面向风电产品设计过程的标准屋研究与应用

发布时间：2016-07-16 13:09

1  绪   论 

1.1 选题背景和研究意义
随着全球化、信息化的不断发展，国外多数制造企业强调放弃大而全，进行国际性的合作。以美国波音公司的波音 747-8  客机为例，共有几十个国家为其提供零部件，其中也包括中国的成飞、西飞、洪都航空等。如今，中国已成为世界制造中心，这种多方合作、国际化合作也已成为中国制造企业的共识。以被列为国家科技攻关计划、“863”计划的风电制造业为例，目前中国风力发电设备的零部件  65.92%由多国供应商提供，其余主要由国内金风、东汽、重庆齿轮箱有限责任公司（以下简称重齿）等制造。 产品研发过程中，为了实现有效装配，各个零部件制造商必须选用或参考供应链上的多数企业采用的技术标准，因而产生了多套产品设计的技术标准并存的情况。以重庆市“十二五”规划重点发展的风电齿轮企业—重齿为例，重齿主要为风电、舰船、  高精汽车发动机提供齿轮箱，其产品制造过程涉及多个国内外技术标准，主要包括国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟(ITU)所制定的标准以及国际标准化确认并公布的国际组织所制定的标准，除此之外还包括国标和一些先进工业国家标准，如美国国家标准  ANSI、德国工业标准  DIN、英国国家标准  BS、日本工业标准  JIS  等，以及国外著名行业标准如法国船级社标准 BV、挪威船级社标准 NV、英国劳氏船级社标准 LR  等。因为重齿的产品制造过程需参考如此多种国内外技术标准，导致了选标复杂化、经验化、制造成本高等问题。 现有研究往往以特定行业、特定产品为对象，结合其特点设计技术标准管理和选择策略[1]。同时，现有关于技术标准选择的研究主要集中于企业层面，在多等级产品设计的技术标准中选择一种或几种，而没有进一步深入到产品设计层面，根据企业选用的几种技术标准，为满足不同功能特性需求，具体如何从中选择关键参数的设计标准。因而本文提出的面向风电产品设计过程的产品设计的技术标准选择策略和标准屋构建具有重要的理论意义和应用价值。 
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1.2 国内外研究现状 
国内外学者对如何在客户需求分析下配置出满足客户产品功能的方法做了较为深入的研究。Moskowitz 为优化技术特征目标值的决策模型，开除出质量功能展开的优化方法，进而获得优化后的技术特征目标值[2]。John  Romeo 基于粗糙集实现提出客户需求与产品工程特性的关联度确定方法，在对专家信息离散化的处理过程中存在信息丢失的可能[3]。Zaim Selim 为了更好地捕捉(代表)各式各样的客户需求和技术特征之间的关系和客户需求之间的相对权重，在这项研究中混合网络分析法(ANP)三提出了模糊方法[4]。Leba  Monica 研究的主要目的是确定用户的需求和可用的技术资源之间的最优的系统，为应用 QFD 方法有设计了专用软件信息系统评估[5]。Okur Ayse在QFD应用程序优先考虑客户的需求，把序加权平均(OWA)聚合技术应用到 QFD 应用程序[6]。 Faria 提出了一种通用的的过程方法来解决自动本体人口问题，该方法通过详细划分阶段以及每个阶段要用到的技术来解决自动本体人口问题[7]。H?kansson 为了解决元数据在描述本体时并不是一直可用的问题，开发自动识别本体的方法，该方法应用所谓核心领域本体、规则和本体推理来确定本体领域[8]。Martínez-Romero 提出一个新的系统生物医学本体的选择标准，即在多大程度上本体覆盖域、在领域本体的语义丰富性、在生物医学界的本体论普及三种不同标准[9]。Haghighi 描述了开发和评估领域本体的群众集会（DO4MG）重点是医疗应急管理的过程，作为评估的一部分，说明实施紧急医疗管理的群众集会的情况下推理决策支持 MO4MG 的应用[10]。Saleena 提出一种自适应的 E-learning 系统，产生由使用相似的措施标记的概念在多个系统中的用户特定的电子学习内容，定义跨本体的概念，它由模糊领域本体作为主本体和领域专家的本体作为二次本体用于比较处理[11]。 
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2  风电产品设计过程分析及标准屋模型构建  

