Основные подходы, реализованные при разработке методики проектирования под заданную стоимость

Разработка наукоемкой продукции в современных условиях ставит перед проектировщиками ряд задач, ранее не характерных для отечественной промышленности. Эти задачи, как правило, не могут быть успешно решены посредством методологии, разработанной для условий командной экономики бывшего СССР. Продолжающееся в течение многих лет игнорирование вновь возникающих проблем осложняет и без того близкое к критическому положение в отечественном машиностроении.

Одна из упомянутых задач связана с проблемой выдерживания стоимостных ограничений в процессе проектирования. На данный момент методологии, позволяющей проектировать изделия под заданную стоимость, не существует. Соответственно, отсутствует и основа для разработки новых изделий в условиях рынка.

Автором статьи была разработана методика, позволяющая выбирать показатели конструктивно-технологического облика в соответствии с ограничениями, наложенными на себестоимость изделия. Результат достигается путем ограничения показателей ресурсоемкости конструкторско-технологического облика (КТО) изделия с последующим выбором конструктивно-технологических решений, удовлетворяющих этим ограничениям.

Расходы, составляющие себестоимость изделия, можно разделить на три группы – оплату труда, расходы на материалы и прочие расходы, включающие расходы, доля которых в общей величине издержек невелика. Тогда себестоимость изделия можно представить в виде:

где С_Т, С_М – компоненты себестоимости, зависящие от ресурсоемкости изделия (трудо- и материалоемкости соответственно); k_N– коэффициент серийности; k_ФОТ – коэффициент издержек, исчисляемых на базе фонда оплаты труда; Т_i– трудоемкость i-й операции при изготовлении изделия; З_i – стоимость единицы трудоемкости при выполнении i-й операции; – масса заготовок i-го материала; М_i– цена i-го материала.

Основным направлением воздействия на себестоимость по предлагаемой методике является управление сложностью изделия.

Таблица 1. Стоимостные параметры втулок лазличной сложности формы

Под сложностью системы здесь понимается свойство, отражающее многочисленность и разнообразие составляющих ее подсистем, а в отношении КТО изделия – многочисленность и разнообразие элементов конструкции и технологических процессов.

На рис. 1 показаны втулки, изготавливаемые за один переход на одном типе оборудования. Различия в сложности их формы обуславливают различия затрат на оплату труда и в себестоимости в целом (табл. 1).

Рис. 1. Варианты конструкции и технологии изготовления втулок

В этом примере сложность характеризуется показателем интегральности формы, который определен обратным отношением количества примитивов и связей, составляющих полностью определенные эскизы, использованные для построения твердотельных моделей втулок в САПР методом вращения профиля.

Исследования показали, что характеристикой сложности КТО может служить показатель интегральности вида:

где P_i^T и P_j^C– показатели интегральности технологии и конструкции.

Интегральность КТО изделия выражает целостность его конструкции и технологии изготовления, и эта величина тем выше, чем меньше число конструктивных элементов и необходимых технологий при фиксированном уровне качества.

Показатели интегральности технологии и конструкции составляют систему показателей интегральности Р вида:

где n – количественная характеристика исследуемого аспекта изделия.

Система показателей интегральности имеет структуру типа "дерево" (рис. 2), которая на каждом ярусе, соответствующем определенному этапу разработки, разделяется на составляющие. Узловой точкой первого яруса является показатель интегральности изделия Р_И, обобщающий сложность всех его аспектов и проявлений.

Рис. 2. Структура системы показателей интегральности изделия

В зависимости от текущего этапа разработки состав показателей интегральности изменяется. В результате исследований было установлено, что на этапе эскизного проектирования интегральность КТО изделия определяется показателями интегральности типов технологий, технологических процессов, типов/типоразмеров входящих деталей и сборки :

где n_TT– количество типов технологий (деление по признаку реализованного метода преобразования материала); n_ТП– количество технологических процессов; n_ТД – количество типов и типоразмеров входящих деталей; n_ПД – количество пар соединяемых деталей.

После определения "весовых" коэффициентов α показатель интегральности КТО может применяться при разработке изделия. В проведенных исследованиях использовалось выражение показателя интегральности КТО (7), в котором весовые коэффициенты были определены методом экспертных оценок:

С использованием выражения (7) была построена статистическая зависимость трудоемкости Т от показателя интегральности Р_КТО для нескольких изделий каркасной конструкции типа люков, дверей и съемных панелей площадью от 1,5 до 4 м² (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость трудоемкости изготовления от интегральности КТО изделия

В разработанной методике расходы на материалы приняты в качестве "вторичной" величины, определяемой после формирования конструктивного облика изделия.

По всей видимости, учет расходов на материалы необходимо выполнять параллельно с принятием решений, касающихся конструктивных и технологических аспектов изделия. Данные, позволяющие конструкторам спрогнозировать материалоемкость проектируемых изделий, могут быть получены в результате опережающих исследований.

В проведенных исследованиях для учета расходов на материалы использовалось выражение

где Ц_М – цена i-го материала; М – масса i-го материала в конструкции изделия; КИМ – коэффициент использования материала.

Методикой предусматривается следующая последовательность процедур:

1. Из заданной величины себестоимости выделяются компоненты, определяемые трудоемкостью и материалоемкостью изделия.

2. По формуле (2) из расчетной величины С_Т  определяется максимальная величина трудоемкости изделия T_MAX.

3. По зависимости трудоемкости изделия от величины Р_КТО (рис. 3) определяется минимальное значение , соответствующее максимальному значению трудоемкости T_MAX.

4. Определяется область существования альтернативных вариантов КТО изделия. При подстановке  в формулу (7), она принимает вид неравенства с несколькими переменными, с помощью которого можно оценивать соответствие альтернативных КТО ограничению по трудоемкости.

5. Формируются системы решений в соответствии с требованиями к изделию, после чего оценивается трудоемкость альтернатив и, при необходимости, вносятся коррективы в КТО.

6. Оценивается материалоемкость изделия и соответствие расходов на материалы ограничению по материалоемкости. При необходимости выполняется корректировка соотношения компонентов себестоимости с последующим пересчетом трудоемкости и интегральности.

7. По полученным результатам выбирается альтернатива, соответствующая предъявленным требованиям.

Разработанная методика была опробована при решении задачи проектирования стабилизатора вертолета. В ней требовалось сформировать альтернативный вариант КТО агрегата, позволяющий снизить его себестоимость не менее, чем на 35% (не более 8890,2 у.е.) по сравнению с исходной конструкцией при условии соответствия жестким требованиям по функциональности, аэродинамике, массе и прочности.

Исходный вариант стабилизатора (рис. 4) представляет собой однолонжеронное крыло каркасной конструкции, себестоимость которого составляет 13677,2 у.е.

Рис. 4. Стабилизатор вертолета и его технологическое членение

Рассматривались четыре концепции КТО:

1. Трехслойная конструкция (рис. 5).

Рис. 5. Сечение стабилизатора: 1 – обшивка; 2 – заполнитель; 3 – вкладыш; 4 – хвостовой стрингер

Обшивка, вкладыш, бортовая и концевая нервюры изготавливаются из стеклоткани методом выкладки; заполнитель – из стеклянного войлока. Операции пропитки, склеивания и формования совмещаются, благодаря чему сокращается производственный цикл. В конструкции используется клей-пленка. Раскроенные детали и клей укладываются в соответствующей последовательности в оснастку, после чего выполняется формование.

2. Цельная многоконтурная конструкция, выполненная методом намотки углеволокна (рис. 6).

Рис. 6. Сечение стабилизатора

3. Конструкция с D-образным лонжероном из стеклопластика, выполненным методом намотки (рис. 7).

Рис. 7. Сечение стабилизатора: 1 – лонжерон, 2 – обшивка хвостового отсека, 3 – заполнитель хвостового отсека, 4 – хвостовой стрингер

4. Конструкция из термореактивной пластмассы (рис. 8), состоящая из двух деталей – консоли и корневой нервюры, прессуемых за один переход.

Рис. 8. Сечение стабилизатора

Результаты оценки интегральности и себестоимости альтернатив приведены в табл. 2 и 3.

Т а б л и ц а 2

Показатели интегральности разработанных альтернатив

Т а б л и ц а  3

Стоимостные параметры разработанных альтернатив

¹ 40 % расходов на оплату труда

² 500 % расходов на оплату труда

По данным таблицы видно, что ограничению по себестоимости удовлетворяет только вариант конструкции, разработанный на основе концепции 4. Этот результат обусловлен высокой интегральностью КТО и дешевизной материала, в результате чего запас до установленного стоимостного предела составил более 60%.

Анализ показал возможность снижения себестоимости вариантов 1 и 3 путем внедрения более дешевого материала – базальтопластика, в результате чего их себестоимость снизилась до величин 5431,8 и 7652,3 у.е. соответственно, при сохранении качества. Вариант 2 подобным потенциалом не обладает.

Оценка достоверности результатов была выполнена путем сравнения полученных стоимостных показателей альтернатив с результатами прямого расчета себестоимости по статьям калькуляции. С этой целью альтернативы были детально проработаны. Результаты сравнения приведены в табл. 4.

Т а б л и ц а 4

Стоимостные параметры альтернативных вариантов консоли

¹ Отнесено к значению, полученному расчетом по методике

² Выполнен анализ вариантов 1 и 3, изготовленных из стеклопластика (С) и боропластика (Б)

Таким образом, разработанная методика позволяет выполнять выбор параметров КТО изделий в соответствии с наперед заданным ограничением себестоимости. Проведенная оценка достоверности результатов, получаемых при использовании методики, позволяет сделать вывод о ее работоспособности и наличии перспектив ее практического применения.

Зобнин В.А.

Литература

1) Зобнин В.А. Проектирование авиационных конструкций под заданную стоимость идеология и принципы, Труды VII Форума Российского вертолетного общества, М. – 2006.

2) Зобнин В. А. Разработка методики проектирования под заданную стоимость, Труды VIII Форума Российского вертолетного общества, М. – 2008.

3) Лушин С. В. Формирование и оценка концепций, структур и конструктивно-технологических решений, М., НИАТ – 2002.

Конструктор. Машиностроитель, 2009-2