产品轻量化设计分析
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产品轻量化设计分析范文第1篇
关键词：老年人；旅行包；以用户为中心；背负系统；反犯罪
0 引言
中国老龄化日益严重，现在老年人生活水平逐渐提高，每年老年人的旅游人数已经占到全国旅游总人数的20%以上，成为旅游人群中的重要组成部分。但是经过调研发现：目前大多数的景点人满为患，存在安全隐患问题；另一方面老年人这个群体身体状况和心理的特殊性，普通的产品无使用人群划分，不能很好地满足老年人用户的需求，针对老年人特殊需求而优化的旅游设备是目前的市场空缺，所以开发设计满足老年人需求的旅行设备显得迫在眉睫、格外重要。
1 课题来源与研究背景
1.1 老年人群体的特征与现状
我国老年人口的数量不断增长，已经成为老年人口最多的国家。随着老龄化社会的来临，我国老年旅游市场的人口数量和规模是巨大的，老年旅游产品展现出巨大的发展机遇。老年人群体的经济水平不断地提高，从消费水平来看，老年人的消费潜力大。而且独生子女带来的社会问题，所以越来越多的老年人会选择通过旅游的方式来充实自己的老年生活。
通过一系列调研我们发现老年人这个群体特征跟普通的用户存在很大的差异：老年人在旅行时通常会携带一些常用药品及自需特殊药品；喜欢自带食物，一般会选择新鲜瓜果、熟食等，同时会准备保温杯；受身体素质的局限性，老年人没有很好的体力去持续性的负重，所以旅行包的重量基本是老年旅行者最关心的问题；老年人喜欢结伴出行，偏向选择旅游团；老年人这种弱势群体在人多口杂的景点容易碰到扒手，人身和财产安全都需要高度重视等。
1.2 老年人旅行设备市场的空缺
老年人的文化和经济水平的迅速提高，消费观念也发生了很大的转变，自然对老年产品提出了更高的要求。虽然目前老年人的生活质量和水平引起社会各界的关注与重视，越来越多专门为老年人群体设计的产品出现在市面上，但是在有些方面的发展还是远远滞后，跟不上老龄化的速度。比如说像旅行设备这一系列的产品基本上都以年轻人的市场为主，很多产品都不能满足老年人的需求，专业性和针对性都有待加强。
1.3 以用户为中心设计理念的重要性
以用户为中心的设计是20世纪80年代末兴起的一种产品开发的概念与方法，通过对用户背景的调研和分析，站在用户的角度去考虑他们的操作习惯和使用情景，建立用户心智模型，最终做出满足用户需求的设计。尤其是在为弱势群体设计产品的时候，他们与普通用户需求的差异性很大，所以以用户为中心的设计理念显得更加重要。
当人体在老化的过程中，所有感觉器官会呈现不同程度的功能下降。老年人的肢体灵活度变差，肌肉的柔韧性退化，感光能力下降，出现老花眼、对色彩的敏感度降低等，这些参数的改变都会成为后面设计的依据，需要运用人机工程学方面的知识提供有力的数据支撑和保障。而且老年人这个群体成长背景的差异性会影响其操作方式和行为逻辑，我们需要根据核心用户重塑心智模型而不是一概而论。
2 老年人旅行包的现状
本文对现有的一些背包品牌进行了调研和分析。目前背包市场主要包括两大类：专业旅行背包和普通旅行包。尽管从这几年背包发展情况来看，背包的背负舒适性成为研发重点，尤其是专业旅行包更加注重通风性、稳定性和贴合性等问题。但是通过对比分析市场上的背包，发现目前的背包基本上都没有专门针对老年人群体设计的，存在市场空缺（见图1）。同时大连民族学院的包海默，冯鸣，刘雪飞在论文“以一体化产品开发流程为基础的老年产品设计”中分析了目前市场上的背包对于老年人来说确实存在了很多问题，不管是从功能还是外观都没有很好地满足老年人的需求，需要重新进行设计。
通过表1我们可以总结：第一，目前市面上的旅行包外观、配色均针对现代年轻人审美，以年轻用户的市场为主。第二，专业旅行背包的材质、结构、功能已经相当成熟。一般是针对专业的户外运动设计，价格普遍偏高，容量也很大。而老年人一般比较节俭，购买的时候会更加考虑价格。第三，普通容量的旅行包不具备背负系统，有背负系统的一般都是针对具有一定强度的户外运动者。第四，没有考虑旅行包的安全性，在旅途中如何反犯罪，保护人身财产安全。第五，旅行包的空间分割比较单一、传统，不能满足用户的多元化需求等.
