機(jī)械產(chǎn)品生命周期的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1、149第9期 2010年9月機(jī)械設(shè)計(jì)與制造Machinery Design & Manufacture文章編號(hào)：1001-3997(2010 )09-0149-02機(jī)械產(chǎn)品生命周期的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法*錢松榮(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽550003)Mechanical product life cycle of multi-objective optimization design methodQIAN Song-rong(School of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China)| 【摘要】機(jī)

2、城產(chǎn)品生命周期包括對(duì)產(chǎn)品的社會(huì)需求的形成，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、試臉、定型，產(chǎn)品的制造、! i使用、維修以及達(dá)到其經(jīng)濟(jì)使用壽命之后的回收利用和再生產(chǎn)的整個(gè)閉環(huán)周期。通過分析機(jī)械產(chǎn)品生命 I周期的生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)損失的期望，并分析了多目標(biāo)產(chǎn)品成本價(jià)值與可靠度的關(guān)系。機(jī)械產(chǎn)品生命周期| j的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論發(fā)展的產(chǎn)物，也是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)汁的必然方向。!j關(guān)鍵詞:全生命周期；閉環(huán)周期；多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì);經(jīng)濟(jì)損失|Abstract Mechanical product life cycle is including the formation of social demand .product de

3、- jS sign, test and finalize the design yirumiifact ure product t usings maintenance and achieve its economic life of- | | ter recycling and reproduction of the closed-loop cycle Through analysis the mechanical product life cycle S cost of production and economic losses (ind the expected value of mu

4、lti-objective product cost and rclia-； § bility of the relationship. Mechanical product life cycle of multi-objective oplimizalion design method is re- | alized the modern design theory, the development of modern mechanical design product.| Key words： The whole life cycle； The closed-loop cycle

5、； The multi-objective optimization de- ! S sign ； Economic losses中圖分類號(hào):TP2O3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A*來稿fl期:2009-11-12第金項(xiàng)11:貴州省口然科學(xué)技術(shù)基金辭科合J12007J-21841501引言近年來機(jī)電產(chǎn)品的更新?lián)Q代期越來越短，用戶從對(duì)產(chǎn)品的耐 用性追求轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)產(chǎn)品生介周期的低成本追求，對(duì)于朿要的機(jī)械 裝備,要求在安全好命期內(nèi)產(chǎn)品必須可弧和有效地工作。這預(yù)示 著在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考臨產(chǎn)品的使用壽命而對(duì)于設(shè)計(jì)者和生 產(chǎn)者來說必須使自己的設(shè)計(jì)從壽命定性設(shè)汁上升到脅命定鳳設(shè) 計(jì)。機(jī)電產(chǎn)品或大型機(jī)械裝備從立項(xiàng)、町行性論

6、證、總體方案設(shè) 計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造加工與實(shí)現(xiàn)、使用維護(hù)維修，并針對(duì)各階段問 題的性質(zhì)選擇出最令人滿意的方案，即建立機(jī)械產(chǎn)品全生命周期 的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法的壟礎(chǔ)。M亍產(chǎn)品的社會(huì)效應(yīng)，全生命周期還包括對(duì)產(chǎn)品的社會(huì)需 求，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、定型，產(chǎn)品的制造、使用、維修以及達(dá)到梵 使用壽命之后的回收利用和再生產(chǎn)的整個(gè)閉環(huán)周期本課題主要 是針對(duì)設(shè)計(jì)過程中的全生M期問題，提出以機(jī)械產(chǎn)品生命周期的 多冃標(biāo)可靠性設(shè)計(jì)作為指標(biāo),綜合考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和失效損 失期犁，建立機(jī)械產(chǎn)品生命價(jià)值期里的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。 2產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)的基木概念 2.1產(chǎn)品生命周期產(chǎn)品生命周期與產(chǎn)品的壽命是不同的概念。產(chǎn)品生命周

7、期包 括產(chǎn)品的孕療期'生產(chǎn)期、儲(chǔ)運(yùn)銷售期、服役期和再循環(huán)期的整個(gè) 閉環(huán)周期，如圖】所示。而產(chǎn)品的壽命往往指從產(chǎn)品出廠或投入 使用宜至產(chǎn)胡報(bào)廢不再使用的一段區(qū)間，僅是生命周期內(nèi)服役期 的一部分。由于傳統(tǒng)的產(chǎn)品功能和性能主要是在服役期實(shí)現(xiàn)，而 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主饗為包括產(chǎn)品的運(yùn)行功能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品自然好命設(shè)計(jì)。 基于產(chǎn)品的社會(huì)效應(yīng)，牛命周期內(nèi)包括對(duì)產(chǎn)品的社會(huì)需求的形 成，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、定型，產(chǎn)品的制造、使用、維修以及達(dá)到其 經(jīng)濟(jì)使用壽命后的回收利用和再生產(chǎn)的整個(gè)閉環(huán)周期“產(chǎn)品生命周期涵蓋整過焊命期.全壽命期涵蓋經(jīng)濟(jì)使用壽命 和安全使用壽命。作為產(chǎn)品生向周期的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn),產(chǎn)品報(bào) 廢-般冇三種判據(jù)

