基于同步公差设计的概念结构设计优化

论文摘要

机械设备在国内外市场中竞争力的强弱，在很大程度上取决于产品的质量，而产品的质量又在很大程度上取决于产品的设计，产品的设计质量可赋予某种产品“先天性优劣”这种至关重要的本质特性。因此对绝大多数产品来说，产品的设计在保证产品质量的过程中起着头等重要的作用。公差设计又是机械产品设计中极为重要的不可缺少的一环。这是因为尺寸和公差不仅影响产品的质量，而且对制造成本也起着决定性的作用。 当前的公差设计研究大多集中于详细设计阶段，对设计前期的公差研究较少。为保证概念结构设计的可行性与经济性，提出将公差设计研究提前到概念设计阶段并研究了其中的关键技术。本文以国家自然科学基金项目：产品概念结构与公差同步综合进化设计理论与应用研究(项目号：50475129)为中心展开研究。按照自顶向下、分解重构的设计思想，在生长型概念结构设计的基础上，将公差问题提前到概念设计阶段。随着结构自顶向下、不断进化的设计，公差设计也是一种自顶向下、不断进化的设计，从设计的源头开始考虑公差因素，并把公差因素作为产品设计的推动因素，启发式引导产品创成过程，对产品方案进行评价和优化。在设计前期的公差设计将及时发现设计中的公差问题，减少设计修改并缩短设计周期，极大地降低产品成本。 论文的主要内容如下： 系统地综述了国内外计算机辅助公差设计与概念结构设计的研究现状。按照自顶向下的设计思想说明了在设计前期研究公差问题的必要性，在此基础上提出了本文的研究目标和整体框架。 首次提出了基于同步公差设计的概念结构设计优化理论，其本质是自顶向下和分解重构的设计思想在公差设计中的体现。建立了功能—结构—公差集成模型，分析了这种设计方式与传统设计方式的不同。研究了公差与概念结构优化的关系，建立了同步公差和概念结构设计优化具体实现框架，实现了基于公差的设计。建立了面向同步公差设计的集成设计模型，它包括装配信息模型、同步公差设计过程模型、相应的公差表示模型三个部分。装配信息模型采用了基于配合和接触关系的功能表面装配网络模型，并建立了相应的数据结构；分析了宏观的概念设计

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 公差设计的现状
• 1.1.2 自顶向下的设计思想
• 1.2 计算机辅助公差设计研究概述
• 1.2.1 计算机辅助公差设计的发展和研究团队
• 1.2.2 计算机辅助公差设计理论
• 1.2.2.1 公差表示
• 1.2.2.2 公差设计
• 1.2.3 现有的计算机辅助公差设计系统
• 1.3 产品概念设计研究概述
• 1.3.1 研究现状
• 1.3.2 基于基因和进化思想的设计研究
• 1.4 本文的主要研究内容及组织安排
• 第2章 同步公差设计与优化理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 生长型设计
• 2.2.1 定义1：功能表面——生长型设计的最小单元
• 2.2.2 定义2：分解重构原理——生长型设计的指导原则
• 2.2.3 定义3：广义定位——生长型设计的约束条件
• 2.2.4 定义4：功能模式——生长型设计的自动化基础
• 2.2.5 生长型设计模型
• 2.2.6 生长型设计过程与实例
• 2.3 同步公差设计的整体理论研究
• 2.3.1 功能、结构、公差集成
• 2.3.2 公差分解重构的过程
• 2.3.3 公差自顶向下和自底向上设计的比较
• 2.3.4 公差与概念结构优化
• 2.3.5 同步公差和概念结构设计优化整体框架
• 2.4 支持同步公差设计的集成设计建模
• 2.4.1 支持同步公差设计的装配模型
• 2.4.1.1 装配模型研究
• 2.4.1.2 基于功能表面的装配网络图
• 2.4.1.3 基于连接模型的CAD模型
• 2.4.1.4 模型的数学基础
• 2.4.1.5 基于功能表面的产品装配模型的数据结构
• 2.4.2 支持同步公差设计的设计过程模型及其管理
• 2.4.2.1 分解重构,反复迭代的宏观设计过程
• 2.4.2.2 单步的设计过程研究
• 2.4.2.3 基于功能表面的版本管理系统
• 2.4.3 支持同步公差设计的公差模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于旋量的名义结构约束分析
• 3.1 约束分析在公差设计中的必要性
• 3.2 旋量理论基本概念
• 3.2.1 Twist, Wrench
• 3.2.2 力螺旋和运动螺旋的关系
• 3.2.3 螺旋的基本运算
• 3.3 基于旋量的约束分析
• 3.3.1 运动判断和约束判断的结果含义
• 3.3.2 基本的功能表面对及相应的Twist
• 3.3.3 组合运动判断和组合约束判断
• 3.3.4 装配特征及其Twist
• 3.3.4.1 基于功能表面研究装配特征
• 3.3.4.2 典型的装配特征及其Twist
• 3.3.5 功能模式及零件的约束判断
• 3.4 产品名义结构分类和相应公差研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于功能表面的三维公差设计与关键技术
• 4.1 公差表示模型
• 4.1.1 新一代公差标准GPS
• 4.1.2 基于功能表面的公差表示模型
• 4.2 公差类型的推导规则和自动生成
• 4.2.1 公差分类
• 4.2.2 功能表面约束关系与公差类型的对应
• 4.2.3 公差类型的计算机自动实现
• 4.3 公差与旋量的对应计算
• 4.3.1 公差类型与旋量的对应关系
• 4.3.2 配合公差与旋量的对应关系
• 4.4 公差网络和公差计算
• 4.4.1 对于单个装配特征连接的产品模型
• 4.4.2 公差网络和公差回路
• 4.4.3 公差积累的运动学模型
• 4.4.4 公差大小的分配计算
• 4.5 全局公差网络、单步公差计算及其回溯
• 4.6 本章小结
• 第5章 公差评价以及概念结构优化技术
• 5.1 引言
• 5.2 公差评价指标体系
• 5.2.1 单一产品的公差评价指标
• 5.2.2 批量生产的公差评价指标
• 5.3 公差需求对功能模式的启发式引导
• 5.4 概念结构方案优化
• 5.4.1 系统层优化及其原则
• 5.4.2 参数层优化
• 5.4.3 公差层优化
• 5.5 本章小结
• 第6章 原型系统实现与实例应用
• 6.1 引言
• 6.2 系统结构
• 6.3 系统实施
• 6.3.1 开发平台
• 6.3.2 开发工具
• 6.3.3 现有的软件基础DARFAD系统
• 6.3.4 原形系统模块介绍
• 6.4 设计实例
• 6.4.1 设计实例一
• 6.4.2 设计实例二
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文、参与的课题以及获得的奖励
• 致谢