3 老年人旅行包设计机会点
一个设计合理的旅行包可以更好地让老年人享受旅途中的时光，通过前面的调研与分析，最后我们从背负系统改良、安全性反犯罪、空间再分配和视觉识别这四个方向进行设计和改良。
背负系统的改良：将适合于高负重长时间跋涉而设计的其他背负系统针对老年人改进并轻量化。老年人由于身体各项机能的衰退，即使相对较轻的行囊，背负长时间后依旧会造成大量的体力消耗。市面上公认有效的背负系统往往安置于大容量专业性极强的登山包等设备上。改良并轻量化的背负系统可以让包的重量平均分摊在老年人背部及腰部，使之能长时间使用。而且需要考虑老年人会稍微有点驼背，应该测量精确的数据，利用人机工程学的原理，让背包更贴合老年人的背部等因素。
空间再分配设计：老年人携带的食物、衣物、药物、杂物等旅行必备品与年轻人存在差异。针对性的空间分割便于老年人更好地对自身需要的物品更好的分类存放，在使用时同样能方便地取出。传统旅行包收纳空间分类并非统一，次级空间分割遍布在包的各个位置，而主体空间一般独立而唯一。对于老年人而言，并不利于他们对自己物品的分类收纳，并在对物品位置的记忆上缺乏系统性指导。经过改良后，可以把背包分为杂物区、食品区和衣物区，其中杂物区、食品衣物区为硬性分割的两个空间，食品区与衣物区共享主体空间由防水层软性分割。同时需要对药品和保温杯这种特殊物品的存储进行重点设计，让用户可以便捷的拿取。 物品在收纳时有了系统性的分类，因而对某一物品的位置记忆有了更好的指导帮助，提高使用效率。
视觉识别设计：随着年龄增长，老年人的整体空间视觉，包括视觉敏锐度和对比敏感度都逐渐衰退。所以我们在设计旅行包的时候，考虑到老年人视觉上的特殊生理状况，就需要考虑老年人如何能快速找到自己的包，同时也要最高效找到拉链处并打开包拿取物品。所以可以选择纯度比较高的颜色，也可以通过增加色块的面积大小，让老年人能快速识别。而且老年人拥有自身的时尚需求，而市面上的旅行设备只是针对那年轻人口味设计。针对老年人优化的功能同样可以在视觉上反映，突出老年人旅行包的独特性。
安全性设计：产品的安全性是很重要的一个设计原则，一般主要包括用户、产品和外在环境这三个因素，但是在这里重点需要考虑的是产品和外在环境的安全问题。因为旅游景点通常游客众多，老年旅行者警惕性下降存在安全隐患。传统旅行包开启拉链在外容易被扒窃。在设计的时候可以考虑把拉链头放在比较隐蔽的位置，或者把开口的位置隐藏起来，让扒手无处下手。
4 结语
随着我国老年旅游人口逐年增长，我们必须要以用户为中心，设计符合老年人使用的旅行设备。本文通过针对老年人这个弱势群体进行了相关的一些研究和分析，结合老年人真实的需求重塑心智模型，加入人机工程学的运用，设计出针对老年人使用的旅行设备，并且为之后老年人产品设计提供相关参考资料。
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产品轻量化设计分析范文第2篇
【关键词】机电一体化 发展历程 关键技术 发展趋势
机电一体化最早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，现在的机电一体化技术，是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。它不是上述技术的简单拼凑，而是从系统的观点出发，合理配置各功能单元，使得整个系统具有高质量，高可靠性的特点。
机械工程技术由纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋扑许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延仲，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。
1.机电一体化的发展过程
机电一体化经历了长期的产生于发展过程，大致分为三个阶段：
萌芽阶段：20世纪60年代以前为萌芽阶段。由于电子技术发展迅速，人们逐步使用电子技术的初步成果完善机械产品的性能。特别是第二次世界大战后，机械产品与电子技术的结合使得许多性能优良的产品出现，对战后经济的恢复和技术的进步起到了积极的作用。
蓬勃发展阶段：20世纪70年代至20世纪80年代是蓬勃发展阶段。在这一阶段，人们主动地利用新技术的巨大成果创造新的机电一体化产品。应该特别指出的是，日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。日本政府于1971年3月颁布了《特定电子工业与特定机械工业振兴临时措施法》，要求企业界“应特别注意促进为机械配备电子计算机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能”。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为基点一体化的发展奠定了技术基础。
智能化阶段：从20世纪90年代开始至今称为智能化阶段。机电一体化技术向智能化新阶段迈进。人工智能技术及网络技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的新天地。大量的智能化机械产品不断涌现。出现了“模糊控制”和“混沌控制”等新概念。
机电一体化的目的是使系统高附加值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使产品结构向轻薄短小巧化方向发展，不断满足人们的生活多样化需求和生产的省力化、自动化需求。因此，机电一体化的研究方法并不是拼拼凑凑的“混合”设计法，应该从系统的角度出发，采用现代设计分析方法，充分发挥边缘学科技术的优势。
