面向復雜產品結構優化設計的標準伴隨技術研究

丁新星 趙正龍 武瑞

摘 要：本文重點分析了復雜產品結構優化設計業務涉及到的相關標準分布情況。為保證在結構優化時標準中的條款規則能夠直接指導結構優化業務活動，對標準本身開展結構化制作，并推送到個人工作臺中進行應用。避免了開展結構優化設計不易找到標準中具體對應條款的現象，提高結構設計業務效率，提升了標準的管理水平。

關鍵詞：復雜產品，結構優化，標準結構化，伴隨

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.05.018

0 引 言

綠色化、智能化是我國裝備制造行業發展的一個重點方向。以輕量化為切入點，開發節能新型工程機械產品，同時提高產品的可靠性和安全性，對我國工程機械的產業轉型升級有重要的意義[1]。結構輕量化主要是通過機械結構的優化設計，在滿足設備壽命的條件下，去除冗余部分，減小零部件的尺寸來達到減重的目的。

機械產品設計的結構優化技術是指在系統優化背景下，運用綜合設計的方式，以此來實現機械產品的需求和質量，達到最優設計方案和標準。目前傳統機械產品設計主要采用其他相近類型的產品設計為主要模板，運用長時間的設計經驗和觀察最后來確定整體的設計方案，在產品加工后期要全面檢測來確定是否符合整體的質量要求和標準。這一設計過程不僅需要大量的時間，同時還會給機械產品的設計埋下安全隱患，給機械產品加工過程帶來問題和困難[2]。

機械結構優化設計的發展趨勢主要包括利用結構分析工具，提高建模能力、求解能力、后處理能力。多學科協同優化，將算法、尋優搜索策略和數據分析及管理等進行集成，通過這一方式來實現構建相互左右或耦合的子系統組成的系統[3]。

傳統的標準的載體形式己不能完全滿足數字化和創新發展的要求。如在航空行業，傳統紙型標準不適應航空研制生產的數字化環境，導致標準實施應用與航空數字化研制生產的過程相脫節，標準難以與企業流程、系統等集成應用[4]。這就需要將標準內容與業務流程結合使用。這種面向業務流程的標準信息管理能夠幫助使用者避免信息的重載從而能夠將注意力集中在企業價值鏈的關鍵信息上。同時，也能改進企業中標準信息的可用性和標準管理系統的可執行性[5]。

對結構優化設計相關標準實現集中管理，開展標準結構化生成標準知識。建立標準知識與結構優化設計業務的聯系，對于提高研發效率、提升產品性能有著重要的意義。

1 復雜產品結構優化設計業務及標準分布

復雜產品結構優化是一個涵蓋多個領域的綜合性任務。通常涉及以下領域：結構分析與仿真、材料優化、拓撲優化、運動學和動力學優化、聲學與振動優化、可制造性優化等多個領域。

復雜產品結構優化業務主要包括以下業務流程：

（1）結構特點和工況研究：研究機械產品的結構特點和工作條件；

（2）載荷譜測試及研究：分析機械產品在工作狀態下的負荷以及產生的振動和沖擊等；

（3）評估可輕量化對象：明確哪些系統與部件輕量化后可提高產品性能、降低成本等；

（4）結構優化設計：通過計算機模擬分析、質量環節和性能測試等，優化設計參數；

（5）可靠性分析：在保證結構優化設計的基礎上進一步優化機械結構保證產品可靠性；

（6）結構優化設計評價：從性能、成本、制造性等維度對結構優化方案進行評估；

（7）整機或零部件測試：進行必要的性能測試和驗證，確保產品滿足設計要求和標準；

（8）結構優化產品交付：結構優化后的產品交付市場驗證，驗證結構優化效益。

面向產品結構及優化設計當前已有很多國家及行業標準，見表1。

從表1中可以看出，當前國家標準中面向結構設計的標準可以分為：面向功能安全類，主要用于工況研究；面向優化方法類，主要用于可靠性分析；面向整機或零部件的設計規范，主要用于結構優化設計。其中航空領域已經開展了部件級別結構設計標準研究。

在開展典型產品結構優化設計時，主要使用整機或零部件設計規范。設計規范面向各技術領域各部件的描述存在于標準文檔中，無法快速尋找及單獨使用，與結構設計優化業務聯系不緊密，標準信息的結構化及其面向場景的技術亟待研究。

2 標準知識及伴隨技術研究

在復雜產品結構設計時，設計人員首先考慮的是產品及其組成，其次開展結構領域的技術研究。因此利用產品類設計規范進行業務指導時，對標準信息的查詢同樣遵循此邏輯。這就要求對于結構設計類標準本身需要進行結構化處理，滿足產品組成、技術領域的精準對應要求。同時為保證精準推送至設計任務中，還需要開展標準知識伴隨技術研究。

2.1 標準結構化技術研究

標準是由條款、圖、表、數學公式等多種元素組合而成。所描述的對象可分為總成、系統、分系統、部件、零件。以標準的章節為架構，通過各元素的屬性將描述對象、技術領域聯系起來，形成交叉鏈接的立體模型，如圖1所示。

以GB/T 3811—2008《起重機設計規范》[6]為例，從該標準中可以看出涉及到的技術領域包括結構、電氣、安全等領域。產品結構組成包括起升機構、回轉機構、變幅機構等。依據圖1的標準結構化模型，得出GB/T 3811—2008《起重機設計規范》的結構化實例，如圖2所示。

2.2 標準伴隨場景技術研究

利用標準結構化技術，將標準文檔轉化為標準數據，為研發場景的標準伴隨提供了數據基礎。在此基礎上，還需對研發人員進行用戶、場景識別，才能滿足用戶對標準要素的個性化應用。因此對于用戶的個性化知識需求，需要開展標準伴隨場景的技術研究，如圖3所示。

整理用戶角色數據、研發流程數據并導入，對標準結構化數據賦予用戶角色屬性、場景屬性，形成標準伴隨場景的底層數據。當設計人員開展結構優化業務時，根據結構設計角色、面向優化設計的流程階段，為當前工作精準推送強關聯的標準數據。用戶對推送的標準數據使用完成后，運用信息技術手段記錄用戶的使用行為存儲到用戶角色數據中，為用戶個性屬性分析提供數據迭代。

3 結 語

通過對復雜產品結構優化設計流程分析以及相關的標準分析，得出當前已經具備支撐結構優化的設計準則。但當前標準的載體為非結構化文檔，無法支撐結構優化設計業務精準運用標準的要求。為此開展了標準結構化設計研究、標準伴隨場景技術研究，將標準文檔轉換為數據且能夠單獨使用，根據用戶的角色以及場景精準推送。避免了開展結構優化設計不易找到對應標準具體條款的現象，提高結構設計業務效率，提升了標準的管理水平。

參考文獻

[1]周永松.工程機械輕量化的攻堅戰與線路圖[J].工程機械與維修，2014（4）：75-76．

[2]黃世暢.機械產品設計的結構優化技術應用策略研究[J].山東工業技術，2017（11）：18.

[3]潘俊梅. 機械結構優化設計應用與趨勢研究[J].數碼設計，2005（8）：255-256.

[4]呂美茜，韓會雯，呂旭飛.淺析標準數字化在民用飛機飛行試驗中的應用[J]. 航空標準化與質量，2020（3）： 47-51.

[5]馮楠，解晶. 面向流程知識管理體系架構研究[J]. 計算機工程與設計，2008，29（9）： 2246-2249.

[6]起重機設計規范：GB/T 3811—2008[S].

作者簡介

丁新星，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為標準數字化技術研究。

（責任編輯：袁文靜）