主动制造——大数据驱动的新兴制造范式

新一轮工业革命将对制造业产生根本性影响,由此形成的基于社会信息物理系统的制造模式,将产生具有结构性、半结构性和非结构性的大数据。为了应对制造大数据的挑战,引入大数据分析技术与主动计算,尤其是事件驱动的主动计算,提出一种大数据驱动的新型制造模式——主动制造;构建了将组织符号学和"观察-定向-决策-行动"循环模型融于一体的大数据驱动通用体系架构,结合社会信息物理系统的制造模式提出一种大数据驱动的主动制造体系架构;从数据价值利用的深度和广度分析了主动制造与现有制造模式的异同,尤其是指出主动制造与智慧制造、智能制造、预测制造和长尾制造模式间的关联关系。

应用TRIZ的主动再制造绿色创新设计研究

针对主动再制造设计过程中的创新问题,提出一种应用发明问题解决理论(Theory of inventive problem solving,TRIZ)的主动再制造绿色创新设计方法。将TRIZ技术冲突解决原理和环境化质量功能配置方法相结合,建立再制造设计参数与TRIZ工程参数之间的映射关联,在再制造设计需求驱动下进行零部件再制造设计改进。分析存在的主动再制造设计冲突,建立主动再制造绿色创新设计知识关联与提取机制,给出TRIZ物理冲突解决原理与知识集成的主动再制造绿色设计冲突消解方法,并从再制造性能、生命周期能耗及成本三方面进行主动再制造绿色设计评价,同时开发相应的计算机辅助设计系统。通过设计方法与工具研发,以期提高主动再制造结构绿色设计改进的效率和成功率。最后通过变速箱输入轴系零部件的设计案例验证了该方法的可行性。

基于博弈论及神经网络的主动再制造时间区域抉择方法研究

针对再制造中再制造毛坯所出现的不确定问题,提出主动再制造的理念,在再制造的最佳时间段内对产品'主动'地进行再制造,以达到最好的效果。进一步阐述主动再制造的重要特征,并研究主动再制造的时间区域,探讨了该时间区域上限和下限的预判方法。时间区域上限是用来界定产品生命周期内各项性能指标已出现劣化应予再制造的时刻,在确定区域上限过程中采用生命周期能耗和生命周期成本作为优化要素进行分析,并基于博弈论方法,将能耗、成本要素之间的冲突问题转化为数学模型,进行冲突消解;时间区域下限是标志产品由于再制造技术难度和经济成本过高进而失去再制造价值的时刻,在确定区域下限时,基于人工神经网络方法,提出表征零部件性能退化的特征量值指标,通过建立各项指标与服役时间的映射关系,对零部件丧失再制造价值临界状态时刻进行预测。以某款变速箱输入轴系零部件为例,验证了主动再制造及其再制造时间区域抉择方法的有效性。

现代产品主动再制造理论与设计方法

再制造是再循环的最佳形式,但被动再制造毛坯数量和质量上的不确定阻碍了再制造工程的产业化。针对目前研究中仍存在的问题,提出主动再制造的概念,在分析产品再制造与其寿命周期的关系基础上,阐述主动再制造理论,介绍主动再制造中的相关概念,归纳主动再制造的主要特征。同时为了更加合理地实现主动再制造,针对产品中零部件间的关系,进行主动再制造设计的探讨,建立主动再制造设计理论与设计方法框架,阐述主动再制造设计的基础理论和基本流程,并且对应于主动再制造设计中的产品级设计、零部件级设计和结构级设计分别提出了寿命匹配、结构功能梯度和冗余强度,并进行了综合分析。以发动机曲轴-连杆系统为例,进行了主动再制造设计,结果表明,提出的设计理论与设计方法是有效、可行的。

面向主动再制造的产品可持续设计框架

针对产品失效后被动再制造的现状,提出了面向主动再制造的可持续设计概念,分别从主动再制造设计信息模型、设计参数映射及优化、设计冲突消解及反馈等方面阐述了主动再制造设计流程,对主动再制造设计参数到再制造特征的映射机制、约束条件下不同再制造设计目标冲突协调和转化等关键问题进行了探讨,形成主动再制造设计框架,为主动再制造设计理论体系的建立奠定了基础。以机械式变速箱为例,进行了设计框架的应用描述。

基于性能参数的主动再制造时机分析方法

针对目前再制造毛坯数量及质量的不确定性问题,提出了基于性能参数的主动再制造时机抉择评价模型。从产品全生命周期的角度出发,对产品性能参数在服役过程中的演化规律进行了分析。以能耗参数为核心指标,分析了产品在全生命周期(制造、服役及再制造过程)中的能耗规律,构建了产品年均能耗函数模型。在该函数模型的基础上,得到考虑能耗因素的产品最佳主动再制造时间。最后以某型号的直列六缸柴油机为例,验证了所提出方法的有效性和可行性。

