工程结构设计在产品开发的运用.doc

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1、工程结构设计在产品开发的运用摘要：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

2、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6学海无涯（一）结构

3、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2

4、0kg。（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

5、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

6、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

7、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6学海无涯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

8、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