工程结构设计在产品开发的运用

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摘要：当前的新产品开发中，普遍存在方案构思与工程设计相割裂的情况，轻则使产品开发周期延长，重则可能导致方案最终无法实现。本研究从设计流程和设计职能二个维度对医用吊塔进行并行设计，将人机工程、机械制造、经济学、美学等多领域有机融合，实现了方案构思与工程设计的深度协作，并采用有限元法等先进方法破解了复杂结构强度校核等技术难题。所设计吊塔样机与原产品的对比试验表明，该样机可提供更舒适、更方便的操作感受和更高的工作效率，所采用的并行设计模式可为其他复杂产品的开发提供借鉴和参考。

关键词：并行设计;;医用吊塔;有限元法

随着人们对产品功能与品质的不断追求，产品开发所涉及的知识领域越来越广，设计难度越来越高，最突出的问题是产品设计与制造过程很容易脱节，经常发生新颖的设计理念难以实施的现象。为促进设计与制造之间的协调统一，使设计创意被真实还原，研究人员进行了大量理论与实践探索[1]。作为有效应对策略之一的并行设计，可在产品设计阶段提早发现后续的工艺性问题，减少设计修改次数，提高产品开发效率[2]。本研究应用并行设计方法，开发出新型医用吊塔，有效解决了医护人员使用过程中的突出问题，取得了良好的社会效益与经济效益。

一、产品开发的系统性工程要求

（一）结构原型的开发依据。产品开发过程中，“原型”可以理解为在一个或多个维度上对产品的一种近似[3]。产品开发其根本目的在于最大限度满足用户需求，因此用户需求就是原型开发的根本依据。然而，用户需求常常通过语言进行描述，难以对原型开发提供确切指导，需要将用户需求转变为产品的技术指标，才可用于原型开发。在本案例中，设计团队与用户反复沟通，深入分析用户需求，提炼出医用吊塔的如下技术指标：医用吊塔主体部件采用铝合金拉伸成型，在简单的机械加工后需进行喷塑处理；少部分零件采用注塑成型；箱体表面无安装螺丝，其余部件在正常视线内不能出现螺丝；平台单层最小承重为20kg。（二）材料性能与制造工艺。产品的材料性能与制造工艺是设计成败的基础。材料的选择首先要满足安全性要求和功能要求，遵循相关标准，充分论证各种可能存在的危险，实现产品预定的功能。其次，较好的制造工艺性也是材料选择的必要条件，所选材料要便于成形制造和加工制造，所有零部件应具有制造可行性。再次，随着人们对生活和工作环境要求的不断提高，人机工程学和美学成为产品材料选择的重要影响因素。工作过程中的人、产品及环境之间若能保持高度协调，则可在工作效率、健康、舒适性等方面收获意想不到的积极效果。（三）生产成本。控制生产成本是提升产品市场竞争力的主要措施，产品主要成本在制造阶段和运营阶段发生，但设计阶段一旦完成，这些成本中的绝大部分就已经被决定了。因此，要在设计阶段估计并设法降低产品整个生命周期的各项成本。

二、产品开发中工程结构设计的典型模式

（一）围绕典型结构工程的新产品开发。围绕典型结构工程的新产品开发模式，是对已有实物进行测绘或扫描，建立其几何模型并进行再次创新的过程。它是一种产品设计技术的再现，通过对目标产品进行逆向分析与研究，获得该产品的结构组成、技术规格、制造工艺等要素，从而开发出功能相近的产品。（二）实现产品概念的工程设计。实现产品概念的工程设计模式，是从概念到实物的设计过程。首先确定产品的功能指标，然后构思实现方案和总体框架，再考虑零部件的设计、制造、装配、调试等具体环节。对于复杂产品，采用该模式通常难度较大，且周期较长。但随着三维建模技术的快速发展，这一状况正在得到改善，设计人员可借助软件将设计意图和产品概念很方便地转变为三维模型，进而制作出实物样品[4]。（三）协调多领域的并行设计。传统设计过程的每一阶段总是以前一阶段的结束作为前提，信息交流仅限于相邻阶段的连接处，无法完成信息的及时反馈与总体协调[5]。协调多领域的并行设计的出现有效解决了这一问题，它可在开发阶段，考虑产品生命周期的整个过程，分析涉及的所有因素，包括设计、分析、制造、装配、检验、维护和成本等，开发出具有最优综合性能的产品。

三、医用吊塔的并行设计模式

现代科学技术的飞速发展推动新型医疗仪器设备不断出现，采用各种先进仪器设备对病人进行生理功能检测和诊治已成为流程[6]。医用吊塔是医院现代化手术室及ICU的关键医疗设备，作为医护人员的工作平台与终端，它功能非常丰富，不仅可提供氧气、压缩空气、氮气等医用气体以及电源插座和数据接口，还具有输液架和放置各种医疗器械的承载平台。同时，医用吊塔的技术要求十分复杂，各项要求往往相互影响，给设计工作带来极大困难。比如吊塔在调整位置时需要轻便灵活，有广阔的覆盖范围；在固定时又需要定位精确、锁紧可靠，整体刚度较高，受力变形小；外观造型要圆滑而有美感，不能出现焊缝和裸露螺钉等不符合医院特殊环境要求的结构。开发出同时满足多项技术要求的医用吊塔，可大幅提升医护人员的工作感受和工作质量，也是各大医用吊塔生产厂商竞争的焦点。本研究所开发的医用吊塔总体结构（如图1）所示，箱体可容纳数据线、电源线、气体管路，前部平台用于放置各种医疗器械，两横梁之间的转动副使吊塔具有足够的覆盖范围，两个后置的输液架可方便地调整位置，前部的承载平台可沿隐式导槽上下调整位置。吊塔通过数据线可以连接医疗机构的患者数据库，协助医护人员监控患者生命体征。箱体是吊塔的主要部分，其设计质量直接决定着产品的成本、工作效能、使用舒适度以及制造工艺性等关键指标。（如图2）给出了箱体的组成结构，侧门和线夹的设计使插座、插头等接口被完美覆盖，各种引线外观整齐而集中；可拆式侧板的设计为箱体内部结构的维修与检查提供了方便；后把手的特殊设置既便于医护人员从后面移动吊塔，又具备光滑的连接与安装表面。（如表1）给出了医用吊塔的二维并行设计，即从结构工程设计流程和设计职能二个维度进行并行设计。设计流程包括产品规划、概念开发、系统设计、细节设计、测试改进、生产启动，设计职能包括结构原型、材料选择、加工工艺路线、产品装配工艺、成本分析。由（如表1）可知，采用并行设计所开发的医用吊塔，通过对6个设计阶段及5个设计职能的并行分析，全面考虑交互影响，提出10项原创性设计，为医护人员提供了方便、舒适的工作环境，显著提高了产品的市场竞争力。由（如表1）可知，吊塔结构原型与设计流程的并行设计与协作贡献了3项原创性设计，分别解决了原产品的线路零乱、显式导槽、不便维修等突出问题。吊塔材料选择及加工工艺与设计流程的并行设计，实现了复杂主体结构的强度校核并简化了其制造工艺。在产品装配与设计流程的并行设计中，侧门的设计覆盖了裸露的电源插座，使吊塔更安全、更美观；增设的液晶屏可显示重要的基本信息；增设的后把手方便了医护人员从后边移动吊塔。成本分析与设计流程的并行设计集中在后把手的制造方法与安装方式，折弯制造工艺降低了生产成本，其安装方式避免了裸露螺丝同时降低了生产成本。

