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智能化概念设计的可拓方法研究

赵燕伟  
【摘要】:本文在国家自然科学基金项目(编号:50175103)和国家863高技术研究发展计划(编号:2002AA411110)的直接资助下,从理论到应用对复杂产品可拓概念设计的关键技术进行了深入研究。在全面综述国内外现有概念设计研究方法的基础上,综合运用可拓学理论、模糊理论和优化技术,揭示概念设计上游设计阶段的创造性活动规律,探索一种创新与辨证思维形式化、模型化方法,即概念设计的可拓方法。文中针对概念设计方案表达、分解与综合、优化与求解、推理与评价等方面提出了若干新思想、新原理与新方法,对于解决目前智能设计理论研究与工程实现中的瓶颈问题,具有重要的理论意义和学术价值。 运用可拓学理论对概念设计功能、原理、布局、形状、结构等上游设计知识进行形式化描述,建立定性(基元可拓性等)与定量(关联函数等)相结合的可拓知识表达模型;利用发散树、分合链、相关网、共轭对、蕴含系等可拓方法,表达设计过程中的深层次知识;形成智能化概念设计可拓知识表达方法,为概念设计的辩证思维形式化、模型化和智能化提供了一条有效途径。 论文率先提出一种基于多级菱形思维模型的复杂产品定性定量相结合的概念设计方法。根据发散-收敛-再发散-再收敛这一菱形思维特点,建立了产品设计多级菱形思维模型,根据物元的可拓性进行发散性思维形成多种设计方案,利用真伪信息判别法、模糊意见集中法、可拓关联函数定量计算法对发散后得到的设计方案进行收敛以获取最佳设计方案。通过所开发的加工中心刀库概念设计系统,验证了该方法的可行性。 针对实例推理方法难以描述定量定性相结合设计知识的不足,本文通过对设计信息物元及物元关系的处理,提出一种可拓激励推理算法,从理论上证明了该算法的有效性,给出了可拓设计物元相关性、相似性度量及创建实例库等关键策略,使未知问题转换为已知问题,利用物元的可拓特性,有效的拓展或收敛解空间。根据该方法,建立了机械减速器产品设计规则、约束关系和可拓实例库,实现了可拓实例推理的全过程,验证了可拓实例推理方法的可行性。 针对现有方案优化难以求解上位设计优化问题,本文提出一种复杂机械产品方案设计的模糊物元建模、分析与多目标优化方法,将关联函数规范化并建立与模糊隶属度函数之间的定量关系,用此方法与常规的线性加权法、理想点法、模糊优化法进行比较,通过理论分析和设计实例验证了其可行性和先进性。论文改进了遗传算法操作算子,给出模糊物元多目标优化设计问题的改进自适应宏遗传算法(MAMGA)求解过程,并分别与简单遗传算法(SGA)、自适应宏遗传算法(AMGA)加以比较,证明该算法具有较高的执行效率。将该方法进一步应用于机械传动方案优化设计,详细讨论了传动方案的染色体编码、适应值计算和遗传操作算子等问题,实现了复杂产品方案设计的多目标模糊物元优化;同时,利用该设计方法,在ANSYS平台上对柔性放大机构进行了拓扑优化,从而实现了直线运动放大机构的创新设计。


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