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现代机械产品设计规划及可视优化设计方法研究

孙伟  
【摘要】: 产品设计是产品开发过程最重要的一个环节,设计效果的好坏会直接影响产品的最终质量。先进而实用的设计理论方法对很好地完成产品设计工作有很大的促进作用,因而备受科研人员和企业界的重视。据不完全统计,目前学者们已经提出了近60种设计方法,这些设计方法对提高产品的设计质量都起到了不同程度的作用。在一个具体的产品设计中,应用所有的设计方法进行设计是不现实的,也是不必要的。现代机械综合设计理论方法在总结现有设计理论方法的基础上,提出了应用产品设计规划、功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计、可视优化设计、设计质量检验等主要技术手段来对产品进行设计,以确保和提升产品的广义质量(全部功能与性能)。综合设计理论方法的提出避免了设计方法选择的随意性和不规范性,因而有着重要的意义。 目前,对综合设计法总体框架的研究已经较为完善,部分研究成果已经被广大学者和企业界人士所接受。但是,在其理论框架下,一些具体的设计理念、技术和方法还有待进一步深入研究。本文重点研究综合设计法理论框架下的产品设计规划和可视优化设计法,力图通过对这两个环节进行深入研究,来完善产品设计规划和可视优化设计的具体技术或方法。本文的研究工作得到了国家自然科学基金重点项目(编号:50535010)的支持。其研究结论对于综合设计法的进一步丰富以及推广与应用都有着重要意义。具体研究内容如下: 对综合设计法的理论框架做了进一步深入研究与概括。详细介绍了产品的广义质量与广义优化两个重要概念。将综合设计法的理论体系按产品设计的流程划分为设计规划、功能优化、技术设计(动态优化设计、智能优化设计、可视优化设计)和设计质量检验四部分。提出创建设计集成平台是应用综合设计方法的重要手段,并给出了设计平台的体系结构,即将平台分为界面层、应用层、技术层和环境层四个层面。 在总结和分析与产品设计规划相关研究成果的基础上,提出了3L/8D产品设计规划理论方法,即从设计战略、设计业务、设计质量检验三个层面,具体包括:设计环境、设计思想、设计目标、设计内容、设计方法、设计过程、设计的潜在问题分析和设计质量评价等8个环节,来对产品设计进行全面规划,以提高设计效率和设计的成功率。对产品设计规划工作进行了细致地研究,提出了产品设计规划各阶段的决策模型及具体的规划方法,从而初步建立了3L/8D设计规划的理论框架,为进一步深入研究产品设计规划提供了参考。 围绕3L/8D产品设计规划相关理论,用计算机技术实现了设计规划几个重要环节的辅助规划系统的开发,具体包括创建顾客需求重要度评判系统、顾客的模糊聚类分析系统、设计实例搜索系统、设计任务分解及相关性评判系统、设计质量的模糊评判系统。研究中具体论述了每个系统的功能模块、实现原理和实现过程。以上系统均具有可视化的操作界面,能自动生成相关报告,从而可以辅助产品开发人员快速获得可以指导制定设计规划的决策信息。 进行了现代机械可视优化设计方法及实现措施研究。通过对现代机械设计特点的具体分析以及在总结前人研究成果的基础上,确定了可视优化法的研究内涵、研究内容、技术流程、关键技术、研发支撑软件以及具体的应用原则,从而建立了可视优化设计法的理论框架。进一步,对可视优化设计的具体环节,即运动学和动力学状态、工作过程和控制过程、加工制造和装配过程等可视优化的内容和方法也进行了讨论,详细介绍了其原理、目标和方法。 在介绍产品设计平台内涵的基础上,重点研究了搭建可视优化设计平台的策略与技术。研究中,提出了可视优化设计平台的体系结构及功能模块。可视优化设计平台,从体系结构上看可以分为4个层次,分别是:技术操作层、主要功能层、辅助功能层和技术支持层。平台按需要可以分为快速建模系统、加工过程可视化仿真系统、装配过程可视化仿真系统、运动学可视化仿真系统等10个功能模块。确立了搭建可视优化设计平台的构建策略,可以概括为16字方针,即“自我评价、追求效益、力求节约、分步实现”。提出了搭建可视优化设计平台的一般流程,包括6个关键步骤,分别是:现场调研、需求分析、制定规划、实际开发、功能测试和投入使用。 以东北大学自主研制3-TPT并联运动机床为实例,采用可视优化设计法对其进行了研究。主要对其进行了参数化设计、运动学可视化、动力学可视化、工作过程可视化、装配过程可视化等环节的研究。实践表明,在机械产品设计研发过程中采用可视优化设计技术是行之有效的,且可以提升产品的设计质量。


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