龔 勛，馮毅雄，譚建榮，郟維強(qiáng)

（浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，浙江 杭州 310027）

0 引言

隨著國際化程度的深入，企業(yè)所制造產(chǎn)品的銷售/使用范圍從地區(qū)擴(kuò)展到了全國，從國內(nèi)擴(kuò)展到了全球。同時，隨著我國“神舟”系列飛船空間探索技術(shù)和“蛟龍?zhí)枴鄙钏\(yùn)載技術(shù)的成功，探索或生產(chǎn)活動的空間擴(kuò)展到太空和深海，設(shè)備產(chǎn)品所面臨的工作環(huán)境更加復(fù)雜和嚴(yán)酷。保證設(shè)備產(chǎn)品在壽命期內(nèi)在特定環(huán)境條件下具有良好的性能和可靠安全地運(yùn)行，使其具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計面臨的重要任務(wù)之一。

1984年P(guān)ahl和Beitz在《Engineering Design》中根據(jù)設(shè)計活動的基本特點(diǎn)和實際應(yīng)用情況，將制造行業(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計活動分為創(chuàng)造性設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計和變型設(shè)計三種［1］。GJB4239中明確給出了環(huán)境適應(yīng)性的定義：裝備（產(chǎn)品）在壽命期預(yù)計可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能以及（或）不能被破壞的能力，是裝備（產(chǎn)品）的重要質(zhì)量特性之一［2］。從定義可知，在進(jìn)行產(chǎn)品研制中，應(yīng)該考慮產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)的環(huán)境分析、設(shè)計及其作用下產(chǎn)品性能的驗證問題，消除造成產(chǎn)品破壞或失效的潛在影響因素，最終達(dá)到環(huán)境適應(yīng)性要求。

由于適應(yīng)性設(shè)計方法在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的重要作用，近年來對其相關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。祝耀昌［3］對復(fù)雜工況環(huán)境在武器裝備研制生產(chǎn)中的地位和作用進(jìn)行了分析，并介紹了環(huán)境工程技術(shù)和環(huán)境工程管理的工作內(nèi)容及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。趙保平等［4］從產(chǎn)品設(shè)計的角度闡釋了航天產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的基礎(chǔ)原理、產(chǎn)品環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性試驗和環(huán)境適應(yīng)性管理等內(nèi)容，并總結(jié)了相關(guān)環(huán)境分析、試驗、設(shè)計、管理的風(fēng)險因素，提出了環(huán)境適應(yīng)性工作管理的三個覆蓋和適應(yīng)性技術(shù)的發(fā)展趨勢。王琦等［5］對艦載裝備環(huán)境剖面的自然環(huán)境因素（如高溫、高濕、高鹽霧、污損生物多、風(fēng)浪大等）進(jìn)行了分析，并與數(shù)字化產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計相結(jié)合，初步構(gòu)想了基于環(huán)境適應(yīng)性要求的實驗室階段產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計方法。諸多學(xué)者從環(huán)境工程角度對適應(yīng)性設(shè)計進(jìn)行了探討和研究，但大多為設(shè)計準(zhǔn)則和概念闡述，未能實現(xiàn)工況環(huán)境對產(chǎn)品功能、原理、結(jié)構(gòu)漸進(jìn)性創(chuàng)新的驅(qū)動作用。

Gu等［6］在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的早期考慮到產(chǎn)品的適應(yīng)性，提出了適應(yīng)性設(shè)計的概念，并構(gòu)建了基于公理設(shè)計的可適應(yīng)設(shè)計過程模型。該適應(yīng)性設(shè)計的理念要求在設(shè)計某一產(chǎn)品或系統(tǒng)時，不僅考慮該單一產(chǎn)品或系統(tǒng)的實現(xiàn)，也應(yīng)該并可以考慮可能的產(chǎn)品或系統(tǒng)的衍生、擴(kuò)展、提升等適應(yīng)能力的可能性，并從結(jié)構(gòu)上考慮其實現(xiàn)性。Kasarda等［7］提出了一種面向可適應(yīng)設(shè)計（Design for Adaptation，DFAD）的方法，將產(chǎn)品視為一個動態(tài)的可適應(yīng)系統(tǒng)，通過反饋環(huán)將產(chǎn)品構(gòu)建成一個可控制的系統(tǒng)模型，并可以融合模塊化設(shè)計、大規(guī)模定制、平臺設(shè)計和面向回收的設(shè)計等先進(jìn)技術(shù)，從而實現(xiàn)可持續(xù)設(shè)計。Wu等［8］將可適應(yīng)設(shè)計分為產(chǎn)品建模、產(chǎn)品平臺的設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和產(chǎn)品再設(shè)計四個主要過程，提出了基于設(shè)計過程數(shù)據(jù)模型的概念（Process－based Design Data Model，PDDM），并建立了基于PDDM的產(chǎn)品平臺架構(gòu)。李忠凱等［9］研究了客戶個性化需求和生產(chǎn)規(guī)模效益間的矛盾，對客戶需求動態(tài)分析與預(yù)測技術(shù)、產(chǎn)品族兩階段調(diào)節(jié)重構(gòu)方法、產(chǎn)品族適應(yīng)性與性能優(yōu)化適應(yīng)性和產(chǎn)品族模糊聚類穩(wěn)健適應(yīng)性進(jìn)行了深入研究。由以上研究可知，現(xiàn)有的適應(yīng)性設(shè)計方法研究大多從結(jié)構(gòu)、平臺和過程等角度進(jìn)行，而對產(chǎn)品運(yùn)行的環(huán)境因素卻較少考慮。隨著產(chǎn)品使用范圍的擴(kuò)展，對以復(fù)雜工況變化為驅(qū)動力的產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計方法的研究是亟待探討和解決的問題之一。

