機(jī)械產(chǎn)品面向可變功能再設(shè)計(jì)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究

徐靈浩 ,賀華波*

（1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211;2.浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 寧波 315211）

可變功能機(jī)械是指通過(guò)調(diào)整構(gòu)件的連接方式或更換系統(tǒng)構(gòu)件來(lái)獲得不同功能的機(jī)械系統(tǒng)[1],具有功能利用率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),市場(chǎng)前景良好.其設(shè)計(jì)方法之一是在已有機(jī)械產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的功能變更再設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)其既有功能的變更,引入新功能,使其具備可變功能[2].不過(guò)在對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行功能變更再設(shè)計(jì)過(guò)程中,該產(chǎn)品所處的工作環(huán)境也會(huì)發(fā)生較大變更.然而,與目前大多數(shù)產(chǎn)品一樣,產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往側(cè)重于產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì),忽視了環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品所造成的影響.產(chǎn)品如果不能很好地適應(yīng)其工作環(huán)境,會(huì)對(duì)產(chǎn)品的壽命、使用性能和可靠性等產(chǎn)生不利影響.為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)產(chǎn)品與其工作環(huán)境之間的關(guān)系展開(kāi)了深入的研究.文獻(xiàn)[3]給出了環(huán)境適應(yīng)性定義;高貴福等[4]針對(duì)飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)不足的現(xiàn)狀提出采用環(huán)境仿真和驗(yàn)證試驗(yàn)相結(jié)合的手段,并逐步形成產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)規(guī)范;陳典斌等[5]通過(guò)分析裝備環(huán)境適應(yīng)性要求,基于仿真計(jì)算提出了環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)機(jī)制;胥澤奇等[6]簡(jiǎn)要分析了我國(guó)裝備環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)工作的現(xiàn)狀,介紹了裝備環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的內(nèi)容及主要方法,指出裝備環(huán)境適應(yīng)性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)裝備環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的重要作用,建議通過(guò)自然環(huán)境試驗(yàn)或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的方法獲取裝備環(huán)境適應(yīng)性基礎(chǔ)數(shù)據(jù);涂強(qiáng)[7]將工作環(huán)境作為主要影響因素之一,對(duì)可變功能產(chǎn)品進(jìn)行了可靠性預(yù)測(cè)分析,為產(chǎn)品可靠性研究提供了一定的理論基礎(chǔ);Deng 等[8]在機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)中,引入工作環(huán)境概念,并通過(guò)輸入輸出作用流來(lái)表達(dá)行為,提出了功能-行為-結(jié)構(gòu)-環(huán)境的功能設(shè)計(jì)信息模型.但目前有關(guān)現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品面向可變功能變更再設(shè)計(jì)后對(duì)新工作環(huán)境的適應(yīng)性研究仍較為鮮見(jiàn).

本文針對(duì)產(chǎn)品功能變更再設(shè)計(jì)后所處新工作環(huán)境中的有害環(huán)境對(duì)產(chǎn)品造成的影響進(jìn)行研究.基于對(duì)變更前后產(chǎn)品功能-結(jié)構(gòu)的變化分析,提出了功能-環(huán)境模型,結(jié)合相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)展開(kāi)適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究,使產(chǎn)品進(jìn)行變更設(shè)計(jì)后仍能高效地適應(yīng)新的工作環(huán)境,為機(jī)械產(chǎn)品面向可變功能再設(shè)計(jì)后的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供參考.

1 產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)和環(huán)境變更分析

相較于其他傳統(tǒng)機(jī)械,可變功能機(jī)械在總體設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究更為必要和迫切.如果變更后的產(chǎn)品不能適應(yīng)新環(huán)境,將會(huì)影響到產(chǎn)品的正常使用性能和可靠性,最終導(dǎo)致變更設(shè)計(jì)的失敗.例如在粉碎機(jī)向榨汁機(jī)的功能變更再設(shè)計(jì)中,其工作環(huán)境從干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槌睗?如果其動(dòng)力系統(tǒng)部分沒(méi)有進(jìn)行防潮密封的適應(yīng)性設(shè)計(jì),產(chǎn)品極有可能在執(zhí)行榨汁功能時(shí)造成部分電子器件短路,造成產(chǎn)品故障和嚴(yán)重的安全隱患.

