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科学指导
Procedia CIRP 84（2019）1041-1047
www.elsevier.com/locate/procedia
第 29 届 CIRP 设计 2019（CIRP Design 2019）
质量分布对概念轻量设计的影响的调查
菲利克斯·劳弗 a*，丹尼尔·罗斯 a，汉斯·格林·宾兹 a
a 斯图加特大学工程设计与工业设计学院（IKTD），德国斯图加特Pfaffenwaldring 9，70569
*通讯作者。电话： 49 711 685-66053;传真： 49 711 685-66219;电子邮件：felix.laufer@iktd.uni-stuttgart.de
摘 要
由于产品开发过程中的轻量级设计方法会对产品质量产生重大影响，因此轻量级设计方法变得越来越重要。除了减少质量外，产品中质量的重新分配还可以帮助更有效地实现轻量化设计目标。本文的目的是在概念阶段提高对轻量级设计任务的认识，其中质量的分布是设计师工作的重要组成部分。由于质量分布始终会影响产品的结构，因此作者在概念阶段将研究的轻量级设计任务与产品体系结构设计联系起来。这样就可以识别出不同的方法，这些方法可以支持设计人员通过大量分配来实现轻量级设计任务。
copy;2019 作者。由 Elsevier BV 发布
由 CIRP Design Conference 2019 科学委员会负责的同行评审。
关键词：轻量化设计；质量分布；产品架构；帝斯曼
介绍
在过去的几十年中，已经投入更多的精力来研究产品设计过程的概念设计阶段。研究轻量级设计方法的开发也不例外。在这里，概念性轻量级设计方法的目标是早期设计阶段以减少重量，并尝试利用可用的高度设计自由度[1]。这种设计上的自由性不仅带来了在概念上减少质量的可能性，而且还带来了在产品内部定位或重新放置质量的可能性[2]。
质量的定位及其分布在许多工程行业中都是一项重要任务，并且通常会影响轻量化方面的考虑。例如，在赛车设计中，由于低重心会改善驾驶特性，因此质量分配很重要。为了这个目的，赛车设计者要降低法规所规定的最小重量，以便通过增加压载重量进一步降低重心[3]。在其他行业（例如机器人设计）中，工程师不仅旨在减少移动部件的质量，而且旨在
将旋转部件的质量定位在靠近旋转轴的位置，以减小惯性 矩[4]。这有助于提高部件的加速度，从而改善功能性能。
因此，产品设计师必须意识到轻质目标，这也可以通过质量分配和减少质量来实现。此外，关于减少或重新放置现有产品质量的决定很复杂，并且可以与概念设计阶段的不同阶段关联[2]。在这种情况下，概念轻量级设计通常被用作一种优化方法，该优化方法以现有技术系统及其结构和质量为基础，除了现有技术系统的分布之外，还基于后者。可以从以前的产品中获取当前的产品数据，以进行分析，从而确定轻量化的设计潜力[5]。
但是，质量的分布通常会影响产品的体系结构（PA）， 因为质量与产品的物理组件相关。由于功率放大器设计在 概念设计阶段[6]也是一项重要任务，因此使用功率放大 器可能会考虑质量分布问题
2212-8271copy;2019 作者。由 Elsevier BV 发布
CIRP 设计会议 2019 科学委员会负责的同行评审.10.1016 / j.procir.2019.04.304
设计方法要针对性。除其他事项外，对该领域的研究还探讨了通过设计结构矩阵（DSM）基于功能交互将组件重组为模块的可能性[7]。结果，替代产品结构可以揭示功能集成的潜力，因此与轻量级考虑有关。
问题陈述和目标
在质量分配方面，轻量级设计方法学在概念设计阶段存在差距。例如，不支持通过轻量级概念设计中的质量分布来设计优化的重心（cg）。现有方法仅考虑产品中质量的当前分布，以得出降低质量的潜力[8]。产生质量重新分配的特定潜力（这意味着调查采用产品组件的可能性， 或者抽象地说，采用某种产品功能并将其放置在产品中的其他位置），目前尚不支持以轻量为重点的方法设计。