8、:功能失效、安全失效、經(jīng)濟(jì)失效C圖1機(jī)械產(chǎn)品的生命周期2.2產(chǎn)品周期設(shè)計(jì)所謂產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)就是面向產(chǎn)品生命周期全過程的設(shè) 計(jì)?？紤]從產(chǎn)品的社會(huì)霸求和分析、產(chǎn)品概念的形成，知識(shí)及技術(shù) 資源的調(diào)研、成本價(jià)格分析、到機(jī)械設(shè)計(jì),產(chǎn)品制造、裝配、使用壽 命，安全保障與維修計(jì)劃,直至產(chǎn)品報(bào)廢與回收、再利用的全過 程。全面優(yōu)化產(chǎn)品的功能(F)、生產(chǎn)效率(T)傾址(Q)、經(jīng)濟(jì)性(C)、 環(huán)保性(E)和資源利用率(R )等口標(biāo)函數(shù)求得其最仕平衡點(diǎn)。2.3產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)的目的產(chǎn)品牛命周期設(shè)計(jì)的主要目的可以歸結(jié)為三個(gè):(1)在設(shè)計(jì)階段盡可能的預(yù)見產(chǎn)品生命期的各個(gè)環(huán)節(jié)的問 題,并在設(shè)計(jì)階段加以解決或設(shè)計(jì)好解決的途

9、徑?，F(xiàn)代設(shè)備n& 復(fù)雜、龐大和昂貴其中的知識(shí)會(huì)金星也與日俱増，一 h.出現(xiàn)問題*來稿fl期:2009-11-12第金項(xiàng)11:貴州省口然科學(xué)技術(shù)基金辭科合J12007J-2184#*來稿fl期:2009-11-12第金項(xiàng)11:貴州省口然科學(xué)技術(shù)基金辭科合J12007J-2184151錢松榮:機(jī)械產(chǎn)品生命周期的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法第9期僅靠用戶的經(jīng)驗(yàn)和技能很堆冇效解決和保障設(shè)備的有效運(yùn)行。(2) 在設(shè)計(jì)階段左產(chǎn)品生命周期的所有費(fèi)用:包括維修費(fèi)用、 停機(jī)損失和報(bào)廢處理費(fèi)用、并對(duì)資源消耗和環(huán)境代價(jià)整體進(jìn)行分 析規(guī)劃，最大程度地提髙產(chǎn)品的整體經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。(3) 在產(chǎn)品設(shè)訃階段對(duì)從選材、制造

10、、使用、維修、零部件更 換、安全保障直到產(chǎn)品報(bào)廢、冋收、再利用或降解處理的全過程對(duì) 自然資源和環(huán)境的彩嗚進(jìn)行分析預(yù)測(cè)和優(yōu)化并積極有效的利用 和保護(hù)資源、保護(hù)環(huán)境、創(chuàng)造好的人一機(jī)壞境，保持人類社會(huì)的可 持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，2.4產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)的土要內(nèi)容產(chǎn)胡生命周期設(shè)汁實(shí)際上是面向產(chǎn)品匸命周期所冇環(huán)節(jié)、所 冇方面的設(shè)計(jì)。為產(chǎn)品生命網(wǎng)期設(shè)計(jì)所面向的全過程，如圖2所 示。其中每一個(gè)面向都需要專門的知識(shí)、技術(shù)做支撐，這種技術(shù)采 用專家系統(tǒng)、分析系統(tǒng)或仿貞系統(tǒng)等智能方法來評(píng)判概念設(shè)計(jì)與 詳細(xì)設(shè)計(jì)滿足全生命周期不同方面需求的程度，發(fā)現(xiàn)所存在的問 題提出改進(jìn)方案，但是產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)并不圧簡(jiǎn)單的而向設(shè) 計(jì)，而是多

