基于设计元与公理设计理论的能量优化设计方法

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The Energy Optimization Design M ethod Based on Design Unit andAxiomatic Design TheoryZHOU Dan LIU Guangfu SONG Shouxu KE Qingdi(School of Mechanical&Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009)Abstract：Energy optimization design method is a method for the comprehensively considering the energy consuming and functionoperation ofproduct at the same time during the process ofdesign.Informed by axiomatic design theory，the definition ofdesign unit，as the basic element in the energy optimization design method，is modified and extended to the package of the mapping betweendesign domains and energy eficiency mode1.The design process and the energy information can be integrated together，and thisdesign inform ation in various design stages cal be presented in a uniform expression.Since design unit(DU)and axiomatic design(AD)have the same mapping basic for function realization，the anazing process model for design unit is established to describe thesolution generating process.Th e energy optimization design method，including reverse and positive energy design process，isestablished.The energy design inform ation is obtained in reverse energy design process，while the function operation and energy optimization is integrated together in positive energy design process，to get the optimized solution under the guidance ofthe productSenergy design information.Num erical control lathe is presented as the case study to validate the energy optimization axiomaticdesign meod。

Key words：Design un it Axiomatic design Energy optimization NC lathe0 前言随着经济高速发展，能源紧缺问题变得日益严重，节能研究逐渐成为国内外学术界的热点。目前，节能领域内相关的研究主要涉及以下几个方面。如基于全生命周期分析的能耗研究，FITCH等 从典国家自然科学基金(5O775O61)和国家重点基础研究发展计划(973计划，20ilCB013402)资助项目。20120927收到初稿，20130224收到修改稿型的汽车零部件(1.03 t货车的保险杠加固梁)入手，根据设定的-系列产品生命周期能量消耗量化参数来分析比较玻璃纤维复合材料和高强度的钢梁结构的最低生命周期能量消耗；THOMAS等 针对 CRT显示器通过全生命周期分析，对材料阶段、使用阶段和回收阶段的能量消耗进行计算分析。如产品的能耗因素研究，MASJUK/ 纠针对家用冰箱的能耗因素问题，选择了几个对冰箱能量消耗有联系的因素(包括温度，门开启情况，恒温设定，相对湿度以2013年6月 周 丹等：基于设计元与公理设计理论的能量优化设计方法 Il5及负荷)展开试验，研究这些因素对能耗的影响大小，如针对具体对象的节能技术研究：ISFAHANI等L4J针对电动机的功率因数展开能耗研究，从电动机能量转换机理出发，建立分析模型，通过遗传算法对电动机的参数进行优化，来提高电功机的功率因素及效率：施金良p 在建立的数控机床主传动系统动态功率平衡方程基础上，提出了-种机床空载运行时动态调节机床空载运行转速，使空载运行过程能耗最低的调速节能方法。

其中，涉及节能设计方法主要是针对具体产品进行改进设计优化，来达到资源/台鼍源节约的目的。

这些方法虽然具有-定的节能效果，但不具有通用性，而且由于原产品的固有设计缺陷，致使节能空间受限。本文所提出的能量优化设计方法是-种同步考虑产品能量特性与功能需求的通用节能设计方法。该方法将公理设计理论与设计元有机结合在-起，运用能量效用模型将能量优化作为设计约束与评判准则，实现从根本上提高产品能源利用率。

1 设计元1.1 设计元的定义设计元[6](Design unit，DU)作为产品综合信息的载体、能量优化设计的基本单元，集成了设计过程 P、能量效用模型 C、设计信息，三部分内容D( ，P，C，I) (1)式中，D即为设计元， 是设计元标识，P描述了功能实现过程，包括功能F、行为 、支撑 与载体实现 四部分尸(F， ， ， ) (2)设计过程 P。在功能.行为/原理.载体(Function。

behavior-state，FBSt7j)模型基础上添加支撑 ，F是设计需求， 是设计结果， 是功能实现的约束限制，B是联系功能 F与载体 的桥梁。

能量效用模型 C。描述了与设计过程 P相关的能量特性，调节 C即可改变功能F实现过程中的能量损耗，它为设计者揭示了能量优化的控制对象。

设计信息 。是与产品相关的设计信息，按与产品设计紧密关系可分成设计基本信息 、设计支持信息 、设计扩展信息I( ， ， ) (3)按以上定义，设计元在能量效用模型 c的影响下，通过设计过程P将功能F最终转换成为载体 。