2.机电一体化发展的共性关键技术
机电一体化发展所采用微电子技术必须解决一些共性关键技术。这些技术包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械技术及系统总体技术等。各部分所包括的内容如下：
检测传感技术：检测传感器的检测对象有位移、压力、温度、速度、加速度、流量等物理量，其检测精度的高低直接影响机电一体化产品的性能好坏。检测传感技术的主要难点在于提高可靠性、精度和灵敏度。
信息处理技术：信息处理技术包括信息的输入、变换、运算、次数和输出技术。信息处理是否及时正确，直接影响机电一体化产品的质量和效率，因而成为机电一体化产品的关键技术。在信息处理技术方面存在的问题有减轻重量、提高处理速度、提高可靠性和抗干扰能力以及标准化、提高操作性及便于维修保养等。
自动控制技术：自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等技术。其技术难点是现代控制理论的工程化与实用化，以及优化控制模型的建立等。
伺服驱动技术：伺服驱动技术主要是指执行元件中的一些技术问题。伺服驱动包括电动、气动、液动等各种类型。希望之星元件满足小型、重量轻和输出功率大等三个方面的要求，以及提高对环境的适应性和可靠性。
精密机械技术：机电一体化产品对精密机械提出的新要求有：减轻重量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善动态性能等。
系统总体技术：系统总体技术是以中国从整体目标出发，用系统的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再把功能和技术方案组合成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。机电一体化产品要求系统的协调性很好，否则即使各个部分的性能、可靠性都很好，性能和产品也很难保证正常运行。
3.机电一体化发展趋势
随着科技的发展和经济的进步，对机电一体化技术提出了许多新的和更高的要求，出现了新的概念。如数控技术、CNC、FMS、CIMS及机器人等都被一致认为是典型的机电一体化技术、产品及系统。机电一体化的发展趋势有以下几点：
高性能化：高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。新一代CNC系统就是以此“四高”为满足生产急需和人诞生的。可实现告诉数据传递，在相当高的分辨率情况下，系统仍有高速度，此外其效率也非常高。
智能化：人工智能的研究日益得到重视，其中机器人与数控机床的智能化就是重要应用。智能机器人通过视觉，触觉和听觉等各类传感器检测工作状态，根据实际变化过程反馈信息并作出判断与决定。数控机床智能化，使用各类传感器对切削加工前后和加工过程中的各种参数进行监测，并通过计算机系统做出判断，自动对异常现象进行调整和补偿。
此外，机电一体化发展趋势还有系统化，轻量化及微型化等
参考文献：
[1]机电一体化技术的发展及应用，梁俊彦
[2]机电一体化系统设计 张建民 北京理工大学出版社 2006.2
产品轻量化设计分析范文第3篇
Abstract： The beam of the pressing device is an important part of a large-sized power transformer winding machine. In order to make the beam of the pressing device more reasonable in the condition of having enough strength and rigidity， its finite element model is established and ANSYS Workbench is utilized to make static analysis. The Analytical results show that its strength and stiffness have a larger margin. Based on the analysis results， the structural optimization of the beam model is optimized by "reducing material waste and improving product performance". Under the premise of meeting the design requirements， the structural steel， stiffener bar and local structure of the beam are optimized. The optimization results indicate that， the weight of the beam is reduced by 28.9% and the strain is more uniform. This research method can provide a basis for the design and optimization of the beam of the winding machine. It has practical value.