2.1 风电产品设计的流程分析 
现代风电产品是集合机、电、液、光等多物理系统并集成多种单元技术形成的具有特定功能的复杂装备。产品内部的各子系统与环境进行信息流、能量、物质的传递、转换。风电产品设计流程如图 2.1 所示。①技术中心根据用户的需求，指定一个设计师作为这个设计的负责人； ②负责人检查用户提供技术规范是否合理，合理则继续，不合理则要求获取进一步的技术信息； ③负责人首先对传动机构进行设计，这个过程要用到相关设计手册以及相关规范、标准等； ④负责人将之反馈给客户，根据客户的需要做出必要修改，这个过程还必须获得更加详细的技术规范（要求）； ⑤根据以上信息，借助 UG、Solidwork 等辅助工具对齿轮箱外形进行设计，设计者要输入相关参数，然后选择一定的标准，才能进行后续设计。 ⑥借助 MASTA 和 ROMAX 对齿轮箱整体设计进行仿真实验，主要是对箱体和轴承各点的应力进行模拟计算，看设计能否满足用户要求，如果不能满足要求，则返回重新对外形进行设计，直到满足要求为止。这个过程的初阶段也要输入相关参数，然后将外形和传动机构结合之后的整机样图调入，选择需要的标准，才能得出疲劳极限和应力极限。 ⑦由设计部门组织评审组进行方案评审，这个过程可能是多次，根据范围可以分为部门内部、部门之间、全厂范围和客户参与的评审，然后根据评审结果对设计方案进行修改（主要针对外形，传动部分不会改动）。 
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2.2 产品设计过程现存问题分析 
通过对风电产品设计过程的分析，可知产品设计的过程涉及到两个关键环节：客户需求向产品结构、功能的转换；产品结构设计的过程中相关设计规范、标准的合理选择。本文定义客户需求向产品结构、功能转换的阶段为产品规划阶段，定义产品结构设计过程中相关设计规范、标准的选择为标准选择阶段。 设计中心获得客户需求后，需要检查客户提供的产品设计标准是否合理，若设计标准合理则依据相关设计手册、设计规范和设计标准设计产品结构，若设计指标准不合理则向客户反馈以获取进一步的产品设计的技术信息。设计中心获得客户关于产品的设计标准后，依据相关设计手册、设计标准、设计规范等对产品进行结构设计并将之反馈给客户，根据客户的需要做出必要修改，这个过程还必须获得更加详细的技术规范（要求）；然后根据以上信息，借助 UG、Solidwork 等辅助工具对齿轮箱外形进行设计，设计之初，设计者要输入相关参数，然后选择一定的标准，才能进行后续方案设计。 产品规划阶段是指在分析客户产品需求的基础上，分析产品的功能进而设计产品结构的过程。因为设计人员完成技术标准选择的过程中，需要综合考虑多种因素，如技术要求、成本预算、交货时间等，产品的设计参数以及技术标准众多，设计人员的思考是一个主观和模糊的过程，因此难免造成设计人员考虑的因素不够全面，设计人员不能完全按照客户的意愿对产品设计的某些因素给予相同的重视程度，造成技术标准选择存在较多的不合理性。  
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3  产品规划阶段的标准屋研究 ...... 13 
3.1 产品规划阶段的标准屋模型 ........ 13
3.2 产品功能分解 ..... 18 
3.2.1 产品功能标准词汇表设计 ..... 18 
3.2.2 基于流分析方法的产品功能划分 ........... 21 
3.3 功能模块实体构建 ...... 24
3.4 客户需求与产品功能模块的匹配 ......... 29 
3.5 本章小结 .... 34 
4  技术标准选择阶段的标准屋研究 .... 35 
4.1 技术标准选择阶段的标准屋模型构建 .......... 35
4.2 技术标准模块实体 ...... 37 
4.3 标准屋优选模型 .......... 40
4.4 本章小结 .... 44 
5  案例应用 ............ 45 
5.1 案例背景 .... 45 
5.2 面向风电产品设计过程的标准屋应用 .......... 45
5.3 本章小结 .... 49 

