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机电产品行为特性及可持续概念设计方法研究

王美焰  
【摘要】:概念设计是整个产品设计过程中最初,也是最重要的阶段之一。研究人员对概念设计的理论与方法做了大量的研究。其中以基于功能的设计方法的研究居多,研究的内容包括需求分析、功能抽象、功能分解、行为映射、方案生成以及方案评估等方面。“行为”作为连接功能与结构的桥梁,可以使设计人员获得对设计问题的更深层次理解,并获得更合适的设计方案。 另一方面,随着人们对环境影响的关注,可持续设计的理念也逐渐为人们所接受。近几年来,如何在概念设计过程中,引入可持续设计的方法,以降低产品在生命周期中对环境的影响,也逐渐成为研究的热点。 本论文通过对机电产品的行为特性分析和研究,在已有的因果行为过程(Causal Behavioral Process, CBP)模型的基础上提出了E-CBP行为过程模型,并基于E-CBP模型开展了机电产品的可持续设计方法研究。 针对行为特性的研究,论文首先明确了行为的概念,及其与功能、结构之间的关系。通过对现有机电产品的行为特性分析,提出在行为之间除了因果关系外,还有时序关系、回路关系以及状态关系。提出“之前发生”与“并行发生”的概念,并用于描述行为之间的时序关系,以及基于时序图的表达方法,从而方便了对行为关系的判断。同时引入关键路径法,实现了对行为过程时序关系的优化。针对行为过程中的回路关系,提出了触发行为、回复行为、主行为的概念,在总结回路关系的特性和使用行为的状态关系表达诸如储能机构、智能材料机构等机构的行为特性的基础上,提出了如何在设计过程中利用这些特性进行设计的指导方针。 论文设计了构建E-CBP模型的基本步骤以及基于E-CBP模型的行为结构映射的基本流程。针对现有研究对于不同阶段的设计信息表达方法不一致的现状,引入面向对象的编程思想,以E-CBP模型为基础,提出了基于EBNF(Extended Backus-Naur Form)的行为表达方法,并将该方法扩展到功能、结构、约束以及材料等设计信息的表达,从而为实现设计知识的重用与管理提供了表达基础。 针对可持续设计的需要,在概念设计阶段引入可持续设计的理念,提出基于E-CBP的可持续设计方法。该方法分为基于E-CBP的可持续性预分析与多层次模糊可持续评估两个阶段。根据E-CBP模型的行为特性以及功能共享的原则,提出了六条针对E-CBP模型的可持续设计指导原则,利用这些指导原则对E-CBP模型进行分析与改进,得到了更符合可持续需求的行为过程模型。考虑到概念设计阶段数据的不确定性,在层次分析法与灰度分析法的基础上,提出了多层次模糊可持续评估方法。 为了辅助设计人员进行机电产品的概念设计,构建了基于B/S架构的辅助概念设计系统。该系统实现了E-CBP分析模块、可持续评估模块、基本库模块以及用户基本操作模块等基本功能,并具有很好的可扩展性。 论文最后利用辅助概念设计系统,以电动打钉机和电动抛光机为案例,进行了行为分析与可持续性评估,验证了E-CBP模型以及基于E-CBP的可持续设计方法的可行性。


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