面向创新产品设计的集成建模与优化方法研究

摘要

概念设计是产品整个设计流程中的关键环节，对提高产品性能、降低产品成本有着决定性的影响，是实现产品快速创新的重要阶段。本文就以产品概念设计为基础，结合多色集合层次建模理论，建立了创新产品设计集成模型，并解决了基于集成模型的产品概念设计方案生成、优选和基于多色集合数量层约束模型的产品设计参数优化研究。本文的研究工作和主要内容如下：
　　一是建立面向创新产品设计的集成模型。针对创新产品设计的特点，对产品设计按照改进的功能方法树模型进行功能分解，并利用多色集合个人颜色与统一颜色对递阶结构树模型进行形式化描述；利用多色集合围道矩阵描述模型中不同的约束关系。结合产品设计进程中概念设计与后续参数设计的关系，将概念设计信息模型进行扩展，利用多色集合数量层围道矩阵，处理产品设计中的参数约束问题，建立产品参数优化约束模型。基于多色集合的分层建模理论和方法，将集成模型分别在集合层、逻辑层和数量层上表达，通过集合层的功能单元信息模型、逻辑层的功能单元关系网络模型和数量层的功能单元结构参数排列模型，及其相互间的映射关系，建立创新产品设计的集成模型。
　　二是基于多色集合的概念设计方案推理。根据概念设计产品信息模型中边的着色矩阵，利用不同的多色集合围道矩阵来描述概念设计中存在的约束关系；基于多色集合中的析取和合取运算，根据多色集合推理、约束矩阵，实现从用户需求到不同产品方案组合的推理过程，获得可行的设计方案集。最后以隔振系统和机床夹具系统为例对概念设计建模及推理方法进行说明。
　　三是概念设计方案评价优选。对概念设计推理获取的可行方案集进一步优选，采用模糊理论将方案评价信息量化，利用层次分析法确定评价指标权重，提出一种基于模糊层次分析法和遗传算法的方案优选方法，建立方案优选模型，通过智能算法获取优选方案。
　　四是基于集成模型的多目标优化方法研究。对产品设计集成模型中的数量层参数排列模型进行扩展，在数量层建立产品参数优化数学模型。针对传统 NSGA-II算法求解三目标优化问题时的不足，引入正交设计的思想，提出一种基于正交设计的NSGA-II算法，并用测试函数对算法的性能进行测试，结果表明改进的算法在引入正交设计后，算法的性能得到了提高。最后以制动器和隔振系统的多目标参数优化设计为例进行说明，建立多目标优化模型，并用改进的 NSGA-II算法对多目标优化模型进行求解，发现改进的得到的pareto前端解集分布更均匀，连续性和收敛性也更好。

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引言

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及结构安排

1.4 本章小结

2 面向创新产品设计的集成建模理论

2.1 概述

2.2 概念设计过程建模

2.3 多色集合信息建模理论

2.4 本章小结

3 基于多色集合的概念设计集成建模及方案推理

3.1 基于多色集合的产品信息建模

3.2 基于多色集合的数量层约束建模

3.3 基于多色集合的概念设计集成建模

3.4 基于多色集合的概念设计方案推理

3.5 实例应用

3.6 本章小结

4 概念设计方案评价优选

4.1 基于模糊理论的方案评价

4.2 基于AHP法确定评价指标权重

4.3 方案评价优选模型的建立

4.4 基于遗传算法的方案优选

4.5 实例应用

4.6 本章小结

5 基于集成模型的多目标优化方法研究

5.1 基于正交设计NSGA-II的优化算法

5.2 算法性能测试及结果分析

5.3 制动器多目标优化实例应用

5.4 隔振系统多目标优化实例应用

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 研究展望

参考文献

后记

附录：攻读硕士学位期间的部分科研成果