導(dǎo)語：工程結(jié)構(gòu)設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)的運用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：當(dāng)前的新產(chǎn)品開發(fā)中，普遍存在方案構(gòu)思與工程設(shè)計相割裂的情況，輕則使產(chǎn)品開發(fā)周期延長，重則可能導(dǎo)致方案最終無法實現(xiàn)。本研究從設(shè)計流程和設(shè)計職能二個維度對醫(yī)用吊塔進行并行設(shè)計，將人機工程、機械制造、經(jīng)濟學(xué)、美學(xué)等多領(lǐng)域有機融合，實現(xiàn)了方案構(gòu)思與工程設(shè)計的深度協(xié)作，并采用有限元法等先進方法破解了復(fù)雜結(jié)構(gòu)強度校核等技術(shù)難題。所設(shè)計吊塔樣機與原產(chǎn)品的對比試驗表明，該樣機可提供更舒適、更方便的操作感受和更高的工作效率，所采用的并行設(shè)計模式可為其他復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：并行設(shè)計;;醫(yī)用吊塔;有限元法

隨著人們對產(chǎn)品功能與品質(zhì)的不斷追求，產(chǎn)品開發(fā)所涉及的知識領(lǐng)域越來越廣，設(shè)計難度越來越高，最突出的問題是產(chǎn)品設(shè)計與制造過程很容易脫節(jié)，經(jīng)常發(fā)生新穎的設(shè)計理念難以實施的現(xiàn)象。為促進設(shè)計與制造之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使設(shè)計創(chuàng)意被真實還原，研究人員進行了大量理論與實踐探索[1]。作為有效應(yīng)對策略之一的并行設(shè)計，可在產(chǎn)品設(shè)計階段提早發(fā)現(xiàn)后續(xù)的工藝性問題，減少設(shè)計修改次數(shù)，提高產(chǎn)品開發(fā)效率[2]。本研究應(yīng)用并行設(shè)計方法，開發(fā)出新型醫(yī)用吊塔，有效解決了醫(yī)護人員使用過程中的突出問題，取得了良好的社會效益與經(jīng)濟效益。

一、產(chǎn)品開發(fā)的系統(tǒng)性工程要求

（一）結(jié)構(gòu)原型的開發(fā)依據(jù)。產(chǎn)品開發(fā)過程中，“原型”可以理解為在一個或多個維度上對產(chǎn)品的一種近似[3]。產(chǎn)品開發(fā)其根本目的在于最大限度滿足用戶需求，因此用戶需求就是原型開發(fā)的根本依據(jù)。然而，用戶需求常常通過語言進行描述，難以對原型開發(fā)提供確切指導(dǎo)，需要將用戶需求轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，才可用于原型開發(fā)。在本案例中，設(shè)計團隊與用戶反復(fù)溝通，深入分析用戶需求，提煉出醫(yī)用吊塔的如下技術(shù)指標(biāo)：醫(yī)用吊塔主體部件采用鋁合金拉伸成型，在簡單的機械加工后需進行噴塑處理；少部分零件采用注塑成型；箱體表面無安裝螺絲，其余部件在正常視線內(nèi)不能出現(xiàn)螺絲；平臺單層最小承重為20kg。（二）材料性能與制造工藝。產(chǎn)品的材料性能與制造工藝是設(shè)計成敗的基礎(chǔ)。材料的選擇首先要滿足安全性要求和功能要求，遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，充分論證各種可能存在的危險，實現(xiàn)產(chǎn)品預(yù)定的功能。其次，較好的制造工藝性也是材料選擇的必要條件，所選材料要便于成形制造和加工制造，所有零部件應(yīng)具有制造可行性。再次，隨著人們對生活和工作環(huán)境要求的不斷提高，人機工程學(xué)和美學(xué)成為產(chǎn)品材料選擇的重要影響因素。工作過程中的人、產(chǎn)品及環(huán)境之間若能保持高度協(xié)調(diào)，則可在工作效率、健康、舒適性等方面收獲意想不到的積極效果。（三）生產(chǎn)成本?？刂粕a(chǎn)成本是提升產(chǎn)品市場競爭力的主要措施，產(chǎn)品主要成本在制造階段和運營階段發(fā)生，但設(shè)計階段一旦完成，這些成本中的絕大部分就已經(jīng)被決定了。因此，要在設(shè)計階段估計并設(shè)法降低產(chǎn)品整個生命周期的各項成本。