1.1 功能、結(jié)構(gòu)變更分析

功能是設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)目的或設(shè)計(jì)意圖的抽象描述[9].可變功能機(jī)械產(chǎn)品的總功能可逐級(jí)分為若干子功能,這些子功能間存在一定的邏輯關(guān)系,各子功能相互協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的總功能[10].若子功能發(fā)生故障可能導(dǎo)致功能鏈的不完整,最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效.在對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行變更再設(shè)計(jì)時(shí),由于客戶需求的改變,產(chǎn)品的總功能也隨之改變,故產(chǎn)品的子功能以及子功能間的相互關(guān)系也需要進(jìn)行相應(yīng)的變更和重組.從功能角度出發(fā),在總功能的變更過(guò)程中,針對(duì)子功能的變更操作主要有增添、刪減和替換子功能3 種方法.在進(jìn)行變更再設(shè)計(jì)時(shí),通常需要混合使用這3 種方 法,以最終滿足目標(biāo)功能要求的功能鏈.由于不同子功能又對(duì)應(yīng)多個(gè)不同的結(jié)構(gòu),產(chǎn)品功能的變更必須通過(guò)結(jié)構(gòu)的變更才能實(shí)現(xiàn).因此,可以根據(jù)功能-結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系,建立功能-結(jié)構(gòu)變更圖來(lái)描述變更前后的結(jié)構(gòu)關(guān)系變化.

1.2 內(nèi)、外環(huán)境因子

任何機(jī)械產(chǎn)品在使用過(guò)程中都有其工作環(huán)境,可以通過(guò)一系列背景環(huán)境加以表達(dá)[11].產(chǎn)品在進(jìn)行功能變更再設(shè)計(jì)后,由于目標(biāo)功能發(fā)生了改變,往往意味著產(chǎn)品使用時(shí)的工作環(huán)境也會(huì)發(fā)生改變,從而可能面臨新的有害環(huán)境.如果變更后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體不能適應(yīng)這種新環(huán)境,將對(duì)產(chǎn)品的功能造成影響,并最終影響產(chǎn)品的正常使用.有害環(huán)境一般通過(guò)2 種作用對(duì)產(chǎn)品的功能產(chǎn)生影響:(1)直接作用,即環(huán)境因子直接施加在產(chǎn)品構(gòu)件上,對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響到產(chǎn)品的功能,最后影響產(chǎn)品的正常使用.(2)間接作用,即環(huán)境因子通過(guò)與產(chǎn)品間的相互物理作用,向系統(tǒng)內(nèi)部輸入有害的動(dòng)作,由此對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的行為和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,使系統(tǒng)產(chǎn)生副作用輸出,進(jìn)而影響產(chǎn)品的功能,這種關(guān)系可能包括一切作用,可以是力、力矩、移動(dòng)等.

基于不同環(huán)境因子對(duì)產(chǎn)品功能產(chǎn)生影響的不同作用方式,可以將環(huán)境因子分為外環(huán)境因子和內(nèi)環(huán)境因子.外環(huán)境因子主要包括溫度、濕度、砂塵、氣壓等直接作用在結(jié)構(gòu)體上的環(huán)境因子,例如濕度過(guò)高容易導(dǎo)致產(chǎn)品中某些電子器件的短路和結(jié)構(gòu)體表面的化學(xué)腐蝕等;內(nèi)環(huán)境因子主要包括振動(dòng)、沖擊、穩(wěn)態(tài)力等通過(guò)間接作用對(duì)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響的環(huán)境因子,如振動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)中行為以及構(gòu)件連接的穩(wěn)定,降低機(jī)械設(shè)備的工作精度,加劇構(gòu)件磨損,甚至引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞等.

2 功能-環(huán)境模型

2.1 功能-環(huán)境模型的構(gòu)建

以龔勛等[12]提出的環(huán)境剖面基因模型為參考,建立產(chǎn)品的功能-環(huán)境模型:

式中:F為功能;E為外環(huán)境因子;I為內(nèi)環(huán)境因子.

式中:Fi為子功能;Ei為Fi對(duì)應(yīng)的外環(huán)境因子集合;Ii為Fi所對(duì)應(yīng)的內(nèi)環(huán)境因子集合.

