參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與TRIZ理論集成設(shè)計(jì)方法研究

劉 尚，郭霄霞，韓 剛，王紅艷

（齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

1 引言

概念設(shè)計(jì)處于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期，是新產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)面臨著復(fù)雜的用戶需求并對(duì)產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)過程具有深遠(yuǎn)影響［1］。

如何獲得可行解，是這一環(huán)節(jié)中的一個(gè)至關(guān)重要的問題［2］。概念解中存在著設(shè)計(jì)沖突或設(shè)計(jì)缺陷等設(shè)計(jì)問題，是影響其可行性的重要因素。

應(yīng)用TRIZ理論來(lái)解決這些設(shè)計(jì)問題，是提高概念解可行性的有效方法。這就需要首先要準(zhǔn)確地捕捉到設(shè)計(jì)問題。

將TRIZ理論與QFD和公理化設(shè)計(jì)等理論方法結(jié)合應(yīng)用，是捕捉設(shè)計(jì)問題最常用的方法。前者，用QFD來(lái)發(fā)現(xiàn)“做什么”，用TRIZ來(lái)解決“怎樣做”［3-4］。后者，用TRIZ理論解決公理化設(shè)計(jì)流程中的設(shè)計(jì)耦合問題［5］。

上述方法能夠從概念設(shè)計(jì)的角度發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題并交給TRIZ求解，但無(wú)法發(fā)現(xiàn)隱藏在具體設(shè)計(jì)中的沖突或者缺陷。

通過分析仿真數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，并交給TRIZ求解被驗(yàn)證是一種有效的方法。文獻(xiàn)［6］提出將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真與物場(chǎng)分析結(jié)合的方法，并將其應(yīng)用于求解馬克筆的設(shè)計(jì)問題。文獻(xiàn)［7］提出將CAD軟件與TRIZ理論結(jié)合，應(yīng)用CATIA軟件完成剪式舉升裝置結(jié)構(gòu)建模，采用ABAQUS進(jìn)行有限元分析，然后通過仿真數(shù)據(jù)提煉問題并轉(zhuǎn)化為TRIZ問題模型來(lái)求解。文獻(xiàn)［8］將遺傳算法與TRIZ理論結(jié)合應(yīng)用于橙子的包裝箱設(shè)計(jì)。上述分別從概念設(shè)計(jì)和具體化設(shè)計(jì)階段捕捉設(shè)計(jì)問題，并交給TRIZ產(chǎn)生新概念解，構(gòu)成了設(shè)計(jì)的迭代過程。

文獻(xiàn)［9］指出TRIZ 所提供的策略解向領(lǐng)域解轉(zhuǎn)化時(shí)，需要根據(jù)具體的問題情景盡可能的減少新資源的引入。參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是解決具體化設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)沖突的有效方法，不需要引入新類型的資源。與TRIZ 理論比較，參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)改動(dòng)更小。這就引出一個(gè)問題：面對(duì)具體化設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)的隱含于概念解中的設(shè)計(jì)沖突，應(yīng)該選擇TRIZ還是選擇參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法？

這里提出將參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與TRIZ理論相結(jié)合，來(lái)支持具體化設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)沖突問題的求解，來(lái)改善因該概念設(shè)計(jì)階段參在設(shè)計(jì)沖突而影響解的可行性的問題。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突的表達(dá)及求解

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突問題的分類及沖突的特點(diǎn)

參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是不改變?cè)斫Y(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)設(shè)計(jì)變量之間取值沖突在可行域之內(nèi)進(jìn)行折中處理，來(lái)獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值最優(yōu)解。盡管其對(duì)設(shè)計(jì)變量之間的沖突的處理方式與TRIZ理論所采用的凸顯并消除沖突的處理方式相反，但其問題描述方式卻可用于輔助TRIZ理論問題的定義以及領(lǐng)域解的轉(zhuǎn)化。

式（1）所示將單目標(biāo)函數(shù)通過線性組合表達(dá)為優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。

式中：X=[x1，x2，L，xp]T—設(shè)計(jì)變量；F(X)—多目標(biāo)函數(shù)的組合；fi(X)—某單目標(biāo)函數(shù)；ωi—目標(biāo)函數(shù)fi(X)的權(quán)重，gj(X)≤0—不等式約束條件；hk(X)=0—等式約束條件。

