基于FPBS的机械系统模块化设计方法与应用研究

论文摘要

为快速响应多样化机械装备产品的需求,在机械产品的方案设计过程中引入模块化设计方法与技术,建立与实施基于功能-原理（行为）-结构（Function-Principle-Behavior-Structure, FPBS）的产品模块化设计技术是解决问题的关键。本文对基于FPBS的产品方案设计、产品模块划分与创建、产品族规划设计、产品配置设计、模块适应性／变型设计、模块重构设计等问题进行了深入研究,主要内容与成果包括：（1）提出了基于功构独立性、行为相容性的产品FPBS设计建模方法。针对机械系统（产品）方案设计的复杂性,按照产品的总体技术目标特征,首先通过功能→原理（行为）→结构→功能的纵向设计迭代演进,实现产品方案设计过程中的功能-原理映射、原理-结构求解、结构-功能分解。同时,按照公理设计理论与行为相容性原则,进行产品功能、结构的不断解耦,直至分解到具有相对独立结构、独立功能、相容行为的基本功能-结构单元,实现产品FPBS分解模型的建立。其次,采用IDEF0和功能流建模相结合的方法进行产品功能建模,采用行为关联进行产品原理建模,采用装配联接进行产品结构建模,实现产品动态模型的建立。以此为基础,把机械产品方案设计拓扑模型与模块化设计方法相结合,提出基于产品方案设计模型的模块化设计方法。（2）提出了基于产品FPBS设计模型的产品模块识别、划分与创建方法。针对产品模块的创建问题,基于产品的FPBS设计模型,首先展开产品功构要素（功能、行为、结构、接口等）的相关性分析,建立功能-结构单元的相关度计算模型；然后采用模糊聚类算法进行自底向上的功能-结构单元的聚合,实现了产品层次性模块划分与创建。（3）提出了基于产品FPBS设计模型的产品族规划设计方法。针对产品族模块体系建立的问题,首先通过客户需求的聚类分析,建立满足市场细分的产品族,考虑产品性能参数的“量变”与“质变”,对产品族功能展开FPBS功构分解,建立不同层次的功能-结构单元,同时,通过QFD方法确定产品族功能-结构单元的特征参数及其取值范围；其次,建立产品族FPBS功构分解的底层功能-结构单元的功能模型,采用谱系聚类建立产品族的不同层次的功构模块,并确定基础功构模块、扩展功构模块。然后通过功能-结构单元的结构及其特征参数的综合而建立基本模块族、扩展模块族,从而实现产品族规划。（4）提出了基于产品族模块体系的产品可拓配置设计方法。针对基于模块体系的产品快速设计问题,以产品族模型为基础,针对具体的客户需求,首先采用QFD瀑布式分解方法对期望产品特征进行层次性展开,采用基于知识推理的方法进行产品配置求解,获得期望模块物元。在此基础上,采用相似匹配算法从模块族中模糊匹配出相似存在模块,形成产品的初步配置方案。然后通过ISM分析方法,确定相似存在模块变换的结构层次与变换需求,进行可拓变换,建立产品结构方案。（5）提出了基于FPBS设计模型的模块可拓适应性／变型设计方法。针对单个模块的变型设计问题,首先建立存在模块的FPBS设计模型,通过模型中功能、原理、行为、结构的可拓变换与分解而建立期望模块的FPBS分解模型；其次,建立期望模块的功能模型；然后基于功能模型的约束,通过结构单元的删减、聚合,并进行模块功构要素可拓变换、分解、聚合中传导变换分析,实现模块的适应性／变型设计。（6）提出了基于FPBS设计模型的模块重构设计方法。针对多个模块的重构设计问题,首先建立存在模块的FPBS设计模型；以此为基础进行基于功能流流转的功能重构、基于运动行为传递的原理构型、基于行为一致性的行为组合、基于行为相容性的结构聚合,建立期望模块的设计模型；进一步展开期望模块结构综合与设计,实现模块的重构设计。（7）建立了计算机辅助的产品模块化设计支持系统。针对模块化设计方法的工程应用问题,以论文研究成果为基础,遵循产品模块化设计的一般性流程,选择通用CAD作为产品结构设计工具,设计开发计算机辅助的产品模块化设计支持系统——MDSS,初步实现了论文提出的基于FPBS的机械系统模块化设计方法的工程应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 产品概念设计
• 1.2.2 模块识别、划分与创建
• 1.2.3 产品族规划设计
• 1.2.4 产品配置设计
• 1.2.5 产品模块适应性/变型设计
• 1.2.6 产品模块重构设计
• 1.2.7 产品模块化设计支持系统
• 1.2.8 模块化设计应用
• 1.3 产品模块化设计发展趋势
• 1.4 主要研究工作与内容安排
• 1.4.1 论文主要研究内容
• 1.4.2 论文组织结构
• 第二章 基于功能-原理（行为）-结构的产品模块化设计
• 2.1 基于功能-原理（行为）-结构的产品方案设计
• 2.1.1 功能、原理、行为、结构
• 2.1.2 功能、原理、行为、结构关系
• 2.1.3 产品FPBS设计迭代模型
• 2.2 基于功能-原理（行为）-结构的产品动态建模
• 2.2.1 产品功能模型
• 2.2.2 产品原理模型
• 2.2.3 产品结构模型
• 2.2.4 动态模型数学表达
• 2.3 产品模块化设计方法
• 2.3.1 基本概念
• 2.3.2 基于功能-原理（行为）-结构的产品模块化设计总体方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 产品模块识别、划分与创建
• 3.1 相关概念
• 3.2 产品模块创建过程模型
• 3.3 产品模块识别与划分
• 3.3.1 产品模块划分原则
• 3.3.2 自顶向下的产品功构要素分解
• 3.3.3 产品功构要素相关性分析
• 3.3.4 自底向上的产品功构要素聚合
• 3.4 产品模块创建要素分析
• 3.4.1 相关性权重系数影响分析
• 3.4.2 产品模块划分粒度分析
• 3.5 应用实例
• 3.6 本章小结
• 第四章 产品族规划设计
• 4.1 相关概念
• 4.2 产品族规划设计准则
• 4.3 产品族规划过程模型
• 4.4 产品族模块体系规划设计
• 4.4.1 产品族总体功能建立
• 4.4.2 自顶向下的产品族功构分解建模
• 4.4.3 自底向上的产品族功构聚合
• 4.4.4 产品族模型建立
• 4.5 应用实例
• 4.6 本章小结
• 第五章 产品可拓配置设计
• 5.1 模块、模块族、产品族模型
• 5.2 产品配置过程模型
• 5.3 产品配置设计方法
• 5.3.1 产品需求映射
• 5.3.2 产品特征层次性配置
• 5.3.3 基于知识产品特征配置实现
• 5.3.4 模块实例相似性匹配检索
• 5.3.5 模块关联性分析
• 5.3.6 模块可拓修改设计
• 5.4 应用实例
• 5.5 本章小结
• 第六章 模块可拓适应性变型设计
• 6.1 可拓适应性/变型设计概念
• 6.2 模块可拓适应性/变型设计策略
• 6.3 模块功构可拓变换
• 6.3.1 功构可拓基本变换
• 6.3.2 功构可拓传导变换
• 6.4 模块适应性/变型设计方法
• 6.5 应用实例
• 6.5.1 功构分解
• 6.5.2 功构置换
• 6.5.3 功构聚合
• 6.5.4 传导变换
• 6.5.5 设计结果
• 6.6 本章小结
• 第七章 模块重构设计
• 7.1 可重构性概念
• 7.1.1 基于FPBS可重构性概念
• 7.1.2 可重构性设计公理
• 7.2 模块重构设计过程模型
• 7.3 模块重构设计方法
• 7.3.1 功能重构方法
• 7.3.2 原理构型方法
• 7.3.3 行为组合方法
• 7.3.4 结构聚合方法
• 7.4 可重构模块设计方法
• 7.4.1 可重构子模块规划方法
• 7.4.2 面向重构的可拆卸联接机械界面
• 7.5 应用实例
• 7.5.1 功能重构
• 7.5.2 原理构型
• 7.5.3 行为组合
• 7.5.4 结构聚合
• 7.6 本章小结
• 第八章 产品模块化设计支持系统
• 8.1 产品模块化设计过程模型
• 8.2 模块化设计支持系统体系结构
• 8.3 模块化设计支持系统功能设计
• 8.3.1 产品方案设计
• 8.3.2 产品（族）模块体系建立
• 8.3.3 基于模块的产品配置（定制）设计
• 8.3.4 产品模块化设计数据管理
• 8.4 模块化设计支持系统数据模型
• 8.5 模块化设计支持系统开发实现
• 8.5.1 系统开发运行环境选型
• 8.5.2 通用CAD平台的模块化支撑扩展
• 8.5.3 系统功能实现
• 8.6 本章小结
• 第九章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果