（机械制造及其自动化专业论文）基于产品平台的动车组设计方法研究.pdf

摘要 基于平台的产品开发为缩短产品开发周期 减少开发制造成本 改善产品升 级能力等诸多方面带来了大量的效益 它是解决降低成本和满足个性化需求之间 矛盾的有效方法 本文结合动车组产品的具体特征 将基于平台的开发模式引入 到动车组设计中去 对动车组功能建模和模块划分进行了研究 同时对产品配置 变型设计以及产品族设计等方面进行深刻的研究 全文主要包括以下内容 1 综述了动车组及其平台的发展现状 介绍了相关技术的发展概况 阐述 课题提出的意义 明确本文的研究内容 2 研究了模块化产品平台和可调节变量产品平台的构建方法 阐述了功能 结构分析和功能模块划分原理 同时介绍了产品配置方法 3 研究了产品规划和模块规划 采用市场细分原理整体规划了动车组产品 以日本新干线动车组为例构建了功能结构图 在功能结构图的基础上利用模块启 发法划分功能模块 探讨了功能层面的共性 以功能部件系统图的形式建立了功 能到结构的映射 4 研究了基于平台的动车组产品族设计方法 一方面介绍了基于模块化的 动车组产品族设计 提出了一种新的产品配置方法 模块形式多域配置法 另 一方面利用相容决策支持问题作为算法构建了动车组可调节变量产品族设计数 学模型 同时求解了系列动车组参数 之后 对上述两种方法进行对比 总结了 两种方法的互补性 5 采用v c 和s q ls e r v e r 开发了基于平台的动车组辅助设计原型系统 实现了数据管理 多域配置 共性分析 模块管理等功能 最后总结了全文的结论 同时提出进一步研究的设想 关键词 动车组产品平台产品族多域配置相容决策支持问题模块化 a b s t r a c t p l a t f o r m b a s e dp r o d u c td e v e l o p m e n to f f e r sam u l t i t u d eo fb e n e f i t si n c l u d i n g r e d u c e dd e v e l o p m e n tt i m e r e d u c e dd e v e l o p m e n ta n d p r o d u c t i o nc o s t s a n di m p r o v e d a b i l i t yt ou p g r a d ep r o d u c t s i ti sae f f e c t i v ew a yt or e s o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n r e d u c i n gc o s t sa n dm e e t i n gi n d i v i d u a ln e e d s t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o n c e m e dw i t h s p e c i f i cf e a t u r e so fm u l t i p l eu n i t s p l a t f o r m b a s e dp r o d u c td e v e l o p m e n ti si n t r o d u c e d i n t om u l t i p l eu n i t sd e s i g n f u n c t i o n a lm o d e l i n ga n dm o d u l ep a r t i t i o nf o rm u l t i p l e u n i t sa r er e s e a r c h e d p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n v a r i a n td e s i g na n dp r o d u c tf a m i l yd e s i g n a r ea l s oi n d e p t hs t u d i e d t h em a i nc o n t e x t sa r ea sf o l l o w i n g 1 t h ec u r r e n ts t a t ea n dt e n d e n c i e so fm u l t i p l eu n i t sa n di t sp l a t f o r m sa r e s u m m a r i z e d t h e nr e l a t e dc o n t e n t so fp l a t f o r ma r ei n t r o d u c e d a f t e rt h e s e t h e r e s e a r c ho b j e c t i v e s s i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ep r e s e n t e d 2 t h em e t h o d so fh o wt od e v e l o pm o d u l a rp r o d u c tp l a t f o r ma n ds c a l a b l e p r o d u c tp l a