機械產品面向可變功能再設計的環境適應性設計研究

徐靈浩 ,賀華波*

（1.寧波大學 機械工程與力學學院,浙江 寧波 315211;2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室,浙江 寧波 315211）

可變功能機械是指通過調整構件的連接方式或更換系統構件來獲得不同功能的機械系統[1],具有功能利用率高、應用范圍廣等優點,市場前景良好.其設計方法之一是在已有機械產品的基礎上進行合理的功能變更再設計,實現其既有功能的變更,引入新功能,使其具備可變功能[2].不過在對現有產品進行功能變更再設計過程中,該產品所處的工作環境也會發生較大變更.然而,與目前大多數產品一樣,產品設計師在設計過程中往往側重于產品的功能設計,忽視了環境因素對產品所造成的影響.產品如果不能很好地適應其工作環境,會對產品的壽命、使用性能和可靠性等產生不利影響.為此,國內外學者對產品與其工作環境之間的關系展開了深入的研究.文獻[3]給出了環境適應性定義;高貴福等[4]針對飛行器環境適應性設計不足的現狀提出采用環境仿真和驗證試驗相結合的手段,并逐步形成產品環境適應性設計規范;陳典斌等[5]通過分析裝備環境適應性要求,基于仿真計算提出了環境適應性評價機制;胥澤奇等[6]簡要分析了我國裝備環境適應性評價工作的現狀,介紹了裝備環境適應性評價的內容及主要方法,指出裝備環境適應性基礎數據對裝備環境適應性評價的重要作用,建議通過自然環境試驗或長期監測的方法獲取裝備環境適應性基礎數據;涂強[7]將工作環境作為主要影響因素之一,對可變功能產品進行了可靠性預測分析,為產品可靠性研究提供了一定的理論基礎;Deng 等[8]在機械產品的概念設計中,引入工作環境概念,并通過輸入輸出作用流來表達行為,提出了功能-行為-結構-環境的功能設計信息模型.但目前有關現有機械產品面向可變功能變更再設計后對新工作環境的適應性研究仍較為鮮見.

本文針對產品功能變更再設計后所處新工作環境中的有害環境對產品造成的影響進行研究.基于對變更前后產品功能-結構的變化分析,提出了功能-環境模型,結合相關的優化設計技術展開適應性設計研究,使產品進行變更設計后仍能高效地適應新的工作環境,為機械產品面向可變功能再設計后的環境適應性設計提供參考.

1 產品的功能、結構和環境變更分析

相較于其他傳統機械,可變功能機械在總體設計過程中對工作環境的適應性設計研究更為必要和迫切.如果變更后的產品不能適應新環境,將會影響到產品的正常使用性能和可靠性,最終導致變更設計的失敗.例如在粉碎機向榨汁機的功能變更再設計中,其工作環境從干燥轉變為潮濕,如果其動力系統部分沒有進行防潮密封的適應性設計,產品極有可能在執行榨汁功能時造成部分電子器件短路,造成產品故障和嚴重的安全隱患.

1.1 功能、結構變更分析

功能是設計人員對設計目的或設計意圖的抽象描述[9].可變功能機械產品的總功能可逐級分為若干子功能,這些子功能間存在一定的邏輯關系,各子功能相互協調配合實現產品的總功能[10].若子功能發生故障可能導致功能鏈的不完整,最終導致產品失效.在對現有產品進行變更再設計時,由于客戶需求的改變,產品的總功能也隨之改變,故產品的子功能以及子功能間的相互關系也需要進行相應的變更和重組.從功能角度出發,在總功能的變更過程中,針對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.在進行變更再設計時,通常需要混合使用這3 種方 法,以最終滿足目標功能要求的功能鏈.由于不同子功能又對應多個不同的結構,產品功能的變更必須通過結構的變更才能實現.因此,可以根據功能-結構的映射關系,建立功能-結構變更圖來描述變更前后的結構關系變化.