产品全生命周期主动再制造时域抉择方法

再制造是目前制造业中高价值机电产品循环利用的最佳方式,但传统再制造工程中再制造毛坯所存在的不确定性一定程度上阻碍了再制造工程的产业化应用。针对这一问题,阐述了机电产品在服役期间主动实施再制造的理念及内涵,并通过分析机电产品全生命周期服役价值,提出其主动再制造时域抉择方法。量化分析产品在制造、服役、再制造、再生服役等生命周期各阶段中服役性能演化规律,提出产品服役性能演化与服役价值的量化关系。基于产品在产品性能变化拐点的再制造性演化规律,建立产品主动再制造时域抉择模型。以某型号的六缸柴油机中关键零部件为对象,分析其主动再制造时机,以验证该方法有效性。

基于寿命匹配函数的主动再制造设计方法

针对产品主动再制造时其关键零件往往存在"提前再制造"或"滞后再制造"的问题,提出了寿命匹配函数的概念。通过研究不同特征结构参数组合下关键零件主动再制造时机的变化,建立了关键零件主动再制造时机与特征结构参数的映射关系,并引入寿命匹配因子作为寿命匹配完成的标志。提出了基于寿命匹配函数的主动再制造设计方法,根据寿命匹配函数,优化特征结构参数,实现关键零件与产品主动再制造时机的匹配。最后,以某型号柴油机为例进行寿命匹配,验证了该方法的有效性和可行性。

基于疲劳与磨损的曲轴主动再制造时机选择

为了解决再制造时机不确定问题,从疲劳和磨损两方面研究了曲轴的主动再制造时机。根据疲劳强度冗余因子及最小油膜厚度临界阈值,提出疲劳主动再制造时机与磨损主动再制造时机的概念。运用非线性多体动力学软件AVL-EXCITE,建立了柴油机连杆大头轴承的弹性液体动力润滑仿真计算模型,用于计算轴承的最小油膜厚度,并以Holland法验证模型的可靠性。综合考虑疲劳和磨损主动再制造时机,建立了曲轴主动再制造时机选择流程,以确定曲轴的最佳再制造时机。以某型号柴油机曲轴为例,验证了所提方法的有效性和可行性。

离心压缩机叶轮主动再制造设计和时机调控方法

针对目前再制造中零部件经常出现的"滞后再制造"或"提前再制造"问题,提出了离心压缩机叶轮主动再制造设计和时机调控方法。选取关键零部件特征结构,结合疲劳寿命理论和叶轮设计基础,建立结构与服役性能的映射模型,实现关键零部件的主动再制造设计。通过优化特征结构参数,改变零部件服役寿命和再制造临界点,并与产品综合性能劣化拐点相匹配,完成零部件主动再制造时机调控。以PCL8L型叶轮为例,基于构建的叶轮特征结构(出口安放角、入口安放角和后缘厚度)与寿命之间的量化关系模型,在当前定期维护需求下,通过理论计算和仿真分析,验证了主动再制造设计和时机调控方法的可行性。

基于结构功能衍生系数的主动再制造设计

针对传统产品的关键零部件由于服役时间过长、损伤严重而无法再制造的问题,提出结构功能衍生系数的概念。通过研究不同设计参数组合下零件再制造性的变化,建立结构再制造性与设计参数的映射函数模型。并构建衍生系数矩阵及其导数矩阵,反映设计参数改变对结构再制造性变化及变化趋势的影响,为关键件的参数优化设计提供依据。提出基于结构功能衍生系数的主动再制造设计方法,通过参数优化和预设再制造时机下限,保证产品关键零部件的可再制造性。以6L240型号柴油机曲轴为例,验证该方法的有效性和可行性。

基于零件结构耦合关系的主动再制造设计方法

针对再制造设计过程中优化零件某一薄弱结构可能导致零件整体性能劣化的问题,对零件结构间的耦合关系进行了研究。提出了结构功能耦合系统概念,建立了结构功能耦合系统模型,用结构影响因子表达结构耦合程度。在此基础上,给出了主动再制造在零件层级的设计方法,实现了零件全生命周期内整体性能的提升,并以发动机曲轴为例进行了方法验证。

基于结构耦合矩阵的主动再制造优化设计

在再制造设计阶段,由于零件结构间的相互耦合,片面优化局部结构而导致零件整体性能劣化的现象时有发生。为解决这一问题,提出结构耦合矩阵的概念,建立了结构耦合函数矩阵来表征结构强度与结构特征参数的映射关系,并建立了结构影响因子矩阵来反映结构强度受结构特征参数的影响程度。给出基于结构耦合矩阵的再制造优化设计方法,以零件整体强度优化为目标进行参数优化设计,实现了零件整体性能提升。以6L240型号柴油机曲轴为例,验证了该方法的有效性和可行性。