針對上述研究中存在的問題，本文以復(fù)雜工況驅(qū)動適應(yīng)性設(shè)計的環(huán)境對象描述、設(shè)計本體選取和適應(yīng)性設(shè)計實施為指導(dǎo)思路進(jìn)行方法研究。首先，在產(chǎn)品環(huán)境工程理論的基礎(chǔ)上引入基因概念，以時序歷程事件為主基因鏈，以生產(chǎn)環(huán)境因子和自然環(huán)境因子為分支基因鏈，組成環(huán)境剖面基因模型。其次，運(yùn)用缺失、新增和重組的基因演化形式對其進(jìn)行運(yùn)算，構(gòu)建產(chǎn)品差序基因模型；通過差序基因設(shè)計波動量的比較，選取具有最大環(huán)境適應(yīng)度的產(chǎn)品作為母版產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。再次，在母版產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境剖面差序基因模型的三種基因演化形式，映射液壓機(jī)產(chǎn)品/零件適應(yīng)性設(shè)計知識庫中的改進(jìn)方案，對產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)雜工況驅(qū)動的適應(yīng)性設(shè)計，得到具有更好的環(huán)境適應(yīng)性的新產(chǎn)品方案，以滿足運(yùn)行環(huán)境變化的需求，從而保障產(chǎn)品的可靠性。

1 產(chǎn)品環(huán)境剖面組成

隨著市場的進(jìn)一步擴(kuò)大，企業(yè)設(shè)計生產(chǎn)的設(shè)備使用范圍越來越廣，而由于受到成本/技術(shù)等條件的限制，其單一產(chǎn)品不可能適應(yīng)所有的工況環(huán)境，又由于設(shè)備各歷程事件所執(zhí)行的任務(wù)不同，使得面對的工況環(huán)境各有差異，這就造成了對產(chǎn)品進(jìn)行工況環(huán)境剖面描述成為一項棘手的工作。以 MIL－STD－810F所提供的環(huán)境剖面描述方法為參考［10］，根據(jù)產(chǎn)品的特定使用場所，按歷程事件時序準(zhǔn)則進(jìn)行環(huán)境剖面分析，并將與產(chǎn)品復(fù)雜工況環(huán)境剖面對應(yīng)的環(huán)境種類及其量值按時序進(jìn)行描述，完成對產(chǎn)品環(huán)境剖面的構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，從而在控制成本和保證技術(shù)能力的前提下制造出能在各種環(huán)境條件中維持高可靠性運(yùn)行的產(chǎn)品。

環(huán)境剖面就是產(chǎn)品在生命周期過程中遍歷的所有環(huán)境，即產(chǎn)品生命期內(nèi)的每一個具體事件都對應(yīng)著相應(yīng)的環(huán)境因子，而將這一系列具體事件所對應(yīng)的各種環(huán)境因子的類型和參數(shù)按事件的時序進(jìn)行集合（或綜合），便構(gòu)成了產(chǎn)品的環(huán)境剖面。環(huán)境剖面是對產(chǎn)品進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計的依據(jù)，從環(huán)境剖面影響產(chǎn)品性能層面的角度，將環(huán)境因子分為自然環(huán)境因子和生產(chǎn)環(huán)境因子兩個方面，如圖1所示。

1．1 自然環(huán)境因子

自然環(huán)境因子是指某地域作為產(chǎn)品設(shè)備使用場所之前已有的各種環(huán)境因子的總和，其種類繁多，但對產(chǎn)品設(shè)備性能影響較大的主要包括溫度、濕度、風(fēng)沙、氣壓、鹽霧、輻射及其附近的其他環(huán)境因子，且各環(huán)境因子間是相互影響和相互制約的。