外環(huán)境因子和內(nèi)環(huán)境因子按作用于不同的子功能分別構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的序列,同時(shí)作用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu),對(duì)產(chǎn)品的性能、可靠性和壽命產(chǎn)生影響.

三大主要元素分別構(gòu)成功能-環(huán)境模型的主鏈和分支鏈,其中主鏈由子功能構(gòu)成,是整個(gè)功能-環(huán)境模型的核心.外環(huán)境因子和內(nèi)環(huán)境因子構(gòu)成功能-環(huán)境模型的枝葉結(jié)構(gòu),形成分支鏈,分別位于主鏈的兩側(cè),對(duì)應(yīng)子功能形成獨(dú)立序列,由于其作用關(guān)系平等,因此采取隨機(jī)排列連接方式.功能-環(huán)境模型如圖1 所示.

圖1 功能-環(huán)境模型示例

2.2 功能-環(huán)境模型變更分析

產(chǎn)品在進(jìn)行功能變更操作時(shí),子功能及各子功能所對(duì)應(yīng)的環(huán)境因子也在發(fā)生變化.為此,功能-環(huán)境模型也將相應(yīng)發(fā)生改變.功能-環(huán)境模型的變更是通過(guò)模型內(nèi)部的變更操作實(shí)現(xiàn).主鏈因子的變更操作形式主要包括主鏈因子的增添、刪減和替換,其中所對(duì)應(yīng)的分支鏈因子也隨主鏈因子的變化而變化.

(1)主鏈因子增添.由于客戶需求變更,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能變更設(shè)計(jì),相對(duì)原功能需要增加新的子功能來(lái)滿足需求.

(2)主鏈因子刪減.由于客戶需求變更,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能變更設(shè)計(jì),原產(chǎn)品部分子功能不再使用,部分子功能對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要卸除.

(3)主鏈因子替換.由于客戶需求變更,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能變更設(shè)計(jì),用一個(gè)新的子功能來(lái)替換原來(lái)的子功能,2 個(gè)子功能間具有互換性.

(4)分支鏈因子增添.由于產(chǎn)品執(zhí)行變更操作后,產(chǎn)品所處的有害環(huán)境發(fā)生了改變,相對(duì)變更前,變更后的有害環(huán)境增添了新的內(nèi)、外環(huán)境因子.

(5)分支鏈因子刪減.由于產(chǎn)品執(zhí)行變更操作后,產(chǎn)品所處的有害環(huán)境發(fā)生了改變,相對(duì)新工作環(huán)境,某些在變更前的有害環(huán)境中的內(nèi)、外環(huán)境因子已不再存在.

(6)分支鏈因子擴(kuò)大.由于產(chǎn)品執(zhí)行變更操作后,產(chǎn)品所處的有害環(huán)境發(fā)生了改變,相對(duì)應(yīng)變更前,雖然環(huán)境因子的種類未改變,但在量上相較之前對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的不利影響變得更為明顯.

由于產(chǎn)品變更再設(shè)計(jì)操作的復(fù)雜性和工作環(huán)境的多樣性,這6 種操作往往同時(shí)混合進(jìn)行,形成新的功能-環(huán)境模型(圖2),其中M′ = (F′,E′,I′),在該功能-環(huán)境變更模型中,同時(shí)發(fā)生了主鏈因子和分支鏈因子的變更.主鏈因子變更的形式表現(xiàn)為:原子功能F4和F5被刪減,增添了新子功能F7、F8和F9,這些子功能對(duì)應(yīng)的外環(huán)境因子和內(nèi)環(huán)境因子隨之發(fā)生變化.分支鏈因子的變更形式表示為子功能F2增添了內(nèi)環(huán)境因子i23,刪減了外環(huán)境因子e23和e24;子功能F3增添了內(nèi)環(huán)境因子i34和外環(huán)境因e34,內(nèi)環(huán)境因子i33擴(kuò)大,最終形成變更后產(chǎn)品的功能-環(huán)境模型.