在设计产品架构时，涉及将功能结构与产品结构进行匹配[9]，产品组件的布置通常基于设计者的经验和对先前产品的了解[3]。单凭设计经验可能会遗漏创新的解决方案，从而形成对方法学支持的需求[9]。
一方面，当在概念阶段为设计师提供有关轻型设计注意事项的 PA 的支持时，设计人员应意识到可以通过重新分配质量（重新布置组件）来完成的各种轻型设计任务。另一方面，方法论的支持应显示出根据选定的轻量级设计任务重新分配产品质量的潜力。
随后，为了填补现有的空白，本文重点关注以下研究 问题：概念轻量级设计中有关质量分布的选项有哪些，在 处理这些选项时如何支持设计师？为了回答这个问题，将 其细分为三个单独的研究问题，以下部分将对其进行介绍：
- 概念上的轻量级设计任务是什么
相，它们如何受到质量分布的影响？（第 3 节）
- 轻量设计中的任务如何与 PA 关联在概念阶段进行设计？（第 4 节）
- 相对于确定的轻型设计任务，哪些功率放大器方法能够（灵活，兼容和有用）支持质量分布分析？（第 5 节）
因此，本文的总体目标是，首先，就概念轻量化设计研究不同的质量分布设计可能性；其次，确定适合于产品的质量分布潜力独立分析的方法。
概念阶段的轻量化设计
本节从轻量级设计的角度检查概念设计阶段。在这一阶段，进行了初步的文献综述，以确定不同的轻量化设计任务。最后，本节应回答以下问题：概念阶段的轻量级设计任务是什么，它们如何受到质量分布的影响？
概念阶段的轻量级设计任务
提供高度的设计自由度，概念阶段使轻量级设计工程师能够减少整个任务的产品量。在术语“概念轻量级设计” [1,10]的各种定义中，例如“系统轻量级设计” [10,11] 或“功能轻量级设计” [10,12,13]，作者介绍了这些任务及其任务。各自的内容如下所列：
- 功能集成是将两个或多个功能集成到一个组件中的原理。这通常伴随着成本，组装空间或质量的节省[14]。可以在功能级别[2]，工作原理级别[16]，功能载波级 别[2,14]或组件级别[1]上分析集成潜力。
- 所谓的包装涉及给定设计空间内组件或组件的布置。包装内与轻量级相关的任务包括增加紧凑性（有时通过功能集成），移动 cg（例如，降低汽车的 cg 以改善驾驶性能）或通过减小质量来减小惯性矩，方法是使质量进一步远离旋转轴（例如，为了提高机床主轴的加速度）[3,8]。
- 工作原理（WP）的变化也构成了概念轻量级设计的一部分[2]。改变工作原理可以大大减少质量。例如，单轨火车 Transrapid（WP：磁悬浮系统）每个座位的质量大约是 ICE 3 火车（WP：轮轨系统）的一半[14]。
- 力传递路径的优化也是开发轻型解决方案的概念阶段的一部分。通常在组件级别（微观），概念级别（宏观）进行结构优化（例如，对整个壳体）与最小化质量同时处理主要载荷[10,12]同样重要。
- 为了优化轻型设计方面的整个技术系统，子系统之间的相互调整是一种更为整体的方法[10,13]，可以实现上述一项或多项任务（a-d） 。例如，在此级别上考虑了次级节能效果，该效果评估了轻型解决方案更为有效（例如，减少汽车底盘的质量也可以减小动力传动系的尺寸（质量）[15]）。
这些任务通常不是连续执行的，而是在概念设计阶段中反复执行的。
产品开发过程中，有时会受到彼此的强烈影响。
在概念阶段，质量分布对轻量化设计的影响
根据上一节中确定的轻型设计任务，本节将通过对示意图的三部分对象（分别用 1、2 和 3 表示）的系统变体来研究质量分布对这些任务的影响。 1-5）。该变化将为设计人员提供理论选择，以通过在对象内重新分配质量来完成所讨论的轻型设计任务。此外，特定的应用场景将作为示例来强调实际意义。在实际的设计环境中，这些选项受到设计限制和相互矛盾的要求的限制，因此，在每个单个设计案例中，考虑重新分配质量都是一个权衡的决定。然而，通过揭示质量重新分配的可能选择，设计人员意识到了可能导致产品更轻的替代轻质解决方案。
- 功能集成：将各种功能集成到一个组件中的过程取决于要集成的功能的类型。例如，将两个结构部件集成在一起并具有传递力的功能，这与将电力和信息传输集成到一条电缆中的技术方法不同。然而，根据罗斯[16]的说法，共同原则要求至少两个工作面或两个工作空间合并[16]。如果这些表面或空间（功能集成的可能性很高）在空间上分开，则质量重新分布可以实现集成，如图 1 所示。
