CN113971313A - 一种全寿命周期增材制造民机元件减重效益计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全寿命周期增材制造民机元件减重效益计算方法。即，开展钛合金、铝合金民机结构件的传统工艺制造和增材制造结构件的全寿命周期成本计算，需综合考虑加工费用、材料成本、时间成本、全寿命减重效益、工人薪资，以评估新技术应用的经济性。其中传统工艺制造成本计算有重量估算法、材料成本折算法、相似产品成本估算法，另外还有基于成本作业法。增材制造成本计算方法主要依据增材制造工艺的特点，其成本包括：重新设计成本、材料成本、打印成本、后处理成本。本发明的目的是，提供减重设计后的全寿命周期增材制造民机元件减重效益分析方法，为民机结构件的替换，从经济效益角度提供了更加科学合理的判断依据。

Description

一种全寿命周期增材制造民机元件减重效益计算方法

技术领域

本发明属于民航技术领域，具体为一种全寿命周期增材制造民机元件减重效益计算方法。

背景技术

随着当今科学技术的不断进步，工业水平的不断提高，先进制造工艺不断地出现，例如3D打印技术，使得原本经过传统加工工艺得到的民机元件有了更轻的质量，同时还能保持原有的机械性能。

民用飞机的重量是飞机的一项重要指标，对飞机使用空重进行有效控制和减重不仅可以减少燃油的消耗，还可以提高收益；因此，现在飞机制造商，如：波音、空客、中国商飞等公司，已在飞机次承力件上展开应用，将拓扑优化增材制造的民机结构件替换原有结构件，从而达到减重不减少性能的替换。但是对于这样的替换对于民用飞机的经济性来说需要一个成本的评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全寿命周期增材制造民机元件减重效益计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明所公开的一种全寿命周期增材制造民机元件减重效益计算方法，即，开展钛合金、铝合金民机结构件的传统工艺制造和增材制造结构件的全寿命周期成本计算，其中综合考虑加工费用、材料成本、时间成本、全寿命减重效益、工人薪资，以评估新技术应用的经济性。

进一步的，计算民机元件的传统制造工艺制造成本，估算方法可分为三种：重量估算法、材料成本折算法、相似产品成本估算法，另外还有基于成本作业法。

根据产品的生产成本是重量的函数进行成本估算。

C＝W×f_W

式中，C表示生产成本，W表示产品重量，f_W表示重量成本系数。

重量成本系数f_W是重量的函数，可以通过统计用最小二乘法正交回归曲线求得。重量成本系数f_W与重量W的关系的一般通式为：

f_W＝k×W^P

式中，k、p为系数，随着不同产品而异，可用作图法或解析法求得。

(1)作图法求重量成本系数

W-f_W一般关系曲线见图1(a)，为便于作图，常选用对数坐标，这样得出的关系曲线是一条直线，见图1(b)，通过W-f_W图可由任意重量求得相应的f_W。

(2)解析法求重量成本系数f_W

由通式f_W＝k×W_P取对数可得：

lgf_W＝lgk+p lg_W

图(b)中直线斜率为：

tanα＝(lgf_W2-lgf_W1)/(lg_W2-lg_W1)

对于所求的任意点，则有：

tanα＝(lgf_W-lgf_W1)/(lg_W-lg_W1)

可得，f_W＝f_W1(W/W₁)tanα

由于f_W＝k×W_P，则有：

K＝f_W1×W₁-tanα，p＝tanα

根据产品的材料成本来估算生产成本。

C＝C_M/m

式中，m表示材料成本率，C_M表示材料成本。

若已知某产品的生产成本C₀及相应的材料成本C_M0，新设计的同类产品材料成本C_M，根据材料成本率分析，可估算其生产成本。

C＝C₀ C_M/C_M0

根据几何相似的产品可按相似关系对生产成本进行估算。

C＝C_R+C_F+C_M

式中，C_R表示生产准备成本，C_F表示加工成本，C_M表示材料成本。

相似产品生产成本之间不存在固定的相似比例，其成本估算的思路是由长度相似比求有关各类成本的相似比，通过相似计算求得相似产品的各类成本，进而求得生产总成本。

两产品相似其几何尺寸、生产准备成本、加工成本和材料成本都成一定的比例。

几何尺寸比(长度相似比)

