отриманої конс­трукції необхідно оцінити на відповідність заданим вимогам та обме­женням, щоб вибрати найкращий.

Приклад 1. Розглянемо функціональне проектування катодно-підіг­рівного вузла електронного приладу. Для катодно-підігрівного вузла основним експлуатаційним показником є час його розігрівання Тг, — час готовності. Для прискорення введення в робочий режим електрон­них приладів цей вузол повинен мати малий час готовності. Час готов­ності визначається тим, який фізичний ефект застосовується для передавання тепла у вакуумі від підігрівача до катода. Загальноприйнятий — передавання тепла випромінюванням у вакуумі. Для зменшення часу готовності для передавання тепла від підігрівача до катода було виріше­но використати фізичний ефект контактної теплопередачі крізь шар ке­раміки, через який припікається до катода підігрівач. У цьому випадку час нагрівання катода до робочої температури, тобто час готовності, зменшується в 4-5 разів. Конструкція такого катодного вузла повинна забезпечити електричну ізольованість катода від підігрівача, хороший тепловий контакт між ними, який не повинен порушуватись при циклічних нагріваннях та охолодженнях електронного приладу. Пі­дігрівач повинен бути повністю занурений у кераміку, щоб уникнути перегрівання та перегоряння його оголених витків через несприятливі умови відведення від них тепла.

Структуризація службової функції катодного вузла ”швидко нагріти катод” наведена в табл. 1.1. Вона включає три ступені розчленування. Мета створення розташована на першому рівні, на другому рівні розта­шовані основні функції, а на третьому — прості функції.

На другій проектній операції здійснюється технічне проектування, тобто вибір матеріальних елементів, які реалізують принцип функціо­нування. Для цього необхідно розглянути аспекти формального перехо­ду від функціонального до технічного опису технічної системи.

Таблиця 1.1