t f o r ma r es t u d i e d t h e nt h es t e p so fb u i l d i n gf u n c t i o ns t r u c t u r ed i a g r a m a n df u n c t i o nm o d u l a rp a r t i t i o na r ep r e s e n t e d a tl a s t t h em e t h o do fp r o d u c t c o n f i g u r a t i o ni si n t r o d u c e d 3 p r o d u c t sa n dm o d u l e so fm u l t i p l eu n i t sp l a n n i n ga r es t u d i e d m u l t i p l eu n i t s a r eo v e r a l lp l a n sb yc r e a t i n gt h em a r k e ts e g m e n t a t i o ng r i d t h ef u n c t i o ns t r u c t u r e d i a g r a m so fj a p a n e s es h i n k a n s e nr a i l w a yv e h i c l e sa r eb u i l ta sa ne x a m p l e t h e nt h e f u n c t i o nm o d u l e sa r ei d e n t i f i e db yt h em e t h o do fm o d u l a rh e u r i s t i c s a f t e rt h e s e m a p p i n g sb e t w e e nf u n c t i o n sa n ds t r u c t u r e sa r ed e v e l o p e d a n dt h es i m i l a rf u n c t i o n s p l a t f o r ma r ed e v e l o p e d 4 t h et h e o r yo fp l a t f o r m b a s e dp r o d u c tf a m i l yd e s i g ni ss t u d i e d o nt h eo n e h a n d m o d u l a rp l a t f o r m b a s e dm u l t i p l eu n i t sp r o d u c tf a m i l yd e s i g ni si n t r o d u c e d a n e wa p p r o a c ho f p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nw h i c h i sn a m e dm u l t i d o m a i nc o n f i g u r a t i o ni s d e s c r i b e d o nt h eo t h e rh a n d s c a l a b l ep r o d u c tf a m i l ym o d e lo f m u l t i p l eu n i t si sb u i r b yc d s p c o m p r o m i s ed e c i s i o ns u p p o r tp r o b l e m a n das e to fp a r a m e t e r so f i n d i v i d u a lm u l t i p l eu n i t sa r ed e t e r m i n e d a f t e rt h e s e t w om e t h o d sa b o v e m e n t i o n e d a r ec o n t r a s t e da n d r e c i p r o c i t i e sa r es u m m a r i z e d 5 p l a t f o r m b a s em u l t i p l eu n i t sa i d e dd e s i g np r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e db y v c a n ds q ls e r v e r i tc a na c h i e v eo b j e c t i v e ss u c ha sd a t am a n a g e m e n t m u l t i d o m a i nc o n f i g u r a t i o n s i m i l a r i t ya n a l y z i n g m o d u l em a n a g e m e n ta n ds oo n i i f i n a l l y c o n c l u s i o n so fa l lr e s e a r c he f f o r t si nt h i sd i s s e r t a t