根據(jù)設(shè)計(jì)變量中x的數(shù)量，可將優(yōu)化設(shè)計(jì)問題分為一維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題（p=1）和多維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題（p>1）。按照目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量可將優(yōu)化設(shè)計(jì)問題分為單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題（n=1）和多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題（n>1）。根據(jù)設(shè)計(jì)變量維數(shù)和目標(biāo)函數(shù)數(shù)量的組合，可將優(yōu)化設(shè)計(jì)問題分為一維單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，一維多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，多維單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題和多維多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。這四種類型與TRIZ理論問題表達(dá)之間的關(guān)系如下：

類型I：一維單目標(biāo)優(yōu)化問題。這類問題需要從優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件之間來(lái)分析和提取技術(shù)沖突關(guān)系，并分析設(shè)計(jì)變量取值上是否存在的物理沖突。

類型II：一維多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題。以每一個(gè)獨(dú)立優(yōu)化目標(biāo)作為設(shè)計(jì)期望，研究各個(gè)設(shè)計(jì)期望之間以及設(shè)計(jì)期望與約束條件之間的沖突關(guān)系。將沖突按照設(shè)計(jì)變量取值分組，來(lái)提煉設(shè)計(jì)變量取值的不同需求，從而構(gòu)建技術(shù)沖突與物理沖突之間的因果關(guān)系。這類問題往往會(huì)在同一設(shè)計(jì)變量上出現(xiàn)的物理沖突與多個(gè)技術(shù)沖突構(gòu)成因果關(guān)系的情況。

類型III：多維單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題。這類問題需要從優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件中分析和提取技術(shù)沖突，并考慮設(shè)計(jì)變量取值上是否成物理沖突。這類問題往往會(huì)產(chǎn)生不同設(shè)計(jì)變量上的物理沖突，與同一個(gè)技術(shù)沖突構(gòu)成因果關(guān)系的情況。

類型IV：多維多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題。這種類型比較復(fù)雜，需要以每一個(gè)獨(dú)立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)作為設(shè)計(jì)期望，考慮各個(gè)設(shè)計(jì)期望、約束條件之間的沖突關(guān)系。同時(shí)，需要分析各類沖突與設(shè)計(jì)變量取值的物理沖突之間構(gòu)成的因果關(guān)系。這類問題會(huì)構(gòu)成由技術(shù)沖突和物理沖突構(gòu)成的沖突網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于難以顯示表達(dá)的目標(biāo)函數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)建響應(yīng)面實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并從數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)以及約束條件的正負(fù)相關(guān)關(guān)系中提煉沖突。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突問題的表達(dá)方法

由于目標(biāo)函數(shù)、約束條件等彼此之間的關(guān)系比較復(fù)雜，從優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型向TRIZ沖突問題模型轉(zhuǎn)化，往往會(huì)構(gòu)成復(fù)雜的多沖突關(guān)聯(lián)，僅僅用對(duì)單一沖突的表達(dá)和求解方法不能將沖突關(guān)系表達(dá)清楚，需要一種表達(dá)方法支持，這里提出基于ENV模型的沖突表達(dá)方法。ENV（Elements-Name of the Feature Value）模型是OTSM-TRIZ的重要內(nèi)容，能夠通過設(shè)計(jì)參數(shù)和評(píng)價(jià)參數(shù)之間的關(guān)系來(lái)表達(dá)技術(shù)沖突和物理重沖突［10-11］。而且，以ENV 模型為基礎(chǔ)，可以表達(dá)多個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間的多沖突并存的復(fù)雜沖突關(guān)系［12］。根據(jù)前文中優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突問題的分類及特點(diǎn)，將轉(zhuǎn)化分為一維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的轉(zhuǎn)化和多維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的轉(zhuǎn)化。

