秦 旭 張 科 范 偉

0 前言

在如今用戶需求多樣化、個性化的市場中，制造企業(yè)需要盡量滿足用戶不斷變化的需求,將用戶需求融入到產(chǎn)品設(shè)計中[1]。這就迫使企業(yè)針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計或再設(shè)計來迎合用戶需求，提高競爭力[2]。

在啤酒、飲料生產(chǎn)當(dāng)中，隧道噴淋設(shè)備被經(jīng)常使用，如啤酒生產(chǎn)設(shè)備中的巴氏殺菌機(jī)，飲料生產(chǎn)設(shè)備中的溫瓶機(jī)、冷瓶機(jī)等。因為有清洗的需求，這些設(shè)備的側(cè)門通常設(shè)計為可以打開的形式，便于清洗；如果要徹底清洗，側(cè)門最好是方便拆卸的形式，設(shè)備清潔干凈后，側(cè)門又能快速安裝。同時在設(shè)備運轉(zhuǎn)的時候，又需要這些側(cè)門有良好的防護(hù)和隔絕功能，減少噴灑液體的滲漏。

但現(xiàn)有的側(cè)門結(jié)構(gòu)只能保證在拆裝次數(shù)較少的情況下滿足功能需求，多次拆裝后性能下降較多，為此，本文基于公理設(shè)計理論，在現(xiàn)有隧道噴淋設(shè)備側(cè)門結(jié)構(gòu)的前提下，提出一種優(yōu)化模型來指導(dǎo)側(cè)門結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，以滿足側(cè)門功能需求，提高其使用性能，提升設(shè)備在市場中的競爭力。

1 公理設(shè)計理論

公理設(shè)計理論將設(shè)計問題分為4 個域，即用戶域、功能域、結(jié)構(gòu)域與工藝域[3]。公理設(shè)計是一個自上而下的層級式設(shè)計過程,通過“Z”字形將各個設(shè)計域聯(lián)系起來，構(gòu)建設(shè)計矩陣對映射關(guān)系準(zhǔn)確表達(dá)[4]。產(chǎn)品的設(shè)計過程可表述為相鄰兩個域中的參數(shù)相互映射的過程，如下圖1所示。

圖1 設(shè)計中域的相互關(guān)系

公理化設(shè)計將獨立性公理和信息公理作為設(shè)計的基本原則，獨立性公理為設(shè)計方案的確定提供了相應(yīng)的理論依據(jù)，運用獨立性公理，幫助我們找到解決問題的多種途徑；信息公理主要是對獨立性公理產(chǎn)生的方案作出選擇，在眾多設(shè)計方案中確定最優(yōu)設(shè)計方案。兩條公理的主要內(nèi)容如下[5-6]：

公理1（獨立性公理）：在一個能被接受的設(shè)計中，各功能需求之間是相互獨立的。

公理2（信息公理）：在所有滿足獨立性公理的有效解中，最好的設(shè)計方案應(yīng)使所包含的信息為最少。

基于公理設(shè)計，建立產(chǎn)品的功能要求與設(shè)計參數(shù)之間的映射關(guān)系的方程[7]，如下所示，

（1）式中FR為功能需求向量，由多個功能需求組成，DP是由多個設(shè)計參數(shù)組成的設(shè)計參數(shù)向量，A 為設(shè)計矩陣[8]，表示功能要求與各設(shè)計參數(shù)的映射關(guān)系，可以寫成如下形式

產(chǎn)品功能要求是否獨立可根據(jù)設(shè)計矩陣來判斷，當(dāng)A 為對角陣時，設(shè)計為非耦合設(shè)計；當(dāng)A 為三角矩陣時，為弱耦合設(shè)計；當(dāng)A 為一般矩陣時，設(shè)計為耦合設(shè)計。設(shè)計矩陣A 的三種類型如下圖2 所示。

