可拓能量元驱动的机电产品节能设计

第 4期 2 0 1 3年 4月 机 械 设计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t ur e 21 7 可拓能量元驱动的机 电产品节能设计 郑辉 吴越 张付英 1 天津科技大学 机械工程学院 工业工程系 天津 3 0 0 2 2 2 2 天津7 0 7研究所 天津 3 0 0 1 3 1 摘要 由于用户对产品需求的转变 将可拓能量元作为驱动整个机电产品节能设计过程的有效工具 利用可拓学并结 合产品节能设计给出了可拓能量元的定义 将产品物元特征划分为功能特征元和性能特征元两类 针对全生命周期各阶 段产品物元模型分别进行形式化表述 构建了以能量元为基础的产品物元模型 提出了基于共轭视图的能量元三维识别 模型 以蝶阀产品方案设计为例 说明该方法在实际机电产品设计中的应用 证明了该方法的正确性 有效性与实用性 关键词 能量元 可拓学 节能设计 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 o 4 0 2 1 7 0 3 En e r g y Co n s e r v a t i o n De s i g n o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l P r o d u c t s o f E x t e n d e d E n e r g y Un i t Z HE NG Hu i WU Yu e Z HANG F u y i n g 1 I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g T i a n j i n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 C h i n a 2 I n d u s t ri a l E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e o f T i a n j i n 7 0 7 T i a n j i n 3 0 0 1 3 1 C h i n a Ab s t r a c t A s t h e p r o d u c t n e e d s o fu s e r s w e r e c h a n g i n g i t u t i l i z e d t h e e x t e n d e d e n e r g y u n i t a s a n e f f e c t i v e t o o l t o i r e t h e p r o c e s s o fe n e r gy s a v i n g des i g n for t h e m e c h ani c a l and e l e c t r i c a l p r o d uct s T h e d e fin i t i o n o ft h e e x t e n d e d e n e r gy u n i t W as p r o p o s e d w i t h t h e e x t e n ic s f o r r e f e r e n c e c o mb i ned w i t h p r o d u c t e n e r gy s avi n g d e s ig n The m a t t e r e le m e n t c h a r a c t e r of a p r o d uct w a s c l ass ifie d f u n c t i o n al c h a r a c r is t ic e l e me n t a n d p e 矿 0 e c h a r a c t e r is t ic O ne The p r o d uct m a t t e r e l e men t m o d e ls a t e a c hp h ase for t h e w h o l e l if e c y c l e w e r e f o r m aliz e d r e s p e c t i v e l y An d a m a t t e r e l e men t m o d e l W as p u t f o r w a r d o n t h e b a s e o fe ner gy u n i t A t h r e e d i men s i o n al mo d e l for t h e i d e n t ific ati o n of e n e r g y u n i t