（机械制造及其自动化专业论文）机械产品概念结构生长型设计力学综合技术研究.pdf

山东大学博士学位论文 机械产品概念结构生长型设计力学综合技术研究 摘要 本文全面调研了国内外概念设计研究的现状，深入探讨了机械产品概念创 新设计研究中所存在的问题。然后，研制了类似生物生长机制的产品概念结构 生长型创新设计理论和实现技术，并开发了一套具有真正设计能力的生长型设 计系统。 ， f 在理论研究上，通过深入理解生物体构造机理及生长过程，找出了产品结 构与生物体构造类似之处，确定了产品结构中类似于生物细胞的结构单元，称 之为细胞结构，并给出了细胞结构的特征定义，在具体的细胞结构中又确定了 直接影响着细胞结构特性的类似于基因的结构元素，称之为基因元素，也给出 了它的特征定义。以产品结构与生物进化过程上的相似点，作为产品结构模拟 生长型机理进行设计的贴合点，形成了系统的概念结构生长型设计理论，并指 出生长型设计对实现产品创新设计的重要作用文 通过对产品概念生长型设计过程的综合分析，发现了在概念结构生长过程 中同时存在着功率要求的流动，并据此提出功率流的概念，论述了以功率流为 已知条件进行产品结构的力学状况计算的可行性与必要性，并构思了力学性能 综合对产品结构生长的控制作用。 通过深入发掘生物体生长过程特性，发现生长过程中的每个零件也存在着 结构类型的生长进化。充分借鉴面向对象的技术，论述了零件概念结构按类进 化的可行性，并构思了零件结构类体系的思想。 ( 在技术研究上，建立了细胞执行机构功能目录，可实现由功能要求对细胞 执行机构的匹配。在执行机构匹配的问题上，考虑了对应多个执行机构时，相 应机构之间的运动协调性。论述了当产品存在多个执行动作时，为减少传动路 线个数并降低产品设计成本。应考虑传动路线的综合问题，同时提出路线的综 合应以一定的规则表达来完成。提出了细胞传动结构的分解问题，并指出细胞 结构的分解应以该结构的运动形式以及所适合的驱动机构形式为依据而进行。 根据细胞传动机构的选择背景，将这一问题分为单端约束下的匹配与双端约束 下的匹配两种，并指出单端约束下的传动机构匹配与执行机构匹配的类似性， 针对双端约束下的匹配建立相应的功能目录。为适应产品设计过程中存在的再 摘要 设计问题与方案设计，建立了基于功能表面的产品结构数据模型。 建立产品传动结构力学、运动学计算模型，给出了相应的计算公式，并基 于力学、运动学的计算构筑了产品概念结构实时的力学综合评价与生长控制体 系，将结构生长的每一步都控制在力学性能综合之下。( 评价指标中包括产品结 构对原动机的匹配度，该指标的引入可保证优化生长后的产品结构直接具有好 的原动机工作性能，并为此建立了基于功率特性的原动机功能目录。一 建立了零件结构进化过程的类体系，不仅可实现对生长过程中的零件概念 结构类型的标记，而且可提供当前结构进一步生长方向选择上的决策。l 针对进 化过程中具体的结构形式，给出了零件概念结构生长方向选择的规则。 在概念零件向实体零件的转化上，采用基于实例的技术，以概念零件在产 品所起功能的广义定位模式和使定模式对其进行表达，并采用基于遗传算法的 分层检索方式对实例库进行匹配，可实现零件概念结构实体化的优选。卜 最后，阐述了本文所开发的机械产品概念结构生长型设计系统的运行环境 和特点，并运用该系统完成了一个设计实例，验证了本文理论与技术系统的正 确性和有效性。本文工作对提高我国企业产品的自主开发能力具有重要的指导 意义，对开发适合我国国情的生长型创新设计系统具有重要的实用价值力 x 关键字：概念设计，生长型，创新设计；功能表面，力学综食 l i 山东大学博士学位论文 r e s e a r c ho fm e c h a n i c a l p r o d u c tc o n c e p t u a l s t r u c t u r e g r o 1 h - d e s i g nm e c h a n i c ss y n t h e s i s t e c h n o l o g y a b s t r a c t n l ep a p e rs t u d i e st h ea c t u a l i t yo fn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lc o n c e p t i v ed e s i g n r e s e a r c h ，a n dd i s c u s s e st h ee x i s t e n tp r o b l e mo ft h es t u d yo ft h ec o n c e p t i v ea n d i n n o v a t i v ed e s i g no f m e c h a n i c a l p r o d u c t a n d t h e n d e v e l o p sg r o w t hi n n o v a t ed e s i g n t h e o r ya n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo fp r o d u c tc o n c e p ts t r u c t u r e ，w h i c hi ss i m i l a rt o t h e w a yo fb i o l o g yg r o w t h a n dd e v e l o p e dad e s i g ns y s t e mw h i c hh a sar e a l c a p a c i t yo fg r o w t hd e s i g n i nt h er e s e a r c ho f t h e o r y , b yd e e p l yu n