概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法研究

朱玉寧 ，曹國忠 ，劉 帥 ，張鳳偉

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2.國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心，天津 300130）

1 引言

現(xiàn)代產(chǎn)品發(fā)展的趨勢之一就是越來越多地采用輕量化設(shè)計(jì)，將輕量化作為一種作為一項(xiàng)長期戰(zhàn)略技術(shù)規(guī)劃可以明顯降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)對(duì)產(chǎn)品重量和資源消耗產(chǎn)生影響，從而取得持續(xù)的商業(yè)成功[1]。

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)輕量化并沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，歸納文獻(xiàn)[2]得出輕量化的定義：“產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)以最小重量實(shí)現(xiàn)所要求的功能、性能”。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)于輕量化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)已有一定的研究。文獻(xiàn)[3-5]基于拓?fù)鋬?yōu)化在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，但概念設(shè)計(jì)階段的本質(zhì)是根據(jù)需求產(chǎn)生原理方案，并非簡單的給定設(shè)計(jì)空間；現(xiàn)有的輕量化設(shè)計(jì)基本不考慮輕量化對(duì)象的選擇，以至于最終的輕量化產(chǎn)品不符合現(xiàn)有技術(shù)、成本。文獻(xiàn)[6]綜合闡述現(xiàn)有汽車輕量化評(píng)價(jià)方法，但沒有考慮輕量化對(duì)象經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性的綜合評(píng)價(jià)。

概念階段的輕量設(shè)計(jì)不僅保證輕量化產(chǎn)品滿足減重目的，而且能實(shí)現(xiàn)其他需求以提高設(shè)計(jì)效率、減少設(shè)計(jì)間的信息斷層；概念階段的輕量化評(píng)價(jià)能保證輕量化產(chǎn)品符合經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性要求，增加產(chǎn)品在市場中的競爭優(yōu)勢。

2 原理構(gòu)件

概念設(shè)計(jì)產(chǎn)生滿足需求的原理結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品原理結(jié)構(gòu)通常由效應(yīng)結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)組成[7]，效應(yīng)結(jié)構(gòu)可看作零部件在功能設(shè)計(jì)階段的初始形態(tài)。概念設(shè)計(jì)得到的圖形基本都以草圖形式存在，但輕量化設(shè)計(jì)要有三維設(shè)計(jì)空間來承載載荷、約束，因此效應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有部分幾何信息。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為原理結(jié)構(gòu)模型可包含功能信息、聯(lián)結(jié)信息，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展原理結(jié)構(gòu)的信息模型以適應(yīng)輕量化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)。綜上所述定義“效應(yīng)結(jié)構(gòu)及諸多信息（需求信息、幾何信息、材料信息、制造信息）的綜合體”為原理構(gòu)件（Principle Component），其表達(dá)形式，如式（1）所示。

式中：PC—原理構(gòu)件；

I_N—需求信息；

I_G—幾何信息；

I_P—工藝信息；

I_M—材料信息。

原理構(gòu)件的需求信息按“原理構(gòu)件—原理結(jié)構(gòu)—功能—需求”逆向推導(dǎo)獲??；幾何信息僅需表達(dá)輪廓的三維邊界以及功能面；工藝信息、材料信息由設(shè)計(jì)人員與用戶商討決定。

3 輕量化對(duì)象選擇

理想化水平是TRIZ 重要的基本概念之一，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中起著重要作用。文獻(xiàn)[9]給出理想化水平表達(dá)式，如式（2）所示。

式中：Ideality—理想化水平；

F—功能；

P—性能；

Cost—成本；

Harms—危害；

α、β—調(diào)節(jié)系數(shù)。

對(duì)式（2）作變形處理后，如式（3）所示。分母中提取出重量m，引入Ce（單位重量的成本）、He（單位重量的危害）的概念。

∑F·P/m 表示重量與功能、性能成反比，可闡述輕量化的定義；α/（∑Ce+∑β·He）表示成本、危害的影響。因此，式（3）可理解成：“理想化水平是考慮產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)成本、危害下的輕量化程度”，理想化水平可作為輕量化對(duì)象選擇的判斷依據(jù)。

改變理想化水平式（2）以適用原理構(gòu)件的定量計(jì)算。將F、P、Cost、Harms 用權(quán)重表示；α 的倍數(shù)作用不影響理想化水平的數(shù)值排序，故令α=1；β 為原理構(gòu)件各種危害的權(quán)重，在考慮一種危害時(shí) β=1；最終公式，如式（4）所示。

