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可变功能机械功能结构分析及再设计方法研究

王根华  
【摘要】:可变功能机械是指通过更换系统构件或调整构件之间的连接方式获得不同功能的一类机械系统(产品)。目前针对此类产品的研究还相对较少。为了进一步了解其特性并为其设计开发提供方法指导,本文选择其中较为关键的几个问题开展研究。首先,论文指出此类产品各功能在使用时存在非均衡性。在简要论述非均衡性的基础上,提出了功能使用度的概念,总结了三种功能使用类型及特点。通过探究功能转换之间的关系,提出了功能转换度的概念,结合广义集合,构建了产品的功能使用模型。最后,通过一多功能钳的案例展示了该模型的构建过程。其次,分析了可变功能机械产品的功能与构件关系,研究了其构件关联性与功能耦合性。针对现有研究未能考虑功能使用情况的不足,将功能使用模型与功能—构件关联矩阵相结合,提出了一种考虑功能使用情况的构件关联性与功能耦合性的量化方法。最后,通过一可变功能料理机的案例,阐述了该方法的实施过程,并基于构件关联性和功能耦合性的求解结果,得出了可用以指导可变功能产品设计开发的相关结论。再者,鉴于可变功能产品设计中存在构件变更的要求,开展了基于功能使用模型的构件变更研究,重点分析了构件变更的风险性,结合产品使用时功能转换的特点,得出构件的变更可能性矩阵及各构件变更可能性大小。基于单一功能产品的构件变更研究,得到针对可变功能产品的构件综合变更矩阵。指出构件的变更风险是构件变更可能性与变更影响范围综合作用的结果,给出了其求解方法并据此提出了一种构件分类原则。最后,通过案例验证了所提方法的可行性并得出可变功能产品再设计的一些指导结论。最后,论文基于上述研究结果开展了基于现有机电产品面向可变功能再设计方法的研究,构建了再设计过程模型。通过分析机电产品的行为过程特性,将行为过程划分为基础行为过程和目的行为过程,并指出基础行为过程的相似性是机电产品面向可变功能再设计的前提,且相似程度越高,进行可变功能再设计时的可行性也就越高。由产品的相同或相似基础行为过程映射得到相应物理结构,提出了一种对结构相似性进行量化的方法。通过筛选最大相似性构件,识别出共享构件,并确定待设计开发的目标产品。此外,鉴于接口问题是再设计的另一个核心问题,给出了接口求解的两个准则及两类求解方法。最后,通过电动碎冰机与电动切菜机面向可变功能再设计的案例,验证了上述方法的可行性。


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