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基于新型模型原理的产品数字化设计研究与应用

赵世宜  
【摘要】:动态多变的制造业产品研发任务,要求产品数字化设计系统不断进化,以适应设计目标和环境的变化。而目前产品数字化设计技术的特征是产品设计、分析、制造和装配等分阶段构建模型,信息冗余度大、数据一致性差,在异构环境下运行,信息使用成本高、效率低,产品信息、知识难以集成与重用。因此,迫切需要建立可推动产品数字化设计系统向前进化的产品模型构造理论,发展基于先进模型原理和结构的数字化设计软件架构技术,以实现产品信息集成、设计过程集成与重用为目标,为产品数字化设计技术提供全面支持。 论文在国家自然科学基金重点项目“工程与产品设计理论方法”(6063502)资助下,从系统科学的高度研究产品模型与产品数字化设计系统的理论,探讨产品数字化设计系统演化的机制与方向,揭示产品数字化设计系统进化规律,构建推动产品数字化设计系统向有序度增强方向演化的产品模型构造理论、软件架构技术。 (1)在综合分析产品数字化设计系统的基本特征和耗散结构系统所具备必要条件的基础上,提出并论证广义的产品数字化设计系统是一类耗散结构。研究了产品数字化设计系统的序参量和有序度,提出产品模型是决定数字化设计系统演化最重要的序参量。 (2)在深入分析产品数字化设计系统工作时的不确定性行为特征和灰色系统理论的基础上,提出产品数字化设计系统是灰色系统。基于熵理论,分析产品模型与数字化设计系统有序程度的熵变机制,应用耗散结构和灰色系统理论,构建基于灰关联熵的广义数字化设计系统演化方向的判别模型,据此描述系统的有序性和演化方向。 (3)分析产品数字化设计系统进化过程中主要影响因素。提出“独立单元信息”概念,以及基本体、检索体、控制体、智能体有机构成的“一元四体”产品信息模型结构体系。通过对产品信息的分类、信息特点的归纳,以及产品模型数据结构的设计,建立了几何拓扑基本体与独立单元信息的动态联系,研究信息与模型的跟随技术,形成模型的检索体。研究独立单元信息的存取控制、模型信息的管理控制、模型与外部资源的交互控制,实现设计信息与工作过程的动态配送机制,形成模型的服务功能,完成了模型的控制体研究。通过模型实现产品信息的检索重用、规则推理,推动产品模型随数字化设计进程而不断进化,研究了产品模型的智能体。 (4)利用三维几何建模平台OpenCASCADE的资源开发了支持“一元四体”新型模型的AMFSDI试验软件系统,验证了软件架构实现技术的可行性。以地铁受电弓设计为例验证“一元四体”产品模型的可行性。以汽车变速器、汽车覆盖件冲压模具研发为例设计了不确定性人机交互试验,验证了数字化设计系统动态演化判别模型的正确性。结果表明,“一元四体”产品模型原理可行,可以确保数字化设计系统向有序度增强的方向演化。 具有完全自主知识产权的“汽车产品信息‘一元四体’新型建模及集成平台软件V1.0(简称:AMFSDI软件)”获得了软件著作权。论文的理论探讨和实现技术的研究,可以为产品建模理论和数字化设计软件架构技术的研究提供很好的借鉴。


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