i o nf i r em a d ea n d f u l t h c rr e s e a r c hs u g g e s t i o n sa r eg i v e n k e yw o r d s m u l t i p l eu n i t s p r o d u c tp l a t f o r m p r o d u c tf a m i l y m u l t i d o m a i n c o n f i g u r a t i o n c d s p m o d u l f i r i z a t i o n i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得 苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谓 意 学位论文作者虢套嘏签字吼 年歹月莎弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂 有关保留 使用学位论文的规定 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向廷i 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 多删 签字 日期 扩矾年f 月少了日 导师签名 彬豳书 签字日期 z 诵年5 月2 弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 动车组及其平台的发展和研究现状 1 1 1 动车组发展状况和趋势 随着经济的发展和社会的进步 铁路运输作为一种非常重要的交通运输工 具 其发展越来越受到人们的重视 动车组由于其安全性 快速性 舒适性等原 因被很多国家所重视 动车组发展水平和未来发展趋势具体表现以下几个方面 1 数量庞大 种类繁多 随着铁路客运和货运的发展 个性化需求愈加 明显 使得机车设计和开发要求多样化 现在世界上共有动车组3 2 4 0 0 余列 共 有动车和拖车1 2 8 6 0 0 辆 其中电力动车组约有2 1 8 0 0 列 内燃动车组1 0 6 0 0 列 这些动车组被9 0 多个国家所运用 l j 2 动车组制造趋于轻量化 运营速度不断提高 这一点在国外客运动车 组车辆上表现非常显著 文献 2 提到日本新干线高速列车中的7 0 0 系采用铝合 金车体 铝合金轴箱和铝合金齿轮箱 同时采用无摇枕转向架来减少车辆重量 文献 3 提到日本5 0 0 系动车组运营速度为3 0 0 k m h s t a r 2 1 试验车曾创机车时速 为4 2 5 k m h 的世界记录 法国a g v t g v 系列第四代 运营时速将达到3 6 0 k m h 3 动力源多样化 文献 1 指出 牵引动力方式有电力 内燃 电力 内 燃 同时还考虑燃料电池 随着能源日益紧张 必然会有更多种动力源的出现 4 竞争激烈化和快速市场响应 机车行业内部的竞争和外部替代品的竞 争 使得机车制造公司不得不采取一系列措施来提高本身的竞争力 同时也是为 了满足个性化需求以及快速响应市场的能力1 4 5 技术更新迅速 发展前景明朗 如日本新干线动车组从最初的电阻制 动方式到现在的再生制动 最初的功率晶闸管控制到门极关断晶闸管控制 到现 在的绝缘栅双极晶体管控制 技术更迭非常迅速 3 j 同时 许多国家都开始引进 或者运营动车组作为主要交通工具 1 1 2 国内外动车及其平台的发展水平 铁路车辆产品平台发展比汽车产品平台晚 但自上世纪9 0 年代 有六家国 外的重要的机车制造公司已经相继建成了自己的机车车辆平台 5 1 于此同时日 本 法国 德国 意大利等国的动车组也开始尝试利用平台模式进行设计 3 1 第一章绪论 内燃动车组方面 文献 5 6 中介绍的e m d 公司的s d 9 0 4 3 m a c 内燃机车 产品平台 该平台利用所建立的通用总体构架 再根据用户的不同需求 可安装 3 种不同型号的柴油机 最初设计安装两种 2 0 0 6 年升级之后增加一种 以此 提供不同的牵引力和功率等级 文献 7 q h 介绍时速为2 0 0 k m h 的四种快速内燃 动车组 包括庞巴迪公司的s u p e rv o y a g e r 西门子公司的i c et d 阿尔斯通公 司的a d e l a n t e 和a n s a l d ob r e d a 公司的i c 4 文献 8 介绍了t a l g o 公司出产的t a l g o x x i 型带变轨转向架的内燃动车组 该车型采用液力传动 文献 9 介绍了v o s s l o h 公司开发的液力传动机车平台 文献 1 0 介绍了阿尔斯通公司的p r i m a 机车平 台 在电力动车组方面 文献 3 详细介绍了包括法国t g v 系列动车组 日本新 干线系列动车组 德国i c e 系列动车组 意大利e t r 系列动车组等世界高速电 力动车组 同时 具体介绍了若干系列包括新干线7 0 0 系 t g v d 等的技术参 数和结构参数 国外主要大型机车制造公司所拥有的电力动车组和内燃动车组产品如表1 1 所示 在电力动车组方面法国 日本等发展较为迅速 内燃动车组方面庞巴迪公 司占了大量的市场份额 表卜1 