工程結構設計在產品開發的運用

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摘要：當前的新產品開發中，普遍存在方案構思與工程設計相割裂的情況，輕則使產品開發周期延長，重則可能導致方案最終無法實現。本研究從設計流程和設計職能二個維度對醫用吊塔進行并行設計，將人機工程、機械制造、經濟學、美學等多領域有機融合，實現了方案構思與工程設計的深度協作，并采用有限元法等先進方法破解了復雜結構強度校核等技術難題。所設計吊塔樣機與原產品的對比試驗表明，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，所采用的并行設計模式可為其他復雜產品的開發提供借鑒和參考。

關鍵詞：并行設計;;醫用吊塔;有限元法

隨著人們對產品功能與品質的不斷追求，產品開發所涉及的知識領域越來越廣，設計難度越來越高，最突出的問題是產品設計與制造過程很容易脫節，經常發生新穎的設計理念難以實施的現象。為促進設計與制造之間的協調統一，使設計創意被真實還原，研究人員進行了大量理論與實踐探索[1]。作為有效應對策略之一的并行設計，可在產品設計階段提早發現后續的工藝性問題，減少設計修改次數，提高產品開發效率[2]。本研究應用并行設計方法，開發出新型醫用吊塔，有效解決了醫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濟效益。

一、產品開發的系統性工程要求

（一）結構原型的開發依據。產品開發過程中，“原型”可以理解為在一個或多個維度上對產品的一種近似[3]。產品開發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的根本依據。然而，用戶需求常常通過語言進行描述，難以對原型開發提供確切指導，需要將用戶需求轉變為產品的技術指標，才可用于原型開發。在本案例中，設計團隊與用戶反復溝通，深入分析用戶需求，提煉出醫用吊塔的如下技術指標：醫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不能出現螺絲；平臺單層最小承重為20kg。（二）材料性能與制造工藝。產品的材料性能與制造工藝是設計成敗的基礎。材料的選擇首先要滿足安全性要求和功能要求，遵循相關標準，充分論證各種可能存在的危險，實現產品預定的功能。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，所有零部件應具有制造可行性。再次，隨著人們對生活和工作環境要求的不斷提高，人機工程學和美學成為產品材料選擇的重要影響因素。工作過程中的人、產品及環境之間若能保持高度協調，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）生產成本?？刂粕a成本是提升產品市場競爭力的主要措施，產品主要成本在制造階段和運營階段發生，但設計階段一旦完成，這些成本中的絕大部分就已經被決定了。因此，要在設計階段估計并設法降低產品整個生命周期的各項成本。

二、產品開發中工程結構設計的典型模式

（一）圍繞典型結構工程的新產品開發。圍繞典型結構工程的新產品開發模式，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新的過程。它是一種產品設計技術的再現，通過對目標產品進行逆向分析與研究，獲得該產品的結構組成、技術規格、制造工藝等要素，從而開發出功能相近的產品。（二）實現產品概念的工程設計。實現產品概念的工程設計模式，是從概念到實物的設計過程。首先確定產品的功能指標，然后構思實現方案和總體框架，再考慮零部件的設計、制造、裝配、調試等具體環節。對于復雜產品，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的快速發展，這一狀況正在得到改善，設計人員可借助軟件將設計意圖和產品概念很方便地轉變為三維模型，進而制作出實物樣品[4]。（三）協調多領域的并行設計。傳統設計過程的每一階段總是以前一階段的結束作為前提，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調[5]。協調多領域的并行設計的出現有效解決了這一問題，它可在開發階段，考慮產品生命周期的整個過程，分析涉及的所有因素，包括設計、分析、制造、裝配、檢驗、維護和成本等，開發出具有最優綜合性能的產品。