11、學(xué)科、多技術(shù)在人類主產(chǎn)、社會(huì)發(fā)展、與自然界共存等 多層次I：的融合，所涉及的問題十分廣網(wǎng)、深遠(yuǎn)。(1 )面向材料及其加工成形工藝的設(shè)計(jì)；(2)面向功能的設(shè)計(jì)；(3)面向制造與裝配的設(shè)計(jì)；(4) 安全使用壽甜役訃；(5)經(jīng)濟(jì)壽命設(shè)汁；(6)面向資源環(huán)境的設(shè)計(jì)；(7)爭(zhēng)故一安全設(shè)計(jì)"H產(chǎn)品需求|£產(chǎn)品觀劃1產(chǎn)品市場(chǎng)開發(fā)產(chǎn)品如1-1 £T產(chǎn)品報(bào)廢 <循 二；環(huán)J 產(chǎn)品生命 K貓M周期設(shè)計(jì)廠5>材料選擇1t«1a1產(chǎn)品維修|_2j產(chǎn)品使月雉護(hù)|產(chǎn)品制|產(chǎn)般行匕|產(chǎn)晶試產(chǎn)呃I圖2產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)3機(jī)械產(chǎn)品生命周期的多目標(biāo)可靠性 優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1產(chǎn)品成本價(jià)

12、值與可靠度的關(guān)系隨著可靠度的提奇，產(chǎn)品的成本將隨之提高，所以c(R)是一 個(gè)單調(diào)增因數(shù)°此外，在低可靠度水平時(shí)，提島町徉度的成本小于 高可靠度水平時(shí)的悄況:設(shè)W C)表示:產(chǎn)品在給定使用條件 和工作環(huán)境中，在一定壽命期內(nèi)正常工作所需成本 < 不大于C的 概率。它也就是在成本為c時(shí)，該產(chǎn)品在上述要求F1E常匸作的 可靠度,0P：/?(C)=/X< w C)。相應(yīng)的成本大于C的概率A<>C)= i-/e(c)o直接給出分布嗨數(shù) 吆WC)的衣達(dá)式卄常困難，但在對(duì) 該產(chǎn)品當(dāng)麗成本C的侑況下,有時(shí)卻能較容易地給佶再增加成本A c < C+AO-MC) _ C+AC

13、 )-d( C)3、 加冋鼻希廠令A(yù)C-0,上式轉(zhuǎn)化為徴分方程：曙=1-叫0設(shè)R(Cj=Ri為已知假定g(C)“為常數(shù)，解微分方程得： /e(c)=i-(i-«1)-»(4)若再能估算岀另一個(gè)點(diǎn)R(CJ=R2、即町求出上式中的參數(shù) h之値。給泄初始條件R(G)T,則上式變?yōu)椋篕(C) = I式中，參數(shù)人可理解為產(chǎn)品成本一效益率的平均值,處綱是成本貨 幣的倒數(shù)。再設(shè)a=hCo無51綱姿數(shù).R(C)的反函數(shù)為R(C)4S(35)式屮，參數(shù)仏為可霖度R趨近于零時(shí)產(chǎn)品的適價(jià)，也就是接 近于必須失效的設(shè)訃方案的成本，它與R=O的設(shè)讓方案是有差 別的，因?yàn)??=0的各種方案之間可以有極

14、大的差別;無凰綱參數(shù)a 決定曲線的趨勢(shì),a值愈大，曲線的前段的坡度愈平,而厲段愈陡， 這總味看R偵不犬時(shí)為提高可靠度所需要增加的成本較小，而/? 值較大時(shí)，繼續(xù)提高可軟度就需要增加更多成本。這癢，可以根據(jù) 產(chǎn)品的具體悄況.依靠過去類似產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)和專家判斷及其物理 概念來評(píng)估參數(shù)a和C。之值，并從而彳9出函數(shù)C(R)的佔(zhàn)計(jì)。需要說明的是,C(R)函數(shù)中的可慕度應(yīng)取為設(shè)計(jì)可確度局 (門或產(chǎn)品使用初期的動(dòng)態(tài)可靠度R(Q,T).應(yīng)根據(jù)實(shí)際悄況選 定，由于Ro(T)R(0,r)的待例(見式(3.5),因此成本函數(shù)可表 示為Cl/f(O,r)J的形式:C(0,T)J=-L£/i1-(0,T)JJ

15、G(6)a3.2機(jī)械產(chǎn)品生命周期的失效損失期望產(chǎn)品失效帶來的損失由三部分組成：產(chǎn)品失效本身的經(jīng) 濟(jì)損失;產(chǎn)品失效帶來的引發(fā)損失0°:它包括相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu) 和產(chǎn)品的損傷，這是種間接經(jīng)濟(jì)損失;產(chǎn)品失效帶來的停產(chǎn)損 失Dg它是從產(chǎn)品正席11作所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)化而來的。三者 都與產(chǎn)晶的失效程度冇關(guān)，如然它們的將確計(jì)算很困難,但通過 經(jīng)驗(yàn)和大就統(tǒng)訃數(shù)據(jù)總是可以估算的由于機(jī)械產(chǎn)品生命周期內(nèi) 材料的價(jià)格和市場(chǎng)因索它們都應(yīng)是時(shí)間的函數(shù)：(/)=久)(1)+。和)令匙)(7)隨若材料的疲勞和環(huán)境的變化動(dòng)態(tài)可靠度R(t,T-t)不斷 哀減,損失期望為時(shí)間的函數(shù)，即：£(<)= l-/?G

