机械产品生命周期的多目标优化设计方法

1、149第9期 2010年9月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture文章编号：1001-3997(2010 )09-0149-02机械产品生命周期的多目标优化设计方法*钱松荣(贵州大学 机械工程学院，贵阳550003)Mechanical product life cycle of multi-objective optimization design methodQIAN Song-rong(School of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China)| 【摘要】机

2、城产品生命周期包括对产品的社会需求的形成，产品的设计、试脸、定型，产品的制造、! i使用、维修以及达到其经济使用寿命之后的回收利用和再生产的整个闭环周期。通过分析机械产品生命 I周期的生产成本和经济损失的期望，并分析了多目标产品成本价值与可靠度的关系。机械产品生命周期| j的多目标优化设计方法是实现现代设计理论发展的产物，也是现代机械设汁的必然方向。!j关键词:全生命周期；闭环周期；多目标优化设计;经济损失|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中图分类号:TP2O3文献标识码:A*來稿fl期:2009-11-12第金项11:贵州省口然科学技术基金辭科合J12007J-21841501引言近年来机电产品的更新换代期越来越短，用户从对产品的耐 用性追求转变为对产品生介周期的低成本追求，对于朿要的机械 装备,要求在安全好命期内产品必须可弧和有效地工作。这预示 着在产品设计阶段就应考临产品的使用寿命而对于设计者和生 产者来说必须使自己的设计从寿命定性设汁上升到脅命定凤设 计。机电产品或大型机械装备从立项、町行性论

6、证、总体方案设 计、结构设计、制造加工与实现、使用维护维修，并针对各阶段问 题的性质选择出最令人满意的方案，即建立机械产品全生命周期 的优化设计理论和方法的垄础。M亍产品的社会效应，全生命周期还包括对产品的社会需 求，产品的设计、试验、定型，产品的制造、使用、维修以及达到梵 使用寿命之后的回收利用和再生产的整个闭环周期本课题主要 是针对设计过程中的全生M期问题，提出以机械产品生命周期的 多冃标可靠性设计作为指标,综合考虑产品的生产成本和失效损 失期犁，建立机械产品生命价值期里的多目标优化设计模型。 2产品生命周期设计的基木概念 2.1产品生命周期产品生命周期与产品的寿命是不同的概念。产品生命周

7、期包 括产品的孕疗期'生产期、储运销售期、服役期和再循环期的整个 闭环周期，如图】所示。而产品的寿命往往指从产品出厂或投入 使用宜至产胡报废不再使用的一段区间，仅是生命周期内服役期 的一部分。由于传统的产品功能和性能主要是在服役期实现，而 传统设计主饗为包括产品的运行功能设计和产品自然好命设计。 基于产品的社会效应，牛命周期内包括对产品的社会需求的形 成，产品的设计、试验、定型，产品的制造、使用、维修以及达到其 经济使用寿命后的回收利用和再生产的整个闭环周期“产品生命周期涵盖整过焊命期.全寿命期涵盖经济使用寿命 和安全使用寿命。作为产品生向周期的一个重要转折点,产品报 废-般冇三种判据

8、:功能失效、安全失效、经济失效C图1机械产品的生命周期2.2产品周期设计所谓产品生命周期设计就是面向产品生命周期全过程的设 计。考虑从产品的社会霸求和分析、产品概念的形成，知识及技术 资源的调研、成本价格分析、到机械设计,产品制造、装配、使用寿 命，安全保障与维修计划,直至产品报废与回收、再利用的全过 程。全面优化产品的功能(F)、生产效率(T)倾址(Q)、经济性(C)、 环保性(E)和资源利用率(R )等口标函数求得其最仕平衡点。2.3产品生命周期设计的目的产品牛命周期设计的主要目的可以归结为三个:(1)在设计阶段尽可能的预见产品生命期的各个环节的问 题,并在设计阶段加以解决或设计好解决的途

9、径。现代设备n& 复杂、庞大和昂贵其中的知识會金星也与日俱増，一 h.出现问题*來稿fl期:2009-11-12第金项11:贵州省口然科学技术基金辭科合J12007J-2184#*來稿fl期:2009-11-12第金项11:贵州省口然科学技术基金辭科合J12007J-2184151钱松荣:机械产品生命周期的多目标优化设计方法第9期仅靠用户的经验和技能很堆冇效解决和保障设备的有效运行。(2) 在设计阶段左产品生命周期的所有费用:包括维修费用、 停机损失和报废处理费用、并对资源消耗和环境代价整体进行分 析规划，最大程度地提髙产品的整体经济性和市场竞争力。(3) 在产品设讣阶段对从选材、制造

10、、使用、维修、零部件更 换、安全保障直到产品报废、冋收、再利用或降解处理的全过程对 自然资源和环境的彩呜进行分析预测和优化并积极有效的利用 和保护资源、保护环境、创造好的人一机坏境，保持人类社会的可 持续稳定发展，2.4产品生命周期设计的土要内容产胡生命周期设汁实际上是面向产品匸命周期所冇环节、所 冇方面的设计。为产品生命网期设计所面向的全过程，如图2所 示。其中每一个面向都需要专门的知识、技术做支撐，这种技术采 用专家系统、分析系统或仿贞系统等智能方法来评判概念设计与 详细设计满足全生命周期不同方面需求的程度，发现所存在的问 題提出改进方案，但是产品生命周期设计并不圧简单的而向设 计，而是多