2.2.1 一維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的轉(zhuǎn)化

一維優(yōu)化問題僅存一個(gè)設(shè)計(jì)變量，沖突表達(dá)方法，如圖1所示。其中，目標(biāo)函數(shù)1和目標(biāo)函數(shù)2泛指多目標(biāo)優(yōu)化中任意兩個(gè)獨(dú)立目標(biāo)函數(shù)。在定義技術(shù)沖突的時(shí)候，需要考慮目標(biāo)函數(shù)1與目標(biāo)函數(shù)2、目標(biāo)函數(shù)1與約束條件之間的沖突關(guān)系。盡管ENV模型支持沖突正反兩個(gè)方面的表達(dá)，但是對(duì)于目標(biāo)函數(shù)與約束條件之間的沖突，要以目標(biāo)函數(shù)作為改善參數(shù)來(lái)定義。這是因?yàn)閮?yōu)化的目標(biāo)是改善參數(shù)，而隨著設(shè)計(jì)變量的取值向著可行域邊界移動(dòng)，甚至?xí)娇尚杏颍@時(shí)會(huì)引起約束條件的惡化。這類問題對(duì)應(yīng)的沖突模型，一個(gè)物理沖突關(guān)聯(lián)多個(gè)技術(shù)沖突而形成的沖突網(wǎng)絡(luò)。

圖1 一維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題中的沖突表達(dá)方法Fig.1 Conflict Representation of One Dimensional Optimal Design Problem

2.2.2 多維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的轉(zhuǎn)化

多維優(yōu)化問題包含多個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，這類問題在定義沖突的時(shí)候，不僅僅需要考慮目標(biāo)函數(shù)之間、目標(biāo)函數(shù)與約束條件之間的沖突，同時(shí)也需要考慮各個(gè)設(shè)計(jì)變量之間的取值沖突。約束條件中含有設(shè)計(jì)變量之間的取值約束關(guān)系，這種約束關(guān)系在設(shè)計(jì)變量取值變化時(shí)（優(yōu)化計(jì)算過程中），構(gòu)成了沖突關(guān)系。因此這類問題較一維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題復(fù)雜，所轉(zhuǎn)化出來(lái)的沖突模型是由多個(gè)物理沖突、技術(shù)沖突以及二者之間的因果關(guān)系構(gòu)成的復(fù)雜的沖突網(wǎng)絡(luò)。多維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題中的沖突表達(dá)方法，如圖1、圖2所示。

圖2 多維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題中的沖突表達(dá)方法Fig.2 Conflict Representation of Multidimensional Optimization Design Problem

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突的求解方法

從優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)問題提取出來(lái)的沖突的求解情況要比在概念設(shè)計(jì)階段直接定義的沖突要具體而且復(fù)雜。這是因?yàn)橛腥缦聝煞N情況：（1）多目標(biāo)函數(shù)、約束條件之間的沖突多構(gòu)成復(fù)雜的多沖突并存的沖突網(wǎng)絡(luò)。（2）非所有目標(biāo)函數(shù)都能成功地抽象表達(dá)為39個(gè)工程參數(shù)之一，例如：對(duì)軌跡綜合的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題中，目標(biāo)函數(shù)要定義為軌跡與目標(biāo)點(diǎn)的誤差。這類問題無(wú)法使用39個(gè)工程參數(shù)表達(dá)成為技術(shù)沖突，因此TRIZ矛盾矩陣無(wú)法直接用于求解。綜合考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突問題，這里提出四種求解方法：

方法I：物理沖突的求解方法

優(yōu)化設(shè)計(jì)變量向著多個(gè)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化方向取值，其取值又要受到約束條件的限制，呈現(xiàn)出既應(yīng)該具有某值，又不能具有某值的物理沖突狀態(tài)。這種情況需要從設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件三者的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)分析和尋找可用資源，改善工作原理。

方法II：技術(shù)沖突的求解方法

目標(biāo)函數(shù)和約束條件所表達(dá)的工程概念若能匹配到39個(gè)工程參數(shù)中，則可表達(dá)為技術(shù)沖突，應(yīng)用沖突矩陣來(lái)求解。