四、医用吊塔的跨学科并行设计

除了在设计流程和设计职能维度的并行设计之外，还对医用吊塔主体部件和后把手进行了跨学科并行设计。通过分析医用吊塔主体部件的结构特点，获得了2套制造方案，方案1采用塑性变形式拉伸成型，方案2采用去除材料式机械加工。不同方案在经济学、美学、制造工艺性等不同领域的表现优劣各有不同，给决策和选择带来一定困难。因此，需运用并行工程的基本思想，从多个维度综合评价并选择最优方案。（如图3）所示，在机械制造领域，方案1工艺简单，方案2需用加工中心进行较为复杂的表面加工；在经济学领域，方案1成本较低；但在美学领域，方案2可获得更高的加工精度和表面质量。总之，方案1在机械制造和经济学领域优于方案2，方案2在美学领域优于方案1，最终采用了方案1进行实施。（如图4）给出了医用吊塔后把手的跨学科并行设计，从人机工程、美学、经济学、机械制造等多个学科领域进行研究，提出明确观点和具体措施，在总体评估基础上确定了吊塔后把手的结构形式与制造方法。人机工程学的核心理念之一是人在工作过程的舒适性，好的产品设计能使操作者工作更舒适。市场现有医用吊塔后部未设把手，如后部有人需移动吊塔，则首先要绕行至吊塔前部，然后移动吊塔。这样，不仅工作费时费力，而且在本已十分紧张的医疗操作过程中使操作者备感不适，因此本设计考虑增设后把手。从美学角度看，后把手表面不宜存在裸露的螺纹紧固件或者焊接痕迹。从经济学角度看，好的设计应在满足功能要求前提下尽量降低成本，若采用过多切削加工，则会增加成本。从机械制造角度看，可选不同方法制造后把手，可采用型材焊接，也可采用机加工和螺纹连接的方法，但均不及弯曲成型简单。综合以上因素，最后选择铝合金折弯工艺制造吊塔后把手，实现了人机工程、美学、经济学、机械制造等多领域的协同与融合。

五、医用吊塔并行设计与新方法及新工艺的融合

在医用吊塔的并行设计中，采用了有限元设计法和静电粉末喷涂工艺，实现了复杂结构力学指标的量化设计，并提升了吊塔的美观性和环保性。采用CreoParametric软件的Simulate模块，对吊塔箱体及平台应力分布进行了有限元分析。箱体在12根M8螺丝约束下，平台承受50kg力所产生的应力分布（如图5）所示。由图中可以发现，由于箱体和平台的结构比较复杂，局部结构和几何突变处较多，导致应力分布极不均匀。不同颜色代表不同应力等级，通过17个颜色梯度描述了吊塔整体应力分布，最大值为121.1MPa，均出现在直角连接件处，这是因为此处是应力集中区；最小值仅为1.565×10-5MPa，出现在几何形状平缓之处。由于吊塔材料选择了6061铝合金，其拉伸强度为290MPa，远高于有限元分析的最大应力121.1MPa，因此吊塔具有轻便结构的同时满足强度要求。此外，吊塔的表面处理采用了静电粉末喷涂工艺，将塑料粉末通过高压静电设备充电，再用高压电场把粉末喷涂至吊塔表面，经高温烘烤及流平固化后形成异常坚固的保护层。这样不仅使吊塔表面具有很好的耐磨性、抗冲击性和耐腐蚀性，而且该技术是目前最环保的涂装技术，因此对医疗设备的表面处理具有广阔的应用前景。

通过医用吊塔的并行设计，实现了前期方案设计和工程设计的协作与融合，特别是采用多学科融合的基本思想对关键指标进行了综合决策，同时新工艺和新方法的充分应用进一步提升了医用吊塔的技术先进性。最后，采用产品样机与原有产品进行了大量对比试验，结果表明，所开发的医用吊塔给使用者提供了更舒适、更方便的操作感受以及更高的工作效率，从而验证了产品样机外观与功能的提升，也为复杂产品的改进与开发方法提供了借鉴和参考。

参考文献

[1]胡晓涛，胡新明，关汉.小型企业面对工业设计的并行设计流程研究[J].设计艺术研究，2018，1：123-128.

[2]张石磊，刘俊堂.一种高效的产品与工艺并行设计模式[J].航空科学技术，2017，3：65-68.

[3]KarlT.Ulrichm，StevenD.Eppinger.ProductDesignandDevelopment（FifthEdition）.McGraw-Hill，2012.

[4]严增新.汽车造型中数字化设计与手工艺术融合的探究[J].设计，2013，2：16-17.

[5]吕明，宋祥波.快速成型在并行设计系统中的应用[J].设计，2012，2：27-28.

[6]陈传佳.ICU未来建设发展趋势-医护人员操作空间VS医疗设备占用空间HealForce吊塔的解决之道[J].中国医疗器械杂志，2007，2：155-155.

作者:程鸿 单位:宁波工程学院