一種基于穩(wěn)健性的卷筒產(chǎn)品平臺設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于穩(wěn)健性的卷筒產(chǎn)品平臺設(shè)計方法，屬起重機技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工程實際應(yīng)用中，如橋式起重機，由于設(shè)計過程中一些設(shè)計變量、參數(shù)和約束條 件的不確定性，W及環(huán)境條件、材料特性等因素的隨機性，該些不確定性引發(fā)的變差將會傳 遞給設(shè)計目標(biāo)，從而引起質(zhì)量性能指標(biāo)的波動，增大了它們對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。因此，為提 高產(chǎn)品族設(shè)計的穩(wěn)健性，在設(shè)計過程中，各種設(shè)計參數(shù)的取值大小不僅要保證優(yōu)化設(shè)計的 水平，而且要保證每個變型產(chǎn)品所有質(zhì)量性能指標(biāo)的偏差最小。
[0003] 卷筒作為起重機起升機構(gòu)重要的承載部件，其性能直接影響到起重機的工作效 率。卷筒設(shè)計會因起重量、起升高度、繩徑、起升速度、工作級別、滑輪組倍率等因素的改變 而隨之改變，因而卷筒難W完全標(biāo)準(zhǔn)化，一般都是單件小批生產(chǎn)。為了縮短卷筒的設(shè)計周 期，提高設(shè)計效率及企業(yè)對市場的快速響應(yīng)能力，增強設(shè)計的可適應(yīng)性，應(yīng)建立卷筒組產(chǎn)品 平臺，優(yōu)化卷筒設(shè)計參數(shù)。盡量減小它們對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。而產(chǎn)品的穩(wěn)健性可提升產(chǎn)品 適應(yīng)外部環(huán)境變化的能力。為了提高產(chǎn)品設(shè)計的穩(wěn)健性，必須在系統(tǒng)設(shè)計階段就開始考慮 產(chǎn)品的穩(wěn)健性，并使產(chǎn)品設(shè)計具有可適應(yīng)性，W避免后期出現(xiàn)大的返工。為此，本發(fā)明建立 了一種基于穩(wěn)健性的卷筒產(chǎn)品平臺設(shè)計方法，對設(shè)計過程中的不確定性參數(shù)進(jìn)行分析和處 理，實現(xiàn)產(chǎn)品平臺的穩(wěn)健性。
[0004] 本發(fā)明根據(jù)用戶需求、現(xiàn)有的技術(shù)及設(shè)計者的分析，由設(shè)計者產(chǎn)生主要的功能概 念，提取對卷筒結(jié)構(gòu)影響較大的參數(shù)作為特征參數(shù)，通過"Zigzagging"層級映射，得到功能 分解圖，根據(jù)建立的功能要求-設(shè)計參數(shù)映射關(guān)系及對卷筒組在起重機上所起的主要作用 與結(jié)構(gòu)分析，確定卷筒組的基本功能要求、期望功能要求和附加功能要求，得到對應(yīng)的公共 參數(shù)和定制參數(shù)，將灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用到產(chǎn)品平臺的穩(wěn)健設(shè)計中，結(jié)合試驗設(shè)計與方差分 析，解決平臺設(shè)計的穩(wěn)健性問題。
[0005] 為了縮短產(chǎn)品的研發(fā)或改型時間，進(jìn)而提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計效率及企業(yè)對市 場的快速響應(yīng)能力，要求所設(shè)計出的產(chǎn)品具有更高的穩(wěn)健性。
[0006] 鑒于此，本發(fā)明人專口研制出一種基于穩(wěn)健性的卷筒產(chǎn)品平臺設(shè)計方法，本案由 此產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供了一種基于穩(wěn)健性的卷筒產(chǎn)品平臺設(shè)計方法，縮短了作為 非標(biāo)準(zhǔn)件的卷筒的研發(fā)和改型時間，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率、質(zhì)量和對市場的快速響應(yīng)客戶 多樣化需求的能力，同時提高了平臺的可適應(yīng)能力W及穩(wěn)健性，降低了設(shè)計成本。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 一種基于穩(wěn)健性的卷筒產(chǎn)品平臺設(shè)計方法，包括如下步驟。
[0009] 步驟1，根據(jù)用戶需求、現(xiàn)有的技術(shù)W及設(shè)計人員的分析，由設(shè)計人員確定卷筒的 主要功能概念。
[0010] 步驟2,提取對卷筒結(jié)構(gòu)影響較大的參數(shù)作為特征參數(shù)。
[0011] 步驟3,通過"Zigzagging"層次映射，得到卷筒的功能分解圖。
[0012] 步驟4,根據(jù)步驟3所建立的卷筒功能要求-設(shè)計參數(shù)映射關(guān)系及對卷筒在起重機 上所起的主要作用與結(jié)構(gòu)分析，確定卷筒產(chǎn)品族的基本功能要求、期望功能要求和附加功 能要求，得到對應(yīng)的公共參數(shù)、定制參數(shù)W及可適應(yīng)設(shè)計參數(shù)。
[0013] 步驟5,對卷筒體的部分參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析。
[0014] 步驟6,計算出卷筒的重量，并通過有限元分析得出卷筒的強度和穩(wěn)定性系數(shù)，輸 出卷筒屈曲分析ansys計算圖。
[0015] 步驟7,根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析對數(shù)據(jù)規(guī)范化進(jìn)行處理，再根據(jù)公式計算獲得各設(shè)計 參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)度。
[0016] 步驟8,對關(guān)聯(lián)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，W及分析其他參數(shù)的敏感性和可適應(yīng)性，確定 平臺參數(shù)和變型參數(shù)。
[0017] 步驟9,卷筒產(chǎn)品族的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計，確定卷筒產(chǎn)品族基體設(shè)計參數(shù)的合理取值。
[0018] 進(jìn)一步，步驟1中所述的準(zhǔn)確獲取與表達(dá)產(chǎn)品功能需求信息是產(chǎn)品平臺設(shè)計的首 要環(huán)節(jié)，在產(chǎn)品開發(fā)階段只有充分地理解產(chǎn)品功能需求信息，將該些功能需求信息經(jīng)分析、 準(zhǔn)確描述與表達(dá)并轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，才有可能使所建立的產(chǎn)品概念模型有效地支持后 續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計。
[0019] 進(jìn)一步，步驟2中對卷筒結(jié)構(gòu)影響較大的參數(shù)為；繩槽、名義直徑（槽底直徑）、厚 度、卷筒長度（繩槽長度、之間光滑部分長度、固定繩圈長度）。
[0020] 進(jìn)一步，步驟3中進(jìn)行"Zigzagging"層級映射時，每一層級分解時可利用獨立公 理對功能和結(jié)構(gòu)的獨立性進(jìn)行判斷，使之盡可能滿足獨立公理。其中，功能分解圖的左半部 分表示為卷筒功能要求Fes的層次結(jié)構(gòu)，右半部部分表示為卷筒功能要求所對應(yīng)的設(shè)計參 數(shù)Dps，其功能要求與設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系可W描述為： Fr=ADP 其中，F(xiàn)k是功能要求集，F(xiàn)k= [Fe^Fk2,…，F(xiàn)Km]T;Dp是設(shè)計參數(shù)集，Dp=扣pi，Dp2,…，Dp m]T;A為設(shè)計矩陣，為使設(shè)計更好地滿足穩(wěn)健性，避免禪合設(shè)計，設(shè)計矩陣A的形式應(yīng)盡為對 角陣或=角的形式。但在產(chǎn)品族中，各變型產(chǎn)品的功能要求基本相同，其物理結(jié)構(gòu)組成及拓 撲形狀也相同，可用一組多元設(shè)計參數(shù)Dp來描述產(chǎn)品幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系。功能 要求的變化與延伸可通過功能要求矩陣規(guī)劃來表達(dá)，此處的功能要求可W是一子功能要求 或功能模塊，可根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜程度層級展開；對應(yīng)地，設(shè)計參數(shù)及其規(guī)格的變化可通過設(shè) 計參數(shù)矩陣來表達(dá)，此處的設(shè)計參數(shù)可W是一葉參數(shù)或結(jié)構(gòu)模塊，表示如圖1所示。