溫度、潮濕和風(fēng)沙往往是引起產(chǎn)品設(shè)備生產(chǎn)事故的主要自然環(huán)境因子。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在環(huán)境因子引起的裝備故障中，由溫度波動引起的故障比例達(dá)到40%［11］。高溫天氣會使材料軟化、老化、黏度下降、金屬氧化、設(shè)備過熱；高寒天氣易使機(jī)械部件損壞，尤其是產(chǎn)品設(shè)備中的橡膠、塑料部件在低溫條件下容易變硬、變脆，甚至斷裂。潮濕環(huán)境引起濕氣積聚、電化反應(yīng)等對構(gòu)成裝備的材料產(chǎn)生影響，使材料的外觀和物理化學(xué)性能發(fā)生劣化，從而使設(shè)備的性能下降甚至損壞。風(fēng)沙環(huán)境也對產(chǎn)品設(shè)備產(chǎn)生巨大危害，地面上的沙塵在氣流沖擊下大量侵入設(shè)備的各個系統(tǒng)內(nèi)，或被吸入發(fā)動機(jī)內(nèi)，造成附件磨損，導(dǎo)致功能失效。低氣壓會引起氣體膨脹、容器破裂、電子設(shè)備絕緣擊穿、跳弧等設(shè)備故障。鹽霧引起腐蝕和銹蝕反應(yīng)，降低機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。工業(yè)廢氣環(huán)境中對產(chǎn)品設(shè)備生產(chǎn)影響較大的有害氣體主要為二氧化硫和氮氧化合物，這些酸性氣體對設(shè)備材料有較強(qiáng)的腐蝕作用。輻射環(huán)境會導(dǎo)致材料的物理特性下降、膨脹和破裂，使橡膠變質(zhì)，導(dǎo)致絕緣失效和密封失效。

由于我國地域遼闊，自然環(huán)境千差萬別，難以對每一種環(huán)境狀況進(jìn)行分析，本文以氣候為主，按地域方位劃分的原則，把設(shè)備運(yùn)行的自然工況環(huán)境大致分為以下4類：

（1）年平均溫度高、濕度大、工業(yè)污染嚴(yán)重。受海風(fēng)、海水、鹽霧等影響，設(shè)備結(jié)構(gòu)腐蝕十分嚴(yán)重。主要為南方沿海/沿江的華東、華南和華中等地域。

（2）年平均溫差較大、氣候干旱、風(fēng)沙多、空氣中有害介質(zhì)含量高，環(huán)境對設(shè)備運(yùn)行狀況有較嚴(yán)重的影響。主要為西北等地域。

（3）年平均氣溫低、風(fēng)沙大、工業(yè)污染較嚴(yán)重，環(huán)境對設(shè)備結(jié)構(gòu)有較大程度的影響。主要為華北、東北地域。

（4）年平均降水量較高、日照時間較長、工業(yè)污染較少、空氣中有害介質(zhì)含量低，環(huán)境對設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響一般。主要為西南地域。

1．2 生產(chǎn)環(huán)境因子

生產(chǎn)環(huán)境因子是生產(chǎn)場地內(nèi)由于生產(chǎn)活動交互作用而產(chǎn)生的、圍繞或影響產(chǎn)品設(shè)備性能的所有環(huán)境因子。從產(chǎn)品經(jīng)歷的生命周期來看，主要包括產(chǎn)品設(shè)備的制造、運(yùn)輸、貯存和運(yùn)行過程中所經(jīng)受的環(huán)境因子。具體包括：

（1）產(chǎn)品在制造過程中形成的缺陷是故障的根源，如塵埃會使半導(dǎo)體器件失效、高溫會降低產(chǎn)品的絕緣強(qiáng)度等，因此控制生產(chǎn)環(huán)境、對制造工藝進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)措施。

（2）在產(chǎn)品運(yùn)輸階段，主要是受運(yùn)輸工具所激發(fā)的隨機(jī)振動和運(yùn)輸途中的各種氣候影響。例如飛機(jī)運(yùn)輸和海路運(yùn)輸兩者所經(jīng)歷的振動頻率和能量是不同的：飛機(jī)是高頻振動，而海運(yùn)是低頻振動；飛機(jī)還會有低氣壓、溫度沖擊和干濕的環(huán)境，而海運(yùn)則是高溫高濕的環(huán)境。

（3）產(chǎn)品的貯存一般分為遮蓋存放和露天存放，這個階段的環(huán)境因子主要指氣候（雨淋、日曬、鹽霧、灰塵、陽光照射等）、生物和化學(xué)因子影響。

（4）運(yùn)行過程階段的環(huán)境因素是最重要的環(huán)境因子，一般總是多個環(huán)境因子同時長時間作用于設(shè)備上，如提供設(shè)備動力的電流波動、設(shè)備所在場所的振動和沖擊、圍繞設(shè)備的氣體和蒸汽以及電磁輻射等環(huán)境因子。

2 產(chǎn)品環(huán)境剖面的基因模型分析

2．1 環(huán)境剖面基因模型構(gòu)建

當(dāng)今市場對產(chǎn)品性能要求越來越高，根據(jù)產(chǎn)品壽命期間所處的自然環(huán)境和生產(chǎn)環(huán)境，針對其詳細(xì)的剖面分析進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計的產(chǎn)品，才能更好地滿足客戶的要求和期望。產(chǎn)品的適應(yīng)性設(shè)計與自然界的生物進(jìn)化過程很相似，可以借鑒生物基因控制遺傳信息的原理和方法加以描述。

