机械产品概念设计过程建模与方案求解问题研究

论文摘要

来自市场的产品创新需求,在经过可分若干层次的设计阶段而投入生产、营销,并最终转化为现实产品的过程中,概念设计起着重要作用,对新产品的性能和市场竞争力具有决定性的影响。为此,对产品概念设计过程的相关理论、方法进行研究很有必要。国内外学术界在近二十年来对产品现代设计理论进行了大量研究,取得了许多成果,涵盖了设计需求的获取和表达、概念产品信息建模、概念设计过程建模、设计方案求解和评价等方面。本文综述了20世纪90年代中期至今与机械产品概念设计理论和方法相关的国内外文献,进行了较为细致的分类和研究;在此基础上,针对该领域尚未得到足够关注或尚未得到充分解决的若干重点和难点问题,提出了自己的观点和解决方法,并力求通过专用强夯机设计实例对所提方法的有效性、实用性进行验证,以期实现理论与实践的较完美结合。对应用于本文工作的基础理论工具进行了简要介绍,如模糊语言变量、矩阵的有向图、模糊图论、点态模糊交/并集运算等基础理论等。对影响概念产品之市场竞争力的两个关键问题进行了集中的探讨。首先针对概念产品的质量保证问题,提出以模糊语言变量作为质量需求信息建模工具,对变量的语言值及其对应的论域子集的适当选取动态地表现市场对概念产品质量需求的决定作用,论域子集所界定的参数值区间可直接作为概念设计的约束条件。随后,分析了机械产品创新过程中工作环境、市场需求等因素的变化对产品概念设计过程的决定性影响,在此基础上建立了环境—需求—功能—行为—结构（E-R-F-B-S）变量集映射动态模型,利用7种映射单元之间的有序组合归纳出4条产品创新链,为设计者在机械产品设计实践中的若干种创新思维过程建立了简明的框架模型。通过确立创新链与有向图、有向图与稀疏矩阵之间的对应关系,建立了创新链的数学模型,进而提出了创建以稀疏对称阵为输入变量的计算机辅助概念设计推理系统的构想。为使概念设计方案生成过程能直观、形象地表达,将模糊图论引入该过程,利用模糊与/或树表征产品概念空间。以对基本功能载体技术性能的模糊综合评判为基础,利用模糊设计理论中的最优水平值方法遴选基本功能载体,然后通过对功能载体的组合得到备择方案并进行综合评价,达到优化概念设计方案求解过程和提高设计效率的目的。对于概念产品可靠性预测这一方案评价中的重点问题,利用故障树分析方法,将故障树底事件发生可能性的模糊语言描述量化为模糊集的元素。在故障树分析中,由于现有的变参数点态模糊集运算模型存在缺陷,将用于点态模糊交集运算的参数型Schweizer（3）算子、点态模糊并集运算的参数型Hamacher算子分别选作概念产品故障树中“与”、“或”事件可能性量化预测的工具,并依据专家经验为以上算子分别选定了表征最乐观、最保守预测的2个参数极值,从而为设计者视具体使用环境来进行概念产品可靠性预测提供了必要的参照。作为一种应用渐广的地基处理机械,强夯机经历了由履带式起重机改装的“代用强夯机”到专用强夯机的发展历程。专用强夯机的开发针对特定的工作环境,体现了全新的概念,其概念设计过程对机械产品概念设计具有典型性。本文以QH800型专用强夯机概念设计为例,通过对该型号强夯机的主要结构、各子系统的设计,及对强夯机的2种液压主回路和3种控制系统的可靠性预测,着重说明创新链方法、故障树分析结合参数化点态模糊集运算法在机械产品概念设计中的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 现代产品设计概述
• 1.2.1 现代设计的特点
• 1.2.2 现代设计的一般过程
• 1.2.3 产品设计方法论
• 1.3 概念设计介绍
• 1.3.1 概念设计的定义
• 1.3.2 概念设计与方案设计、创新设计的关系
• 1.3.3 概念设计的分类
• 1.3.4 概念设计的特点
• 1.4 概念设计关键问题
• 1.4.1 建模问题
• 1.4.2 推理问题
• 1.5 国内外研究现状
• 1.5.1 国外研究现状
• 1.5.2 国内研究现状
• 1.6 论文的研究内容
• 2 相关理论与方法
• 2.1 模糊语言
• 2.2 矩阵的有向图
• 2.3 模糊图论
• 2.3.1 有向模糊图
• 2.3.2 模糊图的截图
• 2.3.3 模糊与/或树
• 2.4 点态模糊交/并集运算
• 2.5 本章小结
• 3 计算机辅助概念设计创新过程动态建模
• 3.1 概念产品质量需求信息处理方法
• 3.1.1 性能需求驱动理论
• 3.1.2 概念产品需求信息的自然语言描述
• 3.1.3 概念产品质量需求信息建模
• 3.1.4 工程实例
• 3.2 概念设计的创新源
• 3.2.1 产品创新的广义环境
• 3.2.2 环境变量与需求变量
• 3.3 E-R-F-B-S变量集映射动态模型
• 3.3.1 功能变量、行为变量和结构变量
• 3.3.2 不同创新层次上的7种映射单元
• 3.4 产品创新链
• 3.4.1 产品创新链的构建
• 3.4.2 产品创新链的数学模型
• 3.5 计算机辅助概念设计推理过程的稀疏对称阵模型
• 3.6 工程实例
• 3.7 本章小结
• 4 机械产品概念设计方案求解与评价
• 4.1 利用模糊与/或树表达产品概念空间
• 4.1.1 模糊图论自定义
• 4.1.2 模糊与/或树用于表征产品概念空间
• 4.2 功能载体技术性能的模糊评价函数
• 4.3 模糊评价函数的最优水平值
• 4.4 产品概念设计较优方案的确定
• 4.4.1 利用最优水平值精简产品概念空间
• 4.4.2 概念设计备择方案的优选
• 4.5 工程实例
• 4.6 本章小结
• 5 概念产品的可靠性预测
• 5.1 概念产品可靠性分析研究现状
• 5.2 概念产品模糊可靠性预测的故障树方法
• 5.3 基于点态模糊交/并集运算的产品故障树分析
• 5.3.1 参数型点态模糊交/并集算子的选取
• 5.3.2 故障树分析的变参数点态模糊集运算模型
• 5.4 工程实例
• 5.5 本章小结
• 6 专用强夯机概念设计实例
• 6.1 QH800型专用强夯机的设计背景
• 6.2 本文主要工作如何切入强夯机概念设计
• 6.3 创新链方法应用于强夯机概念设计过程
• 6.3.1 强夯机总体结构型式的选择
• 6.3.2 臂架结构设计
• 6.3.3 转台结构设计
• 6.3.4 车架和履带架结构设计
• 6.3.5 起升、变幅等机构设计
• 6.3.6 液压系统设计
• 6.3.7 电气系统设计
• 6.3.8 本节小结
• 6.4 液压传动及其控制系统的可靠性预测和比较
• 6.4.1 液压系统控制技术发展历程概述
• 6.4.2 强夯机液压传动系统及其不同控制方式简介
• 6.4.3 阀控液压主回路的可靠性预测
• 6.4.4 泵控液压主回路的可靠性预测
• 6.4.5 液压比例先导控制系统可靠性预测
• 6.4.6 普通电比例控制系统可靠性预测
• 6.4.7 专用PLC和CAN总线控制系统可靠性预测
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文工作成果与展望
• 7.2 论文创新点
• 参考文献
• 附录 使用辅助门架的代用强夯机
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