面向复杂产品结构优化设计的标准伴随技术研究

丁新星 赵正龙 武瑞

摘 要：本文重点分析了复杂产品结构优化设计业务涉及到的相关标准分布情况。为保证在结构优化时标准中的条款规则能够直接指导结构优化业务活动，对标准本身开展结构化制作，并推送到个人工作台中进行应用。避免了开展结构优化设计不易找到标准中具体对应条款的现象，提高结构设计业务效率，提升了标准的管理水平。

关键词：复杂产品，结构优化，标准结构化，伴随

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.05.018

0 引 言

绿色化、智能化是我国装备制造行业发展的一个重点方向。以轻量化为切入点，开发节能新型工程机械产品，同时提高产品的可靠性和安全性，对我国工程机械的产业转型升级有重要的意义[1]。结构轻量化主要是通过机械结构的优化设计，在满足设备寿命的条件下，去除冗余部分，减小零部件的尺寸来达到减重的目的。

机械产品设计的结构优化技术是指在系统优化背景下，运用综合设计的方式，以此来实现机械产品的需求和质量，达到最优设计方案和标准。目前传统机械产品设计主要采用其他相近类型的产品设计为主要模板，运用长时间的设计经验和观察最后来确定整体的设计方案，在产品加工后期要全面检测来确定是否符合整体的质量要求和标准。这一设计过程不仅需要大量的时间，同时还会给机械产品的设计埋下安全隐患，给机械产品加工过程带来问题和困难[2]。

机械结构优化设计的发展趋势主要包括利用结构分析工具，提高建模能力、求解能力、后处理能力。多学科协同优化，将算法、寻优搜索策略和数据分析及管理等进行集成，通过这一方式来实现构建相互左右或耦合的子系统组成的系统[3]。

传统的标准的载体形式己不能完全满足数字化和创新发展的要求。如在航空行业，传统纸型标准不适应航空研制生产的数字化环境，导致标准实施应用与航空数字化研制生产的过程相脱节，标准难以与企业流程、系统等集成应用[4]。这就需要将标准内容与业务流程结合使用。这种面向业务流程的标准信息管理能够帮助使用者避免信息的重载从而能够将注意力集中在企业价值链的关键信息上。同时，也能改进企业中标准信息的可用性和标准管理系统的可执行性[5]。

对结构优化设计相关标准实现集中管理，开展标准结构化生成标准知识。建立标准知识与结构优化设计业务的联系，对于提高研发效率、提升产品性能有着重要的意义。

1 复杂产品结构优化设计业务及标准分布

复杂产品结构优化是一个涵盖多个领域的综合性任务。通常涉及以下领域：结构分析与仿真、材料优化、拓扑优化、运动学和动力学优化、声学与振动优化、可制造性优化等多个领域。

复杂产品结构优化业务主要包括以下业务流程：

（1）结构特点和工况研究：研究机械产品的结构特点和工作条件；

（2）载荷谱测试及研究：分析机械产品在工作状态下的负荷以及产生的振动和冲击等；

（3）评估可轻量化对象：明确哪些系统与部件轻量化后可提高产品性能、降低成本等；

（4）结构优化设计：通过计算机模拟分析、质量环节和性能测试等，优化设计参数；

（5）可靠性分析：在保证结构优化设计的基础上进一步优化机械结构保证产品可靠性；

（6）结构优化设计评价：从性能、成本、制造性等维度对结构优化方案进行评估；

（7）整机或零部件测试：进行必要的性能测试和验证，确保产品满足设计要求和标准；

（8）结构优化产品交付：结构优化后的产品交付市场验证，验证结构优化效益。

面向产品结构及优化设计当前已有很多国家及行业标准，见表1。

从表1中可以看出，当前国家标准中面向结构设计的标准可以分为：面向功能安全类，主要用于工况研究；面向优化方法类，主要用于可靠性分析；面向整机或零部件的设计规范，主要用于结构优化设计。其中航空领域已经开展了部件级别结构设计标准研究。

在开展典型产品结构优化设计时，主要使用整机或零部件设计规范。设计规范面向各技术领域各部件的描述存在于标准文档中，无法快速寻找及单独使用，与结构设计优化业务联系不紧密，标准信息的结构化及其面向场景的技术亟待研究。

2 标准知识及伴随技术研究

在复杂产品结构设计时，设计人员首先考虑的是产品及其组成，其次开展结构领域的技术研究。因此利用产品类设计规范进行业务指导时，对标准信息的查询同样遵循此逻辑。这就要求对于结构设计类标准本身需要进行结构化处理，满足产品组成、技术领域的精准对应要求。同时为保证精准推送至设计任务中，还需要开展标准知识伴随技术研究。

2.1 标准结构化技术研究

标准是由条款、图、表、数学公式等多种元素组合而成。所描述的对象可分为总成、系统、分系统、部件、零件。以标准的章节为架构，通过各元素的属性将描述对象、技术领域联系起来，形成交叉链接的立体模型，如图1所示。

以GB/T 3811—2008《起重机设计规范》[6]为例，从该标准中可以看出涉及到的技术领域包括结构、电气、安全等领域。产品结构组成包括起升机构、回转机构、变幅机构等。依据图1的标准结构化模型，得出GB/T 3811—2008《起重机设计规范》的结构化实例，如图2所示。

2.2 标准伴随场景技术研究

利用标准结构化技术，将标准文档转化为标准数据，为研发场景的标准伴随提供了数据基础。在此基础上，还需对研发人员进行用户、场景识别，才能满足用户对标准要素的个性化应用。因此对于用户的个性化知识需求，需要开展标准伴随场景的技术研究，如图3所示。

整理用户角色数据、研发流程数据并导入，对标准结构化数据赋予用户角色属性、场景属性，形成标准伴随场景的底层数据。当设计人员开展结构优化业务时，根据结构设计角色、面向优化设计的流程阶段，为当前工作精准推送强关联的标准数据。用户对推送的标准数据使用完成后，运用信息技术手段记录用户的使用行为存储到用户角色数据中，为用户个性属性分析提供数据迭代。

3 结 语

通过对复杂产品结构优化设计流程分析以及相关的标准分析，得出当前已经具备支撑结构优化的设计准则。但当前标准的载体为非结构化文档，无法支撑结构优化设计业务精准运用标准的要求。为此开展了标准结构化设计研究、标准伴随场景技术研究，将标准文档转换为数据且能够单独使用，根据用户的角色以及场景精准推送。避免了开展结构优化设计不易找到对应标准具体条款的现象，提高结构设计业务效率，提升了标准的管理水平。

参考文献

[1]周永松.工程机械轻量化的攻坚战与线路图[J].工程机械与维修，2014（4）：75-76．

[2]黄世畅.机械产品设计的结构优化技术应用策略研究[J].山东工业技术，2017（11）：18.

[3]潘俊梅. 机械结构优化设计应用與趋势研究[J].数码设计，2005（8）：255-256.

[4]吕美茜，韩会雯，吕旭飞.浅析标准数字化在民用飞机飞行试验中的应用[J]. 航空标准化与质量，2020（3）： 47-51.

[5]冯楠，解晶. 面向流程知识管理体系架构研究[J]. 计算机工程与设计，2008，29（9）： 2246-2249.

[6]起重机设计规范：GB/T 3811—2008[S].

作者简介

丁新星，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为标准数字化技术研究。

（责任编辑：袁文静）