圖2 功能-環(huán)境變更模型示例

3 功能-環(huán)境差序模型

3.1 功能-環(huán)境差序模型的構(gòu)建

功能-環(huán)境模型的差序計(jì)算,有助于實(shí)現(xiàn)變更后結(jié)構(gòu)體對(duì)新工作環(huán)境的快速適應(yīng)性設(shè)計(jì).在變更前的功能-環(huán)境模型M和變更后的功能-環(huán)境模型M′基礎(chǔ)上構(gòu)建功能-環(huán)境差序模型:

產(chǎn)品的功能-環(huán)境差序模型可以較好地反映產(chǎn)品功能變更再設(shè)計(jì)后各子功能變化以及明確各子功能所受到的環(huán)境因子變化狀況.在功能-環(huán)境差序模型中,如果面對(duì)新增添和擴(kuò)大的環(huán)境因子,變更后產(chǎn)品子功能所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體無(wú)法適應(yīng),則需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和改進(jìn)設(shè)計(jì);而對(duì)因環(huán)境因子缺失所致的部分結(jié)構(gòu)冗余,則可以選擇將冗余結(jié)構(gòu)拆卸.通過(guò)功能-環(huán)境差序圖,以變更后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體為母版,針對(duì)不同的環(huán)境因子變化,采取不同的設(shè)計(jì)手段,可以設(shè)計(jì)出滿足客戶需求和新工作環(huán)境的新產(chǎn)品.

3.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)復(fù)雜度評(píng)估

由于變更后產(chǎn)品所處環(huán)境的多樣性,某些情況下會(huì)導(dǎo)致變更后產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜,這也必然引起產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作量和產(chǎn)品成本的增加,這樣的變更設(shè)計(jì)是不合理的,必須重新開(kāi)始進(jìn)行產(chǎn)品的功能變更設(shè)計(jì).為此,針對(duì)功能-環(huán)境差序模型建立環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)復(fù)雜度評(píng)估數(shù)學(xué)模型,以分析其變更操作對(duì)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)難度的影響量.設(shè)子功能Fi對(duì)變更后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)難度的影響函數(shù)為yi,影響函數(shù)yi由影響參數(shù)X組成.由于主鏈子功能刪減和分支鏈環(huán)境因子刪減都不會(huì)對(duì)變更后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響,因此只對(duì)該模型中增添、替換以及環(huán)境因子的擴(kuò)大進(jìn)行研究.當(dāng)主鏈因子發(fā)生增添和替換操作時(shí),也會(huì)隨之新增大量的新的環(huán)境因子,故其影響函數(shù)為yi(Δx);當(dāng)主鏈因子不變,只有分支鏈因子變化時(shí),其影響參數(shù)X的波動(dòng)為Δx,影響函數(shù)為yi(Δx).分支鏈上的環(huán)境因子通過(guò)作用于產(chǎn)品的子功能對(duì)變更設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響,即任一分支鏈的環(huán)境因子Ei或Ii對(duì)應(yīng)一個(gè)影響系數(shù)γis,共同作用于影響函數(shù),形成子功能Fi的綜合環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)波動(dòng)函數(shù):

式中:0 ≤γis≤1,0 ≤yi(x) ≤1 0,0 ≤yi(Δx) ≤1 ,ni為功能-環(huán)境差序模型中子功能所對(duì)應(yīng)的分支鏈中外環(huán)境因子和內(nèi)環(huán)境因子的總數(shù)量.對(duì)主鏈中所有子功能的綜合環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)波動(dòng)函數(shù)進(jìn)行累加計(jì)算,得到用以評(píng)估再設(shè)計(jì)復(fù)雜度的功能-環(huán)境差序模型的總環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)波動(dòng)函數(shù)ΔY:

式中:k為功能-環(huán)境差序模型中主鏈上的因子數(shù)量之和.

將總環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)波動(dòng)函數(shù)(ΔY)的具體值與影響參數(shù)許用值(σ)進(jìn)行比較,其中σ由不同企業(yè)設(shè)計(jì)人員,根據(jù)企業(yè)不同產(chǎn)品的實(shí)際情況,對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作量、設(shè)計(jì)周期和成本進(jìn)行約束,結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),得到一個(gè)設(shè)計(jì)合理性的參照值.若ΔY≤σ,則證明此功能變更再設(shè)計(jì)具有合理性,可繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì),否則可放棄環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì),重新進(jìn)行功能設(shè)計(jì),以保證產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)其規(guī)定的任務(wù).