方法III：沖突網(wǎng)絡(luò)的求解方法

沖突網(wǎng)絡(luò)是多沖突并存的復(fù)雜沖突問題的典型表達(dá)形式，目前主要的解決方法主要包括多沖突化簡(jiǎn)和確定核心沖突并求解兩類。文獻(xiàn)［13-14］論述了應(yīng)用OTSM—TRIZ的問題流模型來(lái)求解多沖突并存復(fù)雜沖突網(wǎng)絡(luò)的方法；文獻(xiàn)［15］采用約束理論（TOC）來(lái)表達(dá)多沖突設(shè)計(jì)問題，提出面向多沖突問題分析的設(shè)計(jì)障礙樹（DOT）方法，應(yīng)用DOT分析確定核心問題并求解；文獻(xiàn)［16］采用ENV模型表達(dá)多沖突關(guān)系，并提出了多沖突關(guān)系求解方法；此外，文獻(xiàn)［17］提出了基于發(fā)明原理使用頻次統(tǒng)計(jì)的多沖突問題求解方法。這里采用ENV模型來(lái)表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突問題，形成物理矛盾與技術(shù)矛盾共存的復(fù)雜多沖突網(wǎng)絡(luò)，因此采用OTSM-TRIZ的問題流模型來(lái)支持優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突的求解。

方法IV：基于BioTRIZ的求解方法

部分目標(biāo)函數(shù)或者約束條件抽象為39個(gè)工程參數(shù)的難度較大，但該類問題中設(shè)計(jì)變量自身的取值沖突明確。此時(shí)，若采用物理沖突求解方法遇到困難，可參考文獻(xiàn)［18］所提出的方法。該方法結(jié)合文獻(xiàn)［19-20］所提出的仿生設(shè)計(jì)沖突矩陣和生物案例庫(kù)，提出物理沖突求解的仿生設(shè)計(jì)方法。不同之處在于，文獻(xiàn)［19］采用技術(shù)沖突的工程參數(shù)來(lái)匹配“域”之間的沖突，而這里采用直接將目標(biāo)函數(shù)或者約束條件匹配“域”來(lái)完成。這是因?yàn)?，文獻(xiàn)［19］所提出的“域”的概念相比于39工程參數(shù)更抽象。此外，當(dāng)應(yīng)用TRIZ沖突矩陣所得到的原理對(duì)于問題的求解啟發(fā)效果不佳時(shí)，也可采用這里提出的方法轉(zhuǎn)向應(yīng)用BioTRIZ來(lái)求解。

3 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與TRIZ理論結(jié)合應(yīng)用的設(shè)計(jì)過程

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突的求解路徑

將優(yōu)化設(shè)計(jì)與TRIZ 結(jié)合應(yīng)用時(shí)，由優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突產(chǎn)生的TRIZ沖突表達(dá)往往呈復(fù)雜的沖突關(guān)系，很難直接應(yīng)用TRIZ理論求解。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突分類及特點(diǎn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突求解方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題分類構(gòu)建求解路徑，如表1所示。表中，符號(hào)“⊕”表示方法選擇符號(hào)，其中，“A⊕B”表示推薦首選為“A”，若“A”無(wú)效再選擇“B”，若兩者方法單獨(dú)應(yīng)用無(wú)效，則嘗試從“A”與“B”組合應(yīng)用。例如：“方法II⊕方法I”表示首選“方法II”，若無(wú)效則嘗試“方法I”，若仍無(wú)效，則嘗試通過“方法II”與“方法I”的因果關(guān)系來(lái)組合求解。

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突與求解方法匹配關(guān)系Tab.1 Matching Relationship Between Optimal Design Conflicts and Solution Methods

3.2 設(shè)計(jì)過程模型

將TRIZ理論與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合應(yīng)用構(gòu)建其應(yīng)用流程，如圖3所示。具體內(nèi)容闡述如下：

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與TRIZ結(jié)合應(yīng)用設(shè)計(jì)過程Fig.3 Combined Design Process of Optimization Design and TRIZ Application

（1）分析設(shè)計(jì)問題

分析目標(biāo)技術(shù)系統(tǒng)的概念解中的設(shè)計(jì)沖突和設(shè)計(jì)缺陷的情況。如果存在顯示的設(shè)計(jì)沖突或者設(shè)計(jì)缺陷，選擇概念設(shè)計(jì)求解方法，例如：TRIZ或可拓學(xué)；否則，轉(zhuǎn)入本設(shè)計(jì)過程，進(jìn)入下一步。

