5经济性设计

第三部分：北京航空航天大学可靠性与系统工程学院工程系统经济性设计与优化——方法与若干问题主要内容一、经济性设计（一）几个重要的基本理念–定费用设计（DTC）–面向成本设计（DFC）–费用作为独立变量（CAIV）（二）生产成本控制（三）经济性设计基本准则二、经济性优化问题与模型（一）面向经济性的RMS优化（二）产品结构模块集成优化问题与模型（三）经济批量、质量成本、EOQ等问题与模型DTC的提出与概念DTC的实施方法DTC各阶段内容DTC执行流程图DTC基本设计技术（一）限费用设计DTC(DesignToCost)DTC概念的提出美军在上个世纪70年就提出了DTC概念，国内称为限费设计或定费用设计。定义：DTC是一种使武器装备系统设计能满足规定费用要求的采办管理手段，设立了严格的费用限值目标，并努力实现这些目标。适用阶段：强调在装备的研制阶段进行限费设计，目的是尽量降低生产费用和使用费用，以减少装备的寿命周期费用。（一）限费用设计DTCDTC的含义：作为一种管理手段，DTC确立费用目标值，并严格按目标进行管理，以达到控制采办费用和使用保障费用的目的。作为一种设计指导方法，DTC把费用作为与性能、进度同等重要的设计参数——CAIV概念的前身。DTC的目标：针对装备，–主要是“平均出厂单价”或由此衍生出来的具有合同效力的“平均单位采购费用”。–对于使用保障费用也应尽力量化为费用限定目标，并在设计和管理过程中给以足够重视。（不是强项）DTC设计的实施：精简功能方面：要坚决剔除产品设计的多余功能和过高指标，在保证质量的条件下满足装备的基本战技指标和必要功能，不为没有使用价值的功能指标增加成本。零件设计方面：应尽量采用标准件和通用件，利用已有工装、模具，降低设计、采购和生产成本。材料选择方面：在满足使用要求和保证产品质量的前提下,尽量合理使用普通材料代替特殊材料。工艺设计方面：尽量选择成熟可靠的工艺方案，提高合格率；优化作业顺序，减少生产准备和作业更换时间。劳动率分析：计算产品所耗费的平均工时数，计算工时产出和工时成本之比，以确定合理的消耗工时定额，减少人工成本。责任制度方面：实行成本责任制度，奖励和惩罚措施相结合，促进实现成本目标。DTC设计的基本要求:(1)重视费用参数：在工程系统研制开发中，应将费用(成本)作为一个与技术、性能、进度和可维护性等要求列为同等重要的参数给予确定(限制)；(2)考虑寿命周期：要求在工程项目的全部生命周期内考虑成本问题；(3)平衡DTC参数（重要）：合理设计各项DTC相关的参数(如成本、可靠性、维修性等)，并使得这些参数与进度、性能、可维护性等参数之间达成一定的昀佳平衡；(4)交流与反馈：及时定期在工程技术人员、采购人员、管理人员之间交流与反馈，以便有效地采用相应的控制措施；DTC在各阶段的内容开展：(1)方案论证阶段的成本预算：以总体系统的费用估算为主；编制《研制方案论证报告》和《研制任务书》时，需要有研制经费预算和产品成本与价格估算。(2)工程研制阶段的成本分配：分解细化各分系统、产品/模块的成本目标，确定成本范围。(3)设计定型阶段的成本控制：制定经济性设计准则，强调从设计上降低成本。(4)合同完成阶段的成本分析：落实经济责任制，实施奖惩。DTC设计流程图：DTC的一些基本措施：优先利用预研成果和成熟技术,严格控制新技术采用比例;优先采用费效比科学合理的技术方案；通用与专用：采用各军兵种通用的装备和各装备间通用的保障设备,则控制新研制本兵种的专用装备;民用与军用：凡能军民通用的装备,一定采用民品,充分利用市场竞争,减少装备经费的开支;标准与非标：凡可标准化的零部件一定采用标准化。DFC的提出与概念DFC的核心技术DFC和DTC的比较（二）面向成本的设计DesignForCost(DFC)（二）面向成本的设计DFCDFC(DesignForCost)概念的提出：DFC昀早出现于九十年代初期，属于并行工程中的DFx(DesignForx)技术的一个分支，如DFM/DFA/DFQ/DFR/DFT/DFC等。并行工程(CE)是美国国家防御分析研究所（IDA）1988年提出的概念，是一种“集成地、并行地设计产品及相关过程的系统方法”。DFC的内涵：–在满足用户需求的前提下，尽可能地降低成本，–是通过分析和研究产品制造过程及其相关的销售、使用、维修、回收、报废等产品全生命周期中的各个部分的成本组成情况，并进行评价后，对原设计中影响产品成本的过高费用部分进行修改，以达到降低成本的设计方法。–强调持续的成本改进。DFC的核心技术1.全生命周期成本模型：必须基于并行工程的模型，能够支持在产品的不同设计阶段对成本进行相应的估算。2.产品目标成本的确定：在目前还缺乏精确的方法对目标成本进行确定，实际中一般是考虑市场、利润、工厂条件和生产批量等因素，利用历史资料进行确定。3.成本估算方法：难点，全生命周期各阶段的成本估算方法。4.与其他DFX工具的集成：由于DFC是面向产品全生命周期的，这就要求它必须能够与其他DFX（如：DFM、DFA等）工具协调一致进行工作，即需要建立不同评价标准的协调原则和方法。5.设计结果评价和改进设计建议：这一工作需要在其他DFX技术的支持下进行，即不能只考虑成本一个要素，而且还要综合考虑其他的评价模块提供的评价依据，才能生成合理的设计建议。DTC与DFC不同之处：序号比较方面DTCDFC1实施阶段研制阶段：DTC是对一个项目反复进行设计直到项目的花费与所给预算一致全寿命周期：DFC主动地使用各种手段来降低产品的全生命周期成本2性能要求追求高性能：DTC在一定成本约束下追求提高产品的性能在保证必需性能的条件下，改进设计来满足预算的要求3驱动方式管理和工程驱动的过程工程驱动的过程4设计方式DTC强调设计和分配成本，满足所给预算通过计算机支持工具实现全生命周期成本持续改进。5需求来源DTC是面向用户对成本的要求，以合同规定为指导进行成本设计DFC是面向设计者的设计方法6作用范围较宽。通过产品设计、供应采购、合作伙伴选择及合同签订等手段降低成本较窄。通过产品设计降低成本DFC和DTC相似之处：（1）都考虑产品的全生命周期成本问题，即不仅考虑产品的制造成本，而且还要考察产品在销售、使用、报废和回收中的成本；（2）都强调从设计方面入手降低产品成本；（3）都追求全生命周期成本的昀小化；（4）都采用小组工作（Teamwork）方式，组织相关领域的人员协同工作。（5）在设计中都将成本作为一个重要的参数。CAIV的提出与概念CAIV的特点CAIV权衡空间CAIV与DTC的对比（三）费用作为独立变量(CostAsanIndependentVariable，CAIV)CAIV概念的提出费用为独立变量(CostAsanIndependentVariable，CAIV)方法是20世纪90年代美国军方提出的一项武器装备采办费用管理技术和采办策略。提出原因：美国的军事需求（增大）和军费计划（削减）的宏观协调性恶化。核心思想：–强调装备经济可承受性–把费用放在与性能和进度同等重要的地位美国军方定义：–CAIV是有助于实现费用目标（总拥有费用)和需求方性能目标的过程方法。–它是通过设定积极的(aggressive)、现实的(realistic)费用目标，并采取相应的管理活动来实现采办与作战需求都可以承受的国防系统采办策略，–*使成本目标能够实现任务需求与年度资源计划之间的平衡，–同时考虑国防部和工业界进行预期的过程改进，–以满足用户的关键需求。CAIV的两个基本特点：1.将费用作为输入而不是输出；–过去是基于“性能满足或超过需求”的竞争，使费用成为设计的结果而不是设计的驱动因素–CAIV强调费用本身也是项目需求和目标的组成部分2.