W as s e t u p b ase d o n t h e c o n j u g a t e v i e w A c ase s t u d y o fb u t t e ryg a t e W as u s e d t o s h o w t h e v al i d i t y oft h i s m e t h o d a d v a n c e d a b o v e Ke y W o r d s En e r g y Un i t Th e Ex t e n i c s En e r g y S a v i n g De s i g n 1引言 迄今为止 大多数产品设计的研究都将注意力放在产品的 功能设计上 只有满足用户功能需求的产品才会进入市场 面对 全球能源 日益紧张的趋势 能源危机已引发产品设计由功能设计 向节能设计的深度拓展 面对功能相似的产品 实现节能需求是 现代产品设计的起点 也是完成产品节能设计的标志 节能性好 的产品才真正具有竞争力 产品在其生命周期各阶段均体现有较强的节能性 其节能 性的优劣在很大程度上是由其设计阶段决定的 现代设计理论认 为 产品设计是制造业的核心 在产品生命周期不同阶段 其能量 消耗的影响因素不同 作用机理也不同 且有些能量因素可具体 获得 而有些能量因素却无法获得 多数学者对能量节约的研究 提出了许多有价值的新思想 新方法I 但多是从国家的宏观的角 度分析能源的消耗及供需情况 仅有少数学者对于离散制造业 的微观能耗模型进行研究 5 7 以可拓学理论为基础 提出了可拓 能量元的概念 系统的提出了以可拓能量元驱动产品节能设计的 新思路 并验证了可拓能量元是一种可以驱动产品节能设计过程 的有效工具 2产 品节能设计的基本单元一节能设计 物 兀 2 1用户需求的分解 产品的质量是由其功能和性能共同决定的嗣 在功能相同或 相似的产品中 用户会选择性能优良的产品为其提供服务 产品 节能设计的主要活动是以保障产品功能为基础 提升其节能性来 展开的 设计者在设计一件节能产品时 必须明确用户对产品的 功能需求与性能需求 由此可见 功能的表示以及产品性能之间 的关系就成为节能设计的首要问题 因此 在现代产品节能设计 中 设计人员需要同时面对用户需求的两个方面 产品的功能 F 和产品的节能性能 二者共同构建了支持和决定产品节能设 计的 F E S 体系 s 根据可拓学的可组合性原理 o l F E S 体 系可形式化的表达为 s F E S 用户需求的分解对于产品的节能设计是非常有利的 因为 在许多产品设计中 在保障产品基本功能的前提下 只需对设计 来稿 日期 2 01 2 0 6 2 2 基金项目 国家自然科学基金项目 5 1 0 7 5 3 0 0 天津市自 然科学基金项目资助 1 0 J C Y B J C 0 6 8 0 0 作者简介 郑辉 1 9 7 8 一 女 副教授 博士 主要研究方向 可持续设计与制造 2 1 8 郑辉等 可拓能量元驱动的机电产品节能设计 第4 期 方案中的某些部分做相应的修改或改善 能 从而提高用户满意度 2 2节能产品性能及其表达 即可大大提升产品性 量值取正 负 值的部分称为物关于该特征的正 负 部 事物量值 运用可拓学有序三元组 R C 作为描述机电产品全生 命周期能耗模型的基本逻辑单元 称为节能设计物元 其中 为 产品的概念 对不同层次的物元 可代表不同级别的产品 即可 为不同的产品生命周期阶段 或具体到某一个生产工艺过程 C 为产品特征 为产品关于特征的量值 并把 c 称为特征元 记 为胁 c o当物元 R C 中c为功能特征时 称为功能 特征元 记为 M f 同理 当C为性能特征时 称为性能特征元 记为Mq 产品特征元由功能特征元和性能特征元共同构成 则 M M f Mq 功能特征元M f 号陛能特征元 胁 还可以以子物元的 形式出现 还可具体表示为事物元与关系物元 通过上述方法建立的节能设计物元能够较好的体现 F E S 体系 5 思想 其中 节能设计物元 代表了体系 s 功能特征元 M f 体现了该体系中的 F思想 性能特征元 Mq 体现了该体系 中的 E S思想 用户需求包括客户对产品功能和性能上的要求 通过物元模型 可以将这些用户需求按照统一物元 子物元 的形 式加以表示 其中每一层为其上一层的子物元模型 如图 1 所示 制造料阶段 名称 V 1 使用料阶段 名称 V 1 l 功能 v l l 功能 v l 性能 V J 性能 V 3 j 图1基于 嬲 体系的产品物元模型 F i g 1 P r o d u c t Ma t t e r El e me n t Mo d e l B a s e d o n F E S S y s t e m 3基于共轭视图的能量元三维识别模型 3 