第三节　深层应用之一：产品再设计

产品再设计是仿真技术在产品研发方面的体系化发展和深层次应用，是近几年业界提出的一套将仿真技术与突破性新工艺（本书称之为精密制造，包括增材制造、精密铸造等）相结合的一套产品设计方法。

1.产品再设计概念

产品再设计是仿真技术的升华应用，是一种全新的工程设计思想和方法。它让研发设计回归需求本源，重新审视原有设计，以最自然的方式来探索设计的本质，效法自然；剔除以前由于各种原因或限制导致的不合理之处，或纠正以往对客户需求的错误认知或满足偏差，重新设计核心零部件或整机，达到当前技术条件和认知水平下的最优。

之所以能做再设计，往往是由于突破性新技术和新工艺的出现与成熟。再设计其实就是把握这些已有的新技术和工艺，促使其成果最大化。产品再设计就是将工程仿真手段和精密制造先进工艺相结合。由于精密制造技术具有任何复杂产品均可制造的特点，彻底解放因制造工艺的限制而对产品设计带来的制约，使得在产品研发设计过程中，工程师只需关注产品功能的最佳而无须顾忌制造工艺的约束，极大地拓展了设计人员的自由设计空间，使他们能最大限度地发挥创新性，做到“效法自然”。工艺束缚的消失使得传统的产品设计模式将被根本性颠覆，真正实现仿真驱动产品设计。这样不仅可以对各类工业产品整机及其关键零部件进行程度不一的改良，甚至能够实现颠覆式创新。

由于再设计过程产生的均是非标准化甚至反传统的产品，没有设计标准及知识经验可参考，唯一能依赖的设计手段就是工程仿真和实物试验。在再设计体系面前，传统的标准、规范、知识和经验都将失效甚至成为创新的制约。掌握仿真技术并进行了大量工业实践应用的组织将具有更强的竞争力，成为中国产品再设计体系的主力团队。

2.产品再设计流程

图1-13展示了再设计的完整过程。首先是追根溯源，回归需求本源，重新审视原有设计，获取再设计对象（核心零部件或整机）的设计指标和边界条件，作为再设计的输入。

然后，采用仿真模拟、设计创新、参数优化、拓扑优化等手段开展创新设计，并借助虚拟试验技术进行验证。在设计过程中，工程师完全可以打破工艺束缚，只专注于需求，设计任何结构的产品。

最后进行物理试验，这有可能是一个迭代过程。在精密制造技术的支撑下，将实现快速迭代，并尽快实现再设计定型，以及推出最终的目标产品。在这一过程中，实现对再设计对象的跨量级优化，系统性能指标将有明显提升。

图1-13　产品再设计流程

3.产品再设计实例

产品通过优化手段再设计后会获得明显优势，有可能颠覆大量工业行业。从已经完成再设计的产品来看，在维持原装备性能、不改变装备制造材料的前提下，通过再设计，普遍可以实现减重15%～60%。

目前再设计已经在装备制造、汽车、航空航天等多个领域发挥了巨大作用，也涌现出数目众多的成功案例。图1-14展示了汽车前桥的再设计案例。

·在原结构基础上，将内部镂空和加筋处理，采用精密制造技术整体成形，实现了将原来由78个钢制零件连接而成的前桥壳整体制造成一个铝制零件的目标，在不降低性能指标的前提下，减重达到63.2%。

·重量的下降使得产品在使用过程的能耗、仓储、运输方面的节能降耗的效益更为巨大。

·省略了焊接环节及其他各种连接模式，提高了装备的整体可靠性，减少了污染。

·整体制造的车桥有精确的近净形尺寸精度与形位公差，减少了后续的机械加工甚至可以免加工，实现了使用过程中的高效率替换和维修。

图1-14　汽车前桥再设计

4.产品再设计效益

产品再设计的直接效益是节材减重。通过再设计，普遍可以实现装备减重15%～60%。

产品再设计的间接效益是绿色生态。产品节材减重之后，在全生命周期形成一个绿色产业链，譬如体积减小、仓储节约、降低材料要求、寿命延长、成本降低、节能降耗、环保治污等。绿色效益往往是节材效益的五倍之多。

产品再设计的第三种效益是效能跨越。譬如有效载重、机动性能、动力效能、产品质量、可靠性都将提高。例如，航天某院武器系统壳体重量实现了超过50%的降低，使之在动力系统明显落后的情况下，实现了在航程、航速、精确性方面对仿制对象的全面超越；某飞机的导弹挂架经过再设计减重后可以增挂数发导弹，提升战斗力，减少空载油耗，扩大作战半径。