强化费用和性能之间的权衡；–过去是“需求是刚性的”，不可能因为费用而进行折衷–CAIV认为费用与性能有同等的权重CAIV的性能-费用权衡空间DTC与CAIV的区别对比项目DTCCAIV发展过程上世纪70年代-90年代上世纪90年代末2000年初，在DTC基础上的发展费用范围主要是采购费用，也包括使用保障费用总拥有费用TOC（平均单台研制费+平均单台生产费+使用保障费）过程特点是一种管理+工程过程是一种管理过程驱动因素仅装备性能驱动，费用是约束条件装备性能与费用同时驱动设计目标强调性能实现，兼满足费用目标以减少TOC为目标，强调经济可承受，需平衡费用与性能（四）经济性设计的基本原则、方法（1）经济性设计的一般途径：（2）经济性设计的一般原则：（3）降低生产成本的通行方法；（4）降低使用与维修保障成本的基本方法；1.经济性设计的一般途径：（1）了解产品（系统）寿命周期费用，包括：–费用的组成，从多种角度，如“料工费”、LCC阶段。–费用发生的时间、地点、承担方；–费用的性质、相对比例。（2）分析产品（系统）设计参数与寿命周期费用的关系：–建立费用与参数之间的函数关系？–评估参数对费用的敏感度；–评估改进设计的风险；（3）设计昀经济的设计参数和方案（有针对性）；–计算各类参数使其达到经济性昀优；–综合评估方案的可行性；（4）遵循经济性设计基本原则（一般性）–贯彻实施DTC、DFC、CAIV等成本设计理念；–建立成本设计的知识库；–编制经济性设计手册，建立制度和奖惩措施；（5）实施有效的成本控制手段2.了解产品的成本构成：1.从寿命周期角度：–研发成本：新产品研制的费用；–采购成本：生产成本+利润；–使用成本：产品折旧、耗材油料等使用资源的消耗；–保障成本：保障系统的运营成本；–维修成本：故障维修、备件更换；2.从成本特点角度：–材料成本–人工成本–制造费用–制造工具设备成本–管理成本–质量成本3.成本的矛盾性关系：1.加大研发成本投入，有利于降低其他成本，如：①好的产品设计能降低对材料档次要求，对元器件的精度要求，有利于降低生产成本；②好的保障系统设计能有效降低保障费用；③高的可靠性设计能降低维修费用，能降低总体的质量成本；④好的性能设计能降低使用费用；2.增加产品生产成本投入，能降低其使用期的成本开支：①采购高质量的原材料、零配件和元器件，能降低后期的使用保障成本；②购置先进的生产设备，高精度的加工和检验设备，能提高产品质量和可靠性，降低后期使用保障成本；3.质量成本（与产品质量相关的成本）——可从产品设计上进行总体降低。4.经济性设计的一般原则：1.采用成熟的技术和材料，降低新技术占比（即技术成熟度）a)减少新研制试验b)减少质量控制费用；2.降低产品的复杂度（制造复杂度）。一些复杂度指标：a)零件数量：尽量少；b)电路集成度：尽量高；c)工具模具：尽量少；d)结构件：易于拆和装，节省组装和后期维护时间；3.尽量采用标准化、通用化、国产化零件。a)公用性好：零件种类少；b)尽量成对称设计，避免不规则形状设计；c)尽量避免曲面设计、尽量降低尺寸精度要求；d)广泛采用标准件；4.产品结构采用模块集成优化设计–应用QFD分析功能需求映射–合理地集成产品模块5.采用计算机辅助等先进设计技术–无纸化办公、OA系统；–PDM系统；–信息化技术。6.采用现代生产管理方法–规模生产、精益生产、虚拟制造、委托代工等。7.采用现代客户关系与服务模式–由传统的“出售产品”模式向“出售服务”模式转变；–优化服务规划，提升客户满意度。5.生产成本的优化生产成本的构成：1.材料成本：原材料、元器件、外购/外协零件；2.加工成本：加工时间x工时成本：–降低加工时间–降低工时成本3.直接/间接费用：–管理费用–公摊费用–研发费用可针对上述成本项，针对性地采取措施。(1)降低材料成本：1.从设计上降低产品对原材料元器件的要求；–降低对材料特性（硬度、耐磨、环境等）的要求；–降低元器件参数的精度要求；2.筛选质优价廉的材料和元器件；–权衡质量与价格、进口件与国产件；–开展元器件筛选、试验；3.优化采购计划–经济订货批量；–选择战略供应伙伴，两家以上供应商，优化供应链；(2)降低加工/装配成本，即：加工时间x工时成本：1.降低加