国外大型机车制造公司的动车组产品 2 第一章绪论 国外具有数十种机车产品平台 然而我国却没有一个自主的机车平台 更谈 不上动车平台 近年来先后引进了多个动车平台作为开发原型 进行自主动车组 产品的研究 表1 2 列举了近年来引进的动车平台产品 这些平台产品的原型大 都是来源于日本新干线 法国t g v 德国i c e 等产品系列中的某一种或者是六 大机车车辆公司的一些平台产品 表1 2 我国引进的动车平台产品 1 2 产品平台的研究现状 产品平台的概念有很多种不同的定义 最为广泛被引用的是著名学者m e y e r 将其定义为被一系列产品所共享的零部件 子系统 接口和制造过程 利用它可 以高效派生出新产品 1 1 产品平台的开发模式不像单一产品设计那样仅仅考虑单 个用户需求 而是针对不同用户的多种需求展开的 这种开发模式不但降低了成 本 而且可以满足更多的需求 近十年来产品平台一直被很多行业广泛采用 国内外很多高校和科研机构进 行了不同方面的研究 文献 1 2 1 以大规模定制为背景 建立特征参数与具体结构 之间的映射关系 来实现对煤矿刮板运输机的平台设计 文献 1 3 从技术平台的 方向综述了平台式设计模式对整个制造业的重要性 同时提出一系列整合方案 文献 1 4 以灵敏度 相似度 聚类分析等参数化分析工具 提出了一种可适应性 第一章绪论 的参数化产品平台的构建方法 同时以旋压切割机为实例验证了该方法的可行 性 文献 1 5 运用了模块化产品平台的概念和方法探讨了飞机族机体设计问题 对小型支线飞机族 对地攻击型飞机族等不同类型飞机设计方案的模块化设计进 行了探讨 文献 1 6 对通用电机进行平台式的设计 根据用户对电机产品的不同 需求进行产品族设计 利用相应的算法去最大化公共平台变量 1 3 动车组产品平台模式设计相关技术 1 3 1 模块化设计 模块化设计 i7 j 是一种设计理念 也是产品设计和制造技术 它是现代标准化 的核心和前沿 其基本思想是以最小化的模块组成最大化的产品 既要满足用户 的个性化需求 也要保证批量生产 模块化的产品设计由于其全新的设计思想和 巨大的技术经济价值被各个行业广泛所采用 包括动车组在内的铁路车辆设计逐渐开始应用模块化设计 文献 18 阐述了 模块化和标准化 规范化 通用化和系列化的具体规范 同时指出了机车产品模 块化实施的具体方案 文献 1 9 2 0 研究了机车模块化开发模式的意义 进展和 构思 文献 2 1 研究了天安内燃动车组采用模块化整合设计 同时比较了这种方 法与普通方法 得出模块化设计的优点 文献 2 2 着重研究了城轨车辆的模块化 设计方法 文献 2 3 2 4 按照机车d f 7 的设计步骤阐述了各关键部件之间的模块 化设计的应用 同时指出各部件设计时需要考虑的适应性 1 3 2 大规模定制 最早提出大规模定制m c m a s sc u s t o m i z a t i o n 概念的是预言家a l v i nt o f f i e r 于1 9 7 0 年在f u t u r es h o c k 一书中提及的一种大规模生产的成本和时间 来提供 满足客户特定的产品和服务的需求 25 这种以需求作为 原动力 的拉动式生产 模式由于其低成本 高效率 灵活性等特点已经被很多企业广泛采用 这种生产 模式追求共性产品的大规模生产和个性产品的定制生产 解决了 大规模 和 定 制 之间的矛盾 大规模定制是在相似性 重用性和整体性的基本原理指导下 综合各种内外 因素 利用各种资源 以各种先进技术为支持 根据客户个性化需求实现的 大 规模定制关键的要求就是要考虑产品的相似性 同时要权衡本身带来效益和损 失 考虑是否采取大规模定制 26 1 从这一点可以认为大规模定制和模块化设计二 者的思想有着异曲同工之效 4 第一章绪论 文献 2 7 1 提到实现大规模定制企业需要具备三方面能力 启发配置 柔性制 造和后勤服务功能 启发配置能力是企业对客户定制需求信息的获取能力 柔性 制造是企业制造技术和制造系统方面的要求 后勤服务能力需要管理能力的支 撑 文献 2 8 1 提出了一种大规模定制的体系 其包含四方面内容 基本原理 管 理技术 开发设计技术和制造技术 如何在满足客户个性化需去的前提下 增加 外部多样化和减少内部多样化是其核心 1 3 3 先进制造技术 随着人们期望的不断提高和人类出现的一系列如环境保护等问题 人们在制 造行业不断的运用和创造出大量的先进制造技术和设计方法 这些技术和方法在 不同的领域内进行着技术移植和相同行业的继承发展 同样对于动车组设计和制 造也是如此 我国在动车组开发和设计中引进很多技术 进行了吸收和消化 同时 很多 国外的先进机车制造技术被国内机车公司密切关注 文献 2 9 介绍了一种二系横 向减振器采用半主动悬挂控制的无摇枕转向架的设计过程 文献 3 0 叙述了我国 在多种加工工艺上与发达国家之间的差距 提出了我国未来制造工艺的发展方 向 文献 3 1 指出d f 8 c 等5 种机车采用了国外引进的最先进的i g b t 逆变器或 d m 智能化功率模块 文献 3 2 阐述了铝合金车体加工制造关键技术 文献 3 3 介绍了日本新干线7 0 0 系动车组所采用的单臂型受电弓 不但结构简单 而且降 低了车外噪声 文献 3 4 阐述我国c r h 系列动车组所采用的诸多先进制造技术 文献 1 8 