1基于共轭视图的能量元三维识别模型 在节能产品设计过程中 为了缩短设计周期 提高其节能性 能 必须找出对其节能性起到关键影响作用的因素 能量元 E n e r g y u n i t 是对产品在全生命周期各阶段 对其 直接或间接能耗起关键作用的性能特征元 产品节能性的优劣是 其能量元作用的结果 能量元的概念具有广泛的含义 它可以是包含一个特征元 的性能特征元 也可以是由多个特征元组成的组合性能特征元 能量元的有效提取 不仅可以更好的表达产品设计意图和设计思 想 达到规范化的目的 又是对并行设计环境下产品节能设计的 有效支持 也就是说 首要解决的问题就是能量元的获取 可拓学认为 任何物都有对立的两部分 物的对立性是相对 于某一特征而言的 物关于某特征的量值是指内部产生正值的部 分和产生负值的部分综合作用的结果 相应的把物关于某特征的 的变换引起事物的变换 事物共轭部的变换引起事物功能的改 变 产品能量特征识别模型的技术级别轴主要描述对于产品节能 性能等级的作用 给定产品 特征为C 能耗值为 当v c i0时 称 C为 关于节能性能的正部分 记为 c 当V C 0时 称 C 为 关于节 能性能的负部分 记为 C 一 N中关于节能性的一切正部分的全体 称为 的正部 记作p s N E c N中关于节能性的一切负部分 的全体称为 的负部 记作 n g v N E c 一 面向技术级别轴 产品 能量特征识别模型可记作为N p s v x n g v N 如图 2 所示 图 2基于共轭视图的能量特征三维识别模型 F i g 2 A Th r e e Di me n s i o n a l Mo d e l f o r t h e I d e n t i f i c a t i o n o f E n e r g y U n i t B a s e d o n t h e C o n j u g a t e V i e w 3 2能量元的拓展 对于产品的节能设计 由于不同的产品其功能 用途 结构 材料 平均使用寿命等情况的不同 即使相同的产品 由于存在系 列化等问题 且工作条件不同 各零部件的能耗在全生命周期各 阶段也会产生难以估计的变化 这将为产品的节能设计带来一定 的困难 某些产品似乎无法提取能量元 利用可拓学的原理进行拓 展 往往可以找到一些相关的方法解决 具体到某一物元或子物 元来说 可以对一些无法提取能量元的物元进行可拓变换 找出 它们和能耗之间的联系 从而间接的获得待设计产品的能量元 经过对节能设计物元 子物元 变换后得到的能量元 称为可拓 能量元 在寻求可拓能量元时 可通过基本的可拓变换方法 如蕴 含分析 积变换 与变换 或变换和逆变换方法 对于一些难于寻找可控能量元的零部件可以通过蕴含式分 析进行解决一当上层物元模型中难以寻觅其可控能量元或能量 元不符合设计要求时 可以寻找它的下位目标 从最下位的基元 进行分析 从而得到上位基元 的实现 根据蕴含分析基本原理可得到能量元蕴含系的一般形式 如图 3 所示 4实证研究 阀门是流体输送管路的重要控制设备 广泛应用于国民经 济各个领域 如何实现阀门产品的节能设计 是绿色制造领域的 重要研究课题 蝶阀产品的物元模型 如图 4所示 可以看出 通过提出的 方法 运用可拓学蕴含分析方法 可找到阀门产品各零部件的能 No 4 A p r 2 0 1 3 机 械设 计 与 制造 2 1 9 量元 如端法兰零件的能量元为 零件材料 零件形状 零件尺寸 几何精度 表面状况等 图 3能量元蕴含 系的一般形式 F i g 3 Ge n e r a l Ty p e o f En e r g y Un i t I n v o l v e d S y s t e m 1 l产 品 功 能 控 制 介 质 流 通 l L 产品 性能 体孙 重 量轻 用于 大口 径J r 韶件1 部件 名称l 闱 体 1 r 部仟2 部 件名 称 密 封 结构1 r 部件3 部 件名 称 填料 组件 l 部 件 聃 蓖 潭 骱 嘞 魄一 雌 晰性 能 体 积小 重量 轻 部件 性能 部件 性能 医 匪 斛 斛 孽糊 1I 1 f 车酊 过程1 名 称 蜡法 兰 功能 车外圆 周 面 零件 材料 I t 件 形状 零件尺 寸 几 何 精度 1 表面状 况 图 4蝶阀产品的能量兀蕴含系 F i g 4 En e r g y Un i t I n v o l v e d S y s t e m o f B u t t e r f l y Ga t e 5结论 进行产品的节能设计是现代绿色设计与制造的当务之急 提出了运用可拓能量元驱动的产品设计方法 对机械产品的功能 与性能需求进行可拓学的形式化描述 构建了能量元提取的三维 模型 并且给出可拓能量元的求解过程 最后 以蝶阀产品为例 说明该方法在实际机械产品设计中的应用 