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淺談結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計
摘 要:結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是在系統(tǒng)優(yōu)化的概念上發(fā)展而來的新學(xué)科,其目的是在考慮節(jié)省材料、簡化工藝流程的基礎(chǔ)上實現(xiàn)產(chǎn)品的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及功能創(chuàng)新。以結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計作為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計創(chuàng)新的思路,結(jié)合產(chǎn)品生命周期概念,引入機(jī)械產(chǎn)品的次生型優(yōu)化創(chuàng)新方法,探討基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新方法。
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)優(yōu)化;產(chǎn)品設(shè)計;創(chuàng)新方法
一、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的層次與分類
不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法是在研究對象、目標(biāo)函數(shù)、約束對象、變量和尋優(yōu)策略的不同要求上派生出來的日。由優(yōu)化目標(biāo)的深淺將結(jié)構(gòu)優(yōu)化劃分為三個不同層次:尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、布局優(yōu)化和結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化。以上各層次按順序難度依次增加,收益依次增大。
(一)尺寸優(yōu)化
在保持組件原有的結(jié)構(gòu)形狀與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下,通過對設(shè)計變量的分析重組,尋求最佳的性能組合關(guān)系的優(yōu)化方法。
(二)形狀優(yōu)化
形狀的優(yōu)化設(shè)計是指在設(shè)計域內(nèi)的拓?fù)潢P(guān)系保持不變的情況下求得結(jié)構(gòu)的邊界,使得這些邊界構(gòu)成的結(jié)構(gòu)組件達(dá)到理想的幾何形狀,并實現(xiàn)某種性能的最佳表現(xiàn)。
(三)拓?fù)鋬?yōu)化
結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化包括了連續(xù)結(jié)構(gòu)和離散結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,包括孔洞個數(shù)及形狀分布的優(yōu)化,以及結(jié)構(gòu)的邊界形狀的優(yōu)化:離散結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化,就是在給定節(jié)點(diǎn)位置情況下,確定各節(jié)點(diǎn)的最佳聯(lián)結(jié)關(guān)系Ⅲ。
二、產(chǎn)品生命周期的設(shè)計制造環(huán)節(jié)
產(chǎn)品生命周期(Product Ljfecycle,PLC)的概念源于生產(chǎn)管理領(lǐng)域的產(chǎn)品的市場戰(zhàn)略。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展,產(chǎn)品生命周期的概念和內(nèi)涵也在不斷發(fā)展變化H。并行工程概念提出促使產(chǎn)品生命周期的概念逐漸從經(jīng)濟(jì)管理領(lǐng)域擴(kuò)展到了工程制造領(lǐng)域,將產(chǎn)品命周期的范圍從市場階段擴(kuò)展到了研制階段,覆蓋了包括需求分析、產(chǎn)品設(shè)計、原料采購、制造裝配以及銷售維護(hù)階段。20世紀(jì)90年代以來,全球機(jī)械產(chǎn)品市場進(jìn)入了大規(guī)模定制與個性化需求并舉的時代。在這種情況下,規(guī)�；纳a(chǎn)能力與機(jī)械產(chǎn)品的可靠性固然重要,而能否根據(jù)潛在客戶需求做出快速響應(yīng),已經(jīng)成為未來裝備制造企業(yè)在激烈競爭中取勝的關(guān)鍵。這里我們將規(guī)�；瘷C(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計與生產(chǎn)過程加以分離,重點(diǎn)研究在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上尋求創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計的思路,以期快速響應(yīng)客戶需求。
三、基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法
產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計方法是指設(shè)計人員根據(jù)創(chuàng)造性思維的發(fā)展規(guī)律,在優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上總結(jié)的一系列的原理、技巧以及方法。這些方法或技巧,可以在各種創(chuàng)造、創(chuàng)新過程中得到借鑒,同時提高人們的創(chuàng)造、創(chuàng)新思維的能力和促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新成果的實現(xiàn)效率。產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新的方法對創(chuàng)新有十分重要的作用,它既能產(chǎn)生直接的創(chuàng)新成果提高創(chuàng)新概念到產(chǎn)品實現(xiàn)的效率,同時也可啟發(fā)設(shè)計人員的創(chuàng)新思維,提高創(chuàng)新的能力。機(jī)械產(chǎn)品的市場需求是進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新的基礎(chǔ),要把產(chǎn)品需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計成果,必須經(jīng)過在原有的外形、尺寸及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過創(chuàng)新設(shè)計方法來實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新功能。