4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)路徑及技術(shù)手段

將功能-環(huán)境差序模型和功能-結(jié)構(gòu)映射方法相結(jié)合,可以進(jìn)行變更后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì).由于可變功能機(jī)械系統(tǒng)的特殊性,在進(jìn)行此類適應(yīng)性設(shè)計(jì)前,需結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)先判斷變更后的結(jié)構(gòu)體能否適應(yīng)新的工作環(huán)境.如果結(jié)構(gòu)體能夠適應(yīng)新環(huán)境,則無(wú)需進(jìn)行此設(shè)計(jì);反之,則需要對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn).基于楊銘等[13]對(duì)機(jī)電設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性研究中所提及的控制策略,本文提出針對(duì)可變功能機(jī)械系統(tǒng)的2 條環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)路徑:(1)通過(guò)提高變更后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體的自身性能,提高其對(duì)新的有害環(huán)境影響的抵抗力.(2)通過(guò)降低產(chǎn)品使用時(shí)實(shí)際受到的環(huán)境因素影響,提高其對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)能力.

針對(duì)以上2 條設(shè)計(jì)路徑,提出4 種減弱有害環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品影響的技術(shù)手段:(1)強(qiáng)化技術(shù),即對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng),以提高結(jié)構(gòu)自身的抵抗力,如采用冗余技術(shù),選取更高性能的構(gòu)件,使產(chǎn)品處于不飽和工作狀態(tài),以提高產(chǎn)品自身對(duì)有害環(huán)境影響的抵抗力.(2)隔離技術(shù),即采用隔離裝置或材料、涂鍍層等技術(shù)將實(shí)際環(huán)境與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)隔離,降低產(chǎn)品在實(shí)際工作時(shí)受到環(huán)境因素的影響,如密封設(shè)計(jì),防腐蝕設(shè)計(jì)等.(3)減振技術(shù),即采用緩沖減振設(shè)計(jì)或裝置來(lái)降低產(chǎn)品所受到的沖擊,以降低產(chǎn)品在工作環(huán)境中的振動(dòng)沖擊.(4)溫控技術(shù),即通過(guò)對(duì)溫度的控制來(lái)降低產(chǎn)品受到溫度效應(yīng)的影響,提高產(chǎn)品在工作中對(duì)環(huán)境溫度變化的抵抗能力.

在實(shí)際設(shè)計(jì)中,由于環(huán)境因子的多樣性和復(fù)雜性,通常需要混合使用各種技術(shù)手段.

4.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)流程

可變功能機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的目標(biāo)是確保所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在不同功能的使用時(shí),能夠保證功能切換后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)新工作環(huán)境的要求,這一設(shè)計(jì)流程(圖3)可以分為4 個(gè)步驟.

圖3 可變功能機(jī)械產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)流程

步驟1功能、結(jié)構(gòu)和環(huán)境變更前后變化分析.通過(guò)對(duì)產(chǎn)品功能變更再設(shè)計(jì)分析,建立產(chǎn)品變更前后的功能邏輯圖和結(jié)構(gòu)關(guān)系圖,并明確產(chǎn)品變更前后有害環(huán)境的變化.

步驟2構(gòu)建功能-環(huán)境模型.以產(chǎn)品的子功能鏈為主鏈,各子功能所處的內(nèi)環(huán)境因子和外環(huán)境因子為分支鏈,分別排列在對(duì)應(yīng)的主鏈因子上下兩側(cè),構(gòu)成功能-環(huán)境模型.

步驟3構(gòu)建功能-環(huán)境差序模型.基于變更前功能-環(huán)境模型M和變更后功能-環(huán)境模型M′,構(gòu)建功能-環(huán)境差序模型 ΔM=M′ -(M′∩M).并結(jié)合環(huán)境適應(yīng)性波動(dòng)函數(shù)ΔY來(lái)評(píng)估環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)復(fù)雜度,進(jìn)而判斷變更設(shè)計(jì)的合理性.

步驟4優(yōu)化和改進(jìn)等適應(yīng)性設(shè)計(jì).根據(jù)功能-環(huán)境的差序模型和功能-結(jié)構(gòu)的映射,對(duì)不能適應(yīng)新環(huán)境的變更后結(jié)構(gòu)體進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì),最終得到完整的產(chǎn)品變更設(shè)計(jì)方案.

5 案例分析

對(duì)單一功能的角磨機(jī)進(jìn)行功能變更再設(shè)計(jì),使其可以通過(guò)更換部分構(gòu)件變?yōu)橐话央婁?具有磨削和切割2 種功能,成為一機(jī)兩用的可變功能機(jī)械產(chǎn)品(圖4).