式中，分别为已知产品与所求相似产品的相应几何尺寸长度。

生产准备成本与已知产品生产批量n₀和所求相似产品的生产批量n有关，根据大量实例统计各批相似产品的生产准备成本比

是长度比

的0.5次方。

加工成本与加工面积有关，根据相似理论可推出面积比与长度比成平方关系，故加工成本比

是长度比

的二次方。

材料成本决定于产品的体积，而相似产品体积比与长度比成立方关系，故材料成本比

是长度比

的三次方。

根据以上分析，可得相似产品的成本。

式中：C_R0、C_F0、C_M0表示已知产品的生产准备成本、加工成本和材料成本，n₀、n表示已知产品与所求产品的生产批量；

表示所求产品与已知产品的长度相似比。

进一步的，计算民机元件增材制造的制造成本，由于民机结构件普遍采用金属3D打印，依据增材制造工艺的特点，其成本包括：重新设计成本、材料成本、打印成本、后处理成本。

根据上述增材制造成本内容，重新设计成本主要是设计人员对原始模型进行拓扑优化已达到减重而不减性能的重新设计，其成本主要以工作量衡量，为估计值。

材料成本，需要考虑材料利用率，其打印每个零件计算公式如下：

C_m＝(V_sup+V_part)ραP_powder

式中，V_sup表示模型支撑部分体积，V_part表示模型实体部分体积，ρ表示材料密度，α表示材料利用率，P_powder表示粉末单价。

打印成本，首先需要考虑机时，其包括了机器的使用费用、机器的折旧费用、机器作业产生的电费、人工成本以及场地租赁等一切费用；接着需考虑设备调整时间，为操作工操作成本，其主要是基板调整和预铺粉操作，其打印每个零件计算公式如下：

C_d＝(P_opT_set+P_m T_d)/N

式中，P_op表示操作人员时薪，P_m表示机器时薪，T_set表示设备调整时间，T_d表示打印时间，N表示每次打印的零件数量。

后处理成本，成形件打印完成后，首先需要进行冷却至常温，并依据实际需求对成形件进行磨削、热处理等再加工以获得符合要求的零件；因此本部分的成本将根据过往进行相同操作时的价格来预估，其每个零件计算公式如下：

C_h＝(P_opT_h+C_hot)/N

式中，P_op表示操作人员时薪，T_h表示后处理时间，C_hot表示热处理成本，N表示每次后处理的零件数量。

进一步的，将原始模型传统机械加工成本与减重设计增材制造成本相减，在加上燃油节约，大约可以计算出民机元件替换带来的经济效益，从而为民机元件的替换提供指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将会对实施例或现有技术中的技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明传统工艺制造重量估算法计算成本中W-fW系曲线；

图2是本发明航空燃油净现值估算中2006-2021年航空燃油价格。

具体实施方式

实施例中公开一种全寿命周期增材制造民机元件减重效益计算方法，具体以民机舱门摇臂结构件为例，其包括以下步骤：

根据民机结构件的原始模型，并结合现有民机结构件的历史加工成本，选用最适合的成本估算方法，估算其传统工艺制造成本；若无法使用成本估算方法计算其成本，则基于成本作业法计算传统工艺制造成本，舱门摇臂采用基于成本作业法计算方法，具体成本明细如下表1所示。

表1每个舱门摇臂传统工艺制造总成本

进行民机结构件的减重设计，得到满足实际工况要求的结构件模型，并依据增材制造工艺的特点，计算其增材制造成本，具体成本明细如下表2所示。

表2每个舱门摇臂增材制造总成本

根据全寿命周期减重效益分析，本发明估算了不同类型飞机每年单位重量的燃油消耗；假设飞机的使用空重减少1％大约会转化为所需的燃料减少1％，我们从波音的飞机特性中获得了几架波音系列飞机(727-777)的使用空重数据如下表3所示，进而可计算出各型号飞机每年每单位质量的节油量，及它们的平均值如下表4所示。

表3每架飞机每年节省燃油估计量

表4每个增材制造舱门摇臂的每年节省燃油估计量

为了评估增材制造轻量化零件的效益，计算了使用较轻重量增材制造的舱门摇臂，来计算潜在燃油节约的净现值，依据过去15年的航空燃油价格，来评估在这15年期间的每年每公斤的航空燃油成本节约，如图2所示为06年至21年航空燃油价格曲线。

根据燃油节约量的一阶估计，该方法提供每年的平均燃油节约，计算每单位质量的等效年节油量，并将其乘以模型的减少重量(0.256kg)，使用不同民机的平均节省值作为参考；假设燃料价格不变，我们用7％的贴现率计算15年内节约燃油的净现值，得舱门摇臂全寿命周期内减重带来的节省燃油的净现值范围$226-$311。

根据上述的计算，若使用拓扑优化增材制造零件替换原始零件，则制造成本将会提高，最后计算减重效益，可得当用拓扑优化点阵模型替换原始模型的数量达到9个以上时，将会带来收益。

尽管以上结合图表对本发明的实施方案进行了阐述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多种形式，这些均属于本发明的保护之列。