[0021] 在功能要求矩陣中，第一列表示產(chǎn)品族的主功能要求，其它列表示變型產(chǎn)品的功 能要求；任意一行表示某功能要求的延伸（功能要求的強弱或大小變化）。而在設(shè)計參數(shù) 矩陣中，第一列表示產(chǎn)品族的主設(shè)計參數(shù)，其它列表示變型產(chǎn)品；任意一行表示該設(shè)計參數(shù) 的規(guī)格變化。圖中第j列虛框中的功能要求和對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)就是第j個變型產(chǎn)品的功能 參數(shù)屬性。
[0022] 進(jìn)一步，由步驟4確定卷筒的基本功能要求為；F,i安全卷繞一定長度的鋼絲繩、Fm 支撐卷筒、Fki2減少繩彎曲W及保證一定的速度和扭矩、Fki3保證強度和穩(wěn)定性；期望功能要 求和附加功能要求包括提供潤滑通道、F。1。壓注脂潤滑、F。14起升高度限位和Fwe限制起 重量超載。對應(yīng)的公共參數(shù)為；Dpi_i繩槽，Dpi_2直徑，DP4卷筒軸，DP12卷筒軸承座組件，DP13 卷筒支座組件；定制參數(shù)為Dpg油管及接頭，DP1。油杯，DP14起升高度限位器，DPU起重量超 載限制器；其余為可適應(yīng)設(shè)計參數(shù)。
[0023] 進(jìn)一步，由步驟4對卷筒的設(shè)計參數(shù)分析可知，卷筒體的設(shè)計參數(shù)繩槽和直徑歸 類為公共參數(shù)，則對卷筒體余下的設(shè)計參數(shù)作為可控因素進(jìn)行步驟5所述的關(guān)聯(lián)度分析。
[0024] 進(jìn)一步，在步驟6中進(jìn)行有限元分析中，把繩槽卷筒作為一種有環(huán)向密集弱加筋 的圓柱中厚殼體，繩槽作為環(huán)筋加入到卷筒壁厚中進(jìn)行建模有限元分析。
[00巧]進(jìn)一步，步驟7中所述的灰色關(guān)聯(lián)度分析中，按著灰色理論的公式進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)范 化處理，如下： 對于指標(biāo)為望小型特性的數(shù)據(jù)規(guī)范化
對于指標(biāo)為望目型特性的數(shù)據(jù)規(guī)范化
式中，{xj，也}，…，{x。}為n個比較序列。{xj={Xi(1)，X;似，…，X; (m)}，i= 1，2,…，n，n為試驗方案數(shù)，m為質(zhì)量指標(biāo)個數(shù)。
[0026] 然后，根據(jù)W下的公式得出各自的灰色關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)W及關(guān)聯(lián)度。{xj與{X。}關(guān)于第 k個元素關(guān)聯(lián)系數(shù)為：
其中，C為分辨系數(shù)，一般取0.5,CG(〇，1)， {xj與{X。}的關(guān)聯(lián)度r,計算公式如下：
[0027] 進(jìn)一步，步驟8所述的對關(guān)聯(lián)度數(shù)據(jù)分析，分析每個因素對單個試驗指標(biāo)的影響 程度，計算各個因素對每個指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)的水平和，再計算極差，將同一因素對不同指標(biāo)關(guān) 聯(lián)系數(shù)的極差相加，將影響較為顯著的因素作為平臺參數(shù)；再根據(jù)敏感性和可適應(yīng)性分析 確定變型參數(shù)。
[0028] 進(jìn)一步，步驟9所述的對卷筒產(chǎn)品族穩(wěn)健優(yōu)化分析，把滿足卷筒的強度和穩(wěn)定性 該兩個指標(biāo)作為約束條件，把卷筒重量最輕及波動最小作為優(yōu)化