11、学科、多技术在人类主产、社会发展、与自然界共存等 多层次I：的融合，所涉及的问题十分广网、深远。(1 )面向材料及其加工成形工艺的设计；(2)面向功能的设计；(3)面向制造与装配的设计；(4) 安全使用寿甜役讣；(5)经济寿命设汁；(6)面向资源环境的设计；(7)爭故一安全设计"H产品需求|£产品观划1产品市场开发产品如1-1 £T产品报废 <循 二；环J 产品生命 K貓M周期设计厂5>材料选择1t«1a1产品维修|_2j产品使月雉护|产品制|产般行匕|产晶试产呃I图2产品生命周期设计3机械产品生命周期的多目标可靠性 优化设计3.1产品成本价

12、值与可靠度的关系随着可靠度的提奇，产品的成本将随之提高，所以c(R)是一 个单调增因数°此外，在低可靠度水平时，提岛町徉度的成本小于 高可靠度水平时的悄况:设W C)表示:产品在给定使用条件 和工作环境中，在一定寿命期内正常工作所需成本 < 不大于C的 概率。它也就是在成本为c时，该产品在上述要求F1E常匸作的 可靠度,0P：/?(C)=/X< w C)。相应的成本大于C的概率A<>C)= i-/e(c)o直接给出分布嗨数 吆WC)的衣达式卄常困难，但在对 该产品当丽成本C的侑况下,有时却能较容易地给佶再增加成本A c < C+AO-MC) _ C+AC

13、 )-d( C)3、 加冋鼻希厂令AC-0,上式转化为徴分方程：曙=1-叫0设R(Cj=Ri为已知假定g(C)“为常数，解微分方程得： /e(c)=i-(i-«1)-»(4)若再能估算岀另一个点R(CJ=R2、即町求出上式中的参数 h之値。给泄初始条件R(G)T,则上式变为：K(C) = I式中，参数人可理解为产品成本一效益率的平均值,处纲是成本货 币的倒数。再设a=hCo无51纲姿数.R(C)的反函数为R(C)4S(35)式屮，参数仏为可霖度R趋近于零时产品的适价，也就是接 近于必须失效的设讣方案的成本，它与R=O的设让方案是有差 别的，因为/?=0的各种方案之间可以有极

14、大的差别;无凰纲参数a 决定曲线的趋势,a值愈大，曲线的前段的坡度愈平,而厉段愈陡， 这总味看R偵不犬时为提高可靠度所需要增加的成本较小，而/? 值较大时，继续提高可软度就需要增加更多成本。这痒，可以根据 产品的具体悄况.依靠过去类似产品的经验和专家判断及其物理 概念来评估参数a和C。之值，并从而彳9出函数C(R)的佔计。需要说明的是,C(R)函数中的可慕度应取为设计可確度局 (门或产品使用初期的动态可靠度R(Q,T).应根据实际悄况选 定，由于Ro(T)R(0,r)的待例(见式(3.5),因此成本函数可表 示为Cl/f(O,r)J的形式:C(0,T)J=-L£/i1-(0,T)JJ

15、G(6)a3.2机械产品生命周期的失效损失期望产品失效带来的损失由三部分组成：产品失效本身的经 济损失;产品失效带来的引发损失0°:它包括相关机械结构 和产品的损伤，这是种间接经济损失;产品失效带来的停产损 失Dg它是从产品正席11作所产生的经济效益转化而来的。三者 都与产晶的失效程度冇关，如然它们的将确计算很困难,但通过 经验和大就统讣数据总是可以估算的由于机械产品生命周期内 材料的价格和市场因索它们都应是时间的函数：(/)=久)(1)+。和)令匙)(7)随若材料的疲劳和环境的变化动态可靠度R(t,T-t)不断 哀减,损失期望为时间的函数，即：£(<)= l-/?G

16、>T-z)lDG)(8)由此全寿命期内产品失效损失期望为： 匚皿(以1)加)止(9)这样,产晶全寿命期优化模型就变成了：(10)/ Jo其中，需烫根据产品可慕性袞滅机理研究和解决动态可端度(1)152钱松荣:机械产品生命周期的多目标优化设计方法第9期AC可以使它的可靠性提高的比率:A/?(C)-AHGC)1f j /_AC AC将此比率与/«<c)W比值定义为产品'成本-效益率心咋C). 函数KSD问题求解上面模型即町得到给定设计寿命卩时 的产品最优设汁可靠度/i(o,r),然后按照该最优设计可靠度进 行产品的可靠性设计。3.3多目标问题的求解多口标决策理论是将多

17、个相反冲突的决策进行综合的设计(1)153第9期2010年9月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture文章编号:1001-3997( 2010 )09-0151 -02水下壁面吸附及移动式机器人传动系统的研制*袁夫彩王立柱(河南工业大学，郑州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) 厂苗蔺施最解歹嬴讦芸忑禎5云诙菇薦天矗药蒜if： 苟鬲芯孑跖云乔莓易 能的实现起着重要的作用。根据机器人的工作要求及作业环境，分析了前驱动和后驱动的特点，确定了驱 动方式为后轮驱动;建立了链传动机构的优化设计数学模型,运用优化方法确定了链传动的相关参数;设J 计了磁吸附机构和驱动装近等，解决了链传动中的张紧、导向和密封等问题。通过实验，验证了该机器人 t传动系统可在水深20m以浅的作业环境下工作，负重能力可达30kg,运动速度可达8m/min,可越过t |

19、 20mm的凸起障碍梅，达到了机器人设计的要求。1! 关键词:传动系统;优化设计;机器人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!中图分类号:TF2O3文献标识码:A1引言统由动力源、减速器链、链轮、支挥机构、变磁力吸附盘和链张紧水髭面移动及吸附式机器人(以下简称为机器人)传动系装置等组成，需具备吸附和移动等功能。来稿日期:2009120 基金项目冲国博七后科学菇金一等奖项日(20070410258).河南省教育厅基金项H(2OIOhnjjOO3),河南工业大学歴金项目(2OO9BS