产品创新功能结构特征建模方法

刘晓敏,简兆辉,王自伟,朱兆荣

(福州大学 机械工程及自动化学院,福建 福州 350002)

传统的建模技术主要采用面向产品的几何结构,但是该技术并不适用于功能和行为层次的建模.因此,非常有必要建立1种普适性的产品功能结构特征模型,以便支持产品概念设计结果的有效实现.产品概念设计中的功能结构特征建模要求是:①反映各相关元件之间的相互作用;②反映产品功能结构的层次关系;③拓宽产品设计方案的求解空间[1].

近年来,许多学者陆续提出了多种产品概念设计表示方法.常德功[2]通过定义联接器零部件,建立了基于P/T网的产品概念层次结构特征模型,但该模型中并没有反映行为特征关系.Gorti[3]采用面向对象方法建立了产品概念特征模型,但没有明确表示产品的层次结构关系.Zeng[4]建立了产品的载体和行为模型,并给出相应的数学描述,但没有明确二者的映射关系.邹光明[5]采用面向对象方法建立了产品概念模型,该模型包含功能域和物理域,未包含行为域.宋慧军[6]在公理化设计基础上引入行为域并扩展了“之”字形映射,采用“与”、“或”树建立产品概念设计功能模型,但未能实现建模行为的动态变化.

产品技术系统中物料、能量及信息具有相等的地位,这形成了技术创新过程的物质基础.功能流不仅反映了产品的行为特征,而且构成了产品结构组织的基础.基于物质和能量随时间的改变,从物料、能量和信息流出发,建立不同类型的产品创新功能结构特征模型,以确定各功能结构间的有效联系方式.

20世纪90年代初,出现了1种新兴的将静态旋流分离单体与动态部分相结合的脱油型复合式旋流器,其功能原理是在离心力作用下利用油水密度差进行分离的.本文采用产品概念设计方法和基于作用流的产品特征建模方法对复合式旋流器进行功能结构特征建模.该模型从输入/输出流出发,分别结合功能基、功能树FAST方法,实现了基于作用流的复合式旋流器功能结构特征建模,从而为更好地实现产品创新提供重要的参考.

1 功能基及FAST方法

1.1 功能基

用功能基表示和描述产品功能是产品创新的一种重要实现形式.通过建立标准词库,在一定程度上解决了功能表示的模糊性和歧义性.功能基综合了输入/输出流和动名词词组2种表示形式的特点,采用“功能元+流对象”的表示结构,其中,功能元从分支、导向、连接、控制大小、转换、供应、信息和支持等8个方面进行分类;流对象从物料、能量和信息等3个方面分类.

1.2 简单的功能树FAST方法

创建产品功能描述的1个基本方法是把综合功能分解成若干子功能.一般来说,产品不同的子系统或组件能够完成不同的子功能.以此可以对产品功能进行逐步分解,直到获得最简单的功能结构.

图1 FAST图Fig.1 FAST diagram

FAST法用于定义、分析和理解产品的功能,确定功能之间的关系,关注重要功能以增加产品的价值.它通常是以逻辑的顺序来展示产品的功能,对它们的主次关系进行排序,以检验功能之间的相互依赖关系.

FAST法是采用分层方法对产品或系统进行建模的,见图1.具体建模过程如下:

(1)构造2条一左一右的虚垂线,这2条虚线定义了产品开发目标的区域.

(2)把基本功能放在左区域线的右边.提出问题:为什么要创建基本功能?上一位置的功能将对这一问题进行回答.把该功能放在基本功能的左边,然后用1条线把它们连接起来,并开始构造功能有效实现的关键路径.

(3)创建基本功能右边的功能,这些功能必须始终按照“怎样-为何”的问答模式来创建.用直线把这些功能连接起来以对关键路径进行定义.

(4)关键路径将以位于右区域线外的“假设功能”为结束点.该功能位于产品的外部,例如利用该区域的功能可为复合式旋流器产品提供分离液的外部功能.

(5)创建关键路径之外的子功能,并把它们放在关键路径上与其相关的基本功能或子功能的下面.这些功能或者同时产生,或者由关键路径上的功能引起.

(6)陈述位于基本功能之上的开发目标,把一次性功能和伴随功能添加到图表的上方.

由此可见,产品改进的重点应放在FAST图中基本功能上,而不是放在次级功能上.

2 产品功能结构特征建模方法

概念设计是1种基于功能及原理的设计,功能建模主要完成原理方案生成、结构方案配置和设计方案评价等任务.尽管目前对功能定义没有1个完全统一的认识,但功能定义在设计中都应完成以下几项任务:

(1)功能必须根据给定要求表达设计者意图.

(2)功能必须能描述满足设计要求的设计对象.

(3)功能应能被定性或者定量地评价,以更好地测定设计意图的满意度[7].

功能结构特征建模在概念设计过程中扮演着重要的角色.功能具有层次性,通常分为总功能、子功能、功能元等3个层次.为此,设计者往往把功能层次中处于底层不能再分的子功能称为功能元.功能基是功能结构特征建模的基础,它不仅能易于实现功能的推理和运算,而且也符合设计者思维习惯,能够有效地表达设计意图.

各功能之间具有组成、时序、因果和更新等4种关系.功能模型不仅要求反映产品内部的相互作用关系,而且要易于实现功能的推理和运算.本文在文献[8]的基础上,基于功能基的表示方法,考虑功能之间的关系,建立相应的功能模型,基本步骤如下:

(1)建立黑箱模型.能量、物料和信息是产品功能转换的基本对象.在建立黑箱模型时,无需考虑系统的内部结构,只需明确其输入流和输出流即可,见图2.黑箱模型是基于客户需求建立的,能够更中性地反映设计要求.黑箱模型能在第一时间内把客户需求转换成对设计问题的具体描述.黑箱子的输入与输出功能使这种转换或映射得以实现.

(2)生成功能链.功能链是指以流为基本对象而产生的子功能序列.在功能链中,子功能表示为动宾形式,分别由功能基中功能元和流来描述.以旋流器供液水箱为对象,其子功能序列包括储水、供水、传输水和调节水.

依据产品功能之间的时序关系,功能链分为串行和并行2类.在串行功能链中,功能元顺序地作用在同一流上,直至该流输出系统或转换为另一种流.在并行功能链中,功能元并行地作用在同一流上,因而它包含了多条串行功能链.

(3)聚合功能链.依据具体的流生成功能链后,需要聚合分功能链以生成功能结构.对于2条包含相同元功能的功能链,可通过在该元功能所属的子功能上标示出不同的流来实现功能链的聚合.图3a,3b分别表示2条不同的功能链,图3c表示经过聚合后所获得的功能链.

(4)提取主功能结构.在技术创新过程中,系统的流转换或以能量为主,或以物料为主,或以信息为主.因此,有必要提取出系统的主功能结构,以有利于系统功能模块的划分和创新原理方案的生成.

主功能结构提取过程包括2步:①主流辨识.通过对客户需求进行分析,辨识出系统的主功能,并获得其所实现的流转换.②生成主功能结构.在聚合生成的功能结构中保留基于流的主功能链,并去除其他辅助功能链.

图2 功能黑箱模型Fig.2 Generic black box model

图3 聚合功能链Fig.3 Polymerization of the functional chain

3 工程实例分析

3.1 产品FAST图建立

为了更清楚地描述旋流器功能,建立图4所示的产品FAST图.旋流器的基本功能是实现油水的离心分离,图5为新型复合式旋流器结构及原理示意.一旦基本功能确定,其他功能都可看作是其子功能.这些子功能对产品基本功能起到重要的辅助作用.进一步说,它们是基本功能是否正常发挥的直接原因.为此,将产品基本功能放在左上角,以回答如何完成基本功能的子功能列在其右边.该产品的基本框架说明产品子功能串对旋流器功能的实现具有关键性作用,因此,它称为关键路径.关键路径最右侧的子功能不能由复合式旋流器功能结构来实现.