5  案例应用  

5.1 案例背景 

重庆齿轮箱有限责任公司的技术中心具有较强的设计开发能力，先后承担了多项国家级齿轮箱传动装置的科研项目及国家“863 计划”，，年自主开发新产品超过100 项。1996 年，公司自主研发了三个系列产品“JS 系列减速机”、“GW 系列船用齿轮箱”、“重齿永进 D 型系列柴油机用扭振减振器”，通过了重庆市科学技术委员会的评审，被评为重庆市“高新技术产品”，2001 年公司被评为重庆市“高新技术企业”，公司技术中心被评为重庆市技术中心。 公司不断进行新产品开发，近几年保持了每年研发新产品 100 余项的水平，多个产品列入国家火炬计划、国家重点新产品计划、重庆市重点新产品计划，2004年被国家科技部授予“国家火炬计划重点高新技术企业”称号，目前公司已通过了国家科技部高科技产业开发中心的复审，再次成为国家火炬计划重点高新技术企业。2006 年公司一举进入了“国家认定企业技术中心”行列，高新技术产品的销售收入占总收入的比例达到了 60%。2008 年，风力发电增速箱等被认定为重庆市高新技术产品。产品规划阶段的标准屋是在客户需求分解、产品功能模块构建的基础上，通过语义匹配算法实现客户需求与产品功能模块的映射关系，为技术标准选择阶段标准屋实现标准选择奠定基础。技术标准选择阶段的标准屋是在构建技术标准模块的基础上，实现设计参数与技术标准的关联，由于不同等级的技术标准对产品的性能和设计、制造成本产生影响，本文通过建立性能与设计参数的关系矩阵，以产品价值系数最高为目标值，通过优化设计参数所适用技术标准实现技术标准的选择。 由于本文关于产品规划阶段的标准屋主要集中在理论框架的建立与描述，所以本文在算例分析中对产品规划阶段的标准屋所述内容不多，主要集中在产品功能模块实体的构建。本文重点分析第二阶段的标准屋的构建、优化，并根据算例展示其运算过程。 

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结   论

产品设计过程中，技术标准的管理和选择策略已经引起越来越多学者和企业的重视，然而现有的研究往往以特定行业、特定产品为研究对象，结合其特点设计技术标准的管理和选择策略，关于技术标准选择的主要研究主要集中在企业层面而没有进一步深入到产品设计的层面。针对以上问题，本文主要的研究内容： ①分析国内外产品设计的技术标准管理与选择的研究现状，分析风电产品设计过程中产品规划阶段和技术标准选择的现存问题，提出面向风电产品设计过程的两阶段标准屋模型，包括产品规划阶段标准屋和技术标准选择阶段标准屋。 ②提出产品功能模块实体和技术标准模块实体的构建，构建了产品规划阶段的标准屋和技术标准选择阶段的标准屋的模型，并用形式化语言进行描述；详细阐述模型的组成部分和实现步骤进行详细，建立面向风电产品设计过程的技术标准的管理与选择策略。 ③针对产品规划阶段的标准屋，通过基于流分析技术划分产品功能，利用可扩展标记语言技术构建产品功能、结构、性能、设计参数的功能模块实体，建立产品功能模块本体，在客户需求分解的基础上通过语义匹配算法实现客户需求与产品功能模块实体的映射。 ④针对技术标准选择阶段的标准屋，利用可扩展标记语言构建技术标准模块实体，实现产品设计参数与相应技术标准的关联，构建技术标准优选模型实现技术标准的选择。  
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参考文献(略)

本文编号：71966