由上文分析可知，時序歷程事件T、生產(chǎn)環(huán)境因子M和自然環(huán)境因子N是組成環(huán)境剖面P的三個主要元素，即P＝（T，M，N）。

時序歷程事件T包含多個過程元素，可以表示為

其中：事件ti所對應(yīng)的生產(chǎn)環(huán)境因子Mi可表示為

同時，事件ti所對應(yīng)的自然環(huán)境因子Ni可表示為

生產(chǎn)環(huán)境因子和自然環(huán)境因子按產(chǎn)品經(jīng)歷的事件不同構(gòu)成相對獨(dú)立的基因序列，同時作用于產(chǎn)品，造成其性能的波動。環(huán)境剖面基因按類型不同，可分為歷程事件基因、生產(chǎn)環(huán)境基因和自然環(huán)境基因。歷程事件基因是環(huán)境剖面基因模型的核心骨架，構(gòu)成主基因鏈，按時序?qū)ζ溥M(jìn)行排列連接，且為單行基因序列；生產(chǎn)環(huán)境基因和自然環(huán)境基因構(gòu)成環(huán)境剖面基因模型的枝葉結(jié)構(gòu)，形成分支基因鏈，分別位列歷程事件基因序列的兩側(cè)，對應(yīng)歷程事件基因形成獨(dú)立基因序列，由于其基因作用關(guān)系平等，對其采取隨機(jī)排列連接方式。

基于一般設(shè)備產(chǎn)品的環(huán)境剖面基因模型如圖2所示。

2．2 環(huán)境剖面基因模型演化

環(huán)境剖面基因模型演化是企業(yè)在原有產(chǎn)品環(huán)境剖面的基礎(chǔ)上，根據(jù)客戶、市場和實際產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜工況需求進(jìn)行環(huán)境剖面針對性描述的方法，通過分析其演化過程，指導(dǎo)產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計。環(huán)境剖面基因模型演化是從實現(xiàn)適應(yīng)性設(shè)計的角度出發(fā)，對影響產(chǎn)品性能的各類環(huán)境條件進(jìn)行抽象和歸納得到的直觀視圖，既表達(dá)了影響產(chǎn)品性能的事件信息，也體現(xiàn)了客戶和市場等環(huán)境的要求，是產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計的基礎(chǔ)條件之一。

環(huán)境剖面基因模型演化是通過對模型內(nèi)基因的保留或突變來實現(xiàn)的，由于環(huán)境剖面基因模型由主基因鏈和分支基因鏈構(gòu)成，其突變形式不盡相同。構(gòu)成主基因鏈的歷程事件基因的突變形式包括缺失、新增和重組，其中對應(yīng)的分支基因鏈隨其突變而變化；構(gòu)成分支基因鏈的生產(chǎn)環(huán)境基因和自然環(huán)境基因的突變形式包括缺失和新增，對主基因鏈不產(chǎn)生影響。

（1）主基因鏈缺失產(chǎn)品在不同的運(yùn)行環(huán)境中所經(jīng)歷的事件不同，在原始產(chǎn)品中經(jīng)歷的事件在新產(chǎn)品中不再經(jīng)歷，即屬于事件缺失型的主基因鏈突變。如圖3所示，歷程事件基因t4缺失，與t4對應(yīng)的生產(chǎn)環(huán)境基因和自然環(huán)境基因跟隨缺失，形成新的產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型。

（2）主基因鏈新增由于產(chǎn)品是在滿足客戶實際需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計的，相對于原產(chǎn)品新增的某歷程事件需要按時序?qū)ζ溥M(jìn)行剖面基因模型構(gòu)建，即屬于事件新增型的主基因鏈突變。如圖4所示，歷程事件基因t7為新增基因，與t7對應(yīng)的的生產(chǎn)環(huán)境基因和自然環(huán)境基因隨之增加，形成新的產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型。

（3）主基因鏈重組產(chǎn)品所經(jīng)歷事件的時序前后關(guān)系會對產(chǎn)品性能產(chǎn)生一定的影響，在不同的客戶需求和運(yùn)行環(huán)境下，其歷程事件基因的排序也會有所不同，對其進(jìn)行排列和重組，即屬于事件重組的主基因鏈突變。如圖5所示，歷程事件基因t5和t6的序列重組，與t5/t6對應(yīng)的的生產(chǎn)環(huán)境基因和自然環(huán)境基因跟隨重組，形成新的產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型。

（4）分支基因鏈缺失由于產(chǎn)品在某歷程事件中的生產(chǎn)環(huán)境和自然環(huán)境不盡相同，在原始環(huán)境剖面中存在的生產(chǎn)環(huán)境基因或自然環(huán)境基因不再存在，即屬于基因缺失型的分支基因鏈突變。如圖6所示，歷程事件基因t2的自然環(huán)境基因n22/n23/n24缺失，t3的生產(chǎn)環(huán)境基因m32/m33缺失，形成新的產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型。

