产学研合作知识创造过程的阶段特征

3.3.2　产学研合作知识创造过程的阶段特征

目前空调室外机新品开发在结构设计方面的工作主要包括：钣金件设计、风机风道匹配和配管设计。其中，结构设计的任务主要体现为配管的设计。因为钣金件结构和风机风道相对而言通用性较强，多款机型可共用同一套钣金件和风机风道系统。而空调外机的配管设计优劣直接影响到外机的振动和噪声大小。由于设计不当导致振动过大造成的结构失效破坏已经成为影响空调产品可靠性的重要原因，因此给产品品质形象带来的负面影响也是严重的。目前国内空调生产企业产品设计中很大程度上还依赖于工程师的设计经验，在产品的物理样机制造出来之前对产品结构的动力学响应缺乏定量的判断，一般到实验测试验证阶段才能发现设计时存在的失误和缺陷，造成产品设计周期延长，研发费用上升。经过多年的技术积累，MD制冷集团空调业配管设计水平虽然有了很大提升，但在实际设计过程中也同样存在上述同样问题，而且光靠自身实力难以有效解决。在这样的背景下，工程师们迫切需要借助辅助设计系统对产品进行动力学响应分析，仿真和测试，以便及时发现结构中存在的问题，在产品试制之前进行有效的整改，可以大大加快新产品研发周期，保证产品的可靠性。

3.3.2.1　阶段一

该合作项目缘起于一次产品质量事故。2007年MD集团家用空调国际事业部的某款外销机型回气管出现批量性断管事故（如图3.3所示）。批量性断管对空调制造企业而言是一种严重质量事故，不仅维修赔付费用惊人，更会严重损害企业品牌形象，尤其在集团雄心勃勃积极开拓的国际市场的当口。因此MD集团上下非常重视，要求技术管理部与事业部研发中心、制造中心一道组成专项调查团队，找到问题的根源。

调查结果让大家十分无可奈何：因为该机型的配管设计方案是借鉴了某款已经应用多年的内销机型的非常成熟的设计方案。尽管外销机型配管总体布置方案没有变化，但是各直线段长度与被借鉴的机型存在差异，导致配管的模态频率、振型等特征发生了较大变化，使配管在图示部位应力较大，最终引起疲劳破坏。而其他几款借鉴了同样设计方案的机型却没有遇到类似问题。调查团队对在何种情况下该设计方案可以无风险的继续应用没有得出进一步的结论，更无从进行定量分析。这是因为目前企业缺乏对配管的振动状况、应力水平等可靠性指征进行准确预测的手段（目前可靠性仅能依靠工程师设计经验和有限的样机实验），而如果可靠性验证环节不科学或者验证过程不够充分，批量性断管事故的发生就不可避免。

图3.3　断管案例示意图

在上述调查的基础上，调查团队重新审视了事业部空调配管设计过程，认为目前空调配管的设计和测试环节存在以下问题：

1.过度依赖经验设计，一次设计成功率低

目前，配管设计工作尚未形成可靠的技术标准，因此整个设计过程极度依赖工程师的经验。而制约产品开发进度配管设计方案的优劣直接关系到整机的振动、噪音及可靠性等指标。在传统研发模式下，单纯依靠工程师经验无法对其动力学响应做出准确的预测，因此工程师对于设计出来的方案是否能够在振动、噪音及可靠性等指标方面满足要求没有把握，只能依赖样机实验对其进行考察。由于上述原因，初次设计出来的方案经常会在实验中出现这样那样的问题，能够一次性通过样机测试的几率很低，而且当样机需要整改时，也常常因为缺乏方向性指导而存在较大的盲目性。按照目前的研发流程，通常需要经过“配管设计→装样机测试→配管设计方案整改→装样机再测试”等反复多次才能达到预期指标，导致研发周期延长，同时反复组装样机也极大地提升了新产品开发的成本。调研中工程师们纷纷表示配管设计已经成为影响空调开发进度的一个关键环节。

2.盲目仿制“成熟”方案，设计风险较大

迫于开发进度压力，很多工程师，尤其是缺乏设计经验的年轻工程师，常常借鉴“成熟”方案进行设计，但作为一个复杂的空间管路，不同机型即便采用相似的设计方案，也可能导致配管固有频率、振型等模态特征发生很大变化，致使配管的振动、应力状况发生很大改变。

盲目借鉴的另一个后果，就是设计思路过于保守导致材料成本很高。因为意识到断管事故造成的后果非常严重，因此目前配管设计方案通常偏于保守，配管长度设计过长，材料性能没有得到充分利用，给企业带来很大的成本压力。

3.配管测试方法和流程不科学，测试结果一致性较差

在研发过程中，对于配管的测试分析是验证配管设计方案可靠性及预防严重质量缺陷的重要一环，具有非常重要的作用。但是当前国内空调行业配管测试分析方式不够科学，导致结果一致性很差。

对于配管可靠性的测试评价，目前行业内大多采取振幅测试评价和应力测试评价。MD集团（国内大多数企业也同样）采用的是振幅测试评价，即以测试配管振幅最大部位的振幅值，如果超出企业内定标准，即视为不合格。振幅测试简便易行，但是测试依据不够科学。其原因是：反映配管工作可靠性的最直接的指标是应力，对于不同的机型而言，配管最大振幅高，并不一定意味着该配管的应力就大。而MD集团之所以不采用应力测试评价是因为该测试过程远较振幅测试复杂，粘贴应变片等实验准备工作费时费力，设备调试也有一定难度，工作效率较低，不能满足大批量机型的研发测试需求。此外由于应变片不能重复使用，因此测试费用较高。

MD配管可靠性测试流程的随意性也较大，如MD要求振幅测试在运输、跌落试验以后进行，但跌落试验会引起配管的塑性变形，造成配管状态不可恢复。此外，由于跌落试验时跌落瞬间的初始状态由实验员人为控制，造成实际跌落过程及跌落状态具有很大的随意性，使配管发生的塑性变形也具有很大的随意性。而配管发生塑性变形之后模态特征等会发生很大变化，此时即便受到同样的载荷，反映出来的振动水平也会差别很大，这是目前配管振幅测试中“一致性”很差的原因之一。

一个完善的测试评价体系应当基于多年的测试数据积累，经过专门人员的分析研究确定。但MD由于以往的测试分析数据积累不足，目前对于配管可靠性的测试评价标准大多基于经验给出，缺乏科学的分析及数据支持。因此在实践过程中经常遇到为满足评价标准而导致开发进度延误的情况。

上述问题究其根本原因，还是缺乏正确的设计方法和技术规范，缺少科学高效的振动及可靠性分析平台，缺失测试评价标准的科学依据，导致配管设计和测试存在较大盲目性。

3.3.2.2　阶段二

在上述问题的基础上，调查组提出了改善原有配管设计模式的思路：

1.改变经验设计和借用模式

现代机电产品的设计研发已经进入精确设计的阶段，因此必须引入能够对配管动力学进行精确计算分析的设计手段，并在方案设计阶段即对配管的振动、应力等情况能够进行准确的预测，改变以前必须借助实验测试才能发现问题的工作模式。

2.重视仿真分析，提高分析效率

必须立足开发本行业的专门分析软件。基于行业产品特征，将CAE分析过程标准化，以现有CAD开发工具为平台，强化CAD/CAE系统集成，提高分析效率。在配管产品设计阶段引入振动仿真分析及仿真实验，替代现有的部分开发及测试流程。在产品开发过程中，设计初期以仿真实验代替物理实验，充分考察设计方案的不足和缺陷，待仿真分析结果比较理想之后再进行物理样机的各项测试和实验。

3.分析过程标准化，减少人工干预

根据本行业产品的要求，梳理确定分析项目和分析过程，利用软件分析平台实现分析过程的标准化，如将配管CAE分析结果以某种标准化格式的报告来提供，可以提高其可读性，便于进行方案评审和指导相应的整改工作。使工程师需要完成的分析工作简单易行，能够方便地纳入日常工作体系。

在明确上述需求的基础上，调查组申请设立产学研合作项目，开发一款空调器配管振动分析和优化设计CAE集成系统（下简称CAE项目），由集团技术管理部下属CAD/CAE平台（下简称CC平台）牵头。

通过网上对相关研究领域学者的检索，以及博士后工作站同事的推荐，CC平台主任与HF工业大学L教授取得了联系。L教授2002-2004年曾在MD集团博士后工作站工作，其研究领域涉及机构动力学，数字化设计与动力学性能仿真，机械振动噪音控制，性能驱动的机械结构优化设计等多个领域。在博士后工作期间接受MD制冷设备有限公司委托，先后承担了包括“空调器配管结构优化方法研究”，变频空调振动噪音控制及配管动力优化集成系统开发，空调室外机整机振动控制研究等多项科研项目，积累了大量配管设计及仿真模拟的实践经验，并对相关行业技术发展的趋势和市场需求具有较为深刻的了解。

合作项目从2008年上半年开始，L教授针对调研分析结论，以及多年的配管分析案例和数据积累，与2008年下半年开发成功了一套空调器配管专用振动分析及优化设计软件系统（下简称C系统）原型（DEMO），可以初步对经过预处理的空调配管UG模型自动提取数据、建模、分析及优化，并给出标准化格式的分析报告。基本实现了CAD装配体模型数据的提取工作，以及CAD模型数据与CAE分析数据之间的链接。并在空调外机整机三维仿真模型基础上，进行整机的固有频率、振动响应的计算，通过对结果进行评价，来确定配管的最终优化设计方案。利用高级程序语言Visual C＋＋设计了友好的操作界面（软件主界面如图3.4所示），依靠此系统，工程师们基本能够在此界面上完成从数据提取、仿真计算到结果查看的整个过程。软件的功能模块简介如表3.2所示。

图3.4　软件主界面

资料来源：MD集团技术中心内部资料（图片应案例企业要求做了适当处理）

表3.2　空调器配管专用振动分析及优化设计软件功能模块

资料来源：MD集团技术中心内部资料

3.3.2.3　阶段三

得到该系统DEMO之后，MD集团如获至宝，立即拿出了30几个不同型号的已经上市的空调产品（其配管设计都比较成熟）对该CAE系统进行全方位的验证和测试，包括器件的应用性、方便性、仿真结果的准确性、逻辑debug……结果令人大跌眼镜，最终的检测报告中给出了32个大的问题，例如最突出的一个问题是器件的通用性很差，如在某一型号的产品中，压缩机、管路、二通阀的设计都没有问题，但在另一型号产品的检测中，各器件就完全面目全非甚至不识别了，更别提调用了。此外，由于系统本身有限元算法的局限，以及对配管设计细节的忽略，很多成熟设计的仿真结果与实际运行工况存在一定的误差，这些误差包括压缩机激励力分布、实际模型的质量、密度及壁厚等。再有就是该系统只适用于有限的产品线，在测试过程中，首先发现中央空调这类大型的复杂度较高的产品不适用该系统。测试过程中发现该CAE系统对柜机和台式机进行仿真和优化的过程中仍然存在一些问题，最后只剩下家用机。而家用机中的变频机也不适用，最后确定对家用定频机几乎完全适用，但对个别参数仍需进行调整。

针对这些问题，L教授与CC平台进行了几个月的反复改进，期间进行了数十次的正式沟通，多次互派人员进行沟通讨论。到2009年2月该系统终于可以在家用定频空调的多数产品配管设计中使用。在不断改进和完善系统的过程中，CC平台的相关人员学到了很多系统与产品型号匹配，以及软件应用的相关知识。

