Modułowa konstrukcja - Modular design

Projektowanie modułowe lub modułowość w projektowaniu to zasada projektowania, która dzieli system na mniejsze części zwane modułami (takie jak modułowe skidy procesowe ), które można niezależnie tworzyć, modyfikować, zastępować lub wymieniać z innymi modułami lub między różnymi systemami.

Przegląd

Projekt modułowy może charakteryzować się podziałem funkcjonalnym na oddzielne moduły skalowalne i wielokrotnego użytku, rygorystycznym stosowaniem dobrze zdefiniowanych interfejsów modułowych oraz wykorzystaniem standardów branżowych dla interfejsów. W tym kontekście modułowość jest na poziomie komponentów i ma jednowymiarowy wymiar – slottability komponentów. System modułowy o tej ograniczonej modułowości jest ogólnie znany jako system platformowy, który wykorzystuje komponenty modułowe. Przykładami są platformy samochodowe lub port USB w komputerowych platformach inżynierskich .

W teorii projektowania różni się to od systemu modułowego, który ma wyższą modułowość wymiarową i stopnie swobody. Modułowa konstrukcja systemu nie ma wyraźnej żywotności i wykazuje elastyczność w co najmniej trzech wymiarach. Pod tym względem systemy modułowe są bardzo rzadkie na rynkach. Systemy architektoniczne Mero są najbliższym przykładem systemu modułowego pod względem twardych produktów na rynkach. Platformy uzbrojenia, zwłaszcza w przemyśle lotniczym, są zwykle systemami modułowymi, w których płatowiec jest projektowany z myślą o wielokrotnej modernizacji w ciągu swojego życia, bez konieczności zakupu zupełnie nowego systemu. Modułowość najlepiej określają zastosowane wymiary lub stopnie swobody w formie, koszcie lub działaniu.

Modułowość oferuje korzyści, takie jak redukcja kosztów (dostosowanie może być ograniczone do części systemu, zamiast konieczności remontu całego systemu), interoperacyjność, krótszy czas uczenia się, elastyczność w projektowaniu, rozszerzanie lub aktualizacja bez ograniczeń pokoleniowych (dodawanie nowe rozwiązanie poprzez samo podłączenie nowego modułu) i wykluczenie. Modułowość w systemach platformowych zapewnia korzyści w postaci zwrotu marż na skalę, zmniejszonych kosztów rozwoju produktu, obniżonych kosztów O&M i czasu wprowadzenia produktu na rynek. Systemy platformowe umożliwiły szerokie zastosowanie projektowania systemów na rynkach oraz umożliwiły firmom produkującym produkty oddzielenie tempa cyklu produktu od ścieżek badawczo-rozwojowych. Największą wadą systemów modułowych jest projektant lub inżynier. Większość projektantów jest słabo przeszkolona w zakresie analizy systemów, a większość inżynierów jest słabo przeszkolona w zakresie projektowania. Złożoność projektowa systemu modułowego jest znacznie wyższa niż systemu platformowego i wymaga ekspertów w zakresie projektowania i strategii produktu w fazie koncepcyjnej rozwoju systemu. Ta faza musi przewidywać kierunki i poziomy elastyczności niezbędne w systemie, aby zapewnić korzyści modułowe. Systemy modułowe można postrzegać jako bardziej kompletne lub całościowe projekty, podczas gdy systemy platformowe są bardziej redukcjonistyczne, ograniczając modułowość do komponentów. Kompletna lub holistyczna konstrukcja modułowa wymaga znacznie wyższego poziomu umiejętności projektowania i wyrafinowania niż bardziej powszechny system platformowy.

Samochody , komputery , systemy technologiczne , panele słoneczne , turbiny wiatrowe , windy , meble , krosna , systemy sygnalizacji kolejowej , centrale telefoniczne , organy piszczałkowe , syntezatory , systemy dystrybucji energii elektrycznej i budynki modułowe to przykłady systemów platformowych wykorzystujących różne poziomy modułowości komponentów. Na przykład nie można złożyć kostki słonecznej z zachowanych elementów słonecznych, łatwo wymienić silnika w ciężarówce lub po kilku latach przestawić modułową jednostkę mieszkaniową w inną konfigurację, jak miałoby to miejsce w systemie modułowym. Jedynymi zachowanymi przykładami systemów modułowych na dzisiejszym rynku są niektóre systemy oprogramowania, które przeszły od wersjonowania do całkowicie sieciowego paradygmatu.

