可拓能量元驱动的机电产品节能设计

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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常面对全球能源 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 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-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-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-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-ES”体系(s)。根据可拓学的可组合性原理 ol，F-ES”体系可形式化的表达为：.sF(ES。

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：2012-06-22基金项目：国家自然科学基金项目(51075300)；天津市自然科学基金项目资助(10JCYBJC06800)作者简介：郑 辉，(1978-)，女，副教授，博士，主要研究方向：可持续设计与制造218 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。

22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(Ⅳ，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Ⅳ为产品的概念，对不同层次的物元，Ⅳ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-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(Ⅳ，C， )中c为功能特征时， 称为功能特征元 ，记为 Mf，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MMfMq。功能特征元Mf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-ES”体系(5)思想，其中，节能设计物元( 代表了体系s，功能特征元(Mf)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ES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-物元(子物元)的形式加以表示，其中每-层为其上-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，V3j图1基于 嬲”体系的产品物元模型Fig.1 Product Matter-Element Model Based on F-ES”System3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(Energy unit)：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-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龋可拓学认为，任何物都有对立的两部分。物的对立性是相对于某-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Ⅳ，特征为C，能耗值为 ，当v(c)>i0时，称C为Ⅳ关于节能性能的正部分，记为 c ；当V(C)≤0时，称 C为 Ⅳ关于节能性能的负部分，记为 C-。N中关于节能性的-切正部分的全体称为Ⅳ的正部，记作ps( )NEc ，N中关于节能性的-切负部分的全体称为 Ⅳ的负部，记作 ng(v)NEc-。面向技术级别轴，产品能量特征识别模型可记作为Nps(v)xng(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Fig.2 A Three-Dimensional Model for the Identificationof Energy Unit Based on the Conjugate View3.2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-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-些相关的方法解决。具体到某-物元或子物元来说，可以对-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-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-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-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∩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.4Apr.2013 机械设计与制造 219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-般形式Fig.3 General Type of Energy Unit Involved System1 l产品功能，控制介质流通 lL产品性能，体孙 .重量轻.用于大口径Jr韶件1.部件名称l闱体 1r部仟2，部件名称.密封结构1r部件3，部件名称.填料组件l部件聃蓖潭骱 嘞 魄- 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。

f车酊过程1名称.蜡法兰功能.车外圆周面零件材料，：It件形状。

1表面状况，图4蝶阀产品的能量兀蕴含系Fig.4 Energy Unit Involved System of Butterfly Gate5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。