1.2 內、外環境因子

任何機械產品在使用過程中都有其工作環境,可以通過一系列背景環境加以表達[11].產品在進行功能變更再設計后,由于目標功能發生了改變,往往意味著產品使用時的工作環境也會發生改變,從而可能面臨新的有害環境.如果變更后的產品結構體不能適應這種新環境,將對產品的功能造成影響,并最終影響產品的正常使用.有害環境一般通過2 種作用對產品的功能產生影響:(1)直接作用,即環境因子直接施加在產品構件上,對產品的結構產生影響,進而影響到產品的功能,最后影響產品的正常使用.(2)間接作用,即環境因子通過與產品間的相互物理作用,向系統內部輸入有害的動作,由此對系統內部的行為和結構產生影響,使系統產生副作用輸出,進而影響產品的功能,這種關系可能包括一切作用,可以是力、力矩、移動等.

基于不同環境因子對產品功能產生影響的不同作用方式,可以將環境因子分為外環境因子和內環境因子.外環境因子主要包括溫度、濕度、砂塵、氣壓等直接作用在結構體上的環境因子,例如濕度過高容易導致產品中某些電子器件的短路和結構體表面的化學腐蝕等;內環境因子主要包括振動、沖擊、穩態力等通過間接作用對系統功能產生影響的環境因子,如振動會影響系統中行為以及構件連接的穩定,降低機械設備的工作精度,加劇構件磨損,甚至引起結構疲勞破壞等.

2 功能-環境模型

2.1 功能-環境模型的構建

以龔勛等[12]提出的環境剖面基因模型為參考,建立產品的功能-環境模型:

式中:F為功能;E為外環境因子;I為內環境因子.

式中:Fi為子功能;Ei為Fi對應的外環境因子集合;Ii為Fi所對應的內環境因子集合.

外環境因子和內環境因子按作用于不同的子功能分別構成相對獨立的序列,同時作用于產品結構,對產品的性能、可靠性和壽命產生影響.

三大主要元素分別構成功能-環境模型的主鏈和分支鏈,其中主鏈由子功能構成,是整個功能-環境模型的核心.外環境因子和內環境因子構成功能-環境模型的枝葉結構,形成分支鏈,分別位于主鏈的兩側,對應子功能形成獨立序列,由于其作用關系平等,因此采取隨機排列連接方式.功能-環境模型如圖1 所示.

圖1 功能-環境模型示例

2.2 功能-環境模型變更分析

產品在進行功能變更操作時,子功能及各子功能所對應的環境因子也在發生變化.為此,功能-環境模型也將相應發生改變.功能-環境模型的變更是通過模型內部的變更操作實現.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,其中所對應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,對產品進行功能變更設計,相對原功能需要增加新的子功能來滿足需求.

(2)主鏈因子刪減.由于客戶需求變更,對產品進行功能變更設計,原產品部分子功能不再使用,部分子功能對應的結構構件需要卸除.

(3)主鏈因子替換.由于客戶需求變更,對產品進行功能變更設計,用一個新的子功能來替換原來的子功能,2 個子功能間具有互換性.

(4)分支鏈因子增添.由于產品執行變更操作后,產品所處的有害環境發生了改變,相對變更前,變更后的有害環境增添了新的內、外環境因子.

(5)分支鏈因子刪減.由于產品執行變更操作后,產品所處的有害環境發生了改變,相對新工作環境,某些在變更前的有害環境中的內、外環境因子已不再存在.

(6)分支鏈因子擴大.由于產品執行變更操作后,產品所處的有害環境發生了改變,相對應變更前,雖然環境因子的種類未改變,但在量上相較之前對構件產生的不利影響變得更為明顯.

由于產品變更再設計操作的復雜性和工作環境的多樣性,這6 種操作往往同時混合進行,形成新的功能-環境模型(圖2),其中M′ = (F′,E′,I′),在該功能-環境變更模型中,同時發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,這些子功能對應的外環境因子和內環境因子隨之發生變化.分支鏈因子的變更形式表示為子功能F2增添了內環境因子i23,刪減了外環境因子e23和e24;子功能F3增添了內環境因子i34和外環境因e34,內環境因子i33擴大,最終形成變更后產品的功能-環境模型.

