基于群集智能的产品共进化设计方法研究

摘要

现代市场竞争愈加激烈，提高产品质量、缩短产品研发周期和提高产品创新性是提升产品竞争力的有效手段。由于产品功能和结构越来越复杂，因此如何利用现代信息技术提高传统设计方法的效率和质量，建立能够满足产品创新性要求的产品创新设计方法无疑具有非常重要的理论意义和现实意义。
　　 本文借鉴国内外相关研究成果，将新型的群集智能方法与共进化设计原理相融合，从机构创新设计、结构优化设计、公差优化设计等角度对产品共进化设计方法进行了深入研究，为产品创新设计理论提供了一种新的研究途径。
　　 通过对现有的设计模型的分析，构建了产品创新设计过程的三维空间描述和复杂设计问题求解过程的形式化描述方法，揭示了产品创新设计过程中的“问题空间—算子空间—解空间”共进化原理。根据产品设计的需要，将该共进化原理实例化为“问题空间-解空间”、“算子空间-解空间”和“问题空间-算子空间”三种共进化子模式。
　　 在“算子空间-解空间”共进化的子模式下，针对机构创新设计问题，首先提出了一种采用进化蚁群优化算法求解最大结构码的机构同构判定方法；然后给出机构轨迹曲线的数字化描述方法，提出了基于蚁群聚类算法的机构轨迹聚类方法和机构轨迹匹配方法；最后分别采用平面10杆机构的同构判定和平面4杆机构的轨迹综合两个实例验证上述方法的有效性。针对公差优化设计问题，首先以将加工成本与质量损失作为设计目标，建立了工艺公差优化设计的多目标模型；再根据Pareto最优性原理提出了一种直接求解该问题的Pareto最优解集的多目标粒子群优化算法；随后研究了工艺、工序并行的公差优化设计问题的建模及其转化，提出了用于该类问题求解的一种混合群集智能算法；最后给出了两个公差优化设计的应用实例。
　　 在“问题空间-解空间”共进化的子模式下，提出了基于蚁群优化算法的离散变量桁架结构共进化设计方法。首先将离散变量桁架结构优化设计过程分为拓扑空间(即问题空间)和尺寸空间(即解空间)共进化的两个子过程，提出了桁架结构的尺寸优化模型和拓扑优化模型及其向标准组合优化问题转化的方法。为尺寸优化子过程和拓扑优化子过程分别定制了相应的蚁群优化算法，并对算法的参数选择和收敛过程进行了分析和探讨。通过对标准的10杆和15杆桁架在不同载荷和位移约束下的共进化设计，结果表明该方法具有效率高、全局收敛和鲁棒性好等特点。最后将该方法应用于某抛物面天线背架结构优化设计的工程实例。
　　 在“问题空间-算子空间”共进化的子模式下，通过元胞自动机和结构单元之间的映射关系，研究在外载荷和约束作用下，连续结构的单元之间通过局部作用形成最优整体拓扑的机理，提出了一种基于元胞自动机的连续结构拓扑优化设计方法。以标准的二维悬臂梁拓扑优化设计为例，讨论了局部规则控制参数组合和元胞邻居结构对进化过程的影响。理论分析和数值实验结果表明，该方法的时间复杂度和空间复杂度都很低，收敛速度快，适合于大规模问题求解，且不存在棋盘格和网格依赖等数值不稳定性。最后将该方法应用于方形平板散热结构拓扑优化设计和机翼剖面结构拓扑优化设计的两个工程实例。
　　 基于上述理论方法研究成果，实现了所有算法的程序编制，研制了基于群集智能的产品共进化设计原型系统，并对其可行性和有效性进行了验证。