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《哈尔滨工程大学》 2011年
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复杂产品系统的模块划分方法研究

滕晓艳  
【摘要】:随着全球经济一体化、社会信息化的发展,企业所面临的市场环境发生了很大的变化,产品技术竞争日益激烈,研发费用不断上升,客户对个性化、定制化产品的需求不断增加,而模块化方法是降低产品研发费用、解决客户定制化需求的一种较为有效的途径,正在成为工程学界及管理学界的研究热点。尤其对于复杂产品系统的研发,若采用模块化设计方法不但可以满足客户定制化的需求,而且能够有效缩短研发时间,降低研发成本,更为其创新打下良好的基础。因此,现代模块化理论研究的对象也是以复杂产品系统为主。复杂产品系统通常指研发成本高、技术密集、结构复杂、定制化需求高的大型产品或系统。它与现代工业体系密切相关,关系到国家经济的命脉,因此,研究复杂产品系统模块化设计方法具有重要的理论与实际意义。 在现代模块化设计过程中,模块划分(或称模块分解)是其重要组成部分,也是其关键技术之一,模块划分的合理性关系到一个产品系统能否“模块化”成功。在复杂产品系统的模块划分过程,针对其特点,既要考虑产品系统本身的整体性又要分析其内部元器件的相关性,同时还应综合考虑生命周期阶段等其它方面因素,这样才能得到更为合理的模块划分结果。那么怎样才能实现这一目标则是研究的关键,由此,本文提出了针对复杂产品系统的模块划分方法,具体研究内容包括以下几个方面。 在建立复杂产品系统模块划分层次模型的基础上,提出了针对复杂产品系统的模块划分原则。本文通过分析国内外现代模块化设计理论的研究现状,针对复杂产品系统特点,将概念设计思想引入到复杂产品系统模块化设计当中,提出了基于功能-原理(技术)-行为-结构(F-P(T)-B-S)映射过程的模块划分层次模型,并结合复杂产品系统的特点定义了其模块类型。然后以该模型为基础提出了针对复杂产品系统的模块划分原则,即在模块划分过程中要综合考虑其系统内部元器件之间的在功能、原理(技术)、行为、结构以及物理上的相关关系,即基于F-P(T)-B-S的划分原则;同时还应从其整体角度出发,进一步综合考虑复杂产品系统其它影响因素,即面向X设计(DFX)的划分原则,其中X是指系统生命周期各环节及影响其竞争力的因素(如时间、成本等)。 针对复杂产品系统的模块划分原则,提出了采用不同的模糊聚类分析方法,来实现对系统进行由粗到精的模块划分。本文通过对客户需求及对系统功能结构的分析,依据模块划分原则,首先采用层次模糊聚类方法对系统进行模块粗划分,得到多种模块划分方案,并通过评价方法,找到较为合理的划分方案,确定模块数量以及每个模块中应该包含的主要元器件,作为模块精划分的初始化参数。然后,针对PSO及逐步模糊聚类法对初始化敏感容易陷入局部最优的缺点,将两者进行改进结合,最后采用基于加权模糊c均值的改进粒子群聚类算法进行模块的精划分。实质上,精划分的过程也是对模块粗划分结果进行优化的过程,由此获得最优的模块划分方案。 对复杂产品系统的模块粗划分中产生的多个划分方案,本文通过建立多目标评价指标模型,采用多级灰色模糊综合评判方法对方案进行评价或选优。文中首先根据CoPS的模块粗划分方案建立方案集;然后针对复杂产品系统的特点,从DFX角度出发,建立了多层级评价指标模型,该模型可以全面的对划分方案进行综合评价;接着针对该评价指标模型的特点,提出了先采用ANP法求出指标的主观权重,后将其与熵权法得出的客观权重相结合,即采用ANP-E主客观组合赋权法对各层级指标进行赋权;最后,针对模糊数学与灰色理论解决复杂问题的互补性,对复杂产品系统的模块划分方案提出了采用多级灰色模糊综合评判方法进行评价或选优。 以船用锥齿轮箱机械封闭试验平台系统为例,验证了本文针对复杂产品系统所提出的模块划分方法。首先,通过对该试验平台系统的功能结构分析,在系统高层级的结构组成上对其进行了简化,并建立其F-P(T)-B-S模块划分层次模型。然后,从功能、原理(技术)、行为、结构及物理相关角度,分析了元器件之间的相关性。最后综合采用了改进的粒子群优化算法和模糊聚类分析方法,对该系统进行了由粗到精的模块划分,对于其中产生的多种模块划分方案,通过多级灰色模糊综合评判方法进行了选优。通过实例验证表明,该方法能够更为精确的找到归属各个模块的元器件,完成模块划分,并且划分结果与功能分析及实际的设计相符,由此验证了本文针对复杂产品系统提出的模块划分方法的有效性和适用性。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB472

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