第三節　深層應用之一：產品再設計

產品再設計是仿真技術在產品研發方面的體系化發展和深層次應用，是近幾年業界提出的一套將仿真技術與突破性新工藝（本書稱之為精密制造，包括增材制造、精密鑄造等）相結合的一套產品設計方法。

1.產品再設計概念

產品再設計是仿真技術的升華應用，是一種全新的工程設計思想和方法。它讓研發設計回歸需求本源，重新審視原有設計，以最自然的方式來探索設計的本質，效法自然；剔除以前由于各種原因或限制導致的不合理之處，或糾正以往對客戶需求的錯誤認知或滿足偏差，重新設計核心零部件或整機，達到當前技術條件和認知水平下的最優。

之所以能做再設計，往往是由于突破性新技術和新工藝的出現與成熟。再設計其實就是把握這些已有的新技術和工藝，促使其成果最大化。產品再設計就是將工程仿真手段和精密制造先進工藝相結合。由于精密制造技術具有任何復雜產品均可制造的特點，徹底解放因制造工藝的限制而對產品設計帶來的制約，使得在產品研發設計過程中，工程師只需關注產品功能的最佳而無須顧忌制造工藝的約束，極大地拓展了設計人員的自由設計空間，使他們能最大限度地發揮創新性，做到“效法自然”。工藝束縛的消失使得傳統的產品設計模式將被根本性顛覆，真正實現仿真驅動產品設計。這樣不僅可以對各類工業產品整機及其關鍵零部件進行程度不一的改良，甚至能夠實現顛覆式創新。

由于再設計過程產生的均是非標準化甚至反傳統的產品，沒有設計標準及知識經驗可參考，唯一能依賴的設計手段就是工程仿真和實物試驗。在再設計體系面前，傳統的標準、規范、知識和經驗都將失效甚至成為創新的制約。掌握仿真技術并進行了大量工業實踐應用的組織將具有更強的競爭力，成為中國產品再設計體系的主力團隊。

2.產品再設計流程

圖1-13展示了再設計的完整過程。首先是追根溯源，回歸需求本源，重新審視原有設計，獲取再設計對象（核心零部件或整機）的設計指標和邊界條件，作為再設計的輸入。

然后，采用仿真模擬、設計創新、參數優化、拓撲優化等手段開展創新設計，并借助虛擬試驗技術進行驗證。在設計過程中，工程師完全可以打破工藝束縛，只專注于需求，設計任何結構的產品。

最后進行物理試驗，這有可能是一個迭代過程。在精密制造技術的支撐下，將實現快速迭代，并盡快實現再設計定型，以及推出最終的目標產品。在這一過程中，實現對再設計對象的跨量級優化，系統性能指標將有明顯提升。

圖1-13　產品再設計流程

3.產品再設計實例

產品通過優化手段再設計后會獲得明顯優勢，有可能顛覆大量工業行業。從已經完成再設計的產品來看，在維持原裝備性能、不改變裝備制造材料的前提下，通過再設計，普遍可以實現減重15%～60%。

目前再設計已經在裝備制造、汽車、航空航天等多個領域發揮了巨大作用，也涌現出數目眾多的成功案例。圖1-14展示了汽車前橋的再設計案例。

·在原結構基礎上，將內部鏤空和加筋處理，采用精密制造技術整體成形，實現了將原來由78個鋼制零件連接而成的前橋殼整體制造成一個鋁制零件的目標，在不降低性能指標的前提下，減重達到63.2%。

·重量的下降使得產品在使用過程的能耗、倉儲、運輸方面的節能降耗的效益更為巨大。

·省略了焊接環節及其他各種連接模式，提高了裝備的整體可靠性，減少了污染。

·整體制造的車橋有精確的近凈形尺寸精度與形位公差，減少了后續的機械加工甚至可以免加工，實現了使用過程中的高效率替換和維修。

圖1-14　汽車前橋再設計

4.產品再設計效益

產品再設計的直接效益是節材減重。通過再設計，普遍可以實現裝備減重15%～60%。

產品再設計的間接效益是綠色生態。產品節材減重之后，在全生命周期形成一個綠色產業鏈，譬如體積減小、倉儲節約、降低材料要求、壽命延長、成本降低、節能降耗、環保治污等。綠色效益往往是節材效益的五倍之多。

產品再設計的第三種效益是效能跨越。譬如有效載重、機動性能、動力效能、產品質量、可靠性都將提高。例如，航天某院武器系統殼體重量實現了超過50%的降低，使之在動力系統明顯落后的情況下，實現了在航程、航速、精確性方面對仿制對象的全面超越；某飛機的導彈掛架經過再設計減重后可以增掛數發導彈，提升戰斗力，減少空載油耗，擴大作戰半徑。