圖2 設(shè)計矩陣三種類型

一般情況下，設(shè)計應(yīng)力求做到非耦合設(shè)計，在無法達(dá)到非耦合設(shè)計的情況下才選用解耦設(shè)計[9]。當(dāng)設(shè)計為耦合設(shè)計時，要得到可接受的設(shè)計方案，必須將功能要求或設(shè)計參數(shù)進(jìn)行添加、刪除、合并，使其變?yōu)槿躐詈显O(shè)計或者非耦合設(shè)計，因此，當(dāng)設(shè)計不滿足獨立性公理時，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計或再設(shè)計[10]。

2 側(cè)門結(jié)構(gòu)及功能需求分析

2.1 側(cè)門結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)有隧道噴淋設(shè)備的側(cè)門結(jié)構(gòu)如下圖3 所示，1 為不銹鋼四邊折彎板，是門的基本框架，2 為橡膠密封條，3、4 分別為鋼化玻璃和密封圈，5 為門把手。側(cè)門通過底部圓管7 支撐，安裝在兩側(cè)立柱8 之間，立柱與橫梁6、折彎梁9 焊接固定。此側(cè)門可以拆裝，側(cè)門打開后便于清洗設(shè)備內(nèi)部，側(cè)門的尺寸自由，可根據(jù)立柱的高度和兩立柱之間的距離自由切換門的高度和寬度。在設(shè)備運轉(zhuǎn)的時，密封條能為側(cè)門提供良好的隔絕功能，減少噴灑液體的滲漏。

圖3 側(cè)門結(jié)構(gòu)

在側(cè)門上增加橡膠密封條后，雖然提高了側(cè)門的隔絕性能，但是給側(cè)門的拆裝不方便，同時隔絕性能隨橡膠密封條的壽命下降較快，特別是經(jīng)常拆裝，容易損壞這些橡膠密封條。隨著橡膠密封條的老化和損壞，側(cè)門的隔絕功能大幅下降。

2.2 功能需求分析

通過以上分析可知，這些隧道噴淋設(shè)備側(cè)門迫切需要一個方便打開或拆裝的側(cè)門，在設(shè)備運行時具有很好的防護(hù)功能，同時隔絕功能良好，能減少噴灑液體的滲漏，還要求側(cè)門的尺寸自由，可以按照設(shè)備需要設(shè)計大小不等，打開或拆裝后設(shè)備有很好的清洗空間，便于設(shè)備徹底清洗。

由此可知，側(cè)門的功能需求主要有：防護(hù)功能（FR1），良好的拆裝功能（FR2），側(cè)門尺寸自由（FR3），隔絕功能（FR4）。設(shè)計參數(shù)為折彎板（DP1），密封條（DP2），圓管（DP3），折彎梁（DP4），立柱（DP5）。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，防護(hù)功能（FR1）主要取決于折彎板（DP1），折彎板為不銹鋼材質(zhì)，具有一定的強(qiáng)度，防護(hù)性能滿足要求；拆裝功能（FR2）取決于密封條（DP2），圓管（DP3），折彎梁（DP4）；側(cè)門尺寸自由（FR3）主要受立柱（DP5）的高度和分布間距影響；隔絕功能（FR4）受折彎板（DP1），密封條（DP2）共同作用。

圖4 基于公理設(shè)計的優(yōu)化模型

3 基于公理設(shè)計的側(cè)門優(yōu)化設(shè)計

3.1 基于公理設(shè)計的側(cè)門優(yōu)化模型

公理性設(shè)計分兩步進(jìn)行，首先建立功能需求與設(shè)計參數(shù)的映射關(guān)系方程，根據(jù)獨立性公理求出設(shè)計矩陣，即功能需求和設(shè)計參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系；再從滿足獨立性公理的眾多可行解中利用信息公理求出最優(yōu)解。其優(yōu)化模型如圖4 所示。

