基于广义约束协调模型的产品协同设计方法研究

摘要

产品设计是一种复杂的创造性活动，随着产品复杂度的提高，使得其设计开发过程成为不仅考虑制造、装配全生命周期的并行设计过程，而且成为机械、控制、动力学等多个领域的一体化协同设计过程。传统的产品设计方法由于缺少部门、学科之间的沟通交流，仅凭借零散局部的经验进行试凑，常常会在产品生命周期的下游阶段出现一些难以解决的问题，导致大规模的返工，产品开发周期难以保证。克服传统设计缺陷的一个最有效的方法就是使开发者从一开始就考虑产品全生命周期中包括质量、成本、进度、用户需求等所有信息，对产品设计中的各种约束条件进行分析，防止由于设计失误而导致的大规模返工，保证产品设计全过程的顺利进行。
　　 本文对产品协同设计中的约束协调问题、冲突检测算法以及大系统的化解问题进行了深入的研究，取得了以下主要成果：
　　 提出了产品协同设计中的一种基于广义约束网络的协调模型，用以描述产品设计全过程中的所有约束条件以及设计参数的不确定性信息。广义约束协调模型中不仅包含了代数约束条件，而且还包含了微分方程形式的约束条件，使得设计者可以考虑来自仿真等环节的时变约束，同时还包含了离散向量形式的约束。广义的内涵主要是针对协调模型中众多的约束条件而言。广义约束协调模型的意义在于，提供一种手段使得设计人员不仅能够考虑产品设计本身的要求，而且能够考虑仿真、制造等过程的要求，甚至可以考虑产品全生命周期中不确定性因素对产品质量的影响，在整个产品设计的过程中对潜在的设计冲突进行监控。
　　 给出了求解广义约束协调模型的广义一致性解空间监控算法。本文针对广义约束协调模型，结合各类约束条件的转化算法，推导出求解该协调模型的广义一致性解空间监控算法，通过求解转化后的一致性区间来实现检测冲突的目的。利用该算法，可以求解广义约束协调模型中的各类形式约束网络的一致性区间，在设计早期就能够预测潜在冲突，不断监控工程更改对设计解空间造成的影响，避免出现大规模的返工。
　　 采用设计结构矩阵方法对产品设计的系统模型进行分解。广义约束协调模型尽可能的包括了产品设计过程中所有的约束，理论上该模型充分考虑了产品设计过程中的所有问题，有利于设计人员考虑更多的约束条件，但在实际的操作过程中却由于模型过于庞大，导致建模、计算的困难。因此，本文采用设计结构矩阵的方法对系统模型进行分解，获得规模较小耦合紧密的组合，建立其子系统的约束协调模型，再利用一致性区间算法对子系统模型进行一致性求解以获得产品设计参数的一致性区间。
　　 最后，根据协调理论和广义约束协调模型，结合工程项目的实际需求，开发了“并行协调设计系统”。并通过唐山车辆厂某型半主动转向架的设计实例验证了本文方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 产品设计模式与设计方法概述

1.2.1 产品设计模式的发展

1.2.2 产品设计方法概述

1.3 相关问题的研究现状

1.3.1 建模问题

1.3.2 协调问题

1.3.3 约束满足

1.3.4 冲突化解

1.4 存在问题

1.5 本文的工作

1.5.1 项目背景

1.5.2 论文目的

1.5.3 研究内容

1.6 论文结构

第二章 基于协调模型的设计框架

2.1 引言

2.2 协调的概念

2.2.1 协调的定义

2.2.2 协调的分类

2.2.3 协调中的冲突

2.3 产品开发过程中的协调

2.3.1 产品全生命周期设计

2.3.2 协调的对象和任务

2.4 产品开发过程中的约束

2.4.1 约束的分类

2.4.2 约束的层次

2.4.3 模型中约束的表现形式

2.5 基于协调模型的设计框架

2.6 小结

第三章 并行协同设计中的广义约束协调模型

3.1 引言

3.2 并行协同设计中的问题

3.2.1 复杂产品的开发过程

3.2.2 并行协同设计中的问题

3.3 约束网络模型的一般表示

3.4 广义约束协调模型

3.4.1 定义与功能

3.4.2 数学表达

3.5 广义约束协调模型的建模过程及工作原理

3.5.1 建模过程

3.5.2 工作原理

3.6 小结

第四章 基于一致性算法的解空间监控

4.1 引言

4.2 一致性算法概述

4.3 区间过滤算法

4.3.1 区间过滤算法原理

4.3.2 区间过滤算法实现

4.4 广义约束协调模型中的解空间监控

4.4.1 连续向量、代数约束一致性区间求解算法

4.4.2 微分方程约束转化算法

4.4.3 离散向量约束转化算法

4.5 小结

第五章 广义约束协调模型的分解

5.1 引言

5.2 系统分解概述

5.2.1 多学科系统的分类

5.2.2 系统分解技术

5.2.3 广义约束协调模型分解的原因

5.3 设计结构矩阵(DSM)概述

5.3.1 DSM定义

5.3.2 DSM的分类

5.3.3 DSM的研究现状

5.4 基于DSM的协同设计活动分解

5.4.1 基于DSM的参数化建模

5.4.2 基于DSM的定耦分解

5.4.3 DSM分解的整体设计与流程说明

5.5 小结

第六章 原型系统的设计与实现

6.1 引言

6.2 原型系统的总体框架

6.3 系统功能和体系结构

6.3.1 协调分解子系统的功能与结构

6.3.2 协调管理子系统的功能与结构

6.4 系统实现

6.4.1 协调分解子系统的实现

6.4.2 协调管理子系统的实现

6.5小结

第七章 工程设计实例

7.1 引言

7.2 转向架设计概述

7.2.1 设计现状分析

7.2.2 设计难点分析

7.3 解决方案和结果分析

7.3.1 设计分解

7.3.2 约束建模

7.3.3 冲突检测

7.4 小结

第八章 结论与展望

8.1 结论

8.2 对进一步工作的展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文