基于生物流的机电产品概念设计自动化

论文摘要

机电一体化技术的迅速发展已使机电一体化产品的个性化、柔性化、智能化成为机械产品的重要发展方向。面对世界市场日益激烈的竞争,单纯靠模仿国外产品将使企业失去市场竞争力。只有通过产品创新,才能从根本上解决企业的生存和发展问题。产品设计的概念设计阶段更加注重设计的整体性、创造性,在概念设计阶段进行的设计方案的创新具有较高的创新层次。概念设计自动化技术是实现机电产品快速创新设计的基础。原理方案创新与结构创新设计的快速实现与有机衔接技术是概念设计自动化的关键。本文以生物流理论与功能表面分解重构理论为基础,深入研究了支持产品快速创新的概念设计产品信息建模技术,“功能—结构”自动映射技术等。本文对目前的产品概念设计及机电系统的概念设计方法做了总结,指出了机电系统概念设计中的关键问题、深入研究概念设计的内在规律、实现概念创新过程集成化和自动化的概念设计研究目标,并把产品原理方案创新和结构创新的快速设计及其有机衔接作为实现产品快速创新设计的关键技术加以研究。本文的主要研究内容如下:在设计理论的研究方面,本文以功能表面分解重构理论及广义定位原理作为理论基础,在LORD原理、生物流理论和能量链原理的基础上,针对机电一体化产品,特别是机电控制系统的设计提出了“信息转换原理”及“基于生物流的机电产品设计自动化理论”,为机电产品原理方案创新与结构创新设计过程提供了理论基础。在概念产品信息建模方面,提出了信息传输表面的概念,其作为一种综合的物质单元具有功能与结构的二元属性,支持功能的明确定义与几何信息的表达。针对概念产品信息建模技术的实现,从能量和信息转换的角度划分定义功能表面类型,并给出了相应的编码规则。为了支持概念方案的快速表达,提出了功能模式的概念,定义了用于能量和信息转换的具体功能模式及容器模式。结合上述理论研究,建立了概念零件表达的编码规则及概念设计自动化流程,使产品原理方案的创新设计与结构创新设计集成到统一的设计过程中。最后,介绍了产品设计软件DARFAD和pre-D系统,并在pre-D系统中以水位控制系统为例验证了本文所提理论的可行性和有效性。对全文进行了总结,提出了课题尚待进一步深入研究的内容,并对以后的工作进行了展望。

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 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 机电一体化系统概念设计
• 1.2.1 产品概念设计理论与方法研究现状
• 1.2.2 机电系统的概念设计现状及特点
• 1.3 机电一体化控制系统概念设计
• 1.3.1 机电系统概念设计的主要问题
• 1.3.2 机电控制系统概念设计研究
• 1.3.3 生物生长机制与产品概念设计
• 1.4 论文主要工作及体系结构
• 1.4.1 论文主要研究工作
• 1.4.2 论文的体系结构
• 第2章 基于生物流的机电产品设计自动化理论基础
• 2.1 机电产品概念设计的基础理论
• 2.1.1 分解重构原理
• 2.1.2 功能表面原理
• 2.1.3 广义定位原理
• 2.1.4 能量链原理
• 2.1.5 生物流理论
• 2.2 基于分解重构和功能分析的机电系统设计自动化技术
• 2.2.1 需求和功能分析
• 2.2.2 基于功能分析的机电系统原理方案创新方法
• 2.2.3 机电系统概念设计过程模型
• 2.3 以人为原型的设计自动化理论
• 2.3.1 以人为本的设计思想
• 2.3.2 以人为原型的设计自动化理论
• 2.3.3 生长型概念设计方法及相关技术
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于生物流的产品概念模型及其信息建模技术
• 3.1 基于生物流的产品创新方案功能与结构集成表达方法
• 3.2 基于生物流的机电产品概念模型表达
• 3.2.1 人原型生物流分析及概念模型
• 3.2.1.1 人体功能结构分析
• 3.2.1.2 人体生物流分析及其概念模型
• 3.2.2 以人为原型的机电产品生物流分析及概念模型
• 3.2.2.1 机电一体化产品功能结构分析
• 3.2.2.2 机电一体化产品生物流分析及其概念模型
• 3.3 基于生物流的机电产品概念设计产品信息建模
• 3.3.1 功能表面的类型
• 3.3.2 功能表面编码
• 3.3.3 概念零件的表达
• 3.3.3.1 功能表面类
• 3.3.3.2 功能零件类
• 3.3.3.3 概念产品类
• 3.3.3.4 壳体零件类
• 3.3.4 概念零件中的信息管理
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于生物流的机电产品概念设计自动化技术
• 4.1 功能模式
• 4.1.1 功能模式的定义
• 4.1.2 功能模式的分类
• 4.2 概念零件的功能编码
• 4.2.1 功能码
• 4.2.2 定位信息、使定信息及能量作用信息的功能编码
• 4.2.3 容器模式及功能编码
• 4.2.4 信息作用面功能编码
• 4.2.5 概念零件的匹配及功能编码规则
• 4.3 基于生物流的机电一体化产品概念设计自动化流程
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统实施及实例应用
• 5.1 DARFAD与 Pre-D系统简介
• 5.1.1 DARFAD系统简介
• 5.1.2 Pre-D系统简介
• 5.2 控制系统元件选用帮助系统
• 5.3 Pre-D系统改进
• 5.3.1 完善基本操作功能
• 5.3.2 系统功能增强
• 5.3.2.1 功能表面及概念零件类型完善
• 5.3.2.2 单步搜索功能
• 5.3.2.3 交互选择功能
• 5.3.2.4 显示概念结构功能
• 5.4 实例应用
• 5.4.1 马桶水位控制功能分析
• 5.4.2 马桶水箱设计过程分析
• 5.4.3 马桶水箱实体建模
• 5.4.4 马桶水箱模型功能表面的提取及反求
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表