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工业设计/产品设计 |
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复杂技术产品的技术性能和经济性能组合优化 |
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作者：浙江大学CAD＆CG实验室 赵亮 |
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摘要 以当代工程优化的先进技术一一广义优化技术为依托，强调了在设计阶段开展产品技术性能和经济性能组合优化分析的重要性，研究了产品的技术性能建模和经济性能建模的过程，详细研究了两个性能建模的关联关系，提出了用于广义优化的产品技术性能建模和经济性能建模的冲突协调模式，并以液压挖掘机的工作装置为研究对象，进行了技术性优化和组合优化结果比较分析。
关键词：广义优化 全性能模型 成本特征建模
根据产品广义优化设计理论，产品的设计阶段必须综合考虑技术性能和经济性能，在进行产品技术性能优化的同时，必须同时对产品的经济性能进行优化，两个性能才能在一定的程度上得到协调优化；由于产品的技术性能和经济性能之间存在一定的冲突，需要提供一个冲突协调的模式。只有同时考虑了产品的技术性能和经济性能，才能使设计出来的产品达到设计师所追求的最佳性能组合。
1 广义优化产品全性能模型
产品的广义优化设计是指面向全系统、全过程和全性能的优化设计。由于复杂技术产品的特点，必须建立产品的全性能优化模型，这是广义优化建模与传统的优化建模之间的差别之一。全性能作为广义优化设计的一个重要特征，包括了产品的技术性能和经济性能。产品的全性能层次结构如图1所示。
2 产品全性能建模
2．1技术性能建模
产品技术性能由目的性能和可行性能组成，目的性能包括产品的工作尺寸、工作速度、工作精度、强度、刚度等，可行性能包括可加工性、可装配性和结构性态等，在产品技术性能建模过程中，必须合理地考虑到所有的结构和性能，如产品尺寸的上下限是否合理，产品性能函数是否正确等，产品的技术性能建模是一个循环反复的过程。
2．2经济性能建模
经济性能建模即成本建模。在研究经济性能建模中，充分利用了特征具有的优点，提出了产品的“成本特征模型”的概念，成本特征模型的组成如图2所示。
通过成本特征模型，实现了成本特征在设计阶段与设计特征、外部特征的映射关系，使设计师能够根据产品的特征组成，迅速地建立成本模型，解决了成本建模的非通用性问题。成本建模过程中设计师根据已经建立的成本特征模型库，可以快速地建立产品成本模型，大大减少了设计的繁琐工作。
2．3产品全性能建模过程
在产品的全性能建模过程中，首先确定产品的层次结构，按照产品系列、整机、部件、零件和特征等，建立产品的广义优化产品树，确定产品的性能结构，然后不同的产品设计师可以同时进行分性能建模的工作，具体的建模过程如图3所示。
2．4技术性建模和经济性建模的冲突协调
在进行产品的技术性能建模和经济性能建模时，不可避免地存在冲突协调的过程。已经建立好的产品内部参数表和产品外部参数可能不能同时满足产品的技术性建模或经济性建模。技术性建模和经济性建模的冲突协调过程如图4所示。在初步建立了产品的内部参数表和输人参数表后，可以并行地进行产品的技术性建模和经济性建模。在建模过程中，如果设计师根据建模所需的条件，需要增加产品的内部参数，如某个端面的精度，先把要求提交给总设计师，总设计师根据具体情况，在进行不同性能建模的设计师间进行协调，确定产品内部参数和输人参数的调整。冲突的协调过程是反复进行的过程。冲突协调管理器的模型如图5所示。
图4 技术性建模的冲突协调过程
协调决策规则有：
（1）直接通信协商通信协商是解决产品技术建模和成本建模不一致的最直接方式。在某一性能模型的建立时，与其它性能模型冲突，双方可以通过系统的通信工具，直接进行协商，这种方法能很快地解决冲突，但可能解决不了直接矛盾对立的冲突。
（2）总设计师决策模式在产品建模过程中，当性能模型互相冲突的时候，由冲突双方向产品总设计师提交冲突报告，并提出处理意见，最后由总设计师根据自己的分析判断提供冲突的解决方案。
（3）集体决策模式通过产品建模工作组的成员，采取民主的方式，共同决定冲突的解决方案。
3 组合优化
以液压挖掘机的工作装置为对象，进行技术性能优化、技术性能和经济性能组合优化的结果分析。液压挖掘机的工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗组成，图形模型如图6所示。
在技术性优化和性能组合优化的比较中，设定两种情况下的约束是一样的。
在进行技术性能优化时，经济性能的权重为零，而在技术性能和经济性能组合优化的目标系统中，技术性能和经济性能的权重比为1：l，即技术性能和经济性能同等重要。
在确立了产品的两个性能模型的约束和目标权重结构后，然后在广义优化设计的优化平台上进行优化，在优化结束后，选取了工作装置的 18个性能（依次为：工作装置总成本、材料成本、加工成本、最大卸载高度、最大挖掘半径、最大挖掘深度、工作装置重量、铲斗装满时间、作业循环时间、动臂上应力差、铲斗上应力差、斗杆上应力差、理论转斗挖力、最大转斗挖力、挖运转斗挖力、挖深转斗挖力、挖近转斗挖力和动臂液压缸压力利用率）进行比较，结果如图7所示。
在图7中，纵坐标为目标价值，目标价值采用了满意度的方法，最满意时，目标价值为1，最低的满意度为0；横坐标代表性能，分别代表18个性能，从图中可以得到如下结果；
（l）在考虑了经济性能之后，使工作装置的挖掘性能降低，主要表现在最大卸载高度、最大挖掘中径和最大挖掘深度都受小，并且铲斗的作业循环时间增大，即它们的满意度降低。
（2）由于重量与成本中．的材料成本具有较大的相关性，在组合优化中，材料成本的降低，引起了重量相应地变小。
（3）考虑了工作装置的材料成本，引起了结构尺寸的减小，使各截面的应力增大，但由于最大应力受到约束，这样导致了应力差的变小，使应力差的满意度增加。
（4）动力装置输出的力矩不变，而组合优化引起了挖掘范围减小，使得挖掘力增大，但增加幅度较小；挖掘范围的减少，同样引起了动臂压力利用率的降低。
4 结束语
产品的市场竞争力是一个企业生存的保证，质量和成本是产品竞争力的三大要素（还包括时间）中的两个要素。由于质量和成本间具有复杂关系，对于复杂技术产品，如何处理好质量和成本的关系，对于产品的市场竞争力是非常重要的。必须进一步研究产品的技术性能和经济性能的关联关系，研究质量和成本之间的相关分析，以达到质量和成本的最佳组合，使产品的竞争力最大。
(end)
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(7/14/2004) |
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