论文摘要
为了解决概念设计自动化进程中结构表达、结构构思和设计过程描述等方面的问题,本文系统概述了国内外现代设计理论与设计方法、概念设计以及TRIZ（俄语“发明问题解决理论”的英文缩写）的研究现状、相关领域的研究成果和发展趋势,以功能表面分解重构设计自动化理论为基础,借鉴TRIZ的科学效应工具思想,深入研究建立了科学效应模型,并以此为基础研究开发了实现概念设计自动化的关键技术。本文的研究有助于概念设计自动化理论的发展,对于提高人类对人造产品世界的理解和掌握能力,以及自动处理产品知识和结构数据方面的能力,均具有重要的理论意义和深远的经济价值。主要研究内容和进展如下:首先,在广义定位原理的基础上,针对概念设计中引入流体所面临的定位和功能建模问题提出了容器原理,并将能量阻挡面补充到功能表面信息建模中;为解决“流体定位功能-结构”映射提出了容器面的概念,与定位刚体的使定面不同,容器面具有定位流体、定性连续和面组密闭的特点;针对概念设计自动化提出了容器模式并设计了其编码规则,指出以流体为主要操作对象的产品的概念设计即支持功能传递的容器的设计。为了更好地解决科学效应到结构的映射问题,进一步充实概念设计自动化理论,本文借鉴TRIZ的科学效应工具,提出了效应表面的概念,并将之作为面向原理创新和结构创成的概念设计建模手段,实现了“功能-效应-效应表面-结构”的映射过程模型。针对设计自动化和科学原理、结构实例的重用提出了实例效应、效应模式和效应模式链的方法,并以效应模式库的方式进行管理和应用。把广义定位原理和容器原理处理为可操作效应,用定位表达其输入和输出。整合了已有的广义定位模式、容器模式和以其为基础构建的其他效应模式,并为加速设计进程开发了生成后续链、生成控制链和生成效应模式链的功能。这样,借助效应模式库,利用效应表面构建产品初始原型,遵循分解重构原理、三流合一思想,通过具有效应链接关系的效应模式的效应表面之间的耦合,以主要流的生成为主,采取同步链接推理方法来逐步生成实现流传递的效应链原理解和概念零件。从而根据成功的设计结果,实现由设计者约束的、自顶向下的、直接而高效的设计过程,使得产品初始原型细化、具体,并通过将壳体件编码、壳体库和实体库分开处理进行壳体匹配,从而便于实现概念方案的实体映射。对设计方案的管理则采取方案树和版本管理方法以解决版本查询、版本回溯、版本存储等问题,采取多人、多层次、多目标的模糊评价方法进行方案的选择。从而以效应表面为映射媒介实现了功能到结构的快速稳定映射。提出并实现了在生长型概念结构设计阶段自动形成一个完整的系统模型并完成初步计算的功能。重点对以能量流为主的产品的能量链的生成及其计算为例进行研究。在同步链接推理的设计重构过程中,把效应链接的能量流输入和能量流输出的前后衔接作为主要考虑对象,重点实现能量流的传递,按照三流合一思想对其他流进行重构,从而在通过效应链接设计产品方案的同时生成结构和能量链,通过设置控制能量流传递的主参数和控制参数,借助效应表面集成的定量参数数据并通过效应公式主要输出参数和输入参数的前后衔接支持公式迭代计算,从而在设计初期就能获得数据支持并通过修改控制参数快速获得数据、结构更新。在上述理论和关键技术的基础上,采用面向对象技术在MechanicalDesktop几何建模平台上,以ObjectARX、Access数据库、Visual C++为主要编程手段和编程环境改进已有系统,开发了计算机辅助概念设计软件系统——ES-DARFAD。从而实现了研究成果和CAD软件的结合、形象化的设计过程和友好的人机界面,并为向详细设计阶段过渡和信息传递打下了基础。最后,以太阳能热水器设计为例描述了应用ES-DARFAD进行概念设计的过程,验证了效应表面产品信息建模技术与概念设计自动化技术在同步链接推理实现以及概念产品方案快速创成上的有效性。本文工作对从事计算机辅助概念设计自动化系统的研究与开发具有重要的借鉴和指导意义。