16、>T-z)lDG)(8)由此全壽命期內(nèi)產(chǎn)品失效損失期望為： 匚皿(以1)加)止(9)這樣,產(chǎn)晶全壽命期優(yōu)化模型就變成了：(10)/ Jo其中，需燙根據(jù)產(chǎn)品可慕性袞滅機(jī)理研究和解決動(dòng)態(tài)可端度(1)152錢松榮:機(jī)械產(chǎn)品生命周期的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法第9期AC可以使它的可靠性提高的比率:A/?(C)-AHGC)1f j /_AC AC將此比率與/«<c)W比值定義為產(chǎn)品'成本-效益率心咋C). 函數(shù)KSD問題求解上面模型即町得到給定設(shè)計(jì)壽命卩時(shí) 的產(chǎn)品最優(yōu)設(shè)汁可靠度/i(o,r),然后按照該最優(yōu)設(shè)計(jì)可靠度進(jìn) 行產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)。3.3多目標(biāo)問題的求解多口標(biāo)決策理論是將多

17、個(gè)相反沖突的決策進(jìn)行綜合的設(shè)計(jì)(1)153第9期2010年9月機(jī)械設(shè)計(jì)與制造Machinery Design & Manufacture文章編號(hào):1001-3997( 2010 )09-0151 -02水下壁面吸附及移動(dòng)式機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)的研制*袁夫彩王立柱(河南工業(yè)大學(xué)，鄭州4500()7)Development of a transmission system for the adsorption and movementrobot on underwater hullYUAN Fu-cai.WANG Li-zhu(College of Mechanical and Electron

18、ic Engineering,Henan University of TechnologytZhengzhou 450007,China) 廠苗藺施最解歹嬴訐蕓忑禎5云詼菇薦天矗藥蒜if： 茍鬲芯孑跖云喬莓易 能的實(shí)現(xiàn)起著重要的作用。根據(jù)機(jī)器人的工作要求及作業(yè)環(huán)境，分析了前驅(qū)動(dòng)和后驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，確定了驅(qū) 動(dòng)方式為后輪驅(qū)動(dòng);建立了鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用優(yōu)化方法確定了鏈傳動(dòng)的相關(guān)參數(shù);設(shè)J 計(jì)了磁吸附機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝近等，解決了鏈傳動(dòng)中的張緊、導(dǎo)向和密封等問題。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該機(jī)器人 t傳動(dòng)系統(tǒng)可在水深20m以淺的作業(yè)環(huán)境下工作，負(fù)重能力可達(dá)30kg,運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)8m/min,可越過t |

19、 20mm的凸起障礙梅，達(dá)到了機(jī)器人設(shè)計(jì)的要求。1! 關(guān)鍵詞:傳動(dòng)系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計(jì);機(jī)器人I Abstract The transmission system is a key component for the adsorption and movement robot on j underwater hull、and tuis an import a/d role to realize the robots movement function adsorption function and so on. According to the work requirements(uul opera

20、ting environment of robots the characteristics ofJront- i wheel drive and rearwheel drive are analyzed to determine the drive way which is rear-wheel drive lhe | mathematic model of chain transmission are est(il)lished,lhe relevcuil parameters of chain trwismission are t I determined by using optima

21、l design methods ：the magnetic absorbing mechanism and the drive device are de- | f signed to solve the problems of chain transmission such as tension guule .sedmg a/id so on. The experiments j prove that the transmission system can work in the water environment (jf 20m depth .can load 30kg,con move

22、 | 8ni/rnintcan get aeross the protruding obstacle of 20mm, and can meet the design requirements of robot. tKey words: Transmission system ； Optimal design ； Robot!中圖分類號(hào):TF2O3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言統(tǒng)由動(dòng)力源、減速器鏈、鏈輪、支揮機(jī)構(gòu)、變磁力吸附盤和鏈張緊水髭面移動(dòng)及吸附式機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱為機(jī)器人)傳動(dòng)系裝置等組成，需具備吸附和移動(dòng)等功能。來稿日期:2009120 基金項(xiàng)目沖國博七后科學(xué)菇金一等獎(jiǎng)項(xiàng)日(20070410258).河南省教育廳基金項(xiàng)H(2OIOhnjjOO3),河南工業(yè)大學(xué)歴金項(xiàng)目(2OO9BS