機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計創(chuàng)新分為兩個層次:一是運(yùn)用工業(yè)設(shè)計的技術(shù)以及方法,以產(chǎn)品需求為基礎(chǔ),開發(fā)出全新的產(chǎn)品,成為原創(chuàng)型設(shè)計創(chuàng)新:二是運(yùn)用現(xiàn)代工業(yè)的設(shè)計方法對原有產(chǎn)品進(jìn)行外觀以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進(jìn),實現(xiàn)局部改進(jìn)創(chuàng)新,稱為次生型設(shè)計創(chuàng)新。實際上,人類數(shù)百年的工業(yè)發(fā)展史中,開創(chuàng)性的原創(chuàng)型設(shè)計創(chuàng)新產(chǎn)品所占的比例微乎其微,大量實用性高的創(chuàng)新產(chǎn)品都是次生型設(shè)計創(chuàng)新的產(chǎn)物。同時,由于無需進(jìn)行原創(chuàng)型設(shè)計創(chuàng)新所需要進(jìn)行的大量原型設(shè)計,因而能夠有效提高機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計效率,減少設(shè)計環(huán)節(jié)所占用的時間。本文所介紹的基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法屬于次生型設(shè)計創(chuàng)新的范疇。
四、機(jī)械產(chǎn)品的次生型優(yōu)化創(chuàng)新方法
針對機(jī)械產(chǎn)品的次生型優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)新是指以在原有產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,在保留原有產(chǎn)品設(shè)計的核心功能與產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的同時,對該產(chǎn)品外形、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化和再設(shè)計,使得新產(chǎn)品具備原有產(chǎn)品所不具備的 新功能和特征。產(chǎn)品的次生型優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)新是建立在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化層次分類基礎(chǔ)上的創(chuàng)新活動,機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局包括尺寸、形狀、拓?fù)淙齻�方面的信息,而尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化中三個不同層次的問題月。針對機(jī)械產(chǎn)品尺寸、形狀、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計,以產(chǎn)品基本架構(gòu)組成零件之間的裝配關(guān) 系為前提,結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)注點(diǎn)是有待改進(jìn)或者進(jìn)一步開發(fā)的結(jié)構(gòu)要素。通常,這些結(jié)構(gòu)要素在設(shè)計之初并不明確,隱藏在復(fù)雜的形狀、色彩以及結(jié)構(gòu)形態(tài)之中,只有通過對多變的市場需求、多方面的用戶期望以及現(xiàn)有同類產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行深入分析,才能找出最具創(chuàng)新價值的結(jié)構(gòu)優(yōu)化要素。成功地選擇結(jié)構(gòu)優(yōu)化關(guān)注要素,為機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新思考確定清晰的方向。對機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新問題包含了優(yōu)化問題的三個要素,即設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)以及約束條件,機(jī)械產(chǎn)品的次生型優(yōu)化創(chuàng)新方法是TRJz。
發(fā)明解決理論中最常用的創(chuàng)新工具,也是全工程化的解決問題方式,對于創(chuàng)新思考的要素與方向難于把握的產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計而言,這種高效率的創(chuàng)新解決方法不僅能夠提供明確的創(chuàng)新方向,而且能夠使創(chuàng)新設(shè)計人員準(zhǔn)確把握創(chuàng)新要素,從而降低了創(chuàng)新思考的盲目性。
結(jié)構(gòu)的關(guān)注點(diǎn)是創(chuàng)新思考的起點(diǎn),借助于一般創(chuàng)新的方法分析與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)注點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的各種技術(shù)參數(shù)(即設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)以及約束條件),將彼此關(guān)聯(lián)的技術(shù)參數(shù)對于相應(yīng)的功能與外形需求,利用從優(yōu)化創(chuàng)新的方法找尋對應(yīng)的發(fā)明原理,然后根據(jù)發(fā)明原理的創(chuàng)新方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的創(chuàng)意方向。綜合考慮市場需求及實際的生產(chǎn)條件,選擇一到兩個有利于結(jié)構(gòu)功能屬性創(chuàng)新的沖突因素,實現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新思考。
(作者 身份證號:332601660227291)
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