将技术融入产品平台概念中 对构建产品技术平台提出了系列设想 1 3 4 公理化设计 公理化设计 a d a x i o m a t i cd e s i g n 由麻省理工学院的n p s u b 教授提出 的设计理论 3 5 州 公理化设计包括用户域 功能域 物理域和过程域和四者之间 的映射关系 公理化设计结合产品平台和大规模定制技术之后 可以将整个产品族设计表 达的非常清晰 图1 1 是三者结合的产品设计过程的示意图 图中各个设计域分 别对应着各自的共性和个性 各自的共性分别形成了功能平台 产品平台和过程 平台 3 9 平台的构建需要有底层的技术作为支撑 这就形成了技术平台和产品平 台交互关联 整个设计过程始终围绕着增加外部多样化和减少内部多样化为目的 展开 第一章绪论 r 一一 w h a t产品设计过程how i 一 一h i 匦囵匦巫圈匦囹匦匦习 i i 少i 孙 厂磊添 厂二添 厂磊测 卜 少 销售 市场 j 圈圈 圈 j 囤 后服 需求 及售 分析 f薪刁眄薪习 务 i 减 一一 ii 挂牛士惜l 减少内部多样化i 兰 i 增加外部多样化 图l l 公理化设计 m c 和产品平台结合框架图 1 3 5 多领域仿真技术 多领域仿真是将机械 电子 液压 气压 控制 软件等不同学科领域的模 型 组装 成更大的模型 以用于仿真运行 4 9 多领域仿真技术是近年来国内外 研究热点 经过总结可以分为两种方法 基于接口的多领域仿真和基于统一建模 语言的多领域仿真 基于接口的多领域仿真最初构想是以几种通用化的商用软件实现不同领域 模型的仿真酬 这种方法若涉及模型较多将出现大量接口 为了弥补这个缺点 文献 4 9 介绍了一种基于h l a h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e 的多领域仿真技术 h l a 是一种支持分布式仿真的集成框架标准 其本身不是一种仿真软件 而是一种软 件体系结构 它提供了一个通用的技术框架 在这个技术框架下 可以接受现有 的各类仿真过程的共同加入 并实现彼此之间的相互操作 7 4 1 基于统一建模语言m o d e l i c a 的仿真技术目前国内还处于初期阶段 华中科 技大学对其研究比较深 入 5 0 6 6 这种方法实现了图形和语言的双层仿真 如瑞典 d y n a s i m 公司的仿真软件d y m o l a 可以利用其本身的模型库对各种不同领域的系 统进行可视化建模 利用其强大的可重用模型库 可实现对复杂系统的多领域仿 真 1 4 课题的提出和研究内容 1 4 1 课题研究的意义 随着市场经济和世界大环境铁路运输的发展 中国铁路要实现跨越式发展 6 第一章绪论 必须走技术引进和自我创新相结合的道路 1 8 动车组产品是所有铁路车辆产品中 发展潜力最好也最具有代表性的产品之一 传统的计划方式或者直接面向单个用 户的动车组开发模式已经日益显出弊端 平台模式开发动车组产品愈加显得重 要 传统生产交货方式的缺点具体表现为 1 复杂的设计制造过程和周期难以跟上日益变化的市场需求 8 2 用户对产品性能 工艺 价格等方面的要求使产品设计制造趋于紧迫 难以定期交货或者质量性能难以满足用户需求 1 4 3 面向市场的生产交货模式一般是要满足很多不同的用户需求 传统的 设计制造方式使得各种不同产品开发成本显著提高 4 工程技术人员不断重复于复杂的产品设计而忽略新产品新技术的开发 而且对于这种设计知识的积累往往难以完全用计算机软硬件的方式继承下去 5 从长远的意义上讲传统的设计制造模式不利于铁路车辆制造行业的 c a d c a e c a m 集成和柔性制造技术 f m s 的发展 4 1 产品平台模式的动车组设计与开发方式正好可以解决上述5 点问题 因此 这样课题的研究既符合当前利益 也具有长远的实际意义 1 4 2 课题研究中存在的问题 由于当前对该课题的研究单位和学者比较少 在课题的研究过程中遇到了一 些问题 这些问题以及本文采取对应的解决方法具体归纳为以下几个方面 1 模块化的很多方法和理论没有深a n 动车组产品设计中去 1 啦4 3 7 3 8 因此我们必须对一些模块化理论在动车组产品平台开发过程中进行尝试 2 对于其他产品的现有产品技术平台能否照搬过来使用仍旧存在疑问 因为平台模式开发在发展过程中很多情况下都是和相关行业的市场情况有着密 切的关联 包括汽车 电机等产品 3 9 4 0 4 2 4 5 5 8 1 因此 对动车组产品进行平台 式开发就需要有一些必要改进和修正 以满足动车组产品自身的特点 3 国外部分铁路车辆厂家虽然已经构建很多动车组产品技术平台 但是 对于这些现有的产品平台的很多数据以及技术指标和设计规则都是处于保密状 态 l 引 我们很难从中得到真正意义上的参考 因此 我们只能在现有资料的基础 上 从产品平台的基本原理结合动车组进行研究 4 对于动车组产品 部件结构非常复杂 图纸获得比较难 特别是国外 车辆 数据以及其他资料收集也比较困难 对此 所采取的方法是尽量搜集各 种国内外相关文献上的数据 图纸资料 使数据尽可能保持完整性 第一章绪论 1 4 3 课题的研究内容 本文密切结合项目 机车车辆系列化 模块化的规划研究 g 2 0 6 6 3 6 的 具体要求 全文将紧扣动车组产品的具体结构和特点 把产品平台理论引入动车 