機(jī)電產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計分析論文
功能的表示以及產(chǎn)品性能之間的關(guān)系就成為節(jié)能設(shè)計的首要問題。因此，在現(xiàn)代產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計中，設(shè)計人員需要同時面對用戶需求的兩個方面：產(chǎn)品的功能（F）和產(chǎn)品的節(jié)能性能（ES），二者共同構(gòu)建了支持和決定產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計的“F-ES”體系（S）。根據(jù)可拓學(xué)的可組合性原理[9-10]，“F-ES”體系可形式化的表達(dá)為：S=F茌ES。用戶需求的分解對于產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計是非常有利的，因為在許多產(chǎn)品設(shè)計中，在保障產(chǎn)品基本功能的前提下，只需對設(shè)計方案中的某些部分做相應(yīng)的修改或改善，即可大大提升產(chǎn)品性能，從而提高用戶滿意度。
節(jié)能產(chǎn)品性能及其表達(dá)
運(yùn)用可拓學(xué)有序三元組R=（N，c，v）作為描述機(jī)電產(chǎn)品全生命周期能耗模型的基本邏輯單元，稱為節(jié)能設(shè)計物元。其中N為產(chǎn)品的概念，對不同層次的物元，N可代表不同級別的產(chǎn)品，即可為不同的產(chǎn)品生命周期階段，或具體到某一個生產(chǎn)工藝過程。C為產(chǎn)品特征，v為產(chǎn)品關(guān)于特征的量值，并把（c，v）稱為特征元，記為M=（c，v）。當(dāng)物元R=（N，c，v）中c為功能特征時，M稱為功能特征元，記為Mf，同理，當(dāng)c為性能特征時，M稱為性能特征元，記為Mq。產(chǎn)品特征元由功能特征元和性能特征元共同構(gòu)成，則M=Mf茌Mq。功能特征元Mf與性能特征元Mq還可以以子物元的形式出現(xiàn)，還可具體表示為事物元與關(guān)系物元。通過上述方法建立的節(jié)能設(shè)計物元能夠較好的體現(xiàn)“F-ES”體系（S）思想，其中，節(jié)能設(shè)計物元（R）代表了體系S，功能特征元（Mf）體現(xiàn)了該體系中的F思想，性能特征元（Mq）體現(xiàn)了該體系中的ES思想。用戶需求包括客戶對產(chǎn)品功能和性能上的要求，通過物元模型，可以將這些用戶需求按照統(tǒng)一物元（子物元）的形式加以表示，其中每一層為其上一層的子物元模型。
基于共軛視圖的能量元三維識別模型
1基于共軛視圖的能量元三維識別模型
在節(jié)能產(chǎn)品設(shè)計過程中，為了縮短設(shè)計周期，提高其節(jié)能性能，必須找出對其節(jié)能性起到關(guān)鍵影響作用的因素。能量元（Energyunit）：是對產(chǎn)品在全生命周期各階段，對其直接或間接能耗起關(guān)鍵作用的性能特征元。產(chǎn)品節(jié)能性的優(yōu)劣是其能量元作用的結(jié)果。能量元的概念具有廣泛的含義，它可以是包含一個特征元的性能特征元，也可以是由多個特征元組成的組合性能特征元。能量元的有效提取，不僅可以更好的表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計意圖和設(shè)計思想，達(dá)到規(guī)范化的目的，又是對并行設(shè)計環(huán)境下產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計的有效支持。也就是說，首要解決的問題就是能量元的獲取�？赏貙W(xué)認(rèn)為，任何物都有對立的兩部分。物的對立性是相對于某一特征而言的，物關(guān)于某特征的量值是指內(nèi)部產(chǎn)生正值的部分和產(chǎn)生負(fù)值的部分綜合作用的結(jié)果，相應(yīng)的把物關(guān)于某特征的量值取正（負(fù)）值的部分稱為物關(guān)于該特征的正（負(fù)）部。事物量值的變換引起事物的變換，事物共軛部的變換引起事物功能的改變。產(chǎn)品能量特征識別模型的技術(shù)級別軸主要描述對于產(chǎn)品節(jié)能性能等級的作用。給定產(chǎn)品N，特征為c，能耗值為v，當(dāng)v（c）≥0時，稱c為N關(guān)于節(jié)能性能的正部分，記為c+；當(dāng)v（c）≤0時，稱c為N關(guān)于節(jié)能性能的負(fù)部分，記為c-。N中關(guān)于節(jié)能性的一切正部分的全體稱為N的正部，記作p（sv）N=c+，N中關(guān)于節(jié)能性的一切負(fù)部分的全體稱為N的負(fù)部，記作ng（v）N=c-。面向技術(shù)級別軸，產(chǎn)品能量特征識別模型可記作為N=p（sv）×ng（v）N。
2能量元的拓展
對于產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計，由于不同的.產(chǎn)品其功能、用途、結(jié)構(gòu)、材料、平均使用壽命等情況的不同，即使相同的產(chǎn)品，由于存在系列化等問題，且工作條件不同，各零部件的能耗在全生命周期各階段也會產(chǎn)生難以估計的變化，這將為產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計帶來一定的困難。某些產(chǎn)品似乎無法提取能量元，利用可拓學(xué)的原理進(jìn)行拓展，往往可以找到一些相關(guān)的方法解決。具體到某一物元或子物元來說，可以對一些無法提取能量元的物元進(jìn)行可拓變換，找出它們和能耗之間的聯(lián)系，從而間接的獲得待設(shè)計產(chǎn)品的能量元。經(jīng)過對節(jié)能設(shè)計物元（子物元）變換后得到的能量元，稱為可拓能量元。在尋求可拓能量元時，可通過基本的可拓變換方法，如蘊(yùn)含分析，積變換、與變換、或變換和逆變換方法。對于一些難于尋找可控能量元的零部件可以通過蘊(yùn)含式分析進(jìn)行解決—當(dāng)上層物元模型中難以尋覓其可控能量元或能量元不符合設(shè)計要求時，可以尋找它的下位目標(biāo)，從最下位的基元進(jìn)行分析，從而得到上位基元的實現(xiàn)。根據(jù)蘊(yùn)含分析基本原理可得到能量元蘊(yùn)含系的一般形式，如圖3所示。
實證研究
閥門是流體輸送管路的重要控制設(shè)備，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域。如何實現(xiàn)閥門產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計，是綠色制造領(lǐng)域的重要研究課題。蝶閥產(chǎn)品的物元模型。可以看出，通過提出的方法，運(yùn)用可拓學(xué)蘊(yùn)含分析方法，可找到閥門產(chǎn)品各零部件的能量元，如端法蘭零件的能量元為：零件材料、零件形狀、零件尺寸、幾何精度、表面狀況等。
結(jié)論
進(jìn)行產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計是現(xiàn)代綠色設(shè)計與制造的當(dāng)務(wù)之急。提出了運(yùn)用可拓能量元驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計方法，對機(jī)械產(chǎn)品的功能與性能需求進(jìn)行可拓學(xué)的形式化描述，構(gòu)建了能量元提取的三維模型，并且給出可拓能量元的求解過程。最后，以蝶閥產(chǎn)品為例，說明該方法在實際機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，證明該方法的正確性與實用性。
作者：鄭 輝 吳 越 張付英 單位：天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津707研究所
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