圖4 具有可變功能的角磨機(jī)

以角磨機(jī)向電鋸的功能變更為研究對(duì)象,對(duì)其變更后產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性分析及設(shè)計(jì),使變更后產(chǎn)品能高效適應(yīng)新的工作環(huán)境,以滿足產(chǎn)品的性能需求.通過(guò)分析其變更前后功能鏈和結(jié)構(gòu)關(guān)系,得到其變更前后的功能結(jié)構(gòu)(圖5 和圖6).結(jié)合功能邏輯圖進(jìn)一步對(duì)變更前后各子功能所處的工作環(huán)境進(jìn)行分析,得到子功能F、外環(huán)境因子E和內(nèi)環(huán)境因子I的因子序列.

圖5 角磨機(jī)功能結(jié)構(gòu)

圖6 電鋸功能結(jié)構(gòu)

式中:F1為支撐整體,F2為產(chǎn)生扭矩,F3為傳遞扭矩,F4為旋轉(zhuǎn)磨片,F5為打磨物品,F6為驅(qū)動(dòng)鏈條,F7為支撐鏈條,F8為切割物品;e1為雨水,e2為干燥,e3為霉菌生長(zhǎng),e4為砂塵,e5為局部高溫,e6為低溫,e7為高溫,e8為霜凍,e9為浸水,e10為碎屑沖擊;i1為磨損,i2為電流波動(dòng),i3為振動(dòng),i4為連接件沖擊,i5為潤(rùn)滑不良,i6為離心加速度,i7為受轉(zhuǎn)矩,i8為碰撞沖擊.

按照此序列結(jié)合變更前后功能邏輯圖,建立變更前后產(chǎn)品的功能-環(huán)境模型(圖7).

圖7 產(chǎn)品功能-環(huán)境變更模型

設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同企業(yè)不同產(chǎn)品的實(shí)際情況,通過(guò)在類似此類產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)中對(duì)功能的設(shè)計(jì)更改,以及針對(duì)有害環(huán)境所需的改進(jìn)設(shè)計(jì)的難度和工作量分析加以賦值,得到各子功能影響參數(shù)的波動(dòng)區(qū)間和各環(huán)境因子對(duì)相應(yīng)子功能的影響系數(shù).其中一個(gè)案例對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 和表2.根據(jù)變更前后產(chǎn)品的功能-環(huán)境模型,進(jìn)一步構(gòu)建出功能-環(huán)境差序模型(圖8).

表1 子功能影響參數(shù)的波動(dòng)區(qū)間

表2 環(huán)境因子影響系數(shù)

圖8 產(chǎn)品功能-環(huán)境差序模型

根據(jù)式(4)和式(5)的計(jì)算方法,以及表1 和表2中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)波動(dòng)函數(shù)的設(shè)計(jì)波動(dòng)量進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算中影響參數(shù)均取最大值進(jìn)行運(yùn)算,得到以下結(jié)果:

將設(shè)計(jì)函數(shù)波動(dòng)值與此類產(chǎn)品影響參數(shù)的許用值進(jìn)行比較分析,判斷其變更設(shè)計(jì)的合理性.基于功能-環(huán)境差序模型,以變更后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體為母版,結(jié)合功能-結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)等適應(yīng)性設(shè)計(jì),得到變更后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方案(表3).

表3 產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方案

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)基于現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)展面向可變功能再設(shè)計(jì)所造成的新工作環(huán)境中的有害環(huán)境對(duì)產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)的影響,提出了基于功能-環(huán)境模型的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法.通過(guò)對(duì)變更前后的產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)和環(huán)境變化的分析,建立了功能-環(huán)境模型以描述變更前后各子功能所對(duì)應(yīng)的環(huán)境變化,并進(jìn)一步計(jì)算得到該變化的功能-環(huán)境差序模型.在此基礎(chǔ)上提出4 種優(yōu)化改進(jìn)技術(shù)手段,用以開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì),最終使變更后的產(chǎn)品能有效地適應(yīng)新的工作環(huán)境.該方法對(duì)機(jī)械產(chǎn)品面向可變功能再設(shè)計(jì)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo),對(duì)可變功能機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值.