组设计中去 本文结合动车组在产品规划 模块规划 产品族设计 软件实现等 方面进行深入研究 研究内容包括 1 采用市场细分的方法规划动车组产品 研究动车组功能建模和模块划 分 探求了功能层面的共性和功能到结构的映射 2 研究基于模块化的产品族设计和基于相容决策支持问题的产品族设计 方法 研究二者的互补性 3 利用v c 和s q ls e r v e r 开发动车组辅助设计系统 本文着重在以下几个方面进行了创新研究 1 将产品平台和模块化思想引 入到动车组设计中去 2 提出基于构建形态学矩阵 模块形式多域配置 模块 检索 方案优选和参数修正的五步骤动车组产品族设计方法 对于上述内容本文规划为六章 章节安排如下 第一章绪论 第二章产品平 台构建方法及其关键技术 第三章动车组产品规划和模块规划 第四章基于平台 的动车组产品族设计 第五章动车组辅助设计系统开发 第六章结论与展望 结 构如图1 2 所示 图1 2 全文结构 第二章产品平台构建方法及其关键技术 2 1 引言 第二章产品平台构建方法及其关键技术 本章探讨产品平台构建方法及其关键技术 包括产品平台构建技术和产品族 设计方法 涉及到变量可调节产品平台 16 和模块化产品平台 4 刀的构建方法 同 时也探讨了功能结构分析原理 功能模块划分常用方法和产品配置 2 2 产品平台相关概念及其常用构建方法 2 2 1 产品平台相关概念 产品族是与产品平台关系最密切的概念之一 产品族是具有通用的功能且满 足不同的客户需求的系列产品 产品族中的单个产品被称为产品变型 4 0 1 产品族 对应的目标是一定的产品细分市场网格 每个产品变型都是针对于不同的客户需 求 所有的产品变型共享一定的产品功能和结构 这些相同的成分就组成了相对 应产品族的产品平台 图2 1 为产品平台 产品族和产品变型三者的关系 图2 1 产品平台 产品族和产品变型关系示意图 产品平台构建和产品族设计根据实现方法不同可以分为模块化产品平台设 9 第二章产品平台构建方法及其关键技术 计和可调节变量的产品平台设计 设计过程的不同可以分为自底向上和自顶向下 两种方法 加 5 6 1 模块化产品平台和可调节变量产品平台又有很多具体方法 4 5 4 6 下面围绕两种产品平台的不同设计方法学进行叙述 2 2 2 基于可调节变量的产品族设计 基于可调节变量的产品族设计是改变一个或者多个产品变量来实现产品族 设计 产品变量主要有公共平台变量和可调节变量 产品族中的产品特征随着可 调节变量的伸长或缩短而改变 该方法在国外很多行业的应用实践中取得了相当 大的成功 1 6 3 9 4 2 州 5 6 1 s i m p s o n 等人对此做出了很大贡献 下面介绍几种常用的 基于可调节变量产品平台构建方法 1 产品平台概念探求法p p c e m p r o d u c tp l a t f o r mc o n c e p te x p l o r a t i o n m e t h o d 1 6 5 6 p p c e m 是一种自顶向下的产品族设计方法 其步骤和相关技术工具如图2 2 所示 它以产品族设计要求作为输入 以产品平台和产品族作为输出 总共分为 5 个步骤 至 e m 生鐾 产品族设计要求 产品平台和产品族 图2 2p p c e m 设计步骤和工具 p p c e m 的第一步是创建市场细分网格 在很多产品平台构建中 这都是相 l o 第二章产品平台构建方法及其关键技术 当重要的一步 将市场需求映射到相应的网格中去 从而建立了市场 管理者和 工程设计人员之间的联系 更加利于发掘潜在的市场机遇 基于大规模定制的市 场细分模型通常有三种 横向拓展 纵向拓展和综合拓展 抢滩战略 图2 3 分别列出了三种市场细分框架模型 三种模型都有其自身的优点和缺点 企业综 合考虑客户需求 市场发展战略和技术实力等因素 来选择相应的市场细分模型 横向拓展模型 高端 中端 低端 l 囊 忒j 多 纵向拓展模型 综合拓展模型 图2 3 市场细分模型 2 基于变型的平台设计方法v b p d m v a r i a t i o n b a s e dp l a t f o r md e s i g n m e t h o d 4 2 1 v b p d m 拓展了p p c e m 提供了更加灵活的建模方法 设计步骤为 第一 步从产品族中的所有产品设计变量中选择公共平台 第二步围绕公共平台设计具 体的产品 图2 4 为细分后的v b p d m 设计步骤 步骤1 步骤2 l 选定系列产品萎茎个产品对应的 上 i 靛每勰署歇化 上 l 在所确定变量基础上分类平台变 l 量和非平台变量 上 卜烘骀擎斯黼殿 图2 4 v b p d m 设计步骤 事实上在v b p d m 设计过程中也用到了一项关键技术 相容决策支持问 题 这 点上可以看出v b p d m 和p p c e m 之间存在很大的继承的发展关系 相 容决策支持问题是整个设计非常重要的技术之一 它是建立数学模型和求出最终 第二章产品平台构建方法及其关键技术 结果的重要工具 v b p d m 关键在于如何寻求变量的共性和如何在共性的基础上进行变型设 计 这也是可调节变量产品族设计的重点所在 v b p d m 的目标是最大化公共变 量 这一目标是探求设计变量的偏差值最小化来实现的 围绕公共平台设计的所 