关键词： 绕线机；横梁；有限元分析；优化设计
Key words： winding machine；beam；finite element analysis；optimization design
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）11-0120-03
0 引言
随着我国经济快速稳步地发展，电力的需求量也越来越大，变压器作为电力行业输变电的基础设备，在电力行业中占据着十分重要的位置，其需求量与日俱增[1-2]。作为变压器制造的核心工序，变压器线圈的绕制质量对整个变压器性能极为关键，而线圈绕制的技术水平很大程度上依赖于绕线机的技术水平，因此国内外的变压器制造厂家都十分重视先进绕线机技术的开发和应用[3]。目前性能先进的变压器绕线机大部分是进口设备，价格昂贵，并且由于使用国外型号的元器件，导致设备出现故障后维修成本高、时间长[4-6]。
本文所研究的带压紧装置的大型变压器卧式绕线机是于国与内企业合作设计，其结构如图1所示，由主轴箱、尾座、底座、压紧装置和控制装置等组成，特点是其压紧装置采用与主轴同心摆臂结构，压紧装置横梁通过支撑臂安装在主轴箱和尾座的上方，压紧装置工作台可沿横梁导轨与绕组绕制过程实现同步水平移动，压紧头在伺服电机的带动下实现升降和压紧。
压紧装置横梁是大型变压器绕线机中重要部件，在生产实际中能够影响整个绕线机的稳定性和线圈的绕制质量。为了使横梁在满足强度要求的前提下尽量减轻其自重以及减小压紧头处的位移，利用SolidWorks建立了该横梁的有限元模型，并用ANSYS Workbench对其进行静力学分析，根据分析结果对其尺寸和局部结构进行优化设计，有效减轻横梁自重并使压紧头处的位移满足要求，增强绕线机的工作性能，对大型绕线机压紧装置横梁的设计分析有一定的参考价值。
1 压紧装置横梁的静力学分析
1.1 有限元模型的建立、约束和加载
采用有限元法对压紧装置横梁进行仿真分析，首先要依据横梁的机械结构，建立其几何模型[7-8]。绕线机压紧装置横梁为矩形钢管焊接而成，横梁两侧通过两根支撑臂分别固接在主轴箱和尾座箱体上，横梁主体上面的两个导轨用来支撑绕线机压紧装置工作台。其主要的技术参数如下： 矩形钢管的厚度：13mm，横梁的长度：6668 mm，横梁截面的高度：250mm，横梁截面的宽度：150mm，横梁的重量：0.97t。横梁实体模型作适当简化，不考虑工艺上要求的倒角，部分圆角过渡简化为直角，导轨安装孔也不予考虑，在分析中认为螺栓连接和焊接的质量可靠，整个横梁结构作为连续体处理且不考虑局部应力。
将压紧装置横梁初始设计模型导入ANSYS Workbench。材料的参数设置为：材料为Q235，弹性模量为200MPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3。横梁有限元模型如图2所示，采用智能划分与手动划分相结合的方式划分网格，得到最精准的Mesh结果，共有77655个节点，27290个有限单元。约束和加载如表1所示。
1.2 横梁结构的静力学分析
为了得到应力和变形结果需对横梁初始设计模型进行有限元分析，当压紧装置运行到横梁中间位置时结构处于最不利状态，因此如中间位置加载满足要求，则其他位置加载必定能满足要求，因此本文主要进行中间位置加载的静力学分析[9-10]。
