机械产品设计过程的路径决策及其模块化规划研究

论文摘要

新产品的开发是从无到有、从模糊到具体的过程,其间涉及大量存在复杂耦合迭代关系的设计任务,造成了对新产品开发过程进行规划、管理的难度。针对新产品开发的特点,本文围绕设计过程构建和设计过程规划进行研究,以期提高开发过程的创新性与快速性。第一章阐述了产品开发过程的内涵和概念设计方案求解的研究现状,综述了产品开发过程建模、规划、管理的研究现状,分析了当前研究存在的问题,并在此基础上给出了本文的研究内容和全文组织架构。第二章针对概念设计的分层映射过程模型不利于概念设计候选方案生成的问题,提出基于方案求解树和设计路径树的概念设计过程模型。采用求解树作为过程原始描述从抽象需求到具体物理结构的设计信息分层进化过程,采用路径树作为其衍生模型,将求解树中隐含的所有生成概念设计方案的路径显性地加以表示。基于功能—原理—组件的层次划分,采用符号相关矩阵对方案求解过程进行信息建模,并给出了功能、原理、组件三类设计信息的定义及其知识表达模型,为基于模型实现概念设计方案生成与决策提供基础。第三章基于方案求解树与设计路径树的概念设计过程模型,提出了基于路径决策的产品概念设计方案生成的可计算方法。根据方案求解树与设计路径树的转化关系,采用矩阵算法实现设计路径树的生成,避免了转化过程中的组合爆炸问题；以此为基础,提出了基于相似性的箭线权值计算方法,以设计信息的表达模型为评价依据,通过相似元的相似度量和功能序关系的相似度量确定箭线权值,建立带权的设计路径树。由此将概念设计候选方案生成与决策问题转化为设计路径树的生成与树中具备最优值的路径搜索与寻优问题,建立了概念设计方案生成的可计算方法,避免了设计过程创新性的退化。第四章基于设计过程的设计任务间存在集群关系、具备模块化特征的特点以及企业对于设计过程重用的诉求,提出了基于免疫算法的产品设计过程模块化规划方法。采用数字设计结构矩阵族模型进行过程建模,解决了复合矩阵集成为单一矩阵以及矩阵量化的问题,实现了过程中深层次迭代的描述；提出了免疫算法实现过程的模块化分解,以模块划分的内部聚合性、外部独立性要求以及过程规划的反馈迭代最少为优化目标构建数学模型,有效实现过程模块分解；对于分解结果,给出了任务解耦、任务合并两种重组策略,以进一步优化过程结构。第五章首次尝试开发面向新产品开发的计算机辅助过程管理系统,通过模块程序实现了本文提出的新产品开发过程管理的两个关键技术。结合“橡胶包皮线切合流水线开发”项目,说明了系统实现的流程。第六章总结全文的研究内容及工作,分析归纳了本文的主要研究成果和创新点,并对课题下一步的研究方向进行了展望。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及研究意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 产品开发过程概论
• 1.2.2 概念设计过程模型
• 1.2.3 产品开发过程建模
• 1.2.3.1 基于图形的产品设计过程模型
• 1.2.3.2 基于矩阵的产品设计过程模型
• 1.2.4 产品开发过程规划管理方法
• 1.2.4.1 DSM优化重组方法
• 1.2.4.2 基于静态分析的过程规划方法
• 1.2.4.3 基于动态模拟的过程规划方法
• 1.3 设计过程组织管理领域存在的问题
• 1.4 本文的主要研究内容及框架
• 1.4.1 论文的主要内容
• 1.4.2 论文的结构框架
• 1.5 本章小结
• 第二章 基于方案求解树与设计路径树的概念设计过程模型
• 2.1 引言
• 2.2 方案求解树与设计路径树的建立
• 2.3 方案求解映射过程的数学描述
• 2.4 设计信息及其表达模型
• 2.4.1 功能表达模型
• 2.4.2 原理表达模型
• 2.4.3 组件表达模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于路径决策的产品概念设计方案生成方法
• 3.1 引言
• 3.2 设计路径树的生成方法
• 3.2.1 符号矩阵的运算规则
• 3.2.2 组合求解映射的矩阵算法
• 3.3 基于相似性的箭线权值计算方法
• 3.3.1 箭线权值的计算原理
• 3.3.2 相似性测度
• 3.3.3 相似元的相似度量
• 3.3.4 功能序关系的相似度量
• 3.3.5 补充说明
• 3.4 设计路径树的最优路径搜索
• 3.5 实例分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于免疫算法的产品设计过程模块化规划方法
• 4.1 引言
• 4.2 设计过程模块化规划的流程及其说明
• 4.2.1 数字设计结构矩阵族模型的建立
• 4.2.1.1 设计结构矩阵
• 4.2.1.2 设计结构矩阵族模型
• 4.2.1.3 复合矩阵模型向单一矩阵模型的转化
• 4.2.1.4 设计结构矩阵的量化
• 4.2.2 过程规划重组的策略
• 4.2.2.1 任务解耦
• 4.2.2.2 任务合并
• 4.3 基于免疫算法的设计过程模块化分解
• 4.3.1 基本思想
• 4.3.2 模块化分解算法的实现
• 4.3.2.1 编码方式
• 4.3.2.2 抗体的度量
• 4.3.2.3 克隆选择
• 4.3.2.4 算法流程
• 4.4 实例分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 支持新产品开发过程规划的关键技术系统实现
• 5.1 系统框架
• 5.2 概念设计方案生成与决策模块的实现
• 5.3 设计过程模块化分解模块的实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 附录 作者简介及攻读硕士学位期间发表的论文