基于產(chǎn)品基因的概念設計理論及關鍵技術研究.pdf

1、概念設計是機械產(chǎn)品生命周期中決定產(chǎn)品質(zhì)量、成本和創(chuàng)新性的重要階段。本文在系統(tǒng)綜述計算機輔助概念設計、產(chǎn)品基因以及生長型設計研究現(xiàn)狀與進展的基礎上，為解決機械產(chǎn)品概念設計過程中存在的問題，借鑒生物基因工程的思想，利用產(chǎn)品基因在設計知識表示和進化方面的潛力，探索概念設計建模方法和設計知識轉(zhuǎn)換規(guī)律，研究概念設計自動化理論和關鍵技術，為計算機輔助概念設計平臺的開發(fā)奠定基礎。本文研究內(nèi)容和進展如下： 在詳細論述分解重構(gòu)原理和廣義定位原理的

2、基礎上，分析了概念設計建模、概念設計自動化和產(chǎn)品基因逆向求解等關鍵技術，提出了機械產(chǎn)品概念設計知識轉(zhuǎn)換模型和理論框架。功能表面作為具有明確功能概念的最小幾何單位，是產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的信息載體，是產(chǎn)品基因形式化表達的媒介。在采用數(shù)學方法描述功能表面和功能模式的基礎上，提出了功能單元的概念，提高了概念產(chǎn)品功能描述和結(jié)構(gòu)表達的能力。根據(jù)產(chǎn)品概念設計的特點和信息需求，建立了產(chǎn)品概念設計知識轉(zhuǎn)換模型。模型包括知識表示、知識轉(zhuǎn)換和知識獲取三個部分，分

3、為設計信息轉(zhuǎn)換和設計過程轉(zhuǎn)換兩個環(huán)節(jié)。以分解重構(gòu)原理和廣義定位原理為理論基礎，以概念設計建模、概念設計自動化和產(chǎn)品基因逆向求解等為關鍵技術，以設計知識庫和CAD平臺為支撐環(huán)境，構(gòu)建了概念設計體系結(jié)構(gòu)并提出了計算機輔助概念設計系統(tǒng)框架。 建立了產(chǎn)品概念設計功能模型、產(chǎn)品信息模型和產(chǎn)品映射模型。產(chǎn)品概念設計模型是關于設計對象和設計過程的計算機抽象描述和表達，是實現(xiàn)計算機輔助概念設計的前提和基礎。提出了產(chǎn)品功能模型；采用面向?qū)ο蠹夹g建

4、立了功能表面、零件和產(chǎn)品信息模型，采用多層次產(chǎn)品信息組織方式，從而使設計信息容易理解和處理；以功能表面為媒介，采用數(shù)學方法構(gòu)建了產(chǎn)品概念設計產(chǎn)品映射模型(功能一功能表面一結(jié)構(gòu))，實現(xiàn)了功能到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定映射關系；為使設計者能夠考慮多種方案，并且在功能分解、功能表面表示以及物理實現(xiàn)的同時能夠捕獲設計意圖，提出了三層概念設計過程模型，較好地解決了概念設計過程中功能向結(jié)構(gòu)映射問題。 概念設計自動化技術是實現(xiàn)計算機輔助概念設計的關鍵技術。

5、借鑒生物基因工程的思想，類比生物基因，提出了產(chǎn)品基因的概念，建立了產(chǎn)品基因模型，來表達概念設計過程中涉及的復雜的異構(gòu)設計知識。給出了產(chǎn)品基因面向?qū)ο蠖x，描述了產(chǎn)品基因的變長度編碼體系。采用功能表面作為物理載體，在更深的層次上實現(xiàn)功能到結(jié)構(gòu)的信息傳遞，提出了產(chǎn)品基因的形式化表達方法和產(chǎn)品基因進化策略。構(gòu)建了基于產(chǎn)品基因的概念設計過程模型和系統(tǒng)框架，有效解決了設計知識表示和轉(zhuǎn)換問題，有利于計算機輔助概念設計工具的開發(fā)。 提出了產(chǎn)品

6、基因逆向求解和產(chǎn)品基因庫建模方法。獲取信息組合優(yōu)良的產(chǎn)品基因并建立產(chǎn)品基因庫是通過基因進化生成新產(chǎn)品的前提和基礎。采用IDEF方法描述了產(chǎn)品基因庫管理系統(tǒng)功能信息模型，并提出了產(chǎn)品基因逆向求解方法。產(chǎn)品基因逆向求解主要功能包括STEP信息轉(zhuǎn)換、ACIS產(chǎn)品建模、概念結(jié)構(gòu)創(chuàng)成、設計過程重構(gòu)和產(chǎn)品基因表達。為充分利用面向?qū)ο蠹夹g在數(shù)據(jù)操作和處理方面以及成熟的關系型數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)存儲和管理方面的優(yōu)勢，提出了基于關系型數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理面向?qū)ο?/p>

7、層次模型，構(gòu)建了產(chǎn)品基因庫及其管理工具實現(xiàn)方法。較好地解決了設計知識獲取和管理問題，對設計知識重用和產(chǎn)品創(chuàng)新設計提供了有力的支持。 在上述設計理論和關鍵技術的基礎上，開發(fā)了基于產(chǎn)品基因的計算機輔助概念設計系統(tǒng)-PGBDARFAD。該系統(tǒng)是在ACIS幾何建模平臺上采用面向?qū)ο蠹夹g開發(fā)的，包括產(chǎn)品基因逆向求解、產(chǎn)品基因進化、設計方案創(chuàng)成、基因庫管理和系統(tǒng)管理等功能模塊。以數(shù)控銑床機械系統(tǒng)設計為例，詳細描述了功能分解和產(chǎn)品進化過程。P