图3为压紧装置横梁最不利工况分析结果的应力图和应变图。根据图3（a）可以看出，最大应力49.753MPa，根据横梁所用材料，其所受的最大应力远远小于许用应力，所以在以后的研究中结构的应力可以作为参考。图3（b）为压紧装置横梁最不利工况的变形图。根据变形云图可以看出，横梁中部位置变形最大，而横梁得两端变形较小，其最大变形量为1.0173mm，小于许用变形量2mm的要求。显而易见，横梁结构的强度刚和度均符合设计要求。
2 横梁结构的优化设计
绕线机压紧装置横梁的设计基本上沿用经验设计，往往为了满足工作要求而采用较为保守的数据，而造成材料的极大浪费及结构的增重。有限元静力学分析可知，横梁的初始设计存在极大的刚度裕量，结构的承载能力也没有得到充分的利用，从降低成本的角度出发，完全可以采用更少的材料且保证横梁结构的安全性和可靠性。
2.1 横梁尺寸优化
横梁采用的是矩形钢管结构，强度和刚度受钢管壁厚的影响较大。在满足其许用强度和刚度的前提下，可采用不同的钢管厚度来对其结构进行优化。分析对比结果如表2所示。
由表2可以看出：横梁结构的钢管壁厚不同，其应力、变形和质量也不同，在满足强度、刚度要求的前提下，最佳结果是第4组，其最大变形量1.7802mm，最大应力87.119MPa，均小于许用值，且重量比初始模型结构减轻21.8%。但是第5组虽然最大变形量为2.1365mm，超出许用变形量0.1365mm，但其最大应力103.560MPa并未超出最大许用值应力，且重量减轻29.2%，从减轻自重的角度看其优化结果更为明显。因此，有必要对第4组和第5组的横梁进行结构优化设计，以在满足其许用强度和刚度的前提条件下，得到最优设计结果。
2.2 横梁结构优化
第5组分析结果应力、应变云图如图4所示。
最大应力出现在横梁与支臂相连的根部，横梁中部变形最大，横梁两端的变形较小。为了增强横梁结构的强度、减小压紧装置工作台的垂直度误差、增强X轴和Y轴的刚度，在横梁的两端焊接封口板并在横梁和支臂连接板之间分别增加厚度30mm材质为Q235的三角形加强筋板。按照改进后第4组和第5组钢管尺寸，在约束、载荷及其它参数不变的情况下进行局部结构优化设计。采用SolidWorks三维建模软件构建的新横梁结构几何模型如图5所示。
在ANSYS中建立改进后新模型结构，重复上述过程对其进行有限元仿真模拟，分析结果对比如表3所示。由表可知，改进后第五组模型，最大变形量1.7946mm，最大应变89.395MPa，其应变、应力均符合要求，重量减轻28.6%，且应力分布更为均匀。
综上对比，该尺寸与结构同时优化的方案对改善横梁的结构和受力是最有效的，且重量减轻28.9%，很好的实现了“减少材料浪费，提高产品性能”的优化目标。
3 结论
①通过对大型变压器绕线机中的关键部件横梁结构的有限元静力学分析，得到约束载荷工况下的应力和位移云图，从而分析评价该结构的强度及刚度等静力学特性，分析结果表明横梁初始结构设计保守，结构足够安全以至于过剩，有对其结构进行“轻量化”优化的必要。
②以“减少材料浪费，提高产品性能”为优化目标，选择横梁钢管尺寸和局部结构同时进行优化的方案，最终得到重量减少28.9%且应力分布更为均匀的最佳优化结果。既保证了横梁的刚度和强度要求，又减少了原材料的浪费，同时还提高了绕线机的稳定性，对于大型变压器绕线机的设计具有较好的指导意义。
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