基于FMBS模型的计算机辅助概念设计方法研究

摘要

机械系统概念设计、创新设计等内容的研究已成为现代设计、先进制造与自动化技术领域的关键问题之一。概念设计阶段是新产品开发过程中最能体现人类创造性的阶段,它是详细设计的前提,概念设计成为产品开发创新的核心环节。概念设计的目标是在一定的时间内拿出能够满足市场需要的具有创新性的产品方案。计算机辅助技术已经在工程设计的很多领域有了成功的应用,但是在概念设计阶段计算机辅助技术的应用具有较大的难度,原因在于概念设计阶段所涉及到的知识往往是不精确的、不完整的。随着计算机、人工智能技术相关技术的发展,使概念设计的过程的某些环节的计算机化成为可能。本文围绕计算机辅助机械运动系统概念设计这一问题,从理论、实现方法和应用等方面展开相关研究。主要内容如下： 1.分析了机械运动系统概念设计的基本内容和过程模型,在此基础上提出机械运动系统概念设计过程功能-工作机理-行为-结构(FMBS)模型,给出该模型实现的细化流程。在FMBS模型的基础上,给出了实现计算机辅助机械运动系统概念设计系统的体系结构。 2.研究了FMBS模型第一步工作：功能建模。探讨了功能的概念、分类、表达及功能分解的一般过程。提出建立功能分解模型主要完成两项工作：实现功能分解,表达功能分解模型。功能分解操作的实现采用了闭包数学理论来描述。功能分解模型的表达采用了形式化描述方法,对功能分解模型中的各种关系(与或关系、分解映射关系、功能结构中功能关系)作了详细的分析,并给出相应的数学表达方法。 3.研究了FMBS模型第二步工作：基于工作机理的行为建模。主要内容包括：提出机械系统运动行为多属性的编码方法及机械系统运动行为空间表达法,运动行为空间可表达运动行为之间的关系；通过研究功能行为映射,提出采用工作机理作为联系功能和行为空间的桥梁,实现功能到行为的映射；为提高概念设计创新性,研究了行为空间的重组创新方法,并给出了相应的实现算法。 4.研究了FMBS模型第三步工作：设计方案的生成。根据机械运动系统的特点,提出了机械运动系统形态学矩阵动态构造方法；根据形态学矩阵方法存在的不足之处,提出了一种基于评价和多目标优化的形态搜索方法,该方法在实现过程中考虑形态的性能等级和形态之间连接关系的等级,通过采用层次组合优化理论、偏序关系理论、形态学分析理论等理论和遗传算法等方法加以实现。 5.研究了FMBS模型第四步工作：设计方案的评价。以工程模糊集理论为基础,建立模糊评价模型。对设计方案评价的指标体系进行了层次分析,以指标体系为依据划分了若干个评价单元,将方案系统的整体评价问题转换为一系列基本单元的评价和基本评价单元的综合问题。结合工程模糊集理论、模糊识别理论建立方案评价的模糊多级识别模型,通过模糊识别给出了概念设计方案对各个给定级别的相对隶属度矩阵,以此作为方案排序的依据。 6.Microsoft Visual C++为平台开发了软件系统,主要包括三个部分：系统模块,知识库、方案数据库。系统模块分为两类：一类是系统驱动模块,主要包括：功能模块、工作机理模块、行为模块、结构模块、方案组合模块、系统评价模块；另一类是知识和方案数据维护与管理模块。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1概述

1.2相关文献综述

1.2.1概念设计方法学的研究

1.2.2概念设计核心技术的研究现状

1.2.3方案的生成

1.2.4方案的评价与决策

1.2.5概念设计支持技术的研究现状

1.2.6概念设计的系统实现

1.3研究现状分析

1.4本文的主要研究

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

1.5章节安排

1.6本章小结

第2章机械运动系统概念设计模型

2.1引言

2.2机械运动系统组成及功能

2.2.1执行系统

2.2.2传动系统

2.3机械运动系统概念设计模型

2.3.1机械运动系统概念设计的基本过程

2.3.2概念设计模型的相关研究

2.3.3机械运动系统概念设计FMBS过程模型

2.4机械运动系统概念设计体系结构

2.5本章小结

第3章功能建模

3.1引言

3.2功能

3.2.1功能的概念

3.2.2功能的分类

3.2.3功能表达

3.3功能分解模型

3.3.1功能分解

3.3.2功能分解操作的实现

3.3.3功能分解结果-功能结构的表达

3.3.4功能分解模型

3.4功能分解模型实例

3.5本章小结

第4章基于工作机理的行为建模

4.1引言

4.2行为

4.2.1行为的概念

4.2.2机械运动系统的行为

4.3执行系统运动行为及行为空间表达

4.3.1单个运动行为的表达

4.3.2行为空间的表达

4.4功能映射成行为

4.4.1功能和行为的关系

4.4.2基于工作机理实现功能空间到行为空间的映射

4.5行为空间的重组创新

4.5.1行为空间的重组

4.5.2行为空间的重组实现策略与算法

4.6应用实例

4.7本章小结

第5章设计方案的生成-形态学建模

5.1引言

5.2形态学分析法的基本理论

5.2.1基本概念

5.2.2基本过程及表达

5.2.3形态关系的处理

5.3机械系统形态学矩阵的构造方法

5.4基于优化和评价的形态组合方法

5.4.1基本思想

5.4.2形态学组合前提

5.4.3形态的评价

5.4.4形态的组合

5.4.5形态组合搜索的实现

5.5应用实例

5.6本章小结

第6章概念设计方案的评价

6.1.引言

6.2方案评价的指标体系

6.3方案评价的基本原理

6.4方案评价的模糊识别模型

6.4.1评价指标权重的确定

6.4.2评价指标相对优属度矩阵的建立

6.4.3多级模糊识别理论

6.5方案评价的实例

6.5.1确定单元系统，以及相应的指标权重

6.5.2确定基本单元系统的输入相对优属度矩阵

6.5.3基本单元系统求解

6.5.4综合单元系统求解

6.6本章小结

第7章系统实现及综合应用实例

7.1引言

7.2计算机辅助概念设计软件系统的开发

7.2.1软件系统结构

7.2.2软件系统实现技术和手段

7.2.3系统实现界面

7.3系统综合应用实例

7.3.1任务描述

7.3.2功能建模

7.3.3基于工作机理的行为建模

7.3.4设计方案的生成

7.3.5设计方案的评价

7.4本章小结

第8章结束语

8.1理论和方法上的进步

8.2进一步研究建议

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果