（2）建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

根據(jù)選定的技術(shù)目標(biāo)，分析工作原理，確定設(shè)計(jì)變量，約束條件以及優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)。值得注意的是，一些優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建其顯示的解析式難度較大，例如：復(fù)雜幾何體的體積，這類問題可借助DOE方法和二次回歸方程來(lái)構(gòu)建設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系。

（3）定義TRIZ形式的沖突問題

參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)本質(zhì)上是采用折中的方式來(lái)處理設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)約束之間的沖突，獲得設(shè)計(jì)變量的取值。因此，從優(yōu)化設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)中能體現(xiàn)出設(shè)計(jì)變量的取值所導(dǎo)致的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件之間的沖突關(guān)系。確定設(shè)計(jì)沖突后，可采用上文提出的方法，將優(yōu)化設(shè)計(jì)的這種沖突關(guān)系轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中的沖突表達(dá)。

（4）選擇求解路徑

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)沖突轉(zhuǎn)化為TRIZ沖突的具體情況（技術(shù)目標(biāo)與TRIZ工程參數(shù)的匹配情況），以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題類型，如表1所示。選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)求解路徑。

（5）產(chǎn)生概念解并具體化

應(yīng)用選定的求解路徑，產(chǎn)生概念可領(lǐng)域化的概念解，確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量的值，并做仿真分析，對(duì)于滿意的設(shè)計(jì)方案可放入方案集，已備選擇。

（6）選擇設(shè)計(jì)結(jié)果

這一過程是從方案?jìng)溥x集中選擇設(shè)計(jì)方案的過程。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和TRIZ理論的應(yīng)用，方案?jìng)溥x集中包含了前一原理結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案和TRIZ理論應(yīng)用后的具體設(shè)計(jì)方案兩類，選擇時(shí)需要綜合參考技術(shù)目標(biāo)與制造成本等多方面的要求來(lái)選擇。

4 應(yīng)用實(shí)例

駁接爪是點(diǎn)支式玻璃幕墻連接件的重要組成部分。X型駁接爪是四爪型駁接爪的主要類型，爪臂截面可分為梯形、圓形、正方形、豎矩形和橫矩形。點(diǎn)支撐玻璃幕墻受力主要來(lái)自于重力和玻璃平面上的風(fēng)載壓力。選X型駁接爪，其臂部截面形狀為豎矩形結(jié)構(gòu)，如圖4所示。目前駁接爪的主要存在的問題是結(jié)構(gòu)不合理、造材料浪費(fèi)。

圖4 X型豎矩形截面駁接爪結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the X-Shaped Vertical Rectangular Section Barging Jaw

這里以316不銹鋼某型號(hào)豎截面駁接爪為設(shè)計(jì)對(duì)象，考慮材料用量、剛度、強(qiáng)度以及疲勞壽命四個(gè)因素，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。選駁接爪整體寬度250mm，平面風(fēng)壓載荷2500N，重力1500N。根據(jù)駁接臂與駁接頭的接口處強(qiáng)度和剛度要求，選擇駁接臂截面的寬度為設(shè)計(jì)變量，并根據(jù)駁接頭位置的聯(lián)結(jié)端高度，限定設(shè)計(jì)變量的取值范圍為（7～11）mm，駁接臂采用材料316不銹鋼，其屬性，如表2所示。

表2 316不銹鋼材料屬性Tab.2 Stainless Steel 316 Material Properties

為驗(yàn)證本文提出的方法，采用Ansys Workbench軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下：

在設(shè)計(jì)變量初值（駁接臂豎矩形截面的臂寬）取9.1mm，計(jì)算給定載荷條件下的等效應(yīng)力，變形并繪制疲勞敏感曲線，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前駁接爪仿真結(jié)果Fig.5 Simulation Results of the Barge Jaw Before Optimisation

為減小材料消耗，以駁接爪的體積作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，以強(qiáng)度和變形為約束條件，綜合考慮疲勞壽命，對(duì)駁接爪進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果，如圖6所示。

優(yōu)化計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，如表3所示。其中，圖6（a）為等效應(yīng)力，圖6（b）為變形，圖6（c）為疲勞敏感曲線，如圖6所示。