二、產(chǎn)品開發(fā)中工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的典型模式

（一）圍繞典型結(jié)構(gòu)工程的新產(chǎn)品開發(fā)。圍繞典型結(jié)構(gòu)工程的新產(chǎn)品開發(fā)模式，是對已有實物進行測繪或掃描，建立其幾何模型并進行再次創(chuàng)新的過程。它是一種產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的再現(xiàn)，通過對目標(biāo)產(chǎn)品進行逆向分析與研究，獲得該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)規(guī)格、制造工藝等要素，從而開發(fā)出功能相近的產(chǎn)品。（二）實現(xiàn)產(chǎn)品概念的工程設(shè)計。實現(xiàn)產(chǎn)品概念的工程設(shè)計模式，是從概念到實物的設(shè)計過程。首先確定產(chǎn)品的功能指標(biāo)，然后構(gòu)思實現(xiàn)方案和總體框架，再考慮零部件的設(shè)計、制造、裝配、調(diào)試等具體環(huán)節(jié)。對于復(fù)雜產(chǎn)品，采用該模式通常難度較大，且周期較長。但隨著三維建模技術(shù)的快速發(fā)展，這一狀況正在得到改善，設(shè)計人員可借助軟件將設(shè)計意圖和產(chǎn)品概念很方便地轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型，進而制作出實物樣品[4]。（三）協(xié)調(diào)多領(lǐng)域的并行設(shè)計。傳統(tǒng)設(shè)計過程的每一階段總是以前一階段的結(jié)束作為前提，信息交流僅限于相鄰階段的連接處，無法完成信息的及時反饋與總體協(xié)調(diào)[5]。協(xié)調(diào)多領(lǐng)域的并行設(shè)計的出現(xiàn)有效解決了這一問題，它可在開發(fā)階段，考慮產(chǎn)品生命周期的整個過程，分析涉及的所有因素，包括設(shè)計、分析、制造、裝配、檢驗、維護和成本等，開發(fā)出具有最優(yōu)綜合性能的產(chǎn)品。