基于威布尔分布的工程机械主动再制造时机预测

为准确预测工程机械主动再制造的时机,确定合适的再制造时间,基于产品生命周期理论,综合考虑了产品的原始价值、再制造成本和维修成本,以单位服役时间内的期望费用最小为优化目标,建立了再制造毛坯回收时机预测模型。利用两参数威布尔分布来表征产品失效率的函数,通过最小二乘法对形状参数和位置参数进行估计,采用中位秩法计算累积失效分布函数。最后,以徐工XE80A型挖掘机再制造时机的确定为例,验证了所建决策模型的可行性。

考虑疲劳损伤的支撑辊主动再制造时机决策方法

针对轧辊再制造毛坯质量不确定导致其再制造前后性能不确定的问题,以支撑辊为对象,提出了考虑疲劳损伤的主动再制造时机决策方法。结合现有轧辊修磨技术,基于磨损和疲劳裂纹之间的耦合关系确定修磨量大小,研究了多次修磨对疲劳强度的影响;应用改进的非线性连续损伤理论,建立了支撑辊主动再制造时机决策模型;最后,对某四辊轧机中的支撑辊进行仿真分析,得到了辊面和辊颈的主动再制造时机,验证了该方法的可行性。

主动再制造产品设计参数与服役特性的映射关系

针对主动再制造时间区域调控的问题,通过分析产品设计参数、服役特性及产品主动再制造时间区域之间的内在联系,揭示了产品主动再制造的主动调控机制;以产品服役性能的有限元仿真分析及实验验证为基础,提出了产品设计参数与服役特性映射模型的建模流程;采用控制变量法和多项式拟合最小二乘法,研究和建立了产品设计参数与服役特性之间的映射关系及模型。最后,以桥壳为例,对建模方法的可行性进行验证。

基于在线监测的曲轴主动再制造时机识别

针对机电产品主动再制造时机难以确定的问题,基于主动再制造时域分析理论,以发动机关键零件曲轴为研究对象,提出了一种基于在线监测的曲轴主动再制造时机识别方法。以磨损量为曲轴间接性能评价指标,结合发动机加速磨损试验,监测不同曲轴磨损量下的发动机振动信号,并运用希尔伯特-黄变换提取振动信号特征,构建特征与磨损量之间的映射关系,从而实现在役曲轴的主动再制造时机识别。应用结果表明,该方法能够以较高精度监测曲轴磨损量,识别在役曲轴主动再制造时机,有效解决了服役期间由于外部不确定因素而造成的曲轴再制造毛坯质量不确定性问题。

面向服务的主动再制造回收策略

为了减小毛坯对再制造不确定性的影响,实现再制造大批量生产,提出了一种面向服务的主动再制造回收策略。该策略在分析零部件失效率服从"浴盆曲线"的基础上,通过两参数威布尔分布来预测给定可靠度下的剩余寿命;建立了再制造度和零件已服役寿命的映射模型,得到最优再制造度下的零件已服役寿命;通过判断零部件已服役寿命是否在威布尔分布预测的剩余寿命阈值内,做出再制造回收的决策,进而提供技术服务,再制造后提供给顾客继续使用。

基于可靠性分析的主动再制造时域决策

针对再制造毛坯件存在的不确定性问题,提出了用可靠度来表征机电产品在服役周期内性能衰退特征,阐述了机电产品在服役周期内可靠性对再制造价值的影响,确定其再制造最佳时机。通过收集的历史故障数据,运用最小二乘法以及平均秩次法对机电产品服役周期内的可靠度变化进行拟合,以构造机电产品在服役周期内可靠度趋势曲线。通过对机电产品服役周期内的可靠性分析,得到基于可靠性分析的机电产品最佳主动再制造时间。最后以某型号的发动机叶片为例,验证了所提出的基于可靠性分析的主动再制造时域选择方法的有效性和可行性。

基于相似性分析的主动再制造优化设计方法

主动再制造可以有效控制再制造毛坯状况的不确定性和复杂性,进一步推动再制造工程的工业化发展。结合主动再制造基本理论与内涵,提出基于相似性分析的优化设计方法。首先从生命周期角度,分析再制造时域决策中产品性能演化的影响,提取出产品的主动再制造设计需求。同时基于结构相似理论,分析相似性结构设计参数与其性能之间的定量映射关系,建立性能相似性分析模型。而后基于该模型,构建优化参数及目标函数,提出基于相似性分析的主动再制造优化设计方法。最后通过发动机连杆优化设计实验来验证该方法的有效性及可行性。