3.2 側(cè)門優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)公理設(shè)計理論中域的映射關(guān)系，通過上述側(cè)門結(jié)構(gòu)分析和功能需求分析，建立側(cè)門功能需求與設(shè)計參數(shù)的關(guān)系方程，其設(shè)計方程可表達(dá)為

由公理化設(shè)計定理3（冗余設(shè)計）可知，當(dāng)設(shè)計參數(shù)DP數(shù)大于功能需求FR數(shù)時，設(shè)計或者是冗余的或者是耦合的。通過上述側(cè)門結(jié)構(gòu)的分析，密封條不但給清洗設(shè)備時拆卸側(cè)門造成不便，而且在多次拆裝后，密封條的隔絕性能大幅降低，以至于不能滿足隔絕功能需求，此設(shè)計為耦合設(shè)計，可將設(shè)計參數(shù)DP2密封條刪除解耦。設(shè)計參數(shù)圓管DP3主要作用是支撐側(cè)門，根據(jù)信息公理，如若側(cè)門采用懸掛式，側(cè)門底部與橫梁具有相同折彎角，圓管可作為冗余零件去除，建立新的功能需求與設(shè)計參數(shù)的映射方程為

解耦后，拆裝功能（FR2）受到設(shè)計參數(shù)圓管（DP3）與折彎梁（DP4）影響，拆裝功能得到提升，但隔絕功能（FR1）只受到設(shè)計參數(shù)折彎板（DP1）影響，無法密封，隔絕功能不能滿足，此設(shè)計方案不是最優(yōu)方案。

根據(jù)公理化設(shè)計定理4（理想設(shè)計）可知，理想設(shè)計的必要條件為設(shè)計參數(shù)（DP）與功能需求（FR）數(shù)目相等。為了能夠達(dá)到更加優(yōu)化的設(shè)計方案或者理想設(shè)計，必須增加一個設(shè)計參數(shù)（DP6）。為此，引入設(shè)計參數(shù)不銹鋼折彎板（DP6）來優(yōu)化設(shè)計方案，如下圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后的側(cè)門裝配結(jié)構(gòu)

設(shè)計參數(shù)折彎板（DP6）通過與立柱裝配關(guān)系達(dá)到隔絕液體噴散功能，新的設(shè)計方程為

由式（5）可知，設(shè)計矩陣為三角陣，是弱耦合設(shè)計，此設(shè)計是被公理設(shè)計理論接受的。通過刪除耦合件密封條（DP2），開展設(shè)計參數(shù)折彎板（DP1）、折彎梁（DP4）、立柱（DP5）、折彎板（DP6）并行設(shè)計，可使得防護(hù)功能（FR1），良好的拆裝功能（FR2），側(cè)門尺寸自由（FR3），隔絕功能（FR4）均能夠滿足。

4 結(jié)論

本文將公理化設(shè)計理論應(yīng)用于隧道噴淋設(shè)備側(cè)門優(yōu)化設(shè)計中，建立基于公理化設(shè)計的側(cè)門優(yōu)化設(shè)計模型。應(yīng)用公理設(shè)計框架對側(cè)門結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在設(shè)計過程中充分考慮各功能需求之間的相互關(guān)系，開展各設(shè)計參數(shù)的并行設(shè)計，完成側(cè)門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。運用公理設(shè)計優(yōu)化側(cè)門結(jié)構(gòu)，既能保證設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性，提高設(shè)計質(zhì)量，又能減少設(shè)計開發(fā)時間，提高設(shè)計效率。

生產(chǎn)實踐結(jié)果表明，優(yōu)化后的側(cè)門滿足功能需求。優(yōu)化后的側(cè)門結(jié)構(gòu)可不必借助橡膠密封件，能達(dá)到良好的隔絕性能；通過頂部懸掛形式，取消了底部圓管支撐結(jié)構(gòu)，便于快速拆卸與安裝；側(cè)門結(jié)構(gòu)尺寸自由，具有較強(qiáng)的適配性。