如此，采用设计元的能量优化设计与传统的注重功能实现的产品设计最大的不同点在于增加了能量效用模型 C，使能量作为-种约束贯穿于整个设计过程，让产品的功能与能量两项特性得到了相同的关注度。

1.2 内涵的修正与扩展结合公理设计理论，对设计元的含义与表达形式进行修正与扩展：将设计元修正为描述各个设计域(用户域、功能域、物理域与过程域tsJ)2.f的映射过程及其间的能量属性和相关设计信息的基本设计单元，同时在保持式(1)～(3)的表达形式不变的基础上，对其组成元素的含义进行修正与扩展。

1.2.1 设计过程 P的修正与扩展将 F与 的含义分别拓展为 广义功能需求”(后文简称功能)、广义载体实现”(后文简称载体)。

具体如表 1所示，P经修正后，各个域之间的映射均可由，与 的映射来表达，而不同域之间的映射则对应不同设计阶段，这样整个设计过程均可用 F、进行统-表达。

表 1 设计过程 P中的F与 S1.2.2 能量效用模型C的修正与扩展C以集合的形式描述.P的能量优化途径Cc1，c2，，c In∈zl (4)式中，ci(il，2，，，z)为能量调控单元，由能量设计因子 局、目的最优取值 与能耗影响系数三部分组成Ci( ， ， ) (5)式中，历反映了产品能量属性的控制要素，其能耗影响程度由 反映。乃描述了 历的最优取值，当日的设计值等于 乃时，能量消耗处于最优状态。

综上所述，修正与扩展后的设计元结构如图 1所示 J，成为设计域之间映射与能效模型的封装体，将设计过程与能量信息紧密结合起来，并使各个设计阶段的信息描述具有了统-样式。

l16 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 1l期1.3 与公理设计的融合1.3.1 融合机理设计元作为产品设计的基本单元，其核心部分描述了功能F到载体 的映射。公理设计通过域之间的映射来实现 需求-结构-工艺”之间的转化，其设计核心亦是映射。

此外，公理设计作为-门设计科学，拥有-系列设计规律与准则，是-种普适型的设计理论～其用于能量优化设计，在设计元的能量效用模型 C的影响下，将能量优化作为设计需求与评判准则，两者相辅相成，最终可获得能量优化的产品设计。

另外，从设计元的分解过程模型(图2)中可知，随着设计元的分解展开，对与/或树进行组合求解会得到若干可行方案，如此可最大限度地保留那些不完全满足独立公理、信息量稍大但具有较优能耗特性的方案。同时公理设计的独立公理及信息公理则可作为综合评价的两项重要评价指标，使得到的方案在1.3.2 基于公理设计的设计元分解过程模型如图 2所示，能量优化设计主要集中于前三个设计域之间的映射关系。通过采用带有 与/或”关系节点的功能树LJ 来描述各个设计域内部的分解情况，并由DAp描述用户域与功能域之间的映射，DFe描述功能域与物理域之间的映射。这样-来，三个设计域之间的映射就转化为两棵设计元 与/或”树。

从设计元 与/或”树节点的上标可得知分解展开的层次及分解的源头，下标表示设计元的种类f F为 用户功能设计元”，DFe为 功能物理设计元” 。以用户功能设计元 与/或”树为例，图2中的D 表示用户功能顶层设计元。JD 与J[) 表示分解得到的第-层次中的用户功能设计元。D与D 表示从J[) 分解得来的第二层次中的用户功能设计元。在整个分解过程中，节点粒度逐渐细化，直至不能继续分解成为叶节点，当所有的节点均为节能之外具有较好的强健性。 叶节点时，分解完成。

之 之形 形 - 映- 映- 射 射2 能量优化设计过程a或门 a与门 (二)叶节点 口 可扩展节点图2 设计元的分解过程模型能量优化设计过程如图3所示，由逆向能量设计与正向能量设计过程两大部分组成。其中，能量是设计的重点，以能量效用模型 c的形式贯穿于整个设计过程。

2.1 逆向能量设计过程逆向能量设计过程的 目的是建立产品级别的能量效用模型 C，并得到能量设计参数与取值建议(或控制措施与控制 目标)。包括如下几个部分。

(1)能量设计因子 E提取，获取产品能量控制要素，具体方法见文献[1l。此时获得的能量设计因子E较为全局化，-般以与能量相关的设计指标、能量优化控制策略等形式存在，是产品级别的E。

(2)参照耦合分解处理的结果或设计经验，分析获取 的最优取值(3)采用三角模糊互补判断矩阵排序方法Ll ，对E进行能耗影响程度评定，得到能耗影响系数M的取值。至此产品级别的能量效用模型C建立成功。

(4)E耦合分解，得到能量设计参数与取值建议(或控制措施与控制目标)，具体方法见文献[121。此时得到的数据已是较为具体的设计参数(或控制措施)，为后期设计提供参考。

2013年 6月 周 丹等：基于设计元与公理设计理论的能量优化设计方法 117图3 能量优化设计过程2.2 正向能量设计过程正向能量设计的目的是在产品级别的C与能量设计参数与取值建议(或控制措施与控制 目标)的指导下，将功能实现与能量优化联系在-起，进行设计元层次分解，通过方案组合、能量优化与方案筛选处理，获得最优设计方案。其具体过程如下。

(1)DaF定义与分解～产品级别的 C赋给最顶层的 DaF；设计需求在原型产品基础上，根据反馈的使用情况，适当增加，赋给DaF的 按照公理设计的指导，生成 ，此时顶层 DaF定义完毕。之后，遵照公理设计的之形映射理论，对 F进行逐层分解，直至末端设计元。

(2)DFp定义与分解～DAy的 赋给DFp的F，在设计知识与公理设计理论的指导下，得到各子DFp的 。

(3)方案组合。对 DFP与或树进行方案组合，得到可行设计方案集。

(4)能量优化。对可行设计方案集，根据叶DFp节点的 C和耦合分解 的结果进行能量优化。

(5)方案筛眩从耦合度、信息量、能耗、技术、经济、社会等方面，对方案集进行综合评价，筛选出最优设计方案。

3 数控车床能量优化设计简例3.1 能耗与优化设计目标GUTOWSKI教授在文献[14中的研究表明，数控机床在生产过程中仅有少量能量用于切削加工，如能尽量降低辅助系统的能量消耗，将有效提高机床能效。

机床的切削能耗 kVofkvbD (6)式中，材料去除量 ，撒于切削速度 v、切削宽度幻、切削厚度 、切削时间 J引，切削功率系数撒于工件的材料特性、切削液的润滑特性、刀具参数。因此，对于具体的加工零件与切削条件来说， 可视为常量。若机床允许的极限切削宽度bDli 越大，则 乃越短。

机床的辅助系统耗能El -P(t)dt (7)式中， ( 为辅助系统的功率，乃 为切削时间，为空载时间。

由式(6)、(7)可知，若 li 越大，则 越校如此，在 反 不变的情况下，可有效降低 。而与.m最为相关的设计元素是方向因素，与方向因素最为相关的是数控车床床身、主轴、尾座的布局及结构设计 引。在此，本文以提高 bDli 为目标，以45。斜床身卧式数控车床为设计对象，以机床布局(主要涉及主轴、尾座结构及相互位置)为切入点，进行能量优化设计。

3.2 正向能量设计数控车床的逆向能量设计过程的两个主要环节E 的提取与耦合分解参见笔者前期撰写的文献1 1，13]，这里主要介绍数控车床的正向能量设计过程。

3.2.1 设计元层次分解及组合求解由于数控车床结构体系非常庞大，图4仅较完整地描述了与布局相关的主运动设计元J[) 、尾座设计元D 2 '与床身设计元JD 的与/或”分解过程。

其中，主轴箱体仅丌，兀 F1 1、尾座体设计元D，22， 与倾斜床身设计元-D 312三项最为关键。通过组合可得到如图5所示的两种机床布局方案J。

120 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 11期CNC machine toolS main driver system driven byVVVF[D].Chongqing.Chongqing University，2009。

[6戚赞徽.面向能源节约的产品绿色设计理论 与方法研究D.合肥：合肥工业大学，2006。

QI Yunhui.Research on theory and method of greendesign for energy saving[D].Hefei：Hefei University ofTechnology ，2006。

[7]UMEDA Y Supporting conceptual design based on FBSmodeler[J].AI for Engineering Design ，Analysis andManufacturing，1996，10(4)：275-288。

[81 SUH N Axiomatic design：Advance and applications[M.New York：Oxford University Press，2001。

[9ZHOU D，LIU G F，HE P.Approach to energyoptimization axiomatic design based on design unite[C]/201 l 3rd International Conference on Mechan ical andElectronics Engineering，Hefei.2011： 1582-1585。

1O刘晓平，唐益明，秦晋，等.概念设计中基于扩展功能矩阵的功能求解方法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2007，19(12)：1610-1617。

LIU Xiaoping，TANG Yiming，QrN Jin，et a1.Afunction-solving method based on extended functionmatrix in conceptual design[J]. Journal ofComputer-Aided Design & Computer Graphics，2007，19(12)：1610-1617[1 1]周丹，刘光复，何平.数控机床能量设计因子提取方法研究[J.中国机械工程，2011，22(3)：351-355。

ZHOU Dan， LIU Guangfu， HE Ping.Study of theextracting method of NC machine toolsenergy design factor[J.China Mechanical Engineering，201 1，22(3)：351-355。

XU Zeshui.A mexhod for priorities of triangular fuzzynumber complementary judgment matrices[J].FuzzySystem and Mathematics，2002，16(1)：47-50。

[13周丹，刘光复，何平.基于优讯评定的能量设计因子耦合分解机制[J].中国机械工程，2012，23(12)：1393-l399。

ZHOU Dan， LIU Guangfu ，HE Ping.The decouplemechanism of energy design factor based on design priority evaluating[J].China Mechanical Engineering，2012，23(12)：1393-1399。

[14]GUTOWSKI T，DAHMUS J，THIRIEZ A.Electricalenergy requirements for manufacturing process[C]//1 3thCIRP International Conference on Life CycleEngineering，Leuven，Belgium，May 3l-June 2，2006。

l5冯之敬.机械制造工程原理[MI.北京：清华大学出版社 ，1999。

FENG Zhijing.Principle of mechanical manufactureengineering[M].Beijing： Tsinghua University Press，1999。

16MUNOZ A A，SHENG An analytical approach fordetermining the environmental impact of machiningprocesses[J]. Journal of Materials ProcessingTechn ology， 1995，53：736-758[17周丹.基于设计元与公理设计理论的能量优化设计方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2012。

ZHOU Dan.Research on method of energy optimizationdesign based on design unitandADtheory D.Hefei：Hefei University ofTechnology，2012。

YANG Dai.Machine tool dynamics[M].Beijing：ChinaMachine Press。 1 983。

作者简介：周丹(通信作者)，女，1980年出生，博士，讲师 主要研究方向为绿色设计、数控技术。

E-mail.zhoudan80###126.corn刘光复，男，1945年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为绿色制造和绿色设计。

E-mail：gfliu###hfut.edu.ca宋守许，男，1964年出生，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为绿色设计、再制造。

E-mail：shouxus###163.tom柯庆镝，男，1984年出生，博士。主要研究方向为再制造工程、节能设计。