有个体产品的功能需求在产品族中将会获得最大的满足 3 基于遗传算法的产品族优化设计 文献 4 3 4 4 提出并实践了基于遗传算法的平台变量多目标优化设计方法 其利用飞机族座位数为规划内容进行产品族设计 一般的优化方法要在优化之前 确定产品族内的平台变量和非平台变量 而这种方法不需要预先确定变量类型 其利用遗传算法 结合损失函数 运用单步法实现产品平台和产品族设计 综上所述 基于可调节变量的平台构建方法涉及到两个基本的任务 一是定 义哪些参数为平台变量即选择平台 二是优化变量以满足客户需求和经济性 2 2 3 模块化产品平台构建和产品族设计 模块化产品平台由模块组成 模块可以实现组合和互换 文献 6 7 1 认为 模 块化产品平台包含三部分内容 模块化产品架构 5 2 接口以及模块所必需遵循的 设计规则的一系列标准 模块化产品平台设计分为自顶向下和自底向上两种方 法 自顶向下是一种从战略高度出发的产品平台构建方法 因此又称为 事先法 或者 主动法 这种方法从产品设计之初就着手考虑产品平台和产品族 通常 前期投资比较大 该方法可以分为图2 5 中的五个流程 主要内容就是从产品设 计的用户域 功能域 结构域逐级建立交叉映射 与一般产品设计不同的是 其 设计对象始终围绕着满足不同市场的产品群体设计 而不是单一产品设计 这种 方法通常需要考虑很多市场因素 包括市场规模 市场增长率 平台将要开发的 产品与市场需求的兼容性等 自顶向下适合于一个新产品系列的开发和设计 不 i l j 场细分 产品变异设量化设计要 构建模块化产 需求分析和市 对功能需求的 求 建口功 计 生成产品 场细分 差异 并建立 能一结构映射 品甲台 族 映射 图2 5 自顶向下的模块化产品平台设计流程 自底向上是从研究已有的产品或者产品平台开始 类似于在设计初期利用反 向工程设计方法掣5 1 1 在现有产品基础上进行功能结构分析 接着规划模块 建 立模块化产品平台 图2 6 为自底向上的模块化产品族设计流程 从产品开发战 1 2 第二章产品平台构建方法及其关键技术 略意义上讲这是对现有产品进行改进和拓展的一种方法 因此又称为靠事后法 或者 被动法 确定研究对 寻求原理解 统计模块出现产品甲台构 象 系列功能 生成模块矩阵 频率 归类模建 产品族设 分析块计 图2 6 自底向上的模块化产品族设计流程 对于模块化产品平台而言 无论是哪一种方法 在模块化产品平台构建过程 中 通常是建立模块化产品架构来实现标准零部件配置到产品族中的不同产品 产品架构对于产品设计来讲 就是布局 配置或者拓扑学的职能及其体现 5 2 1 产 品架构可以定义为产品功能在其物理单元中的布置 或者在其物理单元之间的交 互 产品架构的拓扑学表明架构可以是集成式的或者是模块化的 传统的产品架 构大都是基于集成式的 集成式的产品架构所建立的功能到部件的映射是非常复 杂的 而模块化产品架构所建立的往往是一对一的映射 模块化产品架构建立了 功能域到物理域的映射关系 因此 模块化产品变型设计往往可以通过修改或者 调整模块来进行 2 2 4 基于相似性的产品平台构建理论 基于相似性的产品平台不是独立于上述两种方法之外的新方法 而是上述两 种方法的综合 产品平台构建归根结底是探求产品的相似性或者共性 产品的相 似性表现在三个方面 相似的功能 相似的结构 相似的参数 6 5 1 相似的功能是具有同样的输出和输入 以及实现相同功能的子功能组合 相 同的功能模型可以用相同的物理方案去解决 因此 功能的相似性为产品平台的 构建提供了现实的可能性 设计时通常将这一类产品归类到系列产品中去 相似的结构是结构参数不完全相同 但共享一系列构成要素 结构特征和制 造方法的一组产品 由于结构的相似性使得这些产品有可能具有相同的加工制造 工艺 进而使通用的制造平台成为可能 无论是相似功能还是相似结构总是被一系列量化参数所定义 当这些参数值 接近或者相等的时候 我们将有可能利用相应的优化算法对这些具体的参数进行 分类 这些参数中相互之间区别可忽略的那部分参数将被归为公共平台变量 图2 7 为利用三种不同层次的相似性构建产品平台的框架 图中纵向三列分 别是三类相似性 它们之间存在着很多映射 这些映射是构建产品平台的桥梁 进行产品平台设计时需要注意的是 每个模块保持最佳功能需求和产品族内所有 第二章产品平台构建方法及其关键技术 产品保持一定的通用性 这两方面存在对立统一的 需要寻求一个最佳的平衡点 图2 7 利用产品相似性原理构建产品平台框架图 2 3 面向产品族设计的功能结构分析原理 功能结构分析是建立用户域和物理域之间关联的关键 同时功能结构分析对 于功能模块划分也是极其重要的 图2 8 为功能结构分析基本流程 具体有以下 几个方面 关键部分 总功能分析 确定 要研 建屯功能 一建立功能链h 罄妄磐h 篓竺蓑掣 究的 产品 树 群体某砦部1 气 减件 运行 图2 8 平台式开发产品功能结构分析流程 1 确定研究产品群体选择构建产品平台的研究对象和单个产品设计不 同 其必须有产品群体组成 这些群体往往对应着某些市场细分的集合体 2 总功能分析总功能分析之前须对产品整体有了深刻的认识 常用的方 1 4 第二章产品平台构建方法及其关键技术 法就是将产品系统抽象成为一个黑箱模型 同时定义整体系统的输入输出流 包 括能量流 物质流和信息流 在整个过程中 黑箱模型第一时间将需求转换为设 