表3 初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of Initial and Optimised Design Result

將優(yōu)化設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)比較可知：駁接臂體積減小了11.003%；優(yōu)化設(shè)計(jì)前最大應(yīng)力位置在轉(zhuǎn)接頭的上表面，優(yōu)化設(shè)計(jì)后最大應(yīng)力位置在駁接臂的上表面，最大應(yīng)力值有明顯降低，雖然變形有一定增加，但在剛度條件允許范圍之內(nèi)；疲勞壽命不受風(fēng)載荷影響的載荷倍數(shù)由0.7倍變?yōu)?倍。

并對(duì)比原始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)沖突。應(yīng)用ENV模型表達(dá)沖突，并選擇求解路徑進(jìn)行求解，具體如下：

分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)、約束條件和設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系可知：該優(yōu)化設(shè)計(jì)問題屬于一維單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)目標(biāo)是減少材料，保證剛度和強(qiáng)度在許用范圍內(nèi)。此外，駁接爪工作時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，且其體積與材料用量成正比。根據(jù)優(yōu)化計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，材料用量越多，應(yīng)力和變形就越小。因此，定義四個(gè)技術(shù)矛盾，按照<改善參數(shù)，惡化參數(shù)>的格式表述：<靜止物體的體積，剛度>；<靜止物體的重量，剛度>；<靜止物體的體積，強(qiáng)度>；<靜止物體的重量，剛度>。考慮到設(shè)計(jì)變量是上述設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件的影響因素，分析提煉物理矛盾：駁接臂的寬度的取值上出現(xiàn)了既要大又要小的需求。因此，基于ENV模型的設(shè)計(jì)沖突表達(dá)，如圖7所示。沖突列表，如表4所示。

表4 設(shè)計(jì)沖突表Tab.4 Design Conflict Table

圖7 駁接爪設(shè)計(jì)沖突模型Fig.7 Conflict Model for Barge Jaw Design

使用TRIZ求解，選擇原理解2（抽取），14（曲面化），將產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)的因素（消耗材料而不承擔(dān)應(yīng)力的部分）抽出，將臂頂部曲面化，新結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 X型豎矩形駁接爪新結(jié)構(gòu)Fig.8 New Structure of the X-Shaped Vertical Rectangular Barging Jaw

對(duì)于圖8所示結(jié)構(gòu)的仿真，如圖9所示。將原設(shè)計(jì)，參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用TRIZ理論產(chǎn)生的設(shè)計(jì)方案列，如表5所示。

表5 三種設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)列表Tab.5 Data List for the Three Design Solutions

圖9 應(yīng)用TRIZ求解后駁接爪的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation Results of the Barge Jaw After Applying the TRIZ Solution

表中，設(shè)計(jì)變量R是駁接臂頂部半圓弧的半徑，設(shè)計(jì)變量T是駁接臂側(cè)面開槽的槽深度。比較三個(gè)設(shè)計(jì)方案，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命三個(gè)方面都滿足要求，但應(yīng)用TRIZ獲得的解引入了新結(jié)構(gòu)參數(shù)，且對(duì)比參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，在應(yīng)力，變形和疲勞壽命三個(gè)方面具有改善。此外，體積數(shù)據(jù)顯示：應(yīng)用TRIZ理論獲得的方案與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果相比減小了4.036%；與原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相比減小了14.59%。

根據(jù)所提出的設(shè)計(jì)流程，應(yīng)用TRIZ產(chǎn)生的方案可進(jìn)一步以X=[M，R，T]T作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)入設(shè)計(jì)迭代。

5 結(jié)論

將參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與TRIZ理論結(jié)合，構(gòu)建概念設(shè)計(jì)與技術(shù)設(shè)計(jì)的迭代設(shè)計(jì)過程。這一方法產(chǎn)生的解集，綜合了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)沖突折中與TRIZ理論通過消除設(shè)計(jì)沖突來(lái)改進(jìn)概念解兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。所形成的解空間，擴(kuò)展了以任何單一的方式形成的解空間，為新產(chǎn)品開發(fā)過程中可行設(shè)計(jì)方案的選擇，提供了更豐富的備選集。