三、醫(yī)用吊塔的并行設(shè)計模式

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展推動新型醫(yī)療儀器設(shè)備不斷出現(xiàn)，采用各種先進儀器設(shè)備對病人進行生理功能檢測和診治已成為流程[6]。醫(yī)用吊塔是醫(yī)院現(xiàn)代化手術(shù)室及ICU的關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備，作為醫(yī)護人員的工作平臺與終端，它功能非常豐富，不僅可提供氧氣、壓縮空氣、氮氣等醫(yī)用氣體以及電源插座和數(shù)據(jù)接口，還具有輸液架和放置各種醫(yī)療器械的承載平臺。同時，醫(yī)用吊塔的技術(shù)要求十分復(fù)雜，各項要求往往相互影響，給設(shè)計工作帶來極大困難。比如吊塔在調(diào)整位置時需要輕便靈活，有廣闊的覆蓋范圍；在固定時又需要定位精確、鎖緊可靠，整體剛度較高，受力變形小；外觀造型要圓滑而有美感，不能出現(xiàn)焊縫和裸露螺釘?shù)炔环厢t(yī)院特殊環(huán)境要求的結(jié)構(gòu)。開發(fā)出同時滿足多項技術(shù)要求的醫(yī)用吊塔，可大幅提升醫(yī)護人員的工作感受和工作質(zhì)量，也是各大醫(yī)用吊塔生產(chǎn)廠商競爭的焦點。本研究所開發(fā)的醫(yī)用吊塔總體結(jié)構(gòu)（如圖1）所示，箱體可容納數(shù)據(jù)線、電源線、氣體管路，前部平臺用于放置各種醫(yī)療器械，兩橫梁之間的轉(zhuǎn)動副使吊塔具有足夠的覆蓋范圍，兩個后置的輸液架可方便地調(diào)整位置，前部的承載平臺可沿隱式導(dǎo)槽上下調(diào)整位置。吊塔通過數(shù)據(jù)線可以連接醫(yī)療機構(gòu)的患者數(shù)據(jù)庫，協(xié)助醫(yī)護人員監(jiān)控患者生命體征。箱體是吊塔的主要部分，其設(shè)計質(zhì)量直接決定著產(chǎn)品的成本、工作效能、使用舒適度以及制造工藝性等關(guān)鍵指標(biāo)。（如圖2）給出了箱體的組成結(jié)構(gòu)，側(cè)門和線夾的設(shè)計使插座、插頭等接口被完美覆蓋，各種引線外觀整齊而集中；可拆式側(cè)板的設(shè)計為箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的維修與檢查提供了方便；后把手的特殊設(shè)置既便于醫(yī)護人員從后面移動吊塔，又具備光滑的連接與安裝表面。（如表1）給出了醫(yī)用吊塔的二維并行設(shè)計，即從結(jié)構(gòu)工程設(shè)計流程和設(shè)計職能二個維度進行并行設(shè)計。設(shè)計流程包括產(chǎn)品規(guī)劃、概念開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計、細(xì)節(jié)設(shè)計、測試改進、生產(chǎn)啟動，設(shè)計職能包括結(jié)構(gòu)原型、材料選擇、加工工藝路線、產(chǎn)品裝配工藝、成本分析。由（如表1）可知，采用并行設(shè)計所開發(fā)的醫(yī)用吊塔，通過對6個設(shè)計階段及5個設(shè)計職能的并行分析，全面考慮交互影響，提出10項原創(chuàng)性設(shè)計，為醫(yī)護人員提供了方便、舒適的工作環(huán)境，顯著提高了產(chǎn)品的市場競爭力。由（如表1）可知，吊塔結(jié)構(gòu)原型與設(shè)計流程的并行設(shè)計與協(xié)作貢獻了3項原創(chuàng)性設(shè)計，分別解決了原產(chǎn)品的線路零亂、顯式導(dǎo)槽、不便維修等突出問題。吊塔材料選擇及加工工藝與設(shè)計流程的并行設(shè)計，實現(xiàn)了復(fù)雜主體結(jié)構(gòu)的強度校核并簡化了其制造工藝。在產(chǎn)品裝配與設(shè)計流程的并行設(shè)計中，側(cè)門的設(shè)計覆蓋了裸露的電源插座，使吊塔更安全、更美觀；增設(shè)的液晶屏可顯示重要的基本信息；增設(shè)的后把手方便了醫(yī)護人員從后邊移動吊塔。成本分析與設(shè)計流程的并行設(shè)計集中在后把手的制造方法與安裝方式，折彎制造工藝降低了生產(chǎn)成本，其安裝方式避免了裸露螺絲同時降低了生產(chǎn)成本。