（5）分支基因鏈新增由于生產(chǎn)環(huán)境和自然環(huán)境的變化，相對于原環(huán)境剖面某歷程事件的基因新增了某些生產(chǎn)環(huán)境基因和自然環(huán)境基因，即屬于基因新增型的分支基因鏈突變。歷程事件基因t2新增了生產(chǎn)環(huán)境基因m21/m22，t4新增了自然環(huán)境基因n44/n45，形成新的產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型（如圖7所示）。

以上是5種基本環(huán)境剖面基因模型演化形式和基因結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計的基因模型是在原始參考產(chǎn)品的環(huán)境剖面基因模型上，根據(jù)具體時序歷程任務(wù)、生產(chǎn)環(huán)境因子和自然環(huán)境因子的變化而進(jìn)行重新的組合和演化得到的。由于產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境條件的復(fù)雜性，在具體的產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境中，以上5種突變形式呈現(xiàn)交叉或組合，在共同作用下形成了產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計的新環(huán)境剖面基因模型，其演化表示為P→P′，其中P′＝（T′ M′ N′）。

2．3 環(huán)境剖面差序基因模型

在設(shè)計過程中考慮產(chǎn)品環(huán)境剖面的變化，進(jìn)行環(huán)境面差序計算，在滿足產(chǎn)品性能要求的情況下實現(xiàn)快速設(shè)計響應(yīng)。在環(huán)境剖面基因模型演化過程中主要有新增、缺失和重組三種變化形式，在產(chǎn)品的原始環(huán)境剖面基因模型P和演化環(huán)境剖面基因模型P′的基礎(chǔ)上構(gòu)建產(chǎn)品的環(huán)境剖面差序基因模型ΔP，ΔP＝（P∪P′）－（P∩P′），其中：新增的基因用⊕標(biāo)志，缺失的基因用Θ標(biāo)志，重組的基因用?標(biāo)志。

如圖8所示為環(huán)境剖面基因演化模型，歷程事件基因t2新增了生產(chǎn)環(huán)境基因m21/m22，缺失了自然環(huán)境基因n22/n23/n24，t3的生產(chǎn)環(huán)境基因 m32/m33缺失，t4新增了自然環(huán)境基因n44/n45，t5和t6的序列重組，t8事件隨同其生產(chǎn)/自然環(huán)境因子缺失，t7事件隨同其生產(chǎn)/自然環(huán)境因子增加形成新的產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型。

圖9是圖8產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型演化后的差序基因模型，根據(jù)時序歷程事件t2/t3/t4相對應(yīng)的生產(chǎn)/自然環(huán)境因子的不同，t5/t6時序改變，t7事件增加，t8事件缺失，對其進(jìn)行差序模型構(gòu)建。由于示例中t5/t6所處的生產(chǎn)/自然環(huán)境因子均相同，在差序基因模型中只考慮事件的時序重組，而如果其生產(chǎn)或自然環(huán)境因子變化，則處理方式與其他分支基因鏈相同。

產(chǎn)品環(huán)境剖面的差序基因模型直觀反映了產(chǎn)品運(yùn)行所經(jīng)歷的事件及其所處環(huán)境因子的所有變化，由于事件或環(huán)境基因的增加/缺失/重組對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性設(shè)計影響不同而進(jìn)行標(biāo)志區(qū)分，環(huán)境剖面基因模型中基因增加對應(yīng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)適應(yīng)性調(diào)整和功能增加；基因缺失對應(yīng)產(chǎn)品部分結(jié)構(gòu)的多余，可以被替換或減少；基因時序重組需要進(jìn)行功能適應(yīng)性測試和驗證，以保證產(chǎn)品的運(yùn)行性能和功能要求。

通過與企業(yè)產(chǎn)品資料庫中的近似適應(yīng)度產(chǎn)品進(jìn)行差序基因模型計算，對各近似產(chǎn)品進(jìn)行ΔP比較分析，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、運(yùn)行性能、制造成本等為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行篩選，得到原始的產(chǎn)品母版結(jié)構(gòu)。針對不同的變化采取相應(yīng)的設(shè)計手段，以原始母版結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，生產(chǎn)出滿足客戶需求和適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境的新產(chǎn)品。

3 環(huán)境剖面驅(qū)動的適應(yīng)性設(shè)計模型

在產(chǎn)品演化過程中不斷存儲和積累與環(huán)境需求相適應(yīng)的零部件模型、空間結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息，形成產(chǎn)品實例庫、規(guī)則庫和參數(shù)庫，這是進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計的基礎(chǔ)，其中包括根據(jù)環(huán)境需求進(jìn)行的已成熟零部件的選配、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和局部創(chuàng)新設(shè)計。產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計過程是以現(xiàn)有的與環(huán)境需求間適應(yīng)性最高的產(chǎn)品為原始母版，通過產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型構(gòu)建、演化和差序基因模型的計算，以環(huán)境剖面變化為基礎(chǔ)映射產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，替換或修改原始母版產(chǎn)品中適應(yīng)性較低的零部件和結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到適應(yīng)性設(shè)計目的，設(shè)計出適應(yīng)新環(huán)境剖面和保障壽命周期正常運(yùn)行性能的產(chǎn)品。其適應(yīng)性設(shè)計流程如圖10所示。