式中：IPCi—原理構(gòu)件的理想化水平—功能重要度系數(shù)、性能重要度系數(shù)、成本系數(shù)、危害系數(shù)。

在功能模型的基礎(chǔ)上根據(jù)創(chuàng)新軟件TechOptimizer 中評(píng)估元件功能等級(jí)的規(guī)則來確定原理構(gòu)件的功能等級(jí)數(shù)值，從而求解。

性能在產(chǎn)品、零部件間傳遞，零部件的參數(shù)（材料、剛度等）影響產(chǎn)品的性能。采用QFD 建立原理構(gòu)件參數(shù)與產(chǎn)品性能間的HOQ，HOQ 中關(guān)系矩陣表示產(chǎn)品性能與原理構(gòu)件參數(shù)之間關(guān)系的定性評(píng)價(jià)，定性關(guān)系用圖形符號(hào)“空白（無關(guān)）、△（弱相關(guān)）、○（中等相關(guān)）、●（強(qiáng)相關(guān)）”表示兩者之間影響的強(qiáng)弱關(guān)系，用0、1、3、9 代替空白、△、○、●計(jì)算性能關(guān)系強(qiáng)度值。產(chǎn)品存在多個(gè)性能時(shí)，利用產(chǎn)品性能權(quán)重（層次分析法求解）和性能關(guān)系強(qiáng)度值相乘求解。

為原理構(gòu)件作原材料獲取、制造、運(yùn)輸、使用和報(bào)廢回收五個(gè)階段的全生命周期分析，并在GaBi（全生命周期分析軟件）中選擇或創(chuàng)建方案、工藝、流等建立相應(yīng)原理構(gòu)件的GaBi 模型，以此求解。

4 概念設(shè)計(jì)階段輕量化評(píng)價(jià)過程

輕量化綜合評(píng)價(jià)中多關(guān)注產(chǎn)品性能變化，而很少涉及產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性評(píng)價(jià)。理想化水平能綜合考慮成本、危害兩方面，因此可用輕量化對(duì)象在減重前后的理想化水平變化率評(píng)價(jià)輕量化結(jié)果的可行性。理想化水平變化率ΔI，如式（5）所示。

式中：ΔI—原理構(gòu)件理想化水平變化率；用上標(biāo)PCi 和下標(biāo)B 代表輕量化對(duì)象減重前的狀態(tài)，上標(biāo)TOi 和下標(biāo)L 代表輕量化對(duì)象減重后的狀態(tài)。

式（5）中成本、危害的計(jì)算仍采用基于GaBi 的全生命周期分析。成本與危害量綱的不同可根據(jù)《環(huán)境保護(hù)稅法》污染物與稅的關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換；性能的分析基于Inspire 的有限元分析功能。

計(jì)算式（5）得到 ΔI 值，ΔI＞1 則可認(rèn)為輕量化提高了原理構(gòu)件的理想化水平。

5 概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)流程

概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)流程的步驟如下：

（1）面向輕量化的概念設(shè)計(jì)與原理構(gòu)件界定。采用EE-FBS功能模型從需求得到產(chǎn)品原理結(jié)構(gòu)，拆分原理結(jié)構(gòu)得原理構(gòu)件，并建立原理構(gòu)件的表達(dá)形式。

（2）基于原理構(gòu)件理想化水平的輕量化對(duì)象選擇?；诠δ苣Ｐ?、QFD、全生命周期分析求解，選取最適合曲線外的原理構(gòu)件作為輕量化對(duì)象。

（3）基于Inspire 的輕量化設(shè)計(jì)。

（4）基于理想化水平變化率的輕量化結(jié)果評(píng)價(jià)。分析輕量化前后輕量化對(duì)象性能、成本、危害的變化，計(jì)算理想化水平變化率，當(dāng) ΔI ＞1 時(shí)，輕量化結(jié)果可行。

（5）詳細(xì)設(shè)計(jì)。

綜合上述（1）～（5）的步驟得到概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)流程，如圖1 所示。

圖1 概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)流程Fig.1 Process of Product Lightweight Design and Evaluation at Conceptual Design Stage

6 應(yīng)用實(shí)例

隨著國內(nèi)外反恐形勢越來越嚴(yán)峻，阻車器被廣泛應(yīng)用。阻車器是一種用于交通管理的產(chǎn)品，但現(xiàn)有阻車器的形式無法應(yīng)對(duì)緊急且地點(diǎn)多變的情況，比如酒駕、逃逸等。原因在于阻車器大都需要提前施工來固定阻車器，因此，亟需一款便攜、布防方便、操作簡便的阻車器。