次级功能分成必要的功能、美学功能和不必要的功能等3种.复合式旋流器利用电机及联轴器带动旋转栅高速转动,待分离液受压力作用经旋转加速后由旋转栅流道进入静态旋流体,被强制形成高转速涡流的液体旋流强度在大、小锥段内得到进一步加强,最终实现待分离液有效的分离.该过程中,电动机是旋流器分离的外部驱动力,此时,“供电”是 1个必要的子功能.当达到由外部环境所提供的子功能时,关键路径随之结束,系统边界并由此建立起来.旋流器基本功能和由外部环境所提供的子功能之间构成了子功能的关键路径.

图4 脱油型复合式旋流器FAST图Fig.4 FAST diagram for de-oiling compound hydro-cyclone

图5 复合式旋流器样机示意图Fig.5 Structural representation of the compound hydro-cyclone

通过不断地创建新功能来抑制每1个子功能所产生的副作用,例如,转动会产生振动,通过创建相应的功能进行减振.在FAST法中,非关键路径上的功能均列在关键路径上,即位于其相应功能的下边.此外,一些不属于关键路径上的子功能都列在了FAST图最上方;其中,伴随功能列在左上角,一次性功能列在中间,而设计工作目标列在右上角.对产品起辅助作用的伴随功能在产品工作中始终起作用,例如,旋流器在完成有效分离的同时也会实现分离过程中的承受载荷及密封等.因此,承受载荷这一子功能对旋流器基本功能有辅助作用,列为伴随功能.对旋流器来说,通过顾客需求分析并作用于产品创新,也能提高产品的分离效能.

3.2 产品功能结构的建立

建立产品FAST图之后,根据产品特征结构建模方法来建立旋流器的功能结构图,具体步骤如下:

(1)建立复合式旋流器功能黑箱模型.根据建立的复合式旋流器FAST图,得到了旋流器工作时的能量,包括人力、旋转能和电机电能.物料主要包括直接被分离的待分离液、提供能量的电机和主分离区的旋流器.建立复合式旋流器功能黑箱模型,如图6所示.

图6 复合式旋流器功能黑箱Fig.6 Generic black box model of the compound hydro-cyclone

(2)基于输入流生成功能链.根据黑箱图中能量、物料和信息得到复合式旋流器功能链,主要包括人手、人力、开/关、电能、混合液和旋流器等6部分子功能链,如图7所示.人手功能链用于启动电机和调节电能大小;人力功能链用于组装工作平台;电能功能链则是旋流器在工作过程中能量的变化,即将电能转化成分离液的动能;混合液功能链则描述了物料从输入到输出的过程.

图7 复合式旋流器各子功能链Fig.7 Functional chain of the compound hydro-cyclone

(3)聚合功能链生成功能结构.依据建立的各部分功能结构及其相互作用关系,再由聚合功能链框架结构生成复合式旋流器功能结构.首先,借助工具利用人力组装旋流器,其组装过程包括固定、连接、保护、释放和输出等.通过人力作用,将人力功能链和旋流器功能链链接起来.其次,从旋流器功能链中引入1物料信息链接到电能功能链中的分离液体功能部分,而待分离混合液进入旋流器内实现分离,该过程包括输入、调节、传送和输出4个部分.输出的混合液进入电能功能链的旋转液体部分,实现了混合液功能链和电能功能链的链接.同时,在混合液功能链中液体的功能部分是通过人手对仪器输入信号进行调节的.因此,人手功能链通过输出信号对混合液功能链的液体调节部分可实现相关链接,即达到人手、混合液和电能等功能链三者间的相关链接.人手功能链除了对混合液进行调节外,还需要将信息描述输出到电能功能链中,以起到实现启动电能和调节电能的作用.电能的启动则是通过开/关功能链的起/停信号描述来表示的,这样就实现了人手、电能和开/关等功能链间的相关链接.最后根据分析的结果建立如图8所示的复合式旋流器功能结构图.