具體設(shè)計過程如下：

步驟1 產(chǎn)品環(huán)境剖面描述。根據(jù)產(chǎn)品的功能需求、客戶個性化需求和產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境需求（生產(chǎn)環(huán)境/自然環(huán)境），對產(chǎn)品壽命期的時序歷程事件進(jìn)行預(yù)測，同時歸納和描述歷程事件中產(chǎn)品所面臨的自然環(huán)境因子和生產(chǎn)環(huán)境因子等信息，如圖1所示進(jìn)行產(chǎn)品環(huán)境剖面描述。

步驟2 環(huán)境剖面基因模型構(gòu)建。以產(chǎn)品環(huán)境剖面描述為基礎(chǔ)，將歷程事件按時序排列成主基因鏈T，將生產(chǎn)環(huán)境因子和自然環(huán)境因子分別排列在對應(yīng)主基因鏈的上下兩側(cè)，構(gòu)成分支基因鏈M/N，如圖2所示構(gòu)建產(chǎn)品的環(huán)境剖面基因模型。

步驟3 環(huán)境剖面差序基因模型。差序基因模型是從企業(yè)產(chǎn)品資料庫中選出與新產(chǎn)品環(huán)境剖面具有相近適應(yīng)性產(chǎn)品的基礎(chǔ)。其中，主鏈基因變異對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生的影響較大，針對事件變化對產(chǎn)品性能的影響，設(shè)計者可以控制部分設(shè)計參數(shù)以滿足環(huán)境變化，同時又有部分不可控隨機(jī)變化的參數(shù)。

對差序基因模型建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)歷程事件ti對產(chǎn)品設(shè)計的影響函數(shù)為fi，該函數(shù)由可控參數(shù)X和不可控參數(shù)Z組成，即其設(shè)計影響目標(biāo)函數(shù)為fi（X，Z）。主鏈基因變異包含增加、缺失和重組三種形式，分別對其進(jìn)行分析：①在增加變異中，主要由不可控參數(shù)Z組成，而可控參數(shù)X＝0，其影響函數(shù)為f⊕（0，Z）；②缺失變異中，其影響可控，即主要由X構(gòu)成，不可控參數(shù)Z＝0，其影響函數(shù)為fΘ（X，0）；③重組變異或主基因鏈不變，僅分支基因變化，其可控參數(shù)X的波動量為ΔX，而不可控參數(shù)Z的波動為ΔZ，其影響函數(shù)為f?（ΔX，ΔZ），其中，主基因鏈不變時ΔX＝0，其影響函數(shù)為f?（0，ΔZ）。分支基因鏈作用于產(chǎn)品的歷程事件，其作用是表述事件對設(shè)計的影響程度，即任一分支基因鏈因子mij或nil對應(yīng)一個影響系數(shù)θik，共同作用于函數(shù)fi（X，Z），形成歷程事件ti的綜合設(shè)計波動函數(shù)

式中：0≤θik≤1，0＜fi（X，Z）≤10，0≤f?（ΔX，ΔZ）≤1，qi為差序基因序列事件ti對應(yīng)分支基因鏈中生產(chǎn)環(huán)境因子和自然環(huán)境因子的數(shù)量之和。

對所有事件的綜合波動函數(shù)進(jìn)行疊加，即得到某差序基因模型的事件總設(shè)計波動函數(shù)

式中p為差序基因序列主基因鏈中歷程事件因子的數(shù)量。

對圖6按下式進(jìn)行設(shè)計波動函數(shù)計算：

然后對ΔF進(jìn)行綜合比較，得出波動最小即minΔF的產(chǎn)品方案，即選取其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)作為適應(yīng)性設(shè)計母版。

步驟4 產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計。以母版結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，按照環(huán)境剖面差序基因模型中的三種基因變化形式分別進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計：①通過產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)規(guī)則等設(shè)計信息的映射關(guān)系，得到缺失基因Θ在母版結(jié)構(gòu)中所對應(yīng)的功能零部件組成，如果是單一功能件則去除該零部件，如果是多功能件則對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將缺失基因所對應(yīng)的功能作為非關(guān)鍵功能處理；②對增加基因⊕所對應(yīng)的需求功能進(jìn)行分析，如果母版結(jié)構(gòu)已適應(yīng)增加基因的功能需求，則結(jié)構(gòu)保持不變，否則應(yīng)針對新增的需求功能對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、零部件增加/替換或局部創(chuàng)新改進(jìn)，以實現(xiàn)對增加基因的適應(yīng)性；③由于重組基因?是母版結(jié)構(gòu)中已經(jīng)包含的功能內(nèi)容，只是事件的時序或所屬分支基因鏈有變化，則首先對母版結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性測試，如果適應(yīng)重組變化，則結(jié)構(gòu)不變，否則需要針對其變化進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、零部件增加/替換或局部創(chuàng)新改進(jìn)，以實現(xiàn)對重組基因的適應(yīng)性。以上流程方法同時適用于主基因鏈和分支基因鏈。

