Модульная конструкция - Modular design

Модульная конструкция или модульность конструкции - это принцип проектирования, который подразделяет систему на более мелкие части, называемые модулями (например, модульные технологические блоки ), которые можно независимо создавать, изменять, заменять или обменивать с другими модулями или между разными системами.

Обзор

Модульный дизайн можно охарактеризовать функциональным разделением на дискретные масштабируемые и повторно используемые модули, строгим использованием четко определенных модульных интерфейсов и использованием отраслевых стандартов для интерфейсов. В этом контексте модульность находится на уровне компонентов и имеет одно измерение - возможность размещения компонентов в слое. Модульная система с такой ограниченной модульностью обычно известна как система платформы, в которой используются модульные компоненты. Примерами являются автомобильные платформы или порт USB в платформах компьютерной инженерии .

В теории дизайна это отличается от модульной системы, которая имеет модульность более высоких измерений и степени свободы. Модульная конструкция системы не имеет определенного срока службы и демонстрирует гибкость как минимум в трех измерениях. В этом отношении модульные системы очень редки на рынках. Архитектурные системы Mero являются наиболее близким примером модульной системы с точки зрения жестких продуктов на рынках. Платформы вооружения, особенно в аэрокосмической отрасли, как правило, представляют собой модульные системы, в которых планер рассчитан на многократное обновление в течение срока его службы без покупки совершенно новой системы. Модульность лучше всего определяется размерами или степенями свободы формы, стоимости или эксплуатации.

Модульность предлагает такие преимущества, как снижение стоимости (настройка может быть ограничена частью системы, а не требует капитального ремонта всей системы), функциональная совместимость, более короткое время обучения, гибкость в дизайне, расширение или обновление без ограничений поколений (добавление новое решение, просто подключив новый модуль) и исключение. Модульность в платформенных системах дает преимущества в виде возврата прибыли к масштабированию, снижения затрат на разработку продукта, снижения затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание и времени выхода на рынок. Платформенные системы позволили широко использовать системный дизайн на рынках и дать производственным компаниям возможность отделять скорость цикла продукта от путей исследований и разработок. Самый большой недостаток модульных систем - проектировщик или инженер. Большинство проектировщиков плохо обучены системному анализу, а большинство инженеров плохо обучены проектированию. Сложность проектирования модульной системы значительно выше, чем у платформенной системы, и для этого требуются специалисты по дизайну и стратегии продукта на этапе концептуальной разработки системы. На этом этапе необходимо предусмотреть направления и уровни гибкости, необходимые в системе для предоставления модульных преимуществ. Модульные системы можно рассматривать как более полный или целостный дизайн, в то время как платформенные системы являются более редукционистскими, ограничивая модульность компонентами. Полная или целостная модульная конструкция требует гораздо более высокого уровня навыков и сложности проектирования, чем более распространенная система платформ.

Автомобили , компьютеры , технологические системы , солнечные панели , ветряные турбины , лифты , мебель , ткацкие станки , системы железнодорожной сигнализации , телефонные станции , трубные органы , синтезаторы , системы распределения электроэнергии и модульные здания являются примерами платформенных систем, использующих различные уровни модульности компонентов. Например, невозможно собрать солнечный куб из существующих солнечных компонентов или легко заменить двигатель на грузовике или перестроить модульный корпус в другую конфигурацию через несколько лет, как это было бы в случае модульной системы. Единственными сохранившимися примерами модульных систем на сегодняшнем рынке являются некоторые программные системы, которые перешли от управления версиями к полностью сетевой парадигме.

Модульная конструкция по своей сути сочетает в себе преимущества стандартизации массового производства , поскольку модульность невозможна без определенного уровня стандартизации (большие объемы обычно равны низким производственным затратам) с возможностями настройки . Степень модульности с точки зрения размеров определяет степень возможной настройки. Например, системы солнечных панелей имеют двумерную модульность, которая позволяет регулировать массив по измерениям x и y. Дополнительные размеры модульности могут быть введены путем создания модульной панели и ее вспомогательных систем. Размеры в модульных системах определяются как влияющие параметры, такие как форма, стоимость или жизненный цикл. Системы Mero имеют четырехмерную модульность, x, y, z и несущую способность конструкции. Как можно увидеть в любом современном конференц-пространстве, дополнительные два измерения модульности космической рамы обеспечивают гораздо большую гибкость в форме и функциях, чем двухмерная модульность Solar. Если модульность правильно определена и продумана в стратегии проектирования, модульные системы могут создать значительное конкурентное преимущество на рынках. Настоящая модульная система не должна полагаться на циклы продукта, чтобы адаптировать ее функциональные возможности к текущему состоянию рынка. Правильно спроектированные модульные системы также обладают экономическим преимуществом, заключающимся в том, что они не пропускают мертвую мощность, увеличивая коэффициент использования производственных мощностей и это влияет на гибкость затрат и ценообразования.

В транспортных средствах

Модульная конструкция Unimog позволяет устанавливать различные навесные орудия .

Аспекты модульной конструкции можно увидеть в автомобилях или других транспортных средствах, поскольку в них есть определенные детали, которые можно добавлять или удалять без изменения остальной части автомобиля.

Простым примером модульной конструкции в автомобилях является тот факт, что, хотя многие автомобили поставляются в базовой комплектации, доплата позволит «установить» обновления, такие как более мощный двигатель или сезонные шины; они не требуют каких-либо изменений в других узлах автомобиля, таких как шасси , рулевое управление, электродвигатель или аккумуляторные системы.

В машинах и архитектуре

В некоторых зданиях можно увидеть модульную конструкцию. Модульные здания (а также модульные дома) обычно состоят из универсальных частей (или модулей), которые производятся на заводе, а затем отправляются на строительную площадку, где они собираются в различные конструкции.

Модульные здания можно добавлять или уменьшать в размере путем добавления или удаления определенных компонентов. Это можно сделать без изменения больших частей здания. Модульные здания также могут претерпевать изменения в функциональности, используя тот же процесс добавления или удаления компонентов.

Модульные рабочие места

Например, офисное здание может быть построено с использованием модульных деталей, таких как стены, рамы, двери, потолки и окна. Затем интерьер можно разделить (или разделить) с помощью большего количества стен и снабдить столами, компьютерами и всем остальным, что необходимо для работающего рабочего пространства. Если офис необходимо расширить или перераспределить для размещения сотрудников, можно добавить или переместить модульные компоненты, такие как стеновые панели, для внесения необходимых изменений без изменения всего здания. Позже этот же офис можно разбить на части и преобразовать в торговое помещение, конференц-зал или здание другого типа, используя те же модульные компоненты, которые изначально составляли офисное здание. Затем новое здание можно переоборудовать, добавив в него все необходимое для выполнения желаемых функций.

Другие типы модульных зданий, которые предлагает такая компания, как Allied Modular, включают гауптвахту , машинное отделение , пресс-бокс , конференц-зал , двухэтажное здание, чистую комнату и многие другие приложения.

Относительно модульных зданий существует много заблуждений. В действительности модульное строительство - это жизнеспособный метод строительства для быстрорастущих и быстрорастущих компаний. Отрасли, которым это принесет пользу, включают здравоохранение, коммерцию, розничную торговлю, военное дело и многоквартирное / студенческое жилье.

В телевизорах

В 1963 году Motorola представила первый цветной кинескоп прямоугольной формы, а в 1967 году представила модульный бренд Quasar . В 1964 году он открыл свой первый научно-исследовательский филиал за пределами США, в Израиле, под управлением Моисея Басина. В 1974 году Motorola продала свой телевизионный бизнес японской Matsushita, материнской компании Panasonic .

В компьютерном оборудовании

Модульный компьютерный дизайн

Модульная конструкция компьютерного оборудования такая же, как и для других вещей (например, автомобилей, холодильников и мебели). Идея состоит в том, чтобы создавать компьютеры с легко заменяемыми частями, использующими стандартизованные интерфейсы . Этот метод позволяет пользователю легко модернизировать определенные аспекты компьютера без необходимости покупать еще один компьютер.

Компьютер - один из лучших примеров модульной конструкции. Типичные модули включают блоки питания , процессоры , материнские платы , видеокарты , жесткие диски и оптические приводы . Все эти части должны быть легко взаимозаменяемыми, если пользователь использует части, поддерживающие один и тот же стандартный интерфейс. Подобно модульности компьютера, были разработаны другие инструменты для использования модульной конструкции, такие как littleBits Electronics , которые соединяются вместе с взаимодействующими модулями для создания схем.

Для смартфонов (см. Также Модульный смартфон ) эта идея была исследована в Project Ara , который предоставил производителям платформу для создания модулей для смартфонов, которые затем могли быть настроены конечным пользователем. Fairphone использует аналогичный принцип, в котором пользователь может приобрести отдельные части для ремонта или обновления телефона.

Интеграция цифрового двойника в модульную конструкцию

Управление жизненным циклом продукта - это стратегия эффективного управления информацией о продукте (и семействах продуктов, платформах, модулях и частях) в течение его жизненного цикла . Исследователи описали, как интеграция цифрового двойника - цифрового представления физического продукта - с модульной конструкцией может улучшить управление жизненным циклом продукта.

Интеграция оценок жизненного цикла и энергопотребления в модульную конструкцию

Некоторые авторы отмечают, что модульная конструкция со временем привела к постоянному увеличению веса в автомобильной промышленности. Транкосси выдвинул гипотезу о том, что модульный дизайн может быть связан с некоторыми критериями оптимизации, вытекающими из конструктивного закона . Фактически, конструктивный закон является модульным по своей природе и может применяться с интересными результатами при разработке простых систем. Это применимо с типичной схемой оптимизации снизу вверх:

  • систему можно разделить на подсистемы (элементарные части) с помощью древовидных моделей;
  • любую сложную систему можно представить в виде модулей, и можно описать, как различные физические величины проходят через систему;
  • анализируя различные пути потока, можно идентифицировать критические компоненты, которые влияют на работу системы;
  • Оптимизируя эти компоненты и заменяя их более производительными, можно улучшить производительность системы.

Лучшая формулировка была получена в ходе проекта MAAT EU FP7. Был сформулирован новый метод проектирования, который сочетает вышеупомянутую оптимизацию снизу вверх с предварительным планом сверху вниз на системном уровне. Двухэтапный процесс проектирования был мотивирован учетом того, что конструктивное и модульное проектирование не относится к какой-либо цели, которая должна быть достигнута в процессе проектирования. Теоретическая формулировка была предоставлена ​​в недавней статье и успешно применена к конструкции небольшого самолета, концептуальному проекту инновационного пригородного самолета, конструкции новой энтропийной стены и инновационного внедорожника, предназначенного для повышения энергоэффективности. .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение