公理设计中独立公理的扩展及其应用研究

论文摘要

本论文受国家自然科学基金“公理设计的扩展研究及其稳健优化设计方法”（项目批准号:50575083）支持。针对公理设计的独立公理,以耦合问题的解决作为切入点,研究基于独立公理的耦合设计处理方法,基于系统性创造思维（Systematic Inventive Thinking,SIT）的解耦方法,并将人工免疫系统和集合论等工具引入公理设计框架,探讨公理设计在机械传动系统概念设计领域应用的普适性。首先,研究了基于独立公理的耦合设计处理方法。以公理设计的相邻域之间Z形映射为指导,分解设计问题并调整设计矩阵,揭示功能需求（Functional Requirements, FRs）和设计参数（Design Parameters, DPs）之间的交互作用,研究得出耦合FRs-DPs之间的实质解耦条件,对于满足该条件的FRs-DPs采用实质解耦方法解耦,提出基于满意度的解耦方法处理不能实质解耦的耦合任务,并对解耦处理后余下的耦合FRs-DPs任务集进行割裂从而确定最佳初始迭代顺序。基于上述工作,提出了一种基于独立公理的耦合设计处理方法,该方法充分考虑了FRs-DPs之间的交互作用,为在FRs不独立的情况下完成设计提供解决方案。以金属基/陶瓷复合涂层柱塞杆设计问题以及冷凝器设计问题,说明和验证了该方法。其次,研究了基于SIT的解耦方法。通过从原理、方法和工具层面,也即从独立公理与性质变化原理、公理设计与封闭世界原理、层次结构与SIT、信息公理与SIT的关系四个方面研究和分析了公理设计与SIT之间的关系、兼容性和集成的可能性,揭示出应用公理设计中遇到的耦合问题可借助于SIT方法来解决,并根据两者之间的联系和一致性分析结果提出公理设计下基于SIT的解耦方法,详细探讨了该方法的具体步骤,并在此基础上提出升级已有的旧系统或根据已有的旧系统开发新系统的步骤。此外,对该解耦方法的特征和可能的扩展——引入TRIZ作为辅助工具,进行了讨论。通过冲水振动和噪声问题实例说明该方法在解决耦合问题的过程中,如何逐步明确表达和陈述问题并系统的搜索可行解。该方法可以避免耦合度度量、参数折中及寻求替代技术概念等常规方法的措施,通过引入创造性的概念实现耦合FRs的完全解耦,得到满足独立公理的无耦合设计。再次,研究了基于公理设计的机械传动系统概念设计方法。以公理设计框架为指导,将行为作为功能需求和设计参数之间的桥梁,根据运动特征集,基于集合论对功能需求和设计参数进行形式化描述,从而划分基本功能需求块和设计参数块;给出功能域向物理域映射的基本条件,功能需求分解规则的产生步骤,在上述工作的基础上,提出一种基于公理设计的机械传动系统概念设计方法。该方法通过对功能域向物理域映射过程的描述,产生功能分解规则进行功能分解并搜索出各子功能的解,在组合子功能解的过程中,通过建立组合解搜索问题的数学模型,引入免疫算法来处理该问题,有效加快搜索过程和处理可能存在的组合爆炸。通过捻线机往复导纱系统设计实例说明和验证了该方法。最后,在前述对公理设计的扩展性研究成果的指导下,进行新型捻线机的设计。包括,进行新型捻线机的总体方案设计,建立传动系统数学模型并进行传动系统方案设计和结构设计,分析加捻装置—锭子的加捻原理和结构原理方案,最后在上述工作的基础上获得新型捻线机的满意设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 设计理论与方法概述
• 1.3 公理设计理论概述
• 1.3.1 设计理论体系公理化的必然趋势
• 1.3.2 公理设计理论
• 1.3.3 公理设计的独立公理
• 1.4 本文的研究内容与体系结构
• 2 公理设计的研究进展
• 2.1 公理设计概要
• 2.1.1 域及映射
• 2.1.2 设计公理
• 2.1.3 “Z 字形”分解和层级