三、醫用吊塔的并行設計模式

現代科學技術的飛速發展推動新型醫療儀器設備不斷出現，采用各種先進儀器設備對病人進行生理功能檢測和診治已成為流程[6]。醫用吊塔是醫院現代化手術室及ICU的關鍵醫療設備，作為醫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、氮氣等醫用氣體以及電源插座和數據接口，還具有輸液架和放置各種醫療器械的承載平臺。同時，醫用吊塔的技術要求十分復雜，各項要求往往相互影響，給設計工作帶來極大困難。比如吊塔在調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??；外觀造型要圓滑而有美感，不能出現焊縫和裸露螺釘等不符合醫院特殊環境要求的結構。開發出同時滿足多項技術要求的醫用吊塔，可大幅提升醫護人員的工作感受和工作質量，也是各大醫用吊塔生產廠商競爭的焦點。本研究所開發的醫用吊塔總體結構（如圖1）所示，箱體可容納數據線、電源線、氣體管路，前部平臺用于放置各種醫療器械，兩橫梁之間的轉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整位置，前部的承載平臺可沿隱式導槽上下調整位置。吊塔通過數據線可以連接醫療機構的患者數據庫，協助醫護人員監控患者生命體征。箱體是吊塔的主要部分，其設計質量直接決定著產品的成本、工作效能、使用舒適度以及制造工藝性等關鍵指標。（如圖2）給出了箱體的組成結構，側門和線夾的設計使插座、插頭等接口被完美覆蓋，各種引線外觀整齊而集中；可拆式側板的設計為箱體內部結構的維修與檢查提供了方便；后把手的特殊設置既便于醫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）給出了醫用吊塔的二維并行設計，即從結構工程設計流程和設計職能二個維度進行并行設計。設計流程包括產品規劃、概念開發、系統設計、細節設計、測試改進、生產啟動，設計職能包括結構原型、材料選擇、加工工藝路線、產品裝配工藝、成本分析。由（如表1）可知，采用并行設計所開發的醫用吊塔，通過對6個設計階段及5個設計職能的并行分析，全面考慮交互影響，提出10項原創性設計，為醫護人員提供了方便、舒適的工作環境，顯著提高了產品的市場競爭力。由（如表1）可知，吊塔結構原型與設計流程的并行設計與協作貢獻了3項原創性設計，分別解決了原產品的線路零亂、顯式導槽、不便維修等突出問題。吊塔材料選擇及加工工藝與設計流程的并行設計，實現了復雜主體結構的強度校核并簡化了其制造工藝。在產品裝配與設計流程的并行設計中，側門的設計覆蓋了裸露的電源插座，使吊塔更安全、更美觀；增設的液晶屏可顯示重要的基本信息；增設的后把手方便了醫護人員從后邊移動吊塔。成本分析與設計流程的并行設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成本，其安裝方式避免了裸露螺絲同時降低了生產成本。

四、醫用吊塔的跨學科并行設計

除了在設計流程和設計職能維度的并行設計之外，還對醫用吊塔主體部件和后把手進行了跨學科并行設計。通過分析醫用吊塔主體部件的結構特點，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。不同方案在經濟學、美學、制造工藝性等不同領域的表現優劣各有不同，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方案。（如圖3）所示，在機械制造領域，方案1工藝簡單，方案2需用加工中心進行較為復雜的表面加工；在經濟學領域，方案1成本較低；但在美學領域，方案2可獲得更高的加工精度和表面質量?？傊?，方案1在機械制造和經濟學領域優于方案2，方案2在美學領域優于方案1，最終采用了方案1進行實施。（如圖4）給出了醫用吊塔后把手的跨學科并行設計，從人機工程、美學、經濟學、機械制造等多個學科領域進行研究，提出明確觀點和具體措施，在總體評估基礎上確定了吊塔后把手的結構形式與制造方法。人機工程學的核心理念之一是人在工作過程的舒適性，好的產品設計能使操作者工作更舒適。市場現有醫用吊塔后部未設把手，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療操作過程中使操作者備感不適，因此本設計考慮增設后把手。從美學角度看，后把手表面不宜存在裸露的螺紋緊固件或者焊接痕跡。從經濟學角度看，好的設計應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，實現了人機工程、美學、經濟學、機械制造等多領域的協同與融合。

五、醫用吊塔并行設計與新方法及新工藝的融合

在醫用吊塔的并行設計中，采用了有限元設計法和靜電粉末噴涂工藝，實現了復雜結構力學指標的量化設計，并提升了吊塔的美觀性和環保性。采用CreoParametric軟件的Simulate模塊，對吊塔箱體及平臺應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力所產生的應力分布（如圖5）所示。由圖中可以發現，由于箱體和平臺的結構比較復雜，局部結構和幾何突變處較多，導致應力分布極不均勻。不同顏色代表不同應力等級，通過17個顏色梯度描述了吊塔整體應力分布，最大值為121.1MPa，均出現在直角連接件處，這是因為此處是應力集中區；最小值僅為1.565×10-5MPa，出現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，遠高于有限元分析的最大應力121.1MPa，因此吊塔具有輕便結構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備充電，再用高壓電場把粉末噴涂至吊塔表面，經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，而且該技術是目前最環保的涂裝技術，因此對醫療設備的表面處理具有廣闊的應用前景。

通過醫用吊塔的并行設計，實現了前期方案設計和工程設計的協作與融合，特別是采用多學科融合的基本思想對關鍵指標進行了綜合決策，同時新工藝和新方法的充分應用進一步提升了醫用吊塔的技術先進性。最后，采用產品樣機與原有產品進行了大量對比試驗，結果表明，所開發的醫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，從而驗證了產品樣機外觀與功能的提升，也為復雜產品的改進與開發方法提供了借鑒和參考。

參考文獻

[1]胡曉濤，胡新明，關漢.小型企業面對工業設計的并行設計流程研究[J].設計藝術研究，2018，1：123-128.

[2]張石磊，劉俊堂.一種高效的產品與工藝并行設計模式[J].航空科學技術，2017，3：65-68.

[3]KarlT.Ulrichm，StevenD.Eppinger.ProductDesignandDevelopment（FifthEdition）.McGraw-Hill，2012.

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[5]呂明，宋祥波.快速成型在并行設計系統中的應用[J].設計，2012，2：27-28.

[6]陳傳佳.ICU未來建設發展趨勢-醫護人員操作空間VS醫療設備占用空間HealForce吊塔的解決之道[J].中國醫療器械雜志，2007，2：155-155.

作者:程鴻 單位:寧波工程學院