机械产品概念设计建模及求解策略的研究

【摘要】：概念设计是产品设计活动中关键的一步,愈来愈受到广泛的重视。由于传统建模技术主要集中于物理建模和几何表示方面,致使产品概念设计阶段缺乏有力的技术支持。本文围绕着过程建模、产品描述等这些概念设计中的关键问题,对概念设计方案生成模型及求解策略、概念设计产品描述模型以及定性空间构型设计等方面进行了深入研究,其目的在于得到产品的设计方案,为后续设计阶段提供有效的设计信息。主要研究工作和结论体现在以下几个方面: (1)针对产品概念设计阶段所要处理的主要对象——功能,阐述了用于产品功能建模的标准功能基(SFB),并对设计过程中可能采取的映射策略进行了分类。将定性空间构型设计纳入概念设计的范畴,从概念设计过程模型、概念设计产品描述模型及计算机辅助概念设计三个层次构建了产品概念设计体系结构,并对产品概念设计各组成模型的研究内容进行了界定。其中概念设计过程模型由概念设计说明映射模型、概念设计方案生成模型、概念设计方案评价模型及定性空间构型生成模型构成。概念设计产品描述模型包括产品需求模型、功能结构模型、行为结构模型、结构方案模型以及定性构型模型。所建立的概念设计体系结构为方案(结构方案、构型方案)生成及后续设计奠定了基础。 (2)建立了基于SFB 的机械产品概念设计方案生成模型,该模型将功能层分为元功能层和功能对象层,将结构层分为结构组件层和结构关系层,提出采用多层次的映射策略完成从功能到结构的求解策略。给出了运动功能转换传递元(FTU)的概念,定义了FTU 所包含的内容; 利用编码技术对FTU 的行为特征、输入/输出行为关系及结构关系进行编码,建立了功能转换传递元用于运动方案求解的知识库。针对机械运动子功能的求解,提出了基于设计说明和问题解重定义的混合推理方法,为避免方案组合爆炸,提出了行为相似度测量的控制策略。为了在功能求解过程提高计算机搜索效率,对设计特征库聚类问题进行了讨论,建立了设计特征编码系统,并运用FCM 聚类算法对设计特征聚类。 (3)在概念设计产品模型中,原型构件由一定的符号所表示并彼此相互连接而完成一定功能,将组成概念设计产品的设计特征分为两大类:原型构件和原型接合,对原型接合设计特征中实体接合和非实体接合分别进行了定义和分类。建立了概念设计产品基于原型构件-原型接合的层次P/T(Place/Transition)模型和带能量流动的P/T 模型,利用能量流动P/T 模型来对概念设计产品工作状况进行模拟,以确保功能实现。概念设计产品模型不仅是对概念设计方案关于功能、行为、结构等的描述,也需要对方案中所蕴