假設(shè)對母版進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)變化和零部件優(yōu)選時，新結(jié)構(gòu)中關(guān)聯(lián)的零部件數(shù)量為α。質(zhì)量和成本是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)選的最重要標(biāo)準(zhǔn)，則用Q（ε）和C（ε）分別表示零部件ε的質(zhì)量和成本。由于在產(chǎn)品質(zhì)量控制方面，各零部件對系統(tǒng)的整體質(zhì)量可靠性的貢獻(xiàn)程度不同，設(shè)零部件ε的可靠性權(quán)重為φε，其中φε的取值由質(zhì)量功能展開法確定。以產(chǎn)品可靠性函數(shù)Q最大化和成本函數(shù)C最小化為目標(biāo)，結(jié)合產(chǎn)品功能物理結(jié)構(gòu)，構(gòu)建多目標(biāo)模型如下：

式中：Q＊表示新結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量，C＊表示新結(jié)構(gòu)的總成本。

各零部件對產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計是對母版結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的改進(jìn)或優(yōu)化，使其適應(yīng)新的環(huán)境剖面，對其進(jìn)行綜合考慮和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到最終的適應(yīng)性設(shè)計方案。

步驟5 新產(chǎn)品方案。在母版結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上針對環(huán)境剖面差序基因進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，對其總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，得到適應(yīng)新的環(huán)境剖面的新產(chǎn)品方案，從而指導(dǎo)生產(chǎn)加工。

4 工程實例

液壓設(shè)備廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的生產(chǎn)中，面對各種不同的生產(chǎn)和自然環(huán)境，有針對性地進(jìn)行環(huán)境剖面的適應(yīng)性設(shè)計研究，對提高液壓設(shè)備面向特定生產(chǎn)和自然環(huán)境下的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和綜合可靠性有著重要的意義。由于篇幅所限，本文以某鍛壓公司的液壓設(shè)備系列產(chǎn)品之一的YA32－200型四柱萬能液壓機(jī)液壓系統(tǒng)為例，該公司產(chǎn)品原銷售范圍以西北和華北為主，由于銷售經(jīng)營范圍拓展，需要針對華東沿海地區(qū)的客戶進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，運(yùn)用基于環(huán)境剖面驅(qū)動的產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計方法，以公司產(chǎn)品庫中的原有產(chǎn)品為基礎(chǔ)進(jìn)行新系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計工作。

通過對其生命周期過程和所經(jīng)歷的自然和生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行簡約總結(jié)，可以得到時序歷程事件T、生產(chǎn)環(huán)境因子M、自然環(huán)境因子N的元素序列：T＝｛公路運(yùn)輸t1，鐵路運(yùn)輸t2，船舶運(yùn)輸t3，倉庫存儲t4，啟動吸油t5，調(diào)速控制t6，下行沖壓t7，泄壓回程t8，停車卸荷t9｝；M＝｛公路沖擊m1，公路振動m2，裝卸沖擊（跌落和傾倒）m3，鐵路沖擊（起動急移）m4，鐵路振動m5，水浪振動m6，水浪沖擊m7，油污m8，雜質(zhì)m9，電流波動m10，流量脈動m11，氣穴氣蝕m12，液壓沖擊m13，內(nèi)壓沖擊m14，振動沖擊m15，壓力負(fù)荷m16，軸向壓力m17，吸附力作用m18，密封磨損m19，潤滑不良m20，密封不良m21，壓力沖擊m22，振動噪聲m23，連接件沖擊m24，碰撞沖擊m25，局部發(fā)熱m26，水汽混入m27，油溫上升m28，油液滲漏m29，元件污染m30，殘余壓力m31｝；N＝｛高溫（干/濕）n1，低溫n2，雨n3，霧n4，霜凍n5，砂n6，塵n7，干燥n8，潮濕n9，海風(fēng)n10，短時浸泡n11，鹽霧n12，霉菌生長n13，化學(xué)侵蝕n14｝。

依據(jù)式（1）～式（3）構(gòu)建如下3個典型的環(huán)境剖面表。表1為公司西北地區(qū)已有的某客戶液壓系統(tǒng)面對的環(huán)境剖面描述；表2為公司華北地區(qū)已有的某客戶液壓系統(tǒng)面對的環(huán)境剖面描述；表3為公司華東沿海地區(qū)某客戶需求的液壓系統(tǒng)面對的環(huán)境剖面描述。

按照表1～表3的環(huán)境剖面描述分別構(gòu)建3個地區(qū)典型產(chǎn)品的環(huán)境剖面基因模型，如圖11所示為西北地區(qū)液壓系統(tǒng)環(huán)境剖面基因模型，圖12所示為華北地區(qū)液壓系統(tǒng)環(huán)境剖面基因模型，圖13所示為華東地區(qū)液壓系統(tǒng)環(huán)境剖面基因模型。根據(jù)環(huán)境剖面基因模型，分別構(gòu)建如圖14所示的西北—華東液壓系統(tǒng)環(huán)境剖面差序基因模型和如圖15所示的華北—華東液壓系統(tǒng)環(huán)境剖面差序基因模型。根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品知識庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到表4所示的時序歷程事件的設(shè)計影響函數(shù)可控值數(shù)據(jù)和不可控值的波動區(qū)間，以及表5所示的各環(huán)境因子對歷程事件的影響系數(shù)值。

表1 西北某客戶液壓系統(tǒng)面對的環(huán)境剖面描述

表2 華北某客戶液壓系統(tǒng)面對的環(huán)境剖面描述

表3 華東某客戶液壓系統(tǒng)面對的環(huán)境剖面

表4時序歷程事件設(shè)計影響函數(shù)可控值和不可控值的波動區(qū)間

表5 各環(huán)境因子對歷程事件的影響系數(shù)

續(xù)表5

根據(jù)式（4）和式（5）的計算方法，以及表4和表5中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對設(shè)計液動量進(jìn)行計算，并對不可控參數(shù)均取波動區(qū)間最大值進(jìn)行處理，可以得到：液壓系統(tǒng)產(chǎn)品作為母版產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。如圖16所示為西北地區(qū)典型母版產(chǎn)品液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

限于篇幅，只選取了兩個典型的已有產(chǎn)品作為比較，在實際生產(chǎn)設(shè)計過程中作為長期從事某產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的企業(yè)，液壓產(chǎn)品設(shè)計庫中類似工況環(huán)境下的近似產(chǎn)品數(shù)量i?2，從而需要進(jìn)行大波動量的具體數(shù)值計算和比較，才能準(zhǔn)確地找出與目標(biāo)環(huán)境最相近、適應(yīng)性設(shè)計成本最低的產(chǎn)品作為參考母版，運(yùn)用產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型對其差序基因模型進(jìn)行快速計算。因此，ΔF1＜ΔF2，即可選取西北地區(qū)的

在產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建液壓產(chǎn)品復(fù)雜工況適應(yīng)性設(shè)計系統(tǒng)：根據(jù)圖14所示的西北—華東液壓系統(tǒng)環(huán)境剖面差序基因模型進(jìn)行環(huán)境剖面的描述，即如圖17所示對產(chǎn)品環(huán)境剖面（時序歷程事件/生產(chǎn)環(huán)境因子/自然環(huán)境因子）進(jìn)行描述；通過差序基因計算得到新設(shè)計產(chǎn)品和母版產(chǎn)品的環(huán)境剖面差序基因模型，并同環(huán)境—功能—結(jié)構(gòu)載體的數(shù)據(jù)庫按照約束規(guī)則映射，如圖18所示得到產(chǎn)品所具備的減少/新增/重組的功能及其關(guān)聯(lián)的機(jī)械結(jié)構(gòu)；結(jié)合機(jī)械行業(yè)設(shè)計規(guī)則和企業(yè)積累的設(shè)計經(jīng)驗，構(gòu)建如圖19所示液壓機(jī)產(chǎn)品零部件設(shè)計方案知識庫；在設(shè)計方案知識庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的適應(yīng)性設(shè)計產(chǎn)品方案，得到如圖20所示液壓機(jī)產(chǎn)品/零部件適應(yīng)性設(shè)計BOM－TREE方案。企業(yè)設(shè)計工程師在適應(yīng)性設(shè)計方案的基礎(chǔ)上對其總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，對零部件進(jìn)行工藝/裝配等方面的設(shè)計，從而指導(dǎo)生產(chǎn)加工。

5 結(jié)束語

以機(jī)械產(chǎn)品不同的環(huán)境剖面為需求驅(qū)動產(chǎn)品的適應(yīng)性設(shè)計，對快速響應(yīng)運(yùn)行環(huán)境變化和適應(yīng)銷售/使用市場的擴(kuò)展有著重要的意義。本文提出了構(gòu)建以時序歷程事件為主基因鏈、以生產(chǎn)環(huán)境因子和以自然環(huán)境因子為分支基因鏈的產(chǎn)品環(huán)境剖面基因模型，并運(yùn)用缺失/新增/重組等基因演化形式構(gòu)建產(chǎn)品差序基因模型。在母版產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境剖面差序基因模型的5種基因演化形式以及產(chǎn)品/零部件設(shè)計知識庫系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，使新產(chǎn)品更有效地適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境，提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率和設(shè)計可靠性。通過某液壓系統(tǒng)的設(shè)計實例說明了所提模型和方法是切實可行的。由于機(jī)械產(chǎn)品整個生命周期所處的環(huán)境因素均在不停的變化中，為保持機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)行的長期高可靠性，對產(chǎn)品在制造/運(yùn)輸/運(yùn)行等過程中的環(huán)境適應(yīng)性的研究是亟待深入的工作之一。

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