四、醫(yī)用吊塔的跨學(xué)科并行設(shè)計

除了在設(shè)計流程和設(shè)計職能維度的并行設(shè)計之外，還對醫(yī)用吊塔主體部件和后把手進行了跨學(xué)科并行設(shè)計。通過分析醫(yī)用吊塔主體部件的結(jié)構(gòu)特點，獲得了2套制造方案，方案1采用塑性變形式拉伸成型，方案2采用去除材料式機械加工。不同方案在經(jīng)濟學(xué)、美學(xué)、制造工藝性等不同領(lǐng)域的表現(xiàn)優(yōu)劣各有不同，給決策和選擇帶來一定困難。因此，需運用并行工程的基本思想，從多個維度綜合評價并選擇最優(yōu)方案。（如圖3）所示，在機械制造領(lǐng)域，方案1工藝簡單，方案2需用加工中心進行較為復(fù)雜的表面加工；在經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域，方案1成本較低；但在美學(xué)領(lǐng)域，方案2可獲得更高的加工精度和表面質(zhì)量?？傊桨?在機械制造和經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域優(yōu)于方案2，方案2在美學(xué)領(lǐng)域優(yōu)于方案1，最終采用了方案1進行實施。（如圖4）給出了醫(yī)用吊塔后把手的跨學(xué)科并行設(shè)計，從人機工程、美學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、機械制造等多個學(xué)科領(lǐng)域進行研究，提出明確觀點和具體措施，在總體評估基礎(chǔ)上確定了吊塔后把手的結(jié)構(gòu)形式與制造方法。人機工程學(xué)的核心理念之一是人在工作過程的舒適性，好的產(chǎn)品設(shè)計能使操作者工作更舒適。市場現(xiàn)有醫(yī)用吊塔后部未設(shè)把手，如后部有人需移動吊塔，則首先要繞行至吊塔前部，然后移動吊塔。這樣，不僅工作費時費力，而且在本已十分緊張的醫(yī)療操作過程中使操作者備感不適，因此本設(shè)計考慮增設(shè)后把手。從美學(xué)角度看，后把手表面不宜存在裸露的螺紋緊固件或者焊接痕跡。從經(jīng)濟學(xué)角度看，好的設(shè)計應(yīng)在滿足功能要求前提下盡量降低成本，若采用過多切削加工，則會增加成本。從機械制造角度看，可選不同方法制造后把手，可采用型材焊接，也可采用機加工和螺紋連接的方法，但均不及彎曲成型簡單。綜合以上因素，最后選擇鋁合金折彎工藝制造吊塔后把手，實現(xiàn)了人機工程、美學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、機械制造等多領(lǐng)域的協(xié)同與融合。

五、醫(yī)用吊塔并行設(shè)計與新方法及新工藝的融合

在醫(yī)用吊塔的并行設(shè)計中，采用了有限元設(shè)計法和靜電粉末噴涂工藝，實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)的量化設(shè)計，并提升了吊塔的美觀性和環(huán)保性。采用CreoParametric軟件的Simulate模塊，對吊塔箱體及平臺應(yīng)力分布進行了有限元分析。箱體在12根M8螺絲約束下，平臺承受50kg力所產(chǎn)生的應(yīng)力分布（如圖5）所示。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，由于箱體和平臺的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，局部結(jié)構(gòu)和幾何突變處較多，導(dǎo)致應(yīng)力分布極不均勻。不同顏色代表不同應(yīng)力等級，通過17個顏色梯度描述了吊塔整體應(yīng)力分布，最大值為121.1MPa，均出現(xiàn)在直角連接件處，這是因為此處是應(yīng)力集中區(qū)；最小值僅為1.565×10-5MPa，出現(xiàn)在幾何形狀平緩之處。由于吊塔材料選擇了6061鋁合金，其拉伸強度為290MPa，遠(yuǎn)高于有限元分析的最大應(yīng)力121.1MPa，因此吊塔具有輕便結(jié)構(gòu)的同時滿足強度要求。此外，吊塔的表面處理采用了靜電粉末噴涂工藝，將塑料粉末通過高壓靜電設(shè)備充電，再用高壓電場把粉末噴涂至吊塔表面，經(jīng)高溫烘烤及流平固化后形成異常堅固的保護層。這樣不僅使吊塔表面具有很好的耐磨性、抗沖擊性和耐腐蝕性，而且該技術(shù)是目前最環(huán)保的涂裝技術(shù)，因此對醫(yī)療設(shè)備的表面處理具有廣闊的應(yīng)用前景。

通過醫(yī)用吊塔的并行設(shè)計，實現(xiàn)了前期方案設(shè)計和工程設(shè)計的協(xié)作與融合，特別是采用多學(xué)科融合的基本思想對關(guān)鍵指標(biāo)進行了綜合決策，同時新工藝和新方法的充分應(yīng)用進一步提升了醫(yī)用吊塔的技術(shù)先進性。最后，采用產(chǎn)品樣機與原有產(chǎn)品進行了大量對比試驗，結(jié)果表明，所開發(fā)的醫(yī)用吊塔給使用者提供了更舒適、更方便的操作感受以及更高的工作效率，從而驗證了產(chǎn)品樣機外觀與功能的提升，也為復(fù)雜產(chǎn)品的改進與開發(fā)方法提供了借鑒和參考。

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作者:程鴻 單位:寧波工程學(xué)院