组装空间
图 2.通过大量重新分配来增加紧密度。
3
2
1
3
1
2
秦等。[18]在风力涡轮机塔架的混合概念上，将质量重新分配用于轻量化设计。通过在塔架顶部的机舱中安装液压泵，同时将发电机重新安置到基座，不仅可以减少机舱的组装空间，而且由于在机舱中承载的重量较小，因此整个塔架可以设计得更轻[18]。
ii。包装以优化 cg 的位置：为了在技术系统中转移cg，轻量级设计师可以选择两个选项：减少或重新分配某些质量。在此特定情况下，质量的重新分配有助于对 cg 进行相对显着的位置修改，从而对整个产品的特性产生重大影响[3]。图 3 描绘了为此目的进行的质量重新分配示意图。
重心
2
2
1
3
3
1
图 3.通过质量再分配优化 CG 位置。
面
3
2
1 功能
3
2
1
图 1.通过大量重新分配进行功能集成。
Pimmler 和 Eppinger [17]演示了使用 DSM 的气候控制系统的模块化。在所分析的产品架构中，所谓的“系统块”的形成揭示了高度的功能依赖性，并支持工程师重组架构元素（例如，组件）以利用确定的功能集成可能性[17]。
- 包装：如第 2 节所述，组件或组件的布置着重于三种不同的轻型设计任务，这些任务分别进行了研究：
i。）紧凑的包装：要提高产品的紧凑性，必须减少
Schleinkofer 等。[19]通过降低运动单元相对于系统框架的 cg，实现了纸板转换机的轻量化优化。这样可以降低运行期间的振荡幅度，进而提高运行性能[19]。iii。）用于优化质量惯性矩的包装：通过减小或重 新分配质量，该操作基本上也是可行的。将质量定位 在靠近旋转轴的位置会减小惯性矩，而在远离轴的位 置定位会增加惯性矩。相关性体现在惯性质量矩对旋 转部件加速度的依赖性上[2,4]。如图 4 所示，质量分布使该加速度受到很大程度的影响。
1 旋转轴 1
组装空间。如图 2 所示，可以通过减小组件的尺寸或 2 2
重新布置它们（重新分配组件的质量）来实现。 3
3
图 4.通过质量重新分配优化质量惯性
矩。
在赛车设计中，大质量（例如发动机）放置在靠近 cg 的位置，以使质量最小化
绕垂直轴的转动惯量。这样可以更快地改变方向，并提高汽车的敏捷性。[3]
- 工作原理的变化：在每个工程过程的概念阶段，该任务都是一项基本操作[11]。Posner [2]提出了一种相对于轻量级设计解决方案来系统地改变操作结构的方法。根据方法程序，变化包括七个连续的步骤，这些步骤可以迭代的顺序进行。这些步骤包括与上述任务相似的模块，例如通过将其他工作原理插入考虑的系统边界来提高紧凑性，或实现两个工作原理的功能集成。在此轻量级设计任务中[2]，不存在将质量作为一般原理进行再分配的问题。
- 力传递路径的优化：按照定义，结构优化包括以最小的材料量投资找到最佳的力传递路径[20]。这可以解释为给定设计空间内（材料）质量的分布，因此质量分布是此轻型设计任务中的常规操作。图。
图 5 说明了这样一种优化，从而消除了对象内的弯矩， 该遵循 Klein [12]之后的轻量级原理。
F
1
力传递路径
进行了 PA 设计与上一节中确定的轻量级设计任务之间的相似性以及由此产生的联系。因此，本节应回答以下问题： 在概念阶段，轻量级设计中的任务如何与 PA 设计联系在一起？
概念阶段的产品架构设计
PA 的开发是每个制造公司在概念产品设计阶段的重要目标，因为它会影响公司内的许多不同部门[21]。总体目 标是三个方面：第一，开发功能结构（客户驱动）；第二， 开发功能结构。其次，将功能链接到物理组件；第三，安 排这些组件（及其接口）以形成产品结构（公司驱动）。 功能结构和产品结构以及它们之间的相互关系都构成了 PA [9]。设计产品的 PA 时，会出现两种普遍的可能性： 功能集成（轻量级设计中首选）或模块化[6]，其中模块 化具有不同的子类型，例如插槽，总线和分段架构，它们 区分了组件
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