基于<strong>FSRce</strong>模型的机电产品绿色概念设计方案生成方法

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.315

工程设计学报

2024, Vol. 31

Issue (1): 10-19 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.315

产品创新设计

基于FSRce模型的机电产品绿色概念设计方案生成方法

张雷^1,²(

),方俊伟^1,²(

),苏金^1,²,蔡闯^1,²,赵云起³

^1.合肥工业大学机械工程学院，安徽合肥 230009
^2.合肥工业大学机电产品低碳循环利用技术与装备安徽省重点;实验室，安徽合肥 230009
^3.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804

Method for generating green conceptual design scheme of electromechanical products based on FSRce model

Lei ZHANG^1,²(

),Junwei FANG^1,²(

),Jin SU^1,²,Chuang CAI^1,²,Yunqi ZHAO³

^1.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
^2.Anhui Provincial Key Laboratory of Low Carbon Recycling Technology and Equipment for Mechanical and Electrical Products, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
^3.Institute of Rail Transit, Tongji University, Shanghai 201804, China

全文: PDF(3262 KB) HTML

摘要：

针对部分机电产品在概念设计阶段未综合考虑客户和环境的需求，进而影响产品详细设计的问题，提出了一种基于功能—结构—客户和环境需求（function?structure?requirements of customer and environment, FSRce）模型的机电产品绿色概念设计方案生成方法。首先，从案例库中选择合适的功能和结构对现有产品设计树中的节点进行扩展和关联；同时通过数据挖掘、专家打分等方法获得产品的客户和环境需求重要度，以构建基于FSRce模型的产品概念设计空间。然后，先利用加权区间粗糙数法对客户和环境需求重要度进行分析，得到需求相对重要度，再运用模糊质量功能展开（fuzzy quality function deployment, FQFD）将需求相对重要度转化为产品的工程特性权重。最后，利用物元理论构建基于工程特性的产品物元域和各结构物元集，并结合工程特性权重得到各结构的满意度分值，通过比较满意度优选得到满足客户和环境需求的产品概念设计方案。以某小型工业吹风机为例，基于上述方法对其概念设计方案进行优化。相比于原始方案，优化后的吹风机在能源消耗上降低了15.38%，在碳排放上降低了15.32%，且客户满意度提高了44.66%，由此验证了所提出方法的可行性与有效性。所提出的方法为机电产品概念设计方案的生成提供了一种新思路，能更好地辅助设计人员实现对机电产品的绿色设计。

关键词： 功能—结构—客户和环境需求模型; 概念设计; 加权区间粗糙数法; 模糊质量功能展开; 物元理论

Abstract:

Aiming at the problem that some electromechanical products fail to comprehensively consider the requirements of customer and environment in the conceptual design stage, which affects the detailed design of products, a method for generating green conceptual design scheme of electromechanical products based on the function?structure?requirements of customer and environment (FSRce) model is proposed. Firstly, the nodes in the existing product design tree were extended and associated by selecting appropriate functions and structures from the case library; at the same time, the importance of customer and environment requirements of the product was obtained by means of data mining, expert scoring and other methods to construct the conceptual design space of product based on the FSRce model. Then, the weighted interval roughness method was used to analyze the importance of customer and environment requirements to obtain the relative importance of requirements, and then the fuzzy quality function deployment (FQFD) was used to transform the relative importance of requirements into the engineering characteristic weights of the product. Finally, the matter-element theory was used to construct the matter-element domain of product and the matter-element set of each structure based on engineering characteristics and the satisfaction scores of each structure were obtained by combining the weights of engineering characteristics, and the optimized product conceptual design scheme that met the requirements of customer and environment was selected by comparing the satisfaction. Taking a small industrial blower as an example, the conceptual design scheme was optimized based on the above method. Compared with the original scheme, the optimized blower reduced the energy consumption by 15.38%, reduced the carbon emission by 15.32%, and improved the satisfaction by 44.66%, which verified the feasibility and effectiveness of the proposed method. The proposed method provides a new way to generate the conceptual design scheme of electromechanical products, which can better assist designers to realize the green design of electromechanical products.

Key words: function?structure?requirements of customer and environment model conceptual design weighted interval roughness method fuzzy quality function deployment matter-element theory

收稿日期: 2023-10-20 出版日期: 2024-03-04

CLC:

TH 122

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51875156)

通讯作者: 张雷 E-mail: leonchao@163.com;2021170222@mail.hfut.edu.cn

作者简介: 方俊伟（1999—），男，安徽六安人，硕士生，从事绿色设计与概念设计研究，E-mail: 2021170222@mail.hfut.edu.cn， https://orcid.org/0009-0001-1484-068X

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引用本文:

张雷,方俊伟,苏金,蔡闯,赵云起. 基于FSRce模型的机电产品绿色概念设计方案生成方法[J]. 工程设计学报, 2024, 31(1): 10-19.

Lei ZHANG,Junwei FANG,Jin SU,Chuang CAI,Yunqi ZHAO. Method for generating green conceptual design scheme of electromechanical products based on FSRce model[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(1): 10-19.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.315 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I1/10

图1 基于FSRce模型的机电产品绿色概念设计方案生成流程

图2 基于FSRce模型的机电产品概念设计空间

语言变量	三角模糊数	代表符号
不相关	（0，0，0.3）	$0 ?$
弱相关	（0.1，0.3，0.5）	$1 ?$
相关	（0.3，0.5，0.7）	$5 ?$
强相关	（0.5，0.7，0.9）	$9 ?$

表1 三角模糊数与相关性语言变量的关系

图3 吹风机的原始概念设计方案

表2 吹风机的客户和环境需求及对应重要度

图4 基于FSRce模型的吹风机概念设计空间

表3 吹风机客户和环境需求重要度的下界近似区间

表4 吹风机客户和环境需求重要度的上界近似区间

表5 吹风机客户和环境需求相对重要度的边界区间

表6 吹风机客户和环境需求的相对重要度

需求	工程特性
需求	气流量	气流温度	质量	硬度	寿命	噪声	能源消耗量	碳排放量
R₁	$9 ?$	$9 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$9 ?$	$1 ?$
R₂	$5 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$9 ?$	$0 ?$	$0 ?$
R₃	$5 ?$	$9 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$5 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$
R₄	$0 ?$	$0 ?$	$9 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$
R₅	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$9 ?$	$9 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$
R₆	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$5 ?$	$0 ?$	$1 ?$	$0 ?$
R₇	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$1 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$
R₈	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$1 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$5 ?$
R₉	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$9 ?$
R₁₀	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$0 ?$	$9 ?$	$9 ?$

表7 吹风机的客户和环境需求与工程特性的相关性

表8 基于工程特性的吹风机物元域

表9 基于工程特性的吹风机各结构的物元集

表10 基于工程特性的吹风机各结构的满意度分值

图5 吹风机的优化概念设计方案

图6 吹风机的原始和优化概念设计方案对比

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