圖2 功能-環境變更模型示例

3 功能-環境差序模型

3.1 功能-環境差序模型的構建

功能-環境模型的差序計算,有助于實現變更后結構體對新工作環境的快速適應性設計.在變更前的功能-環境模型M和變更后的功能-環境模型M′基礎上構建功能-環境差序模型:

產品的功能-環境差序模型可以較好地反映產品功能變更再設計后各子功能變化以及明確各子功能所受到的環境因子變化狀況.在功能-環境差序模型中,如果面對新增添和擴大的環境因子,變更后產品子功能所對應的結構體無法適應,則需要對其進行優化調整和改進設計;而對因環境因子缺失所致的部分結構冗余,則可以選擇將冗余結構拆卸.通過功能-環境差序圖,以變更后的產品結構體為母版,針對不同的環境因子變化,采取不同的設計手段,可以設計出滿足客戶需求和新工作環境的新產品.

3.2 環境適應性設計復雜度評估

由于變更后產品所處環境的多樣性,某些情況下會導致變更后產品的環境適應性設計過于復雜,這也必然引起產品設計工作量和產品成本的增加,這樣的變更設計是不合理的,必須重新開始進行產品的功能變更設計.為此,針對功能-環境差序模型建立環境適應性設計復雜度評估數學模型,以分析其變更操作對環境適應性設計難度的影響量.設子功能Fi對變更后產品結構體環境適應性設計難度的影響函數為yi,影響函數yi由影響參數X組成.由于主鏈子功能刪減和分支鏈環境因子刪減都不會對變更后產品結構體的環境適應性設計產生影響,因此只對該模型中增添、替換以及環境因子的擴大進行研究.當主鏈因子發生增添和替換操作時,也會隨之新增大量的新的環境因子,故其影響函數為yi(Δx);當主鏈因子不變,只有分支鏈因子變化時,其影響參數X的波動為Δx,影響函數為yi(Δx).分支鏈上的環境因子通過作用于產品的子功能對變更設計產生影響,即任一分支鏈的環境因子Ei或Ii對應一個影響系數γis,共同作用于影響函數,形成子功能Fi的綜合環境適應性設計波動函數:

式中:0 ≤γis≤1,0 ≤yi(x) ≤1 0,0 ≤yi(Δx) ≤1 ,ni為功能-環境差序模型中子功能所對應的分支鏈中外環境因子和內環境因子的總數量.對主鏈中所有子功能的綜合環境適應性設計波動函數進行累加計算,得到用以評估再設計復雜度的功能-環境差序模型的總環境適應性設計波動函數ΔY:

式中:k為功能-環境差序模型中主鏈上的因子數量之和.

將總環境適應性設計波動函數(ΔY)的具體值與影響參數許用值(σ)進行比較,其中σ由不同企業設計人員,根據企業不同產品的實際情況,對產品設計的工作量、設計周期和成本進行約束,結合工程設計經驗,得到一個設計合理性的參照值.若ΔY≤σ,則證明此功能變更再設計具有合理性,可繼續對其進行相應的環境適應性設計,否則可放棄環境適應性設計,重新進行功能設計,以保證產品可實現其規定的任務.

4 環境適應性設計

4.1 設計路徑及技術手段

將功能-環境差序模型和功能-結構映射方法相結合,可以進行變更后產品結構體的環境適應性設計.由于可變功能機械系統的特殊性,在進行此類適應性設計前,需結合工程經驗先判斷變更后的結構體能否適應新的工作環境.如果結構體能夠適應新環境,則無需進行此設計;反之,則需要對相應的結構體進行優化和改進.基于楊銘等[13]對機電設備環境適應性研究中所提及的控制策略,本文提出針對可變功能機械系統的2 條環境適應性設計路徑:(1)通過提高變更后產品結構體的自身性能,提高其對新的有害環境影響的抵抗力.(2)通過降低產品使用時實際受到的環境因素影響,提高其對新環境的適應能力.

針對以上2 條設計路徑,提出4 種減弱有害環境因素對產品影響的技術手段:(1)強化技術,即對產品結構進行加強,以提高結構自身的抵抗力,如采用冗余技術,選取更高性能的構件,使產品處于不飽和工作狀態,以提高產品自身對有害環境影響的抵抗力.(2)隔離技術,即采用隔離裝置或材料、涂鍍層等技術將實際環境與產品結構隔離,降低產品在實際工作時受到環境因素的影響,如密封設計,防腐蝕設計等.(3)減振技術,即采用緩沖減振設計或裝置來降低產品所受到的沖擊,以降低產品在工作環境中的振動沖擊.(4)溫控技術,即通過對溫度的控制來降低產品受到溫度效應的影響,提高產品在工作中對環境溫度變化的抵抗能力.