证明该方法的正确性 与实用性 参考文献 1 李公法 孔建益 杨金堂 机电产品的绿色设计与制造及其发展趋势 J 机械设计与制造 2 0 0 6 6 1 7 0 1 7 2 L i G o n g f a K o n g J i a n y i Y a n g J i n t a n g T e c h n o l o gy a n d d e v e l o p i n g t r e n d s o f g r e e n d e s i g n a n d ma n u f a c t u rin g i n e l e c t rome c h a n i c al p r o d u c t J 3 M a c h i n e r y D e s i gn M a n u f a c t u r e 2 0 0 6 6 1 7 0 1 7 2 2 曲格平 中国的环境与发展C M 北京 中国环境科学出版社 1 9 9 2 C u G e p i n g E n v i r o n me n t a n d D e v e l o p me n t i n C h i n a M B e i j i n g C h i n a E n v i r o n m e n t alS c i e n c e P r e s s 1 9 9 2 3 褚大建 从可持续发展到循环经济i j 世界环境 2 0 0 0 6 8 3 1 2 1 7 C h u Da j i a n F r o m s u s t a i n a b l e d e v e l o p me n t t o c i r c u l a r e c o n o m y J j Wo r l dE n v i r o n m e n t 2 0 0 0 6 8 3 1 2 1 7 4 冯剑 王宇敏 中国生产力发展与能源供需分析 J 生产力研究 2 0 0 4 9 5 3 5 4 F e n g J i a n Wa n g Y u mi n P r o d u c t i v i t y d e v e l o p me n t a n d a n a l y s i s o f e n e r gy s u p p l y a n d d e m and i n c h i n a J P r o d u c t i v i t y R e s e a r c h 2 0 0 4 9 5 3 5 4 5 梁洁 刘飞 陈晓慧 面向物能资源优化利用的机械产品设计 J 机械 设计 1 9 9 8 3 2 0 2 5 L i a n g J i e L i u F e i C h e n X i a o h u i T h e d e s i gn o f ma c h i n e ry p r o d u c t f a c i n g t h e o p t i m u m u t i l i z a t i o n o f ma t e ri a l a n d e n e r gy r e s o u r c e s J J Ma c h i n e D e s i g n 1 9 9 8 3 2 0 2 5 6 李亮 孙廷容 黄强 等 灰色 G M 1 1 和神经网络组合的能源预测模 型E J 能源研究与利用 2 0 0 5 1 1 0 1 3 L i L i a n g S u n T i n g ron g Hu a n g Q i a n g e t a1 C o m b i n e d e n e r gy f o r e c a s t i n g mo d e l o f g r a y G M 1 1 a n d n e u r a l n e t w o r k s J J E n e r gy R e s e arc h a n dU t i l i z a t io n 2 0 0 5 1 1 0 1 3 7 刘飞 徐宗俊 机械加工系统能量特性及其应用 M 北京 机械工业出 版社 1 9 9 5 L i u F e i X u Z o n g j u n E n e r gy C h a r a c t e r and i t s A p p l i c a t i o n o f M a c h i n i n g S y s t e m M B e i j i n g C h i n a M a c h i n e P r e s s 1 9 9 5 8 刑德强 复杂机械产品性能驱动设计方 法及其 典型应用研究 D 天 津 天津大学 2 0 1 0 Xi n g D e q i a n g S t u d y o n me t h o d o f p e r f o r m a n c