Konstrukcja modułowa nieodłącznie łączy zalety standaryzacji masowej produkcji , ponieważ modułowość jest niemożliwa bez pewnego poziomu standaryzacji (duża objętość zwykle równa się niskim kosztom produkcji) z tymi wynikającymi z dostosowywania . Stopień modułowości wymiarowo określa możliwy stopień dostosowania. Na przykład systemy paneli słonecznych mają dwuwymiarową modułowość, która umożliwia dostosowanie tablicy w wymiarach x i y. Dalsze wymiary modułowości zostałyby wprowadzone poprzez uczynienie samego panelu i jego systemów pomocniczych modułowymi. Wymiary w systemach modułowych są definiowane jako wpływ na parametr, taki jak kształt, koszt lub cykl życia. Systemy Mero mają 4-wymiarową modułowość, x, y, z i nośność strukturalną. Jak widać w każdej nowoczesnej przestrzeni konferencyjnej, dodatkowe dwa wymiary modułowości ramy przestrzennej pozwalają na znacznie większą elastyczność w formie i funkcji niż modułowość 2-d Solar. Jeśli modułowość jest właściwie zdefiniowana i przemyślana w strategii projektowania, systemy modułowe mogą stworzyć znaczącą przewagę konkurencyjną na rynkach. Prawdziwy system modułowy nie musi polegać na cyklach produktowych, aby dostosować swoją funkcjonalność do aktualnego stanu rynkowego. Właściwie zaprojektowane systemy modułowe wprowadzają również korzyść ekonomiczną polegającą na braku martwej pojemności, zwiększając stopień wykorzystania pojemności i jej wpływ na elastyczność kosztową i cenową.

W pojazdach

Modułowa konstrukcja Unimoga umożliwia mocowanie różnych narzędzi .

Aspekty konstrukcji modułowej można zaobserwować w samochodach lub innych pojazdach do tego stopnia, że ​​istnieją pewne części do samochodu, które można dodawać lub usuwać bez zmiany reszty samochodu.

Prostym przykładem konstrukcji modułowej w samochodach jest fakt, że podczas gdy wiele samochodów występuje jako model podstawowy, dopłata pozwoli na „zatrzaskowe” ulepszenia, takie jak mocniejszy silnik lub opony sezonowe; nie wymagają one żadnych zmian w innych jednostkach samochodu, takich jak podwozie , układ kierowniczy, silnik elektryczny lub układy akumulatorowe.

W maszynach i architekturze

W niektórych budynkach można zaobserwować konstrukcję modułową. Budynki modułowe (a także domy modułowe) zazwyczaj składają się z uniwersalnych części (lub modułów), które są produkowane w fabryce, a następnie wysyłane na plac budowy, gdzie są składane w różne układy.

Budynki modułowe można dodawać lub zmniejszać, dodając lub usuwając określone komponenty. Można to zrobić bez zmiany większych części budynku. Budynki modułowe mogą również podlegać zmianom funkcjonalności przy użyciu tego samego procesu dodawania lub usuwania komponentów.

Modułowe stacje robocze

Na przykład budynek biurowy można zbudować z elementów modułowych, takich jak ściany, ramy, drzwi, sufity i okna. Wnętrze można następnie podzielić (lub podzielić) większą liczbą ścian i wyposażyć w biurka, komputery i cokolwiek innego, co jest potrzebne do funkcjonowania miejsca pracy. Jeśli biuro wymaga rozbudowy lub ponownego podziału, aby pomieścić pracowników, modułowe komponenty, takie jak panele ścienne, można dodać lub przenieść, aby wprowadzić niezbędne zmiany bez zmiany całego budynku. Później to samo biuro można rozbić i przearanżować, tworząc powierzchnię handlową , salę konferencyjną lub inny rodzaj budynku, używając tych samych elementów modułowych, które pierwotnie tworzyły biurowiec. Nowy budynek można następnie wyposażyć w dowolne elementy potrzebne do realizacji jego pożądanych funkcji.

Inne rodzaje budynków modułowych, które są oferowane przez firmę taką jak Allied Modular, obejmują wartownię , obudowę maszyny, boks prasowy , salę konferencyjną , budynek dwupiętrowy, pomieszczenie czyste i wiele innych zastosowań.