Claims (4)

1.一种全寿命周期增材制造民机元件减重效益计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

a，根据民机结构件的原始模型，并结合现有民机结构件的历史加工成本，选用最适合的成本估算方法，估算其传统工艺制造成本。若无法使用成本估算方法计算其成本，则选用基于成本作业法计算传统工艺制造成本；

b，进行民机结构件的减重设计，得到满足实际工况要求的结构件模型，并依据增材制造工艺的特点，计算其增材制造成本；

c，根据全寿命周期减重效益分析，本发明估算了不同类型飞机每年单位重量的燃油消耗。并根据燃油节约量的一阶估计，计算减重设计后的结构件在未来寿命周期内节约燃油的净现值；

d，根据全寿命周期减重效益分析结果对两种加工方式的制造成本进行比较，判断是否可采用减重设计后的模型进行增材制造来替换原始结构件。

2.根据权利要求1所述的传统工艺制造成本，其特征在于，可用三种估算方法：重量估算法、材料成本折算法、相似产品成本估算法，另外还有基于成本作业法可选；

根据产品的生产成本是重量的函数进行成本估算，计算公式如下：

C＝W×f_W

式中，C表示生产成本，W表示产品重量，f_W表示重量成本系数；

重量成本系数f_W是重量的函数，可以通过统计用最小二乘法正交回归曲线求得。重量成本系数f_W与重量W的关系的一般通式为：

f_W＝k×W^P

式中，k、p为系数，随着不同产品而异，可用作图法或解析法求得；

根据产品的材料成本来估算生产成本，计算公式如下：

C＝C_M/m

式中，m表示材料成本率，C_M表示材料成本；

若已知某产品的生产成本C₀及相应的材料成本C_M0，新设计的同类产品材料成本C_M，根据材料成本率分析，可估算其生产成本，计算公式如下：

C＝C₀C_M/C_M0

根据几何相似的产品可按相似关系对生产成本进行估算，计算公式如下：

C＝C_R+C_F+C_M

式中，C_R表示生产准备成本，C_F表示加工成本，C_M表示材料成本；

相似产品生产成本之间不存在固定的相似比例，其成本估算的思路是由长度相似比求有关各类成本的相似比，通过相似计算求得相似产品的各类成本，进而求得生产总成本，因此，两产品相似其几何尺寸、生产准备成本、加工成本和材料成本都成一定的比例；

几何尺寸比(长度相似比)，计算公式如下：

式中，分别为已知产品与所求相似产品的相应几何尺寸长度；

生产准备成本与已知产品生产批量n₀和所求相似产品的生产批量n有关，根据大量实例统计各批相似产品的生产准备成本比

是长度比

的0.5次方，得如下计算公式：

加工成本与加工面积有关，根据相似理论可推出面积比与长度比成平方关系，故加工成本比

是长度比

的二次方，得如下计算公式：

材料成本决定于产品的体积，而相似产品体积比与长度比成立方关系，故材料成本比

是长度比

的三次方，得如下计算公式：

根据以上分析，可得相似产品的成本为：

式中：C_R0、C_F0、C_M0表示已知产品的生产准备成本、加工成本和材料成本，n₀、n表示已知产品与所求产品的生产批量，

表示所求产品与已知产品的长度相似比。

3.根据权利要求1所述的增材制造成本，其特征在于，依据增材制造工艺的特点，其成本包括：重新设计成本、材料成本、打印成本、后处理成本，

材料成本，需要考虑材料利用率，其打印每个零件计算公式如下：

C_m＝(V_sup+V_part)ραP_powder

式中，V_sup表示模型支撑部分体积，V_part表示模型实体部分体积，ρ表示材料密度，α表示材料利用率，P_powder表示粉末单价；

打印成本，需要考虑机时，以及设备调整时间，其打印每个零件计算公式如下：

C_d＝(P_opT_set+P_mT_d)/N

式中，P_op表示操作人员时薪，P_m表示机器时薪，T_set表示设备调整时间，T_d表示打印时间，N表示每次打印的零件数量；

后处理成本，本部分的成本将根据过往进行相同操作时的价格来预估，其每个零件计算公式如下：

C_h＝(P_opT_h+C_hot)/N

式中，P_op表示操作人员时薪，T_h表示后处理时间，C_hot表示热处理成本，N表示每次后处理的零件数量。

4.根据权利要求1所述的燃油节约量的一阶估计，其特征在于，考虑燃油的价格的浮动，以及资金时间价值，增强了经济性的评价，节约燃油净现值计算公式如下：

式中，N表示年数，r表示贴现率，S表示民机平均每年节油量，P_fuel表示航空燃油价格。

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