3.3.2.4　阶段四

CAE系统开发成功后，CC平台立刻开展培训和推广工作。推广过程总体上是顺利的，但具体实施过程中还是遇到了不小的阻力。推广工作的负责人，集团技术管理部副总监对此深有感触：“习惯了依靠经验设计的工程师们很顽固，不愿意改变设计习惯，这是推广过程中遇到的最大障碍。此外开发任务确实较重，项目开发进度很紧，工程师们没有时间也不愿意学习新的方法，而且目前也没有鼓励工程师学习和采用新知识新技术的激励措施。”

为此CC平台采取多种方式推进推广工作：

首先，邀请L教授及业内技术专家公开授课，授课时间为双休日，主要面向CC平台推广人员，没有设计经验的年轻工程师以及开发工作暂时不紧张的工程师。

其次，通过一对一的手把手传帮带的方式推广。

最后，CC平台推广人员介入很多开发项目，与开发工程师同时设计，在共同设计的过程中帮助工程师熟悉和使用新系统。

新系统的应用取得了良好的效果，例如2009年2月最先导入该CAE系统家用空调国际事业部研发部门开始使用该CAE系统（CC平台人员也介入了设计过程），第一批批量设计的产品上半年就投放市场了。由于极大地节省了样机成本，加快了设计优化进程，提高了开发速度，新设计的产品成本平均每台至少下降了1%，最多甚至下降了5%～8%。

3.3.2.5　阶段五

该产学研合作项目之所以取得成功并对集团配管设计开发工作起到重大影响的一个重要原因是：集团并没有仅仅满足于对CAE系统导入和消化，更重要的是基于CAE系统在更高的层次上（如开发流程）进行了调整和整合，收到了更好的效果。

首先，由于CAE系统的引入，集团改进了配管设计规范，不但设计时要强制使用仿真分析，对分析结果作为流程文档进行妥善管理，而且仿真分析报告要作为一个必备的技术文档存档。

其次，集团基于CAE系统建立了最优器件和设计的数据库：积累了性能较为稳定的器件和设计的数据库，对一些常用的器件如脚垫、压缩机、四通阀以及一些设计可以进行很灵活的调用。一方面节省了重复开发设计的时间，又增强了产品的标准性和通用性，很好地实现了知识共享。

另一方面，L教授通过本项目以及之前相关科研项目的积累，成功申请到了广东省教育部产学研合作专项--基于产品特征的空调器配管动力分析及优化设计平台开发（2007A090301003），为自身的科研开拓了一块更广阔的天地。

3.3.2.6　阶段六

在访谈中，我们了解到，L教授所开发的CAE系统仅仅是许可给MD制冷集团使用，而非转让。同时我们也了解到，L教授同科龙空调器有限公司和滁州扬子空调器有限公司等也开展了类似的合作项目，因此，可以预见，有关空调配管振动和优化的CAE系统知识很快会随着项目的开展而扩散到其他企业。

当谈及本项目核心技术的未来发展时，工程师们指出该CAE所依据的有限元算法是当前发展非常迅速的一个领域，目前美国PTC公司的Pro/ENGINEER软件在空调管路系统的三维建模方面，以及美国有限元分析软件ANSYS软件都得到了日益广泛的应用。随着有限元算法和建模技术的进一步发展，一定会有精度更高，通用性更好的系统来取代现有的系统。

3.3.2.7　阶段七（未来）

在访谈中，工程师们也谈到了未来潜在的技术需求，即希望新技术能够创造适用性更强的，设计功能更强大的CAE系统。目前开发的CAE系统仅适用于家用定频机，而对复杂程度更高的中央空调、台式机和柜机并不适用。此外变频空调是未来空调行业发展的必然趋势，因此对适用于变频空调配管设计的CAE系统的需求也是很迫切的。

综上所述，本CAE系统开发产学研合作项目的知识转化过程，如图3.5所示。