Istnieje wiele nieporozumień dotyczących budynków modułowych. W rzeczywistości budownictwo modułowe jest opłacalną metodą budowy dla szybko zmieniających się i szybko rozwijających się firm. Branże, które odniosłyby z tego korzyści, to opieka zdrowotna, handel, handel detaliczny, wojsko oraz budownictwo wielorodzinne/studenckie.

W telewizorach

W 1963 roku Motorola wprowadziła pierwszy prostokątny kolorowy kineskop, aw 1967 wprowadziła modułową markę Quasar . W 1964 roku otworzył swój pierwszy oddział badawczo-rozwojowy poza Stanami Zjednoczonymi, w Izraelu pod kierownictwem Moses Basin. W 1974 roku Motorola sprzedała swój biznes telewizyjny japońskiej firmie Matsushita, macierzystej firmie Panasonic .

W sprzęcie komputerowym

Modułowa konstrukcja komputera

Konstrukcja modułowa w sprzęcie komputerowym jest taka sama jak w innych rzeczach (np. samochody, lodówki, meble). Chodzi o to, by budować komputery z łatwo wymienialnymi częściami, które wykorzystują ustandaryzowane interfejsy . Ta technika pozwala użytkownikowi na łatwą aktualizację niektórych aspektów komputera bez konieczności kupowania innego komputera.

Komputer to jeden z najlepszych przykładów konstrukcji modułowej. Typowe moduły to zasilacze , procesory , płyty główne , karty graficzne , dyski twarde i napędy optyczne . Wszystkie te części powinny być łatwo wymienialne, o ile użytkownik używa części obsługujących ten sam standardowy interfejs. Podobnie jak w przypadku modułowości komputera, opracowano inne narzędzia wykorzystujące konstrukcję modułową, takie jak littleBits Electronics , które łączą się z interoperacyjnymi modułami w celu tworzenia obwodów.

W przypadku smartfonów (patrz także Modular smartphone ) pomysł ten został zbadany w projekcie Ara , który zapewnił producentom platformę do tworzenia modułów do smartfonów, które następnie mogą być dostosowywane przez użytkownika końcowego. Na podobnej zasadzie działa Fairphone , gdzie użytkownik może zakupić poszczególne części w celu naprawy lub modernizacji telefonu.

Integracja cyfrowego bliźniaka w modułową konstrukcję

Zarządzanie cyklem życia produktu to strategia efektywnego zarządzania informacjami o produkcie (i rodzinach produktów, platformach, modułach i częściach) podczas jego cyklu życia . Naukowcy opisali, w jaki sposób zintegrowanie cyfrowego bliźniaka — cyfrowej reprezentacji fizycznego produktu — z modułową konstrukcją może poprawić zarządzanie cyklem życia produktu.

Integracja oceny cyklu życia i energii w projekt modułowy

Niektórzy autorzy zauważają, że konstrukcja modułowa spowodowała w przemyśle samochodowym stały wzrost masy w czasie. Trancossi wysunął hipotezę, że projektowanie modułowe może być połączone z pewnymi kryteriami optymalizacji wywodzącymi się z prawa konstrukcyjnego . W rzeczywistości prawo konstrukcyjne jest modułowe ze względu na jego naturę i może być stosowane z interesującymi wynikami w inżynierii prostych systemów. Dotyczy to typowego schematu optymalizacji bottom-up:

  • system można podzielić na podsystemy (części elementarne) za pomocą modeli drzewiastych;
  • dowolny złożony system można przedstawić w sposób modułowy i można opisać, jak różne wielkości fizyczne przepływają przez system;
  • analizując różne ścieżki przepływu, można zidentyfikować krytyczne komponenty, które wpływają na wydajność systemu;
  • optymalizując te komponenty i zastępując je bardziej wydajnymi, można poprawić wydajność systemu.

W ramach projektu MAAT EU FP7 opracowano lepszą formułę. Sformułowano nową metodę projektowania, która łączy powyższą optymalizację oddolną ze wstępnym projektowaniem odgórnym na poziomie systemu. Motywacją do dwuetapowego procesu projektowania było uznanie, że projektowanie konstrukcyjne i modułowe nie odnosi się do żadnego celu, który ma zostać osiągnięty w procesie projektowania. W niedawnym artykule przedstawiono teoretyczne sformułowanie, które z powodzeniem zastosowano do projektu małego samolotu, projektu koncepcyjnego innowacyjnego samolotu podmiejskiego, projektu nowej ściany entropicznej oraz innowacyjnego pojazdu terenowego zaprojektowanego z myślą o efektywności energetycznej .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura