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[摘 要]本文基于多学科优化角度，运动单学科可行方法，建立了桥式起重机金属结构、传动系统、电气系统三个系统模型，以轻量化技术与仿真分析为关键技术，探讨起重机多学科节能优化设计，以达到降耗节能的目的。
[关键词]起重机、节能、多学科
中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）48-0076-01
引言
起重机作为生产部门提高劳动生产率、实现生产机械化的必不可少的大型机械设备，广泛应用于各种物料的起重、运输、装卸和人员运输等作业中，从而缩短了生产周期，减轻人工劳动强度，降低生产成本。随着生产水平的提高，起重机已经不局限为辅助设备，而是直接参与到生产工艺工程。因此，当前对节能、制造方便、新型的起重机需求愈来愈强烈。
当前我国起重机械设计观念传统，忽视了起重机的节能与经济性，因此我国起重机体积庞大，能效低，驱动功率大且工作效率不高[1]。多学科优化作为一门新兴的学科，融合了多门学科内容，为研究节能、轻重量的新型起重机提供理论基础与技术支持。
1 多学科节能优化
多学科优化（MDO）充分探索和利用不同学科、不同目标之间的相互作用所产生的协同效应，从系统的角度进行优化设计，是用于研究复杂系统的一种设计方法学[2]。
当前，多学科优化设计主要应用在潜艇、飞行器设计中，其学科体系分为八项研究技术。针对研究桥式起重机节能优化设计，本文将起重机整个系统层次分解为三个子系统，建立了金属结构设计、传动系统设计以及电气系统设计这三个子系统，基于单学科可行方法（IDF）分析优化三个子系统的模型如图1所示。优化过程中涉及到的关键技术包括轻量化技术、仿真分析。起升动载荷系数和机构轻量化研究结果反馈给结构轻量化设计，可以进一步进行优化设计。同时，预拱曲线不仅关系整体平稳性和安全还与电机功率损耗紧密联系在一起，适当的预拱曲线即安全又能减少小车的爬坡[3]。预拱曲线研究的结果需反馈给电机节能的研究。这些反馈过程体现了多学科优化中子系统之间的关联性。
2 其他节能优化技术
节能降耗是可持续设计与制造中的重要内容和关键问题，贯穿产品全生命周期，是一个复杂的系统工程。目前，国内外学者针对节能降耗的可持续设计与制造方法研究主要集中在绿色设计、绿色制造以及产品的能源消耗建模、分析及预测等方面[4-6]。
（1）绿色设计。指在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用性等）并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。可持续产品设计中材料选择的最好方法是生命周期工程（life cycle engineering-LCE），Mohammad等利用专家在生态设计领域的知识，将这些知识成决策规则，开发了面向可持续产品的材料选择专家系统。Ankush Anand通过对全生命周期的产品设计特征的分析，提出了绿色设计属性，利用有向图表示属性的关系，通过计算“一对一”矩阵函数指标值来优选替代产品设计。Sakundarini在产品设计时将可回收性纳入考虑范围，通过剖析设计参数之间复杂的关系，研究了基于遗传算法的多目标材料选择优化。Smith采用模块化设计理论，提出了一种面向绿色设计的平行的选择性拆卸规划方法，该方法可用于最大限度地提高产品的质量，降低产品成本，并减少对环境的影响。Chang等[6]结合QFD与DSM，提出了降低模块组数量的聚类算法，研究了模块化产品的绿色设计系统方法。此外，轻量化设计也是绿色设计的重要单元技术。国内清华大学、上海交通大学、南开大学以及东南大学等高校学者也都对绿色设计的方法论与优化算法进行了相关研究。
（2）绿色制造。绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。Ahmed提出了一種新的绿色制造系统模型，该模型能够捕捉各种制造规划活动，在不同制造阶段利用绿色控制指标与工具，指导生产活动从“少绿色”到“更绿色”的迁移。Vijayaraghavan和Chuang分别从使能技术、工艺过程以及实施要点等角度对绿色制造系统进行了全面的研究与分析。Corinne综合考虑生态、社会和经济指标，提出了绿色制造的评估体系，并研究了指标值的度量方法。美国加州大学伯克利分校的Barbara综述了绿色产品及其生产制造的实际发展，指出绿色制造今后需要加强研究的领域有产品生命周期的评估方法、制造工艺和供应链决策。重庆大学的刘飞教授科研团队在国内较早地提出了绿色制造模式，并就其实施流程、关键技术与推广应用进行了长期的深入研究。
结论
目前，绿色设计与制造的理论方法体系和框架虽然已经基本完成，但当前的研究主要集中在总结设计准则，规范设计/制造流程，构建设计模型，开发辅助工具等方面，对产品的详细设计指导相对较少。尽管从节能降耗需求出发，但是，因为缺乏有效的系统的能耗体系与数据，造成能耗（而不是材料、时间、成本等指标）与设计/制造环节相脱节，不能真正指导产品的节能降耗设计，优化后的产品开发也得不到有效合理的能耗评估。多学科优化技术可以有效地弥补上述的不足，面向起重机械全生命周期综合考虑其节能效果。
参考文献
[1] 李向东、原徐成、叶伟、李东波，浅谈起重机节能研究[J].起重运输机械，2013（8），64-65.
[2] 杨卓懿，无人潜器总体方案设计的多学科优化方法研究[D].哈尔滨工程大学，2012，4-5.
[3] 李向东、叶伟、原徐成、李东波，基于全生命周期能耗因素的桥式起重机节能评价研究[J].起重运输机械，2013（12），60-62.
[4] Anand A. Development of design methodology for product life cycle engineering [D]. Shri Mata Vaishno Devi University，2013.
[5] Sakundarini N， Taha Z， Abdul-Rashid S H， et al. Multi-objective optimization for high recyclability material selection using genetic algorithm[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2013， 68（5-8）： 1441-1451.
[6] 王洪磊.典型机电产品节能降耗设计的能量流建模、优化与应用[D].北京：清华大学，2011.
基金资助
国家质检总局科技计划项目（2012QK178）。
[关键词]起重机、节能、多学科
中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）48-0076-01
引言
起重机作为生产部门提高劳动生产率、实现生产机械化的必不可少的大型机械设备，广泛应用于各种物料的起重、运输、装卸和人员运输等作业中，从而缩短了生产周期，减轻人工劳动强度，降低生产成本。随着生产水平的提高，起重机已经不局限为辅助设备，而是直接参与到生产工艺工程。因此，当前对节能、制造方便、新型的起重机需求愈来愈强烈。
当前我国起重机械设计观念传统，忽视了起重机的节能与经济性，因此我国起重机体积庞大，能效低，驱动功率大且工作效率不高[1]。多学科优化作为一门新兴的学科，融合了多门学科内容，为研究节能、轻重量的新型起重机提供理论基础与技术支持。
1 多学科节能优化
多学科优化（MDO）充分探索和利用不同学科、不同目标之间的相互作用所产生的协同效应，从系统的角度进行优化设计，是用于研究复杂系统的一种设计方法学[2]。
当前，多学科优化设计主要应用在潜艇、飞行器设计中，其学科体系分为八项研究技术。针对研究桥式起重机节能优化设计，本文将起重机整个系统层次分解为三个子系统，建立了金属结构设计、传动系统设计以及电气系统设计这三个子系统，基于单学科可行方法（IDF）分析优化三个子系统的模型如图1所示。优化过程中涉及到的关键技术包括轻量化技术、仿真分析。起升动载荷系数和机构轻量化研究结果反馈给结构轻量化设计，可以进一步进行优化设计。同时，预拱曲线不仅关系整体平稳性和安全还与电机功率损耗紧密联系在一起，适当的预拱曲线即安全又能减少小车的爬坡[3]。预拱曲线研究的结果需反馈给电机节能的研究。这些反馈过程体现了多学科优化中子系统之间的关联性。
2 其他节能优化技术
节能降耗是可持续设计与制造中的重要内容和关键问题，贯穿产品全生命周期，是一个复杂的系统工程。目前，国内外学者针对节能降耗的可持续设计与制造方法研究主要集中在绿色设计、绿色制造以及产品的能源消耗建模、分析及预测等方面[4-6]。
（1）绿色设计。指在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用性等）并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。可持续产品设计中材料选择的最好方法是生命周期工程（life cycle engineering-LCE），Mohammad等利用专家在生态设计领域的知识，将这些知识成决策规则，开发了面向可持续产品的材料选择专家系统。Ankush Anand通过对全生命周期的产品设计特征的分析，提出了绿色设计属性，利用有向图表示属性的关系，通过计算“一对一”矩阵函数指标值来优选替代产品设计。Sakundarini在产品设计时将可回收性纳入考虑范围，通过剖析设计参数之间复杂的关系，研究了基于遗传算法的多目标材料选择优化。Smith采用模块化设计理论，提出了一种面向绿色设计的平行的选择性拆卸规划方法，该方法可用于最大限度地提高产品的质量，降低产品成本，并减少对环境的影响。Chang等[6]结合QFD与DSM，提出了降低模块组数量的聚类算法，研究了模块化产品的绿色设计系统方法。此外，轻量化设计也是绿色设计的重要单元技术。国内清华大学、上海交通大学、南开大学以及东南大学等高校学者也都对绿色设计的方法论与优化算法进行了相关研究。
（2）绿色制造。绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。Ahmed提出了一種新的绿色制造系统模型，该模型能够捕捉各种制造规划活动，在不同制造阶段利用绿色控制指标与工具，指导生产活动从“少绿色”到“更绿色”的迁移。Vijayaraghavan和Chuang分别从使能技术、工艺过程以及实施要点等角度对绿色制造系统进行了全面的研究与分析。Corinne综合考虑生态、社会和经济指标，提出了绿色制造的评估体系，并研究了指标值的度量方法。美国加州大学伯克利分校的Barbara综述了绿色产品及其生产制造的实际发展，指出绿色制造今后需要加强研究的领域有产品生命周期的评估方法、制造工艺和供应链决策。重庆大学的刘飞教授科研团队在国内较早地提出了绿色制造模式，并就其实施流程、关键技术与推广应用进行了长期的深入研究。
结论
目前，绿色设计与制造的理论方法体系和框架虽然已经基本完成，但当前的研究主要集中在总结设计准则，规范设计/制造流程，构建设计模型，开发辅助工具等方面，对产品的详细设计指导相对较少。尽管从节能降耗需求出发，但是，因为缺乏有效的系统的能耗体系与数据，造成能耗（而不是材料、时间、成本等指标）与设计/制造环节相脱节，不能真正指导产品的节能降耗设计，优化后的产品开发也得不到有效合理的能耗评估。多学科优化技术可以有效地弥补上述的不足，面向起重机械全生命周期综合考虑其节能效果。
参考文献
[1] 李向东、原徐成、叶伟、李东波，浅谈起重机节能研究[J].起重运输机械，2013（8），64-65.
[2] 杨卓懿，无人潜器总体方案设计的多学科优化方法研究[D].哈尔滨工程大学，2012，4-5.
[3] 李向东、叶伟、原徐成、李东波，基于全生命周期能耗因素的桥式起重机节能评价研究[J].起重运输机械，2013（12），60-62.
[4] Anand A. Development of design methodology for product life cycle engineering [D]. Shri Mata Vaishno Devi University，2013.
[5] Sakundarini N， Taha Z， Abdul-Rashid S H， et al. Multi-objective optimization for high recyclability material selection using genetic algorithm[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2013， 68（5-8）： 1441-1451.
[6] 王洪磊.典型机电产品节能降耗设计的能量流建模、优化与应用[D].北京：清华大学，2011.
基金资助
国家质检总局科技计划项目（2012QK178）。