6.1 面向輕量化的概念設(shè)計(jì)與原理構(gòu)件界定

功能需求：“穩(wěn)定車輛角度”、“保持車輛位置”、“連接固體”、“改變狀態(tài)”、“改變位置”。

性能需求：“抗沖擊：33.4KN”、“重量＜25kg”、“尺寸范圍：長＜1100mm、寬度＜600mm、高度＜400mm”、“操作性：工作時(shí)間＜2min”。

根據(jù)功能需求建立便攜式阻車器的效應(yīng)鏈組合，如圖2 所示。在通過分解、映射等步驟產(chǎn)生便攜式阻車器的原理結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖2 便攜式阻車器效應(yīng)鏈Fig.2 Effect Chain of Portable Car Arrester

式中：S1—上部連接桿；S2—防撞矩形管；S3—承重矩形管；S4—底部連接桿；S5—移動(dòng)輪；S6—支撐塊；S7—矩形管連接件。

圖3 便攜式阻車器的原理結(jié)構(gòu)Fig.3 Principle Structure of Portable Car Arrester

拆分便攜式阻車器的原理結(jié)構(gòu)得原理構(gòu)件，并建立原理構(gòu)件表達(dá)形式。

S1=｛“連接固體”；“空心方管鋼（40*40*5）長 460mm、連接孔面”；“切割-打孔”；“Q235”｝；

S2=｛“ 穩(wěn) 定 車 輛 角 度 ”、“ 保 持 車 輛 位 置 ”；“ 空 心 扁 鋼（100*50*5）長700mm、與汽車、支撐塊、矩形連接件接觸面、與移動(dòng)輪的連接孔面”；“切割-打孔”；“Q235”｝；

S3=｛“ 穩(wěn) 定 車 輛 角 度 ”、“ 保 持 車 輛 位 置 ”；“ 空 心 扁 鋼（100*50*5）長 900mm、與矩形管連接件、汽車接觸面”；“切割-打孔”；“Q235”｝；

S4=｛“連接固體”；“空心方管鋼（40*40*5）長 460mm、連接孔面”；“切割-打孔”；“Q235”｝；

S5=｛“改變位置”；“直徑80mm、與防撞矩形管的連接孔面”；“熔鑄”；“聚氨酯”｝；

S6=｛“穩(wěn)定車輛角度”；“槽鋼（100*48*5.3）長 100mm、與防撞矩形管、地面的接觸面”；“切割”；“Q235”｝；

S7=｛“改變位置”；“鋼板厚度10mm、與防撞矩形管、承重矩形管的接觸面”；“切割-打孔”；“Q235”｝。

根據(jù)幾何信息得到便攜式阻車器的三維模型圖，如圖4 所示。

圖4 便攜式阻車器的三維模型Fig.4 Three Dimensional Model of Portable Car Arrester

原理結(jié)構(gòu)的重量，如表1 所示。則原理結(jié)構(gòu)總重是25.581kg，略大于需求“重量＜25kg”，但重量越輕越好。經(jīng)Inspire 的有限元分析知原理構(gòu)件最小安全系數(shù)＞1，故滿足性能需求：“抗沖擊：33.4KN”，分析結(jié)果，如圖5 所示。

表1 原理構(gòu)件的重量Tab.1 Weight of Principle Component

6.2 基于原理構(gòu)件理想化水平的輕量化對(duì)象選擇

（1）原理結(jié)構(gòu)的功能模型及等級(jí)數(shù)值，如圖6 所示。原理構(gòu)件的功能等級(jí)數(shù)值，計(jì)算結(jié)果，如圖6 所示。

圖5 原理結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)Fig.5 Safety Factor of Principle Structure

圖6 原理結(jié)構(gòu)的功能模型及等級(jí)數(shù)值Fig.6 Function Model and Grade Value of Principle Structure

（2）建立原理構(gòu)件參數(shù)與產(chǎn)品性能的HOQ，如表2 所示。統(tǒng)計(jì)原理構(gòu)件參數(shù)與產(chǎn)品性能的強(qiáng)弱關(guān)系，以層次分析法計(jì)算“抗沖擊”、“重量＜25kg”、“尺寸范圍”、“操作性”的權(quán)重分別為0.4、0.3、0.15、0.15，產(chǎn)品性能權(quán)重與性能關(guān)系強(qiáng)度值的乘積，如表4 所示。

