机电产品行为特性及可持续概念设计方法研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 产品概念设计方法
• 1.2.1 概念设计的定义
• 1.2.2 概念设计理论与方法
• 1.2.3 功能设计
• 1.2.4 可持续设计
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 概念设计认知及模型
• 1.3.2 行为特性研究
• 1.3.3 设计信息的表达
• 1.3.4 设计概念生成与综合
• 1.3.5 设计方案评估与改进
• 1.3.6 计算机辅助概念设计系统
• 1.3.7 可持续续设计
• 1.3.8 后续研究方向
• 1.4 课题来源、研究目标与研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究目标
• 1.4.3 研究内容
• 1.5 论文结构安排
• 1.6 本章小结
• 第2章 机电产品的行为特性
• 2.1 行为特性研究
• 2.1.1 行为
• 2.1.2 行为与功能的关系
• 2.1.3 功能与结构的关系
• 2.1.4 行为与结构的关系
• 2.2 行为过程
• 2.3 因果关系
• 2.4 时序关系
• 2.4.1 之前发生与并行发生
• 2.4.2 分析方法
• 2.4.3 基于时序图的表达方法
• 2.5 回路关系
• 2.5.1 回路特性
• 2.5.2 基于回路的设计指导方针
• 2.6 状态关系
• 2.6.1 材料的状态关系
• 2.6.2 基于图的表示方式
• 2.7 基于关键路径法的行为过程优化
• 2.7.1 关键路径法
• 2.7.2 行为过程时序优化模型
• 2.7.3 实例：杠杆夹的装配过程优化
• 2.8 本章小结
• 第3章 机电产品 E-CBP 模型的建立
• 3.1 CBP 模型简介
• 3.2 E-CBP 模型
• 3.2.1 构建E-CBP 模型的基本步骤
• 3.3 基于EBNF 的表达方法
• 3.3.1 EBNF 语法
• 3.3.2 行为的表达
• 3.3.3 功能的表达
• 3.3.4 结构的表达
• 3.4 实例分析
• 3.4.1 E-CBP 分析
• 3.4.2 EBNF 表达
• 3.5 本章小结
• 第4章 机电产品基于 E-CBP 的可持续设计
• 4.1 可持续设计的基本流程
• 4.2 基于E-CBP 的可持续设计方法
• 4.3 基于E-CBP 的可持续预分析方法
• 4.4 多层次模糊可持续评估方法
• 4.4.1 层次分析法
• 4.4.2 模糊集
• 4.4.3 灰度关联分析法
• 4.4.4 可持续性评估方法
• 4.5 三种打钉机设计的可持续性评估
• 4.5.1 问题描述
• 4.5.2 可持续性评估
• 4.5.3 结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 概念设计辅助系统的构建
• 5.1 系统总体设计
• 5.2 E-CBP 分析模块
• 5.2.1 设计页面流程
• 5.2.2 构建功能
• 5.2.3 构建行为
• 5.2.4 构建E-CBP 图
• 5.3 可持续评估模块
• 5.3.1 创建新评估
• 5.3.2 设定评估对象
• 5.3.3 设定评估标准层次结构
• 5.3.4 设定各项值
• 5.3.5 计算最终结果
• 5.3.6 评估标准与设计指导方针
• 5.4 基本库设计
• 5.4.1 功能行为动词库
• 5.4.2 输入输出流类型库
• 5.4.3 组件类型库
• 5.4.4 颜色类型库
• 5.4.5 装配方式库，制造方式库，失效方式库
• 5.4.6 其他基本类型库
• 5.4.7 能量存储现象库
• 5.4.8 常用机构库
• 5.5 用户基本操作模块
• 5.6 本章小结
• 第6章 实例研究
• 6.1 电动打钉机的行为分析与可持续性评估
• 6.1.1 E-CBP 分析
• 6.1.2 行为过程优化
• 6.1.3 可持续性评估
• 6.2 电动抛光机的可持续性设计
• 6.2.1 构建E-CBP 模型
• 6.2.2 基于E-CBP 的可持续设计
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果