• 2.1.4 公理设计指导产品设计的流程
• 2.2 公理设计的研究进展
• 2.3 公理设计研究的问题分析与展望
• 2.4 本论文的研究思路
• 2.4.1 基于独立公理研究处理功能耦合问题的系统化方法
• 2.4.2 将系统性创造思维方法引入公理设计框架解决功能耦合问题
• 2.4.3 基于集合论、人工免疫系统和公理设计研究机械传动系统概念设计方法
• 2.4.4 基于公理设计的新型捻线机设计
• 2.5 本章小结
• 3 基于独立公理的耦合设计处理方法
• 3.1 引言
• 3.2 耦合问题的分类
• 3.3 功能分解及设计矩阵调整
• 3.3.1 功能分解并产生设计矩阵
• 3.3.2 设计矩阵的调整
• 3.4 基本符号和定义
• 3.4.1 耦合设计任务的关系图
• 3.4.2 选择FRi 的关键设计参数DP
• 3.4.3 符号
• 3.4.4 耦合关系分析及度量
• 3.5 解耦条件和方法
• 3.5.1 实质解耦方法
• 3.5.2 基于满意度的解耦方法
• 3.6 初始迭代顺序的确定
• 3.7 基于独立公理的耦合设计处理方法
• 3.8 实例研究
• 3.8.1 金属基/陶瓷复合涂层柱塞杆设计
• 3.8.2 卧式壳管式冷凝器设计
• 3.9 本章小结
• 4 公理设计下基于系统性创造思维的解耦方法
• 4.1 引言
• 4.2 系统性创造思维
• 4.2.1 TRIZ
• 4.2.2 SIT
• 4.3 耦合问题的处理情况分析
• 4.4 公理设计与系统性创造思维的关系
• 4.4.1 独立公理与性质变化原理的关系
• 4.4.2 公理设计与封闭世界原理的关系
• 4.4.3 层次结构与SIT 的关系
• 4.4.4 信息公理与SIT 的关系
• 4.5 公理设计下基于系统性创造思维的解耦方法
• 4.5.1 公理设计下基于SIT 的解耦方法
• 4.5.2 解耦方法的具体步骤
• 4.5.3 升级现有系统或在现有系统基础上开发一个新系统
• 4.6 工程实例
• 4.6.1 冲水振动和噪声问题
• 4.6.2 常规解决方法
• 4.6.3 基于SIT 的解耦方法
• 4.7 分析和讨论
• 4.7.1 分析
• 4.7.2 解耦方法的可能扩展
• 4.8 本章小结
• 5 基于公理设计的机械传动系统概念设计
• 5.1 引言
• 5.2 人工免疫系统
• 5.2.1 人工免疫系统的研究
• 5.2.2 人工免疫系统的仿生机理
• 5.2.3 免疫算法
• 5.3 基于公理设计的机械传动系统概念设计方法
• 5.3.1 功能需求和设计参数的描述
• 5.3.2 基于公理设计的机械传动系统概念设计方法
• 5.4 基于免疫算法的子功能解组合优化方法
• 5.4.1 子功能解的组合优化问题描述及其数学模型
• 5.4.2 基于免疫算法的可行组合解搜索
• 5.5 捻线机往复导纱系统的设计
• 5.5.1 捻线机的传动系统
• 5.5.2 纱线卷绕运动的数学模型
• 5.5.3 往复导纱系统设计
• 5.6 本章小结
• 6 基于公理设计的新型捻线机设计
• 6.1 引言
• 6.2 捻线机总体方案设计
• 6.2.1 顾客需求分析和定义产品总功能需求
• 6.2.2 基于公理设计的捻线机总体方案设计
• 6.3 捻线机传动系统设计
• 6.3.1 捻线机传动系统的方案设计
• 6.3.2 捻线机传动系统的数学模型
• 6.3.3 捻线机传动系统的控制原理图
• 6.3.4 新型捻线机传动系统结构示意图
• 6.4 锭子加捻原理分析
• 6.4.1 捻线锭子加捻效率问题
• 6.4.2 AD 框架下基于SIT 方法解决加捻锭子设计问题
• 6.5 捻线机总体设计结果
• 6.6 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间申请专利目录