宋守許　馮　艷　柯慶鏑　劉　明

合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

基于壽命匹配的零部件再制造優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

宋守許馮艷柯慶鏑劉明

合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

再制造毛坯是退役后的產(chǎn)品，其零部件存在狀態(tài)不確定的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品中配合零件的最佳利用，針對(duì)該問(wèn)題提出了基于壽命匹配的零部件再制造優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)分析產(chǎn)品失效中所存在的“短板效應(yīng)”，提出了零部件壽命均值匹配和倍數(shù)匹配的壽命匹配模式，并給出了相應(yīng)的壽命匹配方法；建立了設(shè)計(jì)信息與服役特性映射模型及基于該映射模型的反饋設(shè)計(jì)機(jī)制；最后，以曲軸-軸套系統(tǒng)為例進(jìn)行壽命匹配，對(duì)其初始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行面向再制造的改進(jìn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性和可行性。

再制造毛坯；壽命匹配；再制造優(yōu)化設(shè)計(jì)；服役特性

0　引言

再制造工程是以機(jī)電產(chǎn)品全壽命周期設(shè)計(jì)和管理為指導(dǎo)，以廢舊機(jī)電產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)性能跨越式提升為目標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，對(duì)廢舊機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)和改造的一系列技術(shù)措施或工程活動(dòng)的總稱[1]。

當(dāng)前，再制造毛坯主要是失效報(bào)廢的產(chǎn)品，即喪失其原有功能的機(jī)械產(chǎn)品。通常情況下，產(chǎn)品壽命不是由壽命最長(zhǎng)的部件決定，而是取決于壽命最短的部分，這就是產(chǎn)品壽命普遍存在的“短板效應(yīng)”。當(dāng)壽命短的部件壽命到達(dá)極限后，整個(gè)產(chǎn)品面臨著報(bào)廢處理并進(jìn)入再制造階段，而此時(shí)其他部件還處于壽命期限中，性能參數(shù)仍然正常，這就造成了很大程度上的浪費(fèi)。所以，在考慮零部件之間壽命的匹配關(guān)系的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品中各個(gè)零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使各個(gè)零件均達(dá)到最大的使用期限，是當(dāng)前再制造設(shè)計(jì)研究的一個(gè)難點(diǎn)。

再制造設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)設(shè)計(jì)使產(chǎn)品更加適合進(jìn)行再制造，學(xué)者們對(duì)再制造設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相關(guān)研究。杜彥斌[2]在分析退役機(jī)床再設(shè)計(jì)過(guò)程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，引入公式化設(shè)計(jì)理論，根據(jù)再制造需求確定再制造設(shè)計(jì)方案；Yao等[3]基于再制造流程給出了再制造設(shè)計(jì)和再制造性的定義，并提出了在設(shè)計(jì)階段再制造性的內(nèi)容和設(shè)計(jì)原則；Li等[4]研究了產(chǎn)品的再制造設(shè)計(jì)及其評(píng)估方法，分析了再制造設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的異同，根據(jù)再制造過(guò)程來(lái)確定再制造設(shè)計(jì)方案；Sundin等[5]描述了如何設(shè)計(jì)有利于產(chǎn)品的再制造，論述了更有效率的再制造過(guò)程；宋守許等[6]提出了強(qiáng)度冗余的概念，結(jié)合零件的設(shè)計(jì)信息，分析其“設(shè)計(jì)、服役、再制造”階段的強(qiáng)度及損傷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)；劉曉敘等[7]以小型內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了失效分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了面向再制造的設(shè)計(jì)。

在壽命匹配方面，Barker等[8]總結(jié)了以往對(duì)于廢棄物的處理和再利用方法，指出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必須考慮易于升級(jí)性；Xing等[9]在設(shè)計(jì)階段考慮產(chǎn)品使用壽命的延長(zhǎng)及再制造時(shí)功能的升級(jí)，并提出了產(chǎn)品可升級(jí)性評(píng)估的數(shù)學(xué)模型；高玉龍等[10]針對(duì)彈藥元件壽命差異對(duì)全彈壽命所帶來(lái)的影響及其原因，提出了彈藥最佳壽命匹配理論；劉福明[11]利用結(jié)構(gòu)壽命匹配的理念，研究了通過(guò)更換材料、改變厚度及變化層位等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)瀝青路面結(jié)構(gòu)層壽命的合理匹配;李薦名[12]提出了“預(yù)定壽命設(shè)計(jì)”與“等壽命設(shè)計(jì)”的新概念，并就其設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行研究探討。

綜上所述，再制造設(shè)計(jì)是指根據(jù)再制造工程要求，運(yùn)用科學(xué)決策方法，進(jìn)行新產(chǎn)品的再制造特性設(shè)計(jì)、廢舊產(chǎn)品的再制造特性評(píng)價(jià)及再制造加工的仿真，最終形成最優(yōu)化再制造方案的過(guò)程[13]。其研究主要集中在再制造設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用方面，目前仍存在以下問(wèn)題：①當(dāng)前產(chǎn)品的再制造設(shè)計(jì)大多是再制造方案的制定，對(duì)零部件結(jié)構(gòu)的反饋設(shè)計(jì)較少；②在機(jī)械零部件再制造設(shè)計(jì)方面，很少考慮再制造毛坯中零件壽命的不確定因素；③壽命匹配方面的基礎(chǔ)理論研究不足，且尚未廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

針對(duì)目前再制造所面臨的上述問(wèn)題，本文提出了面向再制造的零部件壽命匹配方法(該方法具備等值匹配和倍數(shù)匹配兩類模式)，分析了零部件“設(shè)計(jì)-服役壽命-再制造”過(guò)程中結(jié)構(gòu)參數(shù)與疲勞壽命的關(guān)系，分析了設(shè)計(jì)信息與服役特性的映射模型及反饋機(jī)制,構(gòu)建了基于壽命匹配的再制造優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1　壽命匹配

1.1壽命匹配的內(nèi)涵

壽命匹配(life matching, LM)是針對(duì)產(chǎn)品壽命的“短板效應(yīng)”，根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品中零部件各自的疲勞壽命差異，通過(guò)對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得產(chǎn)品中零部件的服役壽命符合一定規(guī)律的匹配關(guān)系，從而在滿足產(chǎn)品功能要求的前提下使產(chǎn)品具備較高的再制造性能，提高該產(chǎn)品的再制造經(jīng)濟(jì)效益。

產(chǎn)品是由多個(gè)零部件組成的，各個(gè)零件的服役壽命是不同的。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，確定零件服役壽命的最優(yōu)匹配關(guān)系，能夠使零件在被充分服役利用的同時(shí)獲取最大的再制造效益。在產(chǎn)品裝配時(shí)，直接裝配的零部件服役壽命存在一定的匹配關(guān)系，當(dāng)某個(gè)零件壽命終結(jié)時(shí)，對(duì)與其裝配在一起的零件進(jìn)行再制造或更換新件即可，從而極大地降低了產(chǎn)品再制造過(guò)程的綜合成本。

1.2壽命匹配機(jī)制

機(jī)械零件分為易損件和耐用件。例如墊圈、軸瓦等屬于易損件，連桿、曲軸、缸體等屬于耐用件。根據(jù)裝配的不同組合，可以將其分為以下兩類。

1.2.1等值匹配

對(duì)于裝配在一起的零部件疲勞壽命相差不大的情況，采用等值匹配。等值匹配法是將各個(gè)零部件的疲勞壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取等值作為最佳壽命匹配點(diǎn)，即L1=L2=…=Ln，如圖1所示。

圖1　等值匹配

若零部件的壽命相差不大，可以通過(guò)提高壽命較短的零部件壽命，或者減少壽命較高的零部件壽命來(lái)趨向一個(gè)等值，達(dá)到壽命匹配的目的，同時(shí)也不會(huì)對(duì)其功能產(chǎn)生過(guò)大影響。零件數(shù)量較多時(shí)，可通過(guò)統(tǒng)計(jì)取得合理的均值。當(dāng)整體的功能失效，可以方便予以整體再制造或更換，從而使每一個(gè)零部件的價(jià)值得到更有效的利用。

1.2.2倍數(shù)匹配

對(duì)于裝配在一起的零部件疲勞壽命相差較大的情況，采用倍數(shù)匹配法。倍數(shù)匹配法是在設(shè)計(jì)時(shí)使零件間的壽命依次成倍數(shù)關(guān)系，即Lm=λ Ln，如圖2所示。這適合于由幾個(gè)疲勞壽命相差很大的零件組成的組件，當(dāng)其中的短壽命零件的功能失效時(shí)，可以方便對(duì)其予以更換或再制造，從而使整體的價(jià)值得到更有效的利用。零部件的數(shù)量較少時(shí)，匹配次數(shù)較少，能夠簡(jiǎn)單完成匹配過(guò)程，減少計(jì)算量。

圖2　倍數(shù)匹配

1.3壽命匹配的方法

壽命匹配可在滿足產(chǎn)品功能需求的情況下，解決再制造毛坯壽命的不確定性，且經(jīng)濟(jì)性較好。選擇產(chǎn)品的疲勞壽命與匹配費(fèi)用的比值作為目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)比值最大時(shí)，可獲得最佳的匹配組合。

設(shè)零件為Pi，零件壽命為L(zhǎng)i，零件價(jià)值為Vi，零件再制造費(fèi)用為fj,再制造裝配中所需新零件和再制造零件的個(gè)數(shù)分別為ai、bj(i=1,2,…,n; j=1,2,…,m)，則產(chǎn)品價(jià)值M1、匹配費(fèi)用M2分別為

目標(biāo)函數(shù)為

Lmax=max(L1,L2,…,Ln)

其中，F(xiàn)(Lmax,M)為評(píng)價(jià)函數(shù)，終止條件為評(píng)價(jià)函數(shù)取得最大值 ，即在壽命最長(zhǎng)的零件達(dá)到壽命終結(jié)時(shí)，產(chǎn)品壽命與匹配費(fèi)用之比最大。

在零件裝配信息中，零件間疲勞壽命的匹配有兩種方法：①等值匹配法?？刹捎媚M退火法[14]完成壽命匹配。②倍數(shù)匹配法。即

L1=λ2L2=λ3L3=…=λnLn(L1>L2>…>Ln)

取任意兩個(gè)零部件的壽命Lk、Lm作為基準(zhǔn)，其中，Lk=λ(Lm±ΔLm)，可以得到匹配結(jié)果：

當(dāng)F(Lmax,M)=FLmax/M取最大值時(shí)，可得到最佳的匹配組合。

2　基于壽命匹配的再制造優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于壽命匹配的零部件壽命匹配設(shè)計(jì)是指以零部件的疲勞壽命與匹配費(fèi)用的比值為評(píng)估指標(biāo)，通過(guò)對(duì)零件進(jìn)行壽命匹配，對(duì)相關(guān)零件設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行反饋優(yōu)化，使再制造毛坯中各零部件的壽命達(dá)到最優(yōu)配置。

與傳統(tǒng)的針對(duì)具體產(chǎn)品功能開展設(shè)計(jì)不同，基于壽命匹配的再制造優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅限于某類型產(chǎn)品再制造性能的設(shè)計(jì)，而是從產(chǎn)品整個(gè)裝配體出發(fā)，不只關(guān)注與產(chǎn)品中某一些局部結(jié)構(gòu)或零部件。

其主要流程(圖3)如下：

(1)結(jié)合再制造的具體需求，將資源、材料、成本等約束條件引入再制造過(guò)程，判斷零部件壽命之間的匹配關(guān)系。

圖3　基于壽命匹配的再制造優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

(2)根據(jù)不同零部件的失效形式和位置，以及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，得到失效結(jié)構(gòu)的再制造設(shè)計(jì)信息?；诋a(chǎn)品—零件—設(shè)計(jì)規(guī)則的多層面考慮，建立設(shè)計(jì)信息與服役特性之間的映射關(guān)系。

(3)結(jié)合零件壽命匹配關(guān)系及設(shè)計(jì)信息與服役特性映射模型,獲得基于壽命匹配的再制造設(shè)計(jì)信息并將其反饋到設(shè)計(jì)過(guò)程，結(jié)合零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，獲得合理的再制造設(shè)計(jì)方案。

基于壽命匹配的再制造設(shè)計(jì)方法要求如下：①產(chǎn)品各零部件壽命相等或成倍數(shù)的關(guān)系；②確定改變何種零部件的服役壽命(延長(zhǎng)或縮短)，這就要求在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)再制造的要求對(duì)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，在充分考慮再制造的基礎(chǔ)上建立設(shè)計(jì)信息與服役特性的映射模型。

3　設(shè)計(jì)信息與服役特性映射模型

設(shè)計(jì)信息直接影響產(chǎn)品后續(xù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)信息改變、零件的彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、疲勞壽命等服役特性也會(huì)隨之變化，設(shè)計(jì)參數(shù)與服役特性之間的關(guān)系集合即為設(shè)計(jì)信息與服役特性的映射模型。

3.1設(shè)計(jì)信息模型

要建立設(shè)計(jì)信息模型，首先要確定影響其失效的關(guān)鍵位置結(jié)構(gòu)(以下稱關(guān)鍵結(jié)構(gòu))和疲勞壽命之間的關(guān)系及各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

通過(guò)退役零部件的失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以得到零部件的失效形式，根據(jù)主要的失效形式提取對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。例如，對(duì)于一般的軸類零件，其主要失效形式為疲勞斷裂和磨損，而疲勞斷裂主要集中在圓角等應(yīng)力集中的部位，因此可以選取圓角、軸頸等作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)；而對(duì)于齒輪，其主要失效形式為輪齒折斷、點(diǎn)蝕、磨損等，可以選取輪齒齒頂、齒根作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在選取合理的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)，需要特別注意該關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的可行性。

對(duì)于映射模型，設(shè)計(jì)信息模型是“輸入”它包含零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)信息與零件間的裝配關(guān)系的集合。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息用數(shù)學(xué)模型描述為

在基于壽命匹配的機(jī)械零部件再制造設(shè)計(jì)中要關(guān)注零件間疲勞壽命的配合。

零件的設(shè)計(jì)特征信息是形狀特征與設(shè)計(jì)約束的集合，可表示為

設(shè)計(jì)信息模型為

3.2服役特性分析

產(chǎn)品的服役特性表示各零件在使用過(guò)程中材料、結(jié)構(gòu)、表面等的服役狀況，主要表現(xiàn)在材料晶體轉(zhuǎn)化(material)、結(jié)構(gòu)變形(structure)、裂紋萌生(crack)以及表面磨損(wear)等方面。產(chǎn)品的服役特性可表示為CS={F(m,s,c,w)}。

疲勞壽命是材料晶體轉(zhuǎn)化、結(jié)構(gòu)變形等綜合作用的結(jié)果，可以作為服役特性的量化指標(biāo)。而疲勞壽命是由組成產(chǎn)品的零部件的設(shè)計(jì)信息，零部件間的配合關(guān)系以及相互約束等相互作用組成的信息集。若用FL表示零部件間的實(shí)際配合關(guān)系，F(xiàn)A表示零件間的約束邊界條件，Li表示零件的疲勞壽命，則服役特性可表示為

因此

CS∝Li

為了獲得考慮零部件失效形式的疲勞壽命，在確定了零件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)后，需要進(jìn)行多次試驗(yàn)來(lái)獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和組合。由于時(shí)間和經(jīng)濟(jì)性的限制，故采用計(jì)算機(jī)仿真建立產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，如圖4所示。

圖4　考慮零部件失效形式的服役特性分析

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，針對(duì)指定的零部件，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)都有對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，尺寸結(jié)構(gòu)的變化范圍有限，為減少試驗(yàn)次數(shù)并保證結(jié)果的完整性，選用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3設(shè)計(jì)信息與服役特性映射模型的建立與反饋

圖5　設(shè)計(jì)信息與服役特性信息映射模型及反饋機(jī)制

在仿真試驗(yàn)中根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用MATLAB擬合，得到設(shè)計(jì)參數(shù)與疲勞壽命之間的映射函數(shù)，即設(shè)計(jì)信息與服役特性映射模型。

通過(guò)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度損傷、疲勞壽命進(jìn)行分析，綜合考慮零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、再制造方案等方面，提取出面向再制造的零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。利用壽命匹配可以從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞壽命方面對(duì)零部件進(jìn)行定量分析，根據(jù)零部件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定優(yōu)化參數(shù)是否符合其強(qiáng)度等設(shè)計(jì)要求，若可行，則得到零部件面向再制造的設(shè)計(jì)方案；若不可行，則繼續(xù)重復(fù)參數(shù)優(yōu)化環(huán)節(jié)，最終得到最優(yōu)的再制造設(shè)計(jì)方案。

4　實(shí)例分析

本文對(duì)某型號(hào)的六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸(材料為42CrMoA，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3)進(jìn)行壽命匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1壽命匹配方法的選擇

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與軸套的配合中，曲軸屬于耐用件，軸套屬于易損件，選擇倍數(shù)匹配的方法，即Lca=λ Las，其中，Lca為曲軸的壽命，Las為軸套的壽命。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),軸套的壽命及價(jià)值均遠(yuǎn)小于曲軸的壽命及價(jià)值,無(wú)論是Lca=λ(Las±ΔLas)還是(Lca±ΔLca)=λ Las,目標(biāo)函數(shù)Lmax/M變化都極小,此處可將軸套的壽命簡(jiǎn)化為一個(gè)單位值,進(jìn)行壽命匹配時(shí),只需根據(jù)曲軸的壽命需求進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)即可。

4.2設(shè)計(jì)信息模型

設(shè)計(jì)約束信息根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[15],圓角半徑R與連桿軸頸直徑D2的關(guān)系為

R=(0.05～0.08)D2

主軸頸直徑D1與連桿軸頸D2關(guān)系為

D1=(1.05～1.25)D2

即

4.3服役特性分析

曲軸的服役特性CS∝Lca，對(duì)曲軸疲勞壽命的分析為簡(jiǎn)化計(jì)算，此處僅考慮圓角半徑大小及主軸頸直徑的變化對(duì)于疲勞的影響。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),連桿軸頸直徑D2=82mm,由式(1)可知,主軸頸直徑D1取值范圍為86.1～102.5 mm。將上述每組數(shù)據(jù)按均分規(guī)則離散為5點(diǎn)，即D=86.1,91,95,100,102 mm,R=5.0,5.3,5.5,5.8,6.0 mm,因此,可以選擇三因素五水平的正交試驗(yàn)。

以曲軸一個(gè)循環(huán)(720°)的應(yīng)力作為載荷序列，將應(yīng)力分析結(jié)果導(dǎo)入FE-SAFE中進(jìn)行疲勞分析，得到的結(jié)果見表1。

表1　正交試驗(yàn)表

對(duì)于曲軸，其主要失效形式為疲勞斷裂和磨損損傷，為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮疲勞斷裂。曲軸的斷裂位置主要集中在圓角處。曲軸的三維建模仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　曲軸應(yīng)力云圖

4.4設(shè)計(jì)信息與服役特性映射模型的建立與反饋

根據(jù)設(shè)計(jì)信息及試驗(yàn)結(jié)果，建立設(shè)計(jì)信息與服役特性映射模型。曲軸的疲勞壽命隨主軸頸直徑及圓角半徑變化仿真結(jié)果見表2和表3。

表2　疲勞壽命隨主軸頸直徑變化仿真結(jié)果

表3　疲勞壽命隨圓角半徑變化仿真結(jié)果

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，應(yīng)用最小二乘法(method of least squares)，得到圖7、圖8所示擬合曲線。擬合重合度為0.9442，在誤差允許范圍內(nèi)。

曲軸疲勞壽命隨主軸頸直徑變化的關(guān)系為

LX=-8.557×106D4+3.202×109D3+

4.487×1011D2-2.791×1013D-6.501×1014

(2)

圖7　疲勞壽命隨主軸頸直徑變化仿真結(jié)果MATLAB擬合曲線

圖8　疲勞壽命隨圓角半徑變化仿真結(jié)果MATLAB擬合曲線

進(jìn)行再制造設(shè)計(jì)時(shí)，就可根據(jù)式(2)得到所需壽命下的主軸頸直徑。

曲軸疲勞壽命隨圓角半徑變化的關(guān)系為

LX=7.131×1011R4-1.579×1013R3+1.309×

1014R2-4.819×1014R+6.639×1014

(3)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，主軸頸直徑與圓角半徑大小常常是同時(shí)變化的，作出疲勞壽命隨主軸頸直徑及圓角半徑大小變化的曲面圖(圖9)，用設(shè)計(jì)參數(shù)去截取各曲面，可以得到等高線圖。將等高線重疊即可得到在當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)下的疲勞壽命，結(jié)果較為精確。

圖9　疲勞壽命隨主軸頸直徑及圓角大小變化曲面

在本次試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的主軸直徑變化使得曲軸的壽命變化區(qū)間為(2.07×109,2.16×1010)，圓角半徑變化使得曲軸的壽命變化區(qū)間為(8.93×109,2.16×1010)，為使再制造方案中主軸頸直徑與圓角半徑均有反饋，選取壽命值為1.68×1010作為反饋設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

根據(jù)式(2)，L=1.68×1010，可得D=100mm。根據(jù)式(3)，有

L=7.131×1011R4-1.579×1013R3+1.309×

1014R2-4.819×1014R+6.639×1014

可得R1=4.39mm,R2=6.87mm，R3=R4=5.44mm。

根據(jù)主軸頸直徑及圓角大小的設(shè)計(jì)約束，若要使曲軸壽命為1.68×1010，應(yīng)選擇D=100mm(根據(jù)加工精度圓整)，R=5 mm或5.44 mm。即為經(jīng)過(guò)反饋設(shè)計(jì)得到的符合壽命匹配的設(shè)計(jì)結(jié)果。

5　結(jié)論

(1)本文針對(duì)再制造毛坯狀態(tài)不確定的問(wèn)題，提出了壽命匹配的方法，本方法適用于疲勞壽命相差不大的等值匹配法及疲勞壽命相差較大的倍數(shù)匹配法。

(2)提出了基于壽命匹配的再制造優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。根據(jù)零件之間的壽命關(guān)系，確定匹配方法。分析零件的失效形式，建立設(shè)計(jì)信息與服役特性的映射模型,利用反饋設(shè)計(jì)對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

(3)以六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸-軸套系統(tǒng)為例，建立了其疲勞壽命與設(shè)計(jì)參數(shù)的映射模型，并利用反饋機(jī)制對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方法的可行性。

(4)本設(shè)計(jì)方法對(duì)于不同的產(chǎn)品及零部件可以具體分析，具有普適性。但同時(shí)也存在一定的局限性，如零件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的工藝可行性、零件結(jié)構(gòu)之間的交互作用等。隨著對(duì)再制造設(shè)計(jì)研究的深入，將逐步進(jìn)行完善。

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(編輯陳勇)

Component Optimization Design for Remanufacturing Based on Life Matching

Song ShouxuFeng YanKe QingdiLiu Ming

Hefei University of Technology,Hefei,230009

Remanufacturing blanks were retired products and the component status was uncertain,the components could not achieve the best use.For the problem,this paper presented components optimization design for remanufacturing based on life matching.Through the analyses of the existence of “short board” effect in the product failure,the mean and multiple matching were established,and also the corresponding matching means.The design information model,performance feature model and their interaction and feedback model were presented.Finally,crank-bush life matching and the improvement of the initial design due to remanufacturing were carried out to verify the effectiveness and feasibility of the method.

remanufacturing blank; life matching; remanufacturing optimization design;performance feature

2014-04-02

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB013406)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375133, 51305119)

TH122DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.10.009

宋守許，男，1964年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授、博士。主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品再資源化技術(shù)與裝備、再制造理論與技術(shù)、機(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)理論與方法、逆向物流等。獲國(guó)家發(fā)明專利、實(shí)用新型專利共16項(xiàng)。發(fā)表論文40余篇。馮艷(通信作者)，女，1990年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生?？聭c鏑，男，1984年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院博士研究生。劉明，男，1989年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。