基于广义功能建模的复杂产品模块化设计技术研究

摘要

随着工业的生产化以及人们对产品个性化需求的提高，模块化设计已成为多数机械产品所采用的一种先进的设计方法。通常产品概念设计决定着产品研发70％的成本和效率，若在产品概念设计时期实现有效模块划分将有益于整个产品的设计过程。此外，随着产品功能的不断增加，使得产品功能、结构具有高度的耦合性，不利于实现模块化设计，但随着产品生命周期不断缩短和创新能力的不断增强，复杂产品的模块化设计仍是一个有效的手段。针对以上要求，本文提出了一套系统性的面向复杂机械产品概念设计阶段的模块化设计及评价方法。
　　首先在研究传统功能结构建模方法的基础上，提出了广义功能结构模型的构建方法。基于运行活动图进行顶层抽象功能分解，再通过改进广义工艺功能分析法实现次级功能的分解和功构映射，从而有效克服了复杂机械产品顶层功能分解和耦合功能相关性分析困难等问题。
　　其次，从功能、物理、几何三个方面进行了零部件之间的联系因子相关性分析，并基于层次分析法和刻度标定法实现了联系因子的定量化计算。然后结合设计结构矩阵基本理论和功能结构模型构建了零部件的DSM数值化矩阵，通过智能遗传聚类算法实现了复杂机械产品的模块划分。
　　针对模块划分结果，提出了一种基于变更风险的模块化评估方法。在零件的变更传播有效路径分析和零部件重要度分析的基础上，构建了变更传播的直接可能性矩阵、三个传播深度的间接可能性矩阵和影响度矩阵，以此得到了各个模块的综合风险矩阵。通过对综合风险矩阵的行列归一化处理，实现了面向抗干扰能力和传播干扰能力的模块化性能评估。
　　最后，在模块设计和性能评估完成的基础上，从功能、几何、材料、制造四个方面进行了模块接口特性的分析，建立了模块接口数据结构体系，同时基于层次分析法实现了接口基型结构的构建和接口系列化流程、标准化编码规则的制定，从而形成了一套系统的模块接口标准化设计方法，并以高速列车转向架为对象验证了该设计方法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 模块化的分类、特征和优势

1．2．1 产品模块分类

1．2．2 模块化特征

1．2．3 模块化优势

1．3 模块划分及评价技术研究现状

1．4 课题来源与主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 广义功能结构建模方法

2．1 传统功能结构建模方法及适用性

2．2 广义功能结构模型构建方法

2．2．1 广义功能结构模型构建方法介绍

2．2．2 基于产品运行活动图的功能分解

2．2．3 改进广义工艺功能分析法

2．3 实例分析

2．4 本章小结

第3章 基于设计结构矩阵的模块划分

3．1 结构设计矩阵基本理论

3．2 基于广义功能结构模型的结构设计矩阵构建

3．2．1 联系因子相关性分析

3．2．2 数值型设计结构矩阵构建

3．3 基于结构设计矩阵遗传聚类算法的模块划分

3．3．1 基于DSM的遗传聚类算法介绍

3．3．2 独立元素分离及聚类数目设定

3．3．3 编码及总群初始化

3．3．4 评价群体

3．3．5 遗传操作

3．4 实例分析

3．5 本章小结

第4章 基于工程变更传播风险的模块化评价

4．1 工程变更产生的原因与传播原理分析

4．2 基于设计结构矩阵的工程变更传播基础

4．3 基于工程变更风险的模块化评估

4．3．1 基于工程变更风险的模块化评估方法介绍

4．3．2 可能性矩阵构建

4．3．3 影响度矩阵构建

4．3．4 模块综合风险计算与评估

4．4 实例分析

4．5 本章小结

第5章 复杂机械产品模块接口标准化

5．1 机械产品模块接口标准化原则

5．2 机械产品模块接口标准化流程

5．2．1 标准化总体流程框图

5．2．2 复杂机械产品模块接口特性分析

5．2．3 模块接口数据结构

5．2．4 模块接口基型结构确定

5．2．5 模块接口参数系列化

5．2．6 模块接口标准化编码规则

5．3 实例应用

5．3．1 接口调研

5．3．2 接口特性分析

5．3．3 接口基型确定

5．3．4 接口参数系列化

5．3．5 接口标准化编码

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和参与科研项目情况