图8 复合式旋流器功能结构Fig.8 Functional structure of the compound hydro-cyclone

(4)基于能量流结构提取主功能结构.复合式旋流器是将外部电能转换成混合液分离的旋转能,为此要依据能量的转换方式来去除其他功能链,最终提取出复合式旋流器的主功能结构,如图9所示.通过提取该产品主功能结构后发现,电能将通过图9中一系列能量的转换最终形成分离后介质的压能,该分析结果将为后续产品冲突问题的有效解决提供重要的参考.

3.3 冲突问题解决的TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch)应用

根据所建立的旋流器功能结构特征模型,得到的影响旋流器分离性能的主要因素有:振动、结构可靠性及密封性能等.而在分离过程中也会产生其他有害因素,如噪音、压力损失和热量损耗等.

结合TRIZ冲突矩阵,从39个标准工程参数中确定技术冲突的一对特性参数如下:①性能提高参数:提高生产效率(No.39).②负面影响参数:能量损失(No.22).

由冲突问题解决矩阵得到第39行及第22列所对应的发明原理,即确定冲突问题解,如下:

(1)No.28:机械系统的替代.①用感官刺激方法代替部分机械系统.创新启示:旋流供液液位的控制用声音智能控制开关来实现液位的高低,保证分离有安全稳定的连续供液.②采用与物体相互作用的电、磁或电磁场.创新启示:样机与地基振动大小的控制采用振动传感器磁性座,利用磁场变化来有效防止振动;采用刚性导轨或弹性连接软管,以增加运行稳定性;采用隔离振动源方式,使振动降到最低.③场替代:从恒定场到可变场,从固定场到随时间变化的场,从随机场到有组织的场.创新启示:电动机转速测量采用变频调速,利用无限发射方式获得有效数据,再由计算机采集数据来实现调节.

(2)No.29:气动与液压结构.固体零部件可用气动或液压零部件代替.启示:将整机驱动方式由电动机同轴驱动转变成由气动或液压机构来实现驱动转体,这样可使样机运转平稳.或者采用该结构以实现驱动件及其他调节件间操作的协同性及灵活性.

(3)No.35:参数变化.①改变物体运动状态.创新启示:将电动机驱动改为同轴方式的弹性联接来驱动转体.②改变介质的浓度或粘度.创新启示:将旋液介质实行降粘处理或利用静态混合器使介质浓度均匀而稳定分布,利于实现有效分离.③改变物体的柔韧性、介质温度、承受压力.创新启示:通过适当改变旋液介质的粘性(一般需要降粘处理),调节并改善其运行工况、温度和压力等.

(4)No.10:预操作.①操作开始前,使物体局部或全部产生所需的变化.创新启示:在满足分离性能的条件下,增加变频调速装置以改变局部振动对分离的影响.②预先对物体进行特殊布置,使其在时间及空间上处于易操作的位置.创新启示:将电动机布置在1个对中性好的导轨上,既提高对中精度,又有利于样机在方位和空间上进行灵活性的调节.

图9 复合式旋流器主功能结构Fig.9 Primary functional structure of the compound hydro-cyclone

3 结语

(1)分析了产品创新概念设计功能结构的表示方法和基于作用流的产品功能结构特征建模过程及方法.采用功能基及简单的功能树FAST方法对复合式旋流器进行了功能树分析,得到复合式旋流器的主要改进方向是提高稳定性和分离效率.

(2)建立复合式旋流器功能黑箱模型和基于输入流生成的复合式旋流器和其功能链模型、功能链聚合成功能结构模型,得到复合式旋流器能量流为人力及由电机驱动旋转栅转动的机械能.

(3)通过分析复合式旋流器主功能结构,找到影响该产品分离性能的因素,主要有电机振动、旋流器结构可靠性及密封性能,也包括在分离过程中产生的有害因素,如噪音、压力损失和热量损耗等,并采用T RIZ冲突矩阵分析了影响分离特性参数的冲突问题解决启示,提供了冲突问题解决的有效途径.

复合式旋流器产品功能特征建模技术的应用研究将为产品创新设计结果的实现提供1种可供选择的创新模式.

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