在實際設計中,由于環境因子的多樣性和復雜性,通常需要混合使用各種技術手段.

4.2 環境適應性設計流程

可變功能機械環境適應性設計的目標是確保所設計的產品在不同功能的使用時,能夠保證功能切換后的產品結構可以適應新工作環境的要求,這一設計流程(圖3)可以分為4 個步驟.

圖3 可變功能機械產品環境適應性設計流程

步驟1功能、結構和環境變更前后變化分析.通過對產品功能變更再設計分析,建立產品變更前后的功能邏輯圖和結構關系圖,并明確產品變更前后有害環境的變化.

步驟2構建功能-環境模型.以產品的子功能鏈為主鏈,各子功能所處的內環境因子和外環境因子為分支鏈,分別排列在對應的主鏈因子上下兩側,構成功能-環境模型.

步驟3構建功能-環境差序模型.基于變更前功能-環境模型M和變更后功能-環境模型M′,構建功能-環境差序模型 ΔM=M′ -(M′∩M).并結合環境適應性波動函數ΔY來評估環境適應性設計復雜度,進而判斷變更設計的合理性.

步驟4優化和改進等適應性設計.根據功能-環境的差序模型和功能-結構的映射,對不能適應新環境的變更后結構體進行優化和改進設計,最終得到完整的產品變更設計方案.

5 案例分析

對單一功能的角磨機進行功能變更再設計,使其可以通過更換部分構件變為一把電鋸,具有磨削和切割2 種功能,成為一機兩用的可變功能機械產品(圖4).

圖4 具有可變功能的角磨機

以角磨機向電鋸的功能變更為研究對象,對其變更后產品的結構體進行環境適應性分析及設計,使變更后產品能高效適應新的工作環境,以滿足產品的性能需求.通過分析其變更前后功能鏈和結構關系,得到其變更前后的功能結構(圖5 和圖6).結合功能邏輯圖進一步對變更前后各子功能所處的工作環境進行分析,得到子功能F、外環境因子E和內環境因子I的因子序列.

圖5 角磨機功能結構

圖6 電鋸功能結構

式中:F1為支撐整體,F2為產生扭矩,F3為傳遞扭矩,F4為旋轉磨片,F5為打磨物品,F6為驅動鏈條,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,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,i3為振動,i4為連接件沖擊,i5為潤滑不良,i6為離心加速度,i7為受轉矩,i8為碰撞沖擊.

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

圖7 產品功能-環境變更模型

設計人員根據不同企業不同產品的實際情況,通過在類似此類產品的概念設計中對功能的設計更改,以及針對有害環境所需的改進設計的難度和工作量分析加以賦值,得到各子功能影響參數的波動區間和各環境因子對相應子功能的影響系數.其中一個案例對應的數據見表1 和表2.根據變更前后產品的功能-環境模型,進一步構建出功能-環境差序模型(圖8).

表1 子功能影響參數的波動區間

表2 環境因子影響系數

圖8 產品功能-環境差序模型

根據式(4)和式(5)的計算方法,以及表1 和表2中的基礎數據,對環境適應性設計波動函數的設計波動量進行計算,計算中影響參數均取最大值進行運算,得到以下結果:

將設計函數波動值與此類產品影響參數的許用值進行比較分析,判斷其變更設計的合理性.基于功能-環境差序模型,以變更后產品結構體為母版,結合功能-結構的映射關系進行優化和改進等適應性設計,得到變更后產品結構體的環境適應性設計方案(表3).

表3 產品環境適應性設計方案

6 結語

針對基于現有機械產品開展面向可變功能再設計所造成的新工作環境中的有害環境對產品功能結構的影響,提出了基于功能-環境模型的環境適應性設計方法.通過對變更前后的產品功能、結構和環境變化的分析,建立了功能-環境模型以描述變更前后各子功能所對應的環境變化,并進一步計算得到該變化的功能-環境差序模型.在此基礎上提出4 種優化改進技術手段,用以開展環境適應性設計,最終使變更后的產品能有效地適應新的工作環境.該方法對機械產品面向可變功能再設計的環境適應性設計提供了理論指導,對可變功能機械產品的設計和開發具有一定的參考價值.