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機電產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計分析論文
功能的表示以及產(chǎn)品性能之間的關(guān)系就成為節(jié)能設(shè)計的首要問題。因此，在現(xiàn)代產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計中，設(shè)計人員需要同時面對用戶需求的兩個方面：產(chǎn)品的功能（F）和產(chǎn)品的節(jié)能性能（ES），二者共同構(gòu)建了支持和決定產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計的“F-ES”體系（S）。根據(jù)可拓學的可組合性原理[9-10]，“F-ES”體系可形式化的表達為：S=F茌ES。用戶需求的分解對于產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計是非常有利的，因為在許多產(chǎn)品設(shè)計中，在保障產(chǎn)品基本功能的前提下，只需對設(shè)計方案中的某些部分做相應(yīng)的修改或改善，即可大大提升產(chǎn)品性能，從而提高用戶滿意度。
節(jié)能產(chǎn)品性能及其表達
運用可拓學有序三元組R=（N，c，v）作為描述機電產(chǎn)品全生命周期能耗模型的基本邏輯單元，稱為節(jié)能設(shè)計物元。其中N為產(chǎn)品的概念，對不同層次的物元，N可代表不同級別的產(chǎn)品，即可為不同的產(chǎn)品生命周期階段，或具體到某一個生產(chǎn)工藝過程。C為產(chǎn)品特征，v為產(chǎn)品關(guān)于特征的量值，并把（c，v）稱為特征元，記為M=（c，v）。當物元R=（N，c，v）中c為功能特征時，M稱為功能特征元，記為Mf，同理，當c為性能特征時，M稱為性能特征元，記為Mq。產(chǎn)品特征元由功能特征元和性能特征元共同構(gòu)成，則M=Mf茌Mq。功能特征元Mf與性能特征元Mq還可以以子物元的形式出現(xiàn)，還可具體表示為事物元與關(guān)系物元。通過上述方法建立的節(jié)能設(shè)計物元能夠較好的體現(xiàn)“F-ES”體系（S）思想，其中，節(jié)能設(shè)計物元（R）代表了體系S，功能特征元（Mf）體現(xiàn)了該體系中的F思想，性能特征元（Mq）體現(xiàn)了該體系中的ES思想。用戶需求包括客戶對產(chǎn)品功能和性能上的要求，通過物元模型，可以將這些用戶需求按照統(tǒng)一物元（子物元）的形式加以表示，其中每一層為其上一層的子物元模型。
基于共軛視圖的能量元三維識別模型
1基于共軛視圖的能量元三維識別模型
在節(jié)能產(chǎn)品設(shè)計過程中，為了縮短設(shè)計周期，提高其節(jié)能性能，必須找出對其節(jié)能性起到關(guān)鍵影響作用的因素。能量元（Energyunit）：是對產(chǎn)品在全生命周期各階段，對其直接或間接能耗起關(guān)鍵作用的性能特征元。產(chǎn)品節(jié)能性的優(yōu)劣是其能量元作用的結(jié)果。能量元的概念具有廣泛的含義，它可以是包含一個特征元的性能特征元，也可以是由多個特征元組成的組合性能特征元。能量元的有效提取，不僅可以更好的表達產(chǎn)品設(shè)計意圖和設(shè)計思想，達到規(guī)范化的目的，又是對并行設(shè)計環(huán)境下產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計的有效支持。也就是說，首要解決的問題就是能量元的獲取�？赏貙W認為，任何物都有對立的兩部分。物的對立性是相對于某一特征而言的，物關(guān)于某特征的量值是指內(nèi)部產(chǎn)生正值的部分和產(chǎn)生負值的部分綜合作用的結(jié)果，相應(yīng)的把物關(guān)于某特征的量值取正（負）值的部分稱為物關(guān)于該特征的正（負）部。事物量值的變換引起事物的變換，事物共軛部的變換引起事物功能的改變。產(chǎn)品能量特征識別模型的技術(shù)級別軸主要描述對于產(chǎn)品節(jié)能性能等級的作用。給定產(chǎn)品N，特征為c，能耗值為v，當v（c）≥0時，稱c為N關(guān)于節(jié)能性能的正部分，記為c+；當v（c）≤0時，稱c為N關(guān)于節(jié)能性能的負部分，記為c-。N中關(guān)于節(jié)能性的一切正部分的全體稱為N的正部，記作p（sv）N=c+，N中關(guān)于節(jié)能性的一切負部分的全體稱為N的負部，記作ng（v）N=c-。面向技術(shù)級別軸，產(chǎn)品能量特征識別模型可記作為N=p（sv）×ng（v）N。
2能量元的拓展
對于產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計，由于不同的產(chǎn)品其功能、用途、結(jié)構(gòu)、材料、平均使用壽命等情況的不同，即使相同的產(chǎn)品，由于存在系列化等問題，且工作條件不同，各零部件的能耗在全生命周期各階段也會產(chǎn)生難以估計的變化，這將為產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計帶來一定的困難。某些產(chǎn)品似乎無法提取能量元，利用可拓學的原理進行拓展，往往可以找到一些相關(guān)的方法解決。具體到某一物元或子物元來說，可以對一些無法提取能量元的物元進行可拓變換，找出它們和能耗之間的聯(lián)系，從而間接的獲得待設(shè)計產(chǎn)品的能量元。經(jīng)過對節(jié)能設(shè)計物元（子物元）變換后得到的能量元，稱為可拓能量元。在尋求可拓能量元時，可通過基本的可拓變換方法，如蘊含分析，積變換、與變換、或變換和逆變換方法。對于一些難于尋找可控能量元的零部件可以通過蘊含式分析進行解決—當上層物元模型中難以尋覓其可控能量元或能量元不符合設(shè)計要求時，可以尋找它的下位目標，從最下位的基元進行分析，從而得到上位基元的實現(xiàn)。根據(jù)蘊含分析基本原理可得到能量元蘊含系的一般形式，如圖3所示。
實證研究
閥門是流體輸送管路的重要控制設(shè)備，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。如何實現(xiàn)閥門產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計，是綠色制造領(lǐng)域的重要研究課題。蝶閥產(chǎn)品的物元模型�？梢钥闯�，通過提出的方法，運用可拓學蘊含分析方法，可找到閥門產(chǎn)品各零部件的能量元，如端法蘭零件的能量元為：零件材料、零件形狀、零件尺寸、幾何精度、表面狀況等。
結(jié)論
進行產(chǎn)品的節(jié)能設(shè)計是現(xiàn)代綠色設(shè)計與制造的當務(wù)之急。提出了運用可拓能量元驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計方法，對機械產(chǎn)品的功能與性能需求進行可拓學的形式化描述，構(gòu)建了能量元提取的三維模型，并且給出可拓能量元的求解過程。最后，以蝶閥產(chǎn)品為例，說明該方法在實際機械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，證明該方法的正確性與實用性。
作者：鄭 輝 吳 越 張付英 單位：天津科技大學 機械工程學院 天津707研究所
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