计技术问题 3 建立功能树建立功能树可以用减件一运行法 5 1 或者对总功能的层次分 解获得 减件一运行法是假想拆分部件重新演绎的一个过程 假设需要分析的部 件数为m 循环次数为n 其流程图如图2 9 所示 功能树底层是功能元 功能 元首先要保证有意义 其次要化为最简 图2 9 减件一运行法基本步骤流程 4 建立功能链建立功能链的过程就是初步将能量流 物质流 信息流和 子功能归并起来 这种归并方式通常有串联和并联两种方式 功能链作为建立功 能结构图的一个过渡阶段 对于复杂系统而言都是有必要建立的 建立功能链能 够更加准确的定义复杂系统的功能结构图 5 整合功能结构图将已经建立的功能链合理的 连接 起来 这种连接 不是纯机械式的连接 而是建立在能量流 物质流和信息流交换和传递的基础上 6 整体规划统一模型产品设计过程在这一步需要对通用功能基p l j 的统 一 对于复杂的系统而言 由于其某些功能的特殊性j 很难或者无法统一到规定 的功能基中去 因此只需要对功能结构图中的功能做内部定义的统一 让其尽可 能的符合通用功能基的标准 第二章产品平台构建方法及其关键技术 2 4 基于功能分析的模块划分方法 2 4 1 模块划分概述 功能结构图建立之后 需要仔细检查以保证系统可以有效运行 接下来就要 对子功能进行聚合归类 最终建立产品功能模块 功能模块划分的正确与否直接影响到产品在结构域中的设计以及模块化产 品变型设计 对于简单系统划分模块可采用集合法 5 l 对于复杂系统而言 最常 见的实用方法是模块启发法 5 1 5 2 6 0 6 9 来划分功能模块 同时1 2 条模块功能配置法 峰3 j 也是重要的工具 用它来保证功能模块划分的合理性 2 4 2 模块启发法 功能结构图建立以后通常有三种不同的表现形式 串联模式 顺序模式 并联模式 分支模式 和混联模式 6 0 1 如图2 1 0 所示 模块启发法就是在这三 种形式的基础上提出来的 a 串联模式 b 并联模式 c 混联模式 图2 1 0 功能结构图基本形式 模块启发法又称为模块启发式规则 一共分为三条规则 主流规则 主干通 路法 支流规则 分支通路法 和转化 输送规则 转换一传导模块 如图2 1 l 所示 主流规则定义流入口处或者系统交换处开始 到该流出口处或者切换处为 止 这一区段为一模块 当某种流输入串联模式中的一个或多个分功能后其形式 未发生变化 最终退出系统或转变为其它功能形式 则这些分功能可以划分为一 个模块 功能终止或转折点形成了接口边界 其它流进入时需要接口 支流规则定义系统功能结构图中的并联模式中的每个分支可以确定一个模 1 6 第二章产品平台构建方法及其关键技术 块 如有多层分支则继续划分 分流规则在具体运用中可能会遇到所划分的支流 是相同的 这就说明这些支流是可以进一步进行聚合 从而提高功能模块的重用 性 转化 输送规则定义系统将能量或者物质流转换为其他形式 这一区段内的 子功能可独立为模块 同时考察下游子功能是否为传输功能 若是则将传输子功 能也归并到同一模块中去 介于转换子功能和传导子功能之间的其他子功能若只 对转换通路产生效应 这些子功能则可以归并 上述三种不同的形式分别称为转 换模块 转换一传导组和转换传导链 如图2 1 1 c 中所示 二至三班换模块 吐二三三至三二 二二至 传导组 藿萱芋芒翌f 臣季 传戥 c 转化 输送规则 图2 1 1 模块启发法三条规则原理图 2 4 3 模块功能配置法 模块功能配置法又称为1 2 项模块驱动力 是考虑产品整个生命周期 从产 品的设计 制造 维修等诸多方面考虑 e r i x o n 等人归纳出1 2 条模块独立原则 如表2 1 所示 对于直接利用启发式规则进行功能图的划分在实际中会出现一些 被忽略的问题 因此需要建立功能模块到原理域内的具体表现形式 再利用模块 功能配置法进行对模块划分合理性的验证 模块功能配置法只有在结构形式十分清晰 或者结构相对简单的产品设计过 程中用来划分模块 一般情况很少利用其直接划分模块 这一模块划分原则因不 同的企业会存在不同的标准 其具体内容会有一些改动 因此 我们仅利用其作 为辅助工具去验证由模块启发法划分的功能模块的合理性 第二章产品平台构建方法及其关键技术 表2 1 基于模块功能配置的模块独立原则 2 5 产品配置概述 产品配置能够根据预先定义的零部件集合以及它们之间的相互约束关系 快 速形成满足客户个性化需求的特定产品 是解决设计个性化与低成本之间矛盾 实现大批量定制的主要方法 6 2 j 产品配置的任务是 使用一组预先确定的组件 并对这些组件之间如何组合 进行约束 从而达到产品设计的目的 构建一个或者多个配置满足所有要求 其 中配置是一个组件的集合与描述该集合中组件间连接的描述 或者检测与需求的 不一致性 6 3 从知识表示的类型上看 有基于规则的 结构的 逻辑的 c s p 约束满足 问题 等几种 最为常见的是基于逻辑和基于c s p 的方法 无论是哪一种方法 配置求解和冲突解释都是其目的 模块化产品平台大都是基于图形配置 目前存在单装配型配置 单设计型配 置以及单制造型配置 6 这种方法需要对研究对象进行足够的功能和结构分析 建立起不同模块的多种基本形式 根据模块组合原则进行排列组合 之后进行对 不合理组合的排出 该方法在蓝虎系列内燃机车设计 7 6 中已经采用过 其开