表2 原理構(gòu)件的HOQTab.2 HOQ of Principle Component

（3）根據(jù)原理構(gòu)件的幾何信息、材料信息、工藝信息作全生命周期的分析。

原材料獲取階段：S1、S2、S3、S4、S6、S7采用電弧爐煉鋼法或得鋼錠或鋼坯，再加工成所需型號(hào)的鋼板、方管等；S5采用聚氨酯。

制造階段：S1、S2、S3、S4、S6、S7采用激光一體機(jī)切割打孔，S5采用熔鑄方法，分別計(jì)算機(jī)器消耗的電量，如表3 所示。

表3 原理構(gòu)件的用電量Tab.3 Power Consumption of Principle Component

使用階段、運(yùn)輸階段、廢棄回收階段：阻車器使用階段不需消耗能量。方鋼、扁鋼等原材料的運(yùn)輸距離為25km，成品交付給商家的運(yùn)輸距離為100km。因汽車碰撞阻車器后，其原理構(gòu)件僅產(chǎn)生的變形，廢鋼回收率為90%。

承重矩形管的生命周期過程為：電弧爐煉鋼—鋼板—鋼板運(yùn)輸—制造—原理構(gòu)件運(yùn)輸—使用—回收，GaBi 模型，如圖7 所示。其他原理構(gòu)件的GaBi 模型建立相似。

圖7 承重矩形管的GaBi 模型Fig.7 GaBi Model of Rectangular Tube Bearing

危害影響選GWP 作為指標(biāo)，由GaBi 的平衡表運(yùn)算得到GWP、LCC 的數(shù)據(jù)，如表4 所示。

表4 原理構(gòu)件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Data Statistics of Principle Component

以ωF·P和ωC+H建立理想化水平坐標(biāo)系并將原理構(gòu)件分布于坐標(biāo)系中，以最適合區(qū)域法選擇輕量化對(duì)象，如圖8 所示。

由圖8 可知：防撞矩形管處于左上區(qū)域，作為次要輕量化對(duì)象；承重矩形管處于右下區(qū)域，作為首要輕量化對(duì)象。

圖8 理想化水平坐標(biāo)系Fig.8 Idealized Horizontal Coordinate System

6.3 基于Inspire 的輕量化設(shè)計(jì)

應(yīng)用Inspire 軟件優(yōu)化承重矩形管、防撞矩形管以獲得輕量化結(jié)果，如圖9、圖10 所示。

圖9 承重矩形管的輕量化結(jié)果Fig.9 Lightweight Results of Rectangular Tube Bearing

圖10 防撞矩形管的輕量化結(jié)果Fig.10 Lightweight Results of Collision Prevention Rectangular Tube

6.4 基于理想化水平變化率的輕量化結(jié)果評(píng)價(jià)

經(jīng)Inspire 分析和全生命周期分析計(jì)算輕量化前后的性能、成本、危害的數(shù)值，并按10 元/噸二氧化碳將GWP 轉(zhuǎn)變成LCC[10]數(shù)據(jù)，如表5 所示。

表5 輕量化前后性能、成本、危害的數(shù)值Tab.5 Value of Performance，Cost，and Harm Before and After Lightweight

根據(jù)式（5）計(jì)算承重矩形管、防撞矩形管的理想化水平變化率，承重矩形管的ΔI 為：

防撞矩形管的ΔI 為：

承重矩形管、防撞矩形管的ΔI＞1，因此兩者輕量化結(jié)果都是合格的。便攜式阻車器經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)后減重8.233kg，符合需求“重量＜25kg”，并且便攜式阻車器也符合其他需求，因此可以進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

6.5 詳細(xì)設(shè)計(jì)

便攜式阻車器工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)，如圖11、圖12 所示。

圖11 便攜式阻車器的工作狀態(tài)Fig.11 Working State of Portable Car Arrester

圖12 便攜式阻車器非工作狀態(tài)Fig.12 Off Working State of Portable Car Arrester

7 結(jié)論

（1）融合理想化水平、可持續(xù)性設(shè)計(jì)和Inspire，用以構(gòu)建滿足用戶需求的輕量化設(shè)計(jì)方案，在輕量化實(shí)現(xiàn)階段由后端詳細(xì)設(shè)計(jì)向前端概念設(shè)計(jì)前移方面進(jìn)行了有益的嘗試。（2）提出基于理想化水平變化率的輕量化綜合評(píng)價(jià)方法。引入理想化水平變化率ΔI，綜合功能、性能、成本和可持續(xù)性來評(píng)判原理構(gòu)件的輕量化結(jié)果的合理性。