d e r s t a n dt h es t r u c t u r ea n de v o l v e m e n to f o r g a n i s mf m do u tt h es i m i l a r i t yo fp r o d u c ts t r u c t u r ea n do r g a n i s ms t r u c t u r e ，a n d c o n u mt h es t r u c t u r eu n i ti n p r o d u c ts t r u c t u r e , w h i c hi s s i m i l a rt ot h eb i o l o g y c e l l u l a r a n dc a l l e di tc e l l u l a rs t r u c t u r e ，a n dd e f i n et h ec h a r a c t e ro f c e l l u l a rs t r u c t u r e ， a n df i n dt l l es t r u c t u r ee l e m e n t sw h i c h d i r e c t l y a f f e c tt h ec h a r a c t e ro fc e l l u l a r s t r u c t u r ea n di ss i m i l a rt ot h eg e n i c ，a n dc a l lt h es t r u c t u r ee l e m e n tg e n i ce l e m e n t a n dg i v et h ed e f i n i t i o no fi t sc h a r a c t e r n l e s i m i l a r i t yo fp r o d u c ts t r u c t u r ea n d b i o l o g ye v o l v e m e n ti st h ej o i n t e ro fp r o d u c ts t r u c t u r ed e s i g ns i m u l a t i n gb i o l o g y g r o w t h ，a n df o r ms y s t e m i ct h e o r yo fc o n c e p ts t r u c t u r eg r o w t hd e s i g n , a n dp o 缸o u t t h a tg r o w t hi sv e r y i m p o r t a n t i na c h i e v i n g p r o d u c ti n n o v a t i v ed e s i g n b ya n a l y z i n gt h ep r o c e s so fg r o w t hd e s i g no fp r o d u c tc o n c e p t ，d i s c o v e rt h a t t h e r ei st h ef l o wo f p o w e rr e q u e s ti nt h ec o u r s eo fc o n c e p ts t r f i c t u r eg r o w t h ，a n ds o p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fp o w e rf l o w , a n dd i s c u s st h ef e a s i b i l i t ya n dt h en e e do f u s i n gp o w e rf l o wt oc o m p u t em e c h a n i c ss t a t u si nt h ep r o d u c ts t r u c t u r ed e s i g n ，a n d c o n c e i v et h ef u n c t i o nt h a tt h e s y n t h e s i s o fm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ec o n t r o lt h e g r o w t ho f p r o d u c t s t r u c t u r e b yd e e p l yd i gt h es p e c i a l i t yo fb i o l o g yg r o w t h , t u r nu pe v e r yp a r th a sg r o w t h e v o l u t i o no fs t r u c t u r ei nt h e 1 c o u r s eo fg r o w t h ，a n ds t a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h e e v o l u t i o no f t h et y p e o f p a r tc o n c e p t s t r u c t u r eu s i n g t h eo o t e c h n o l o g yf o rr e f e r e n c e ， a n dc o n c e i v et h ei d e as y s t e mo f t h et y p eo f p a r ts t r u c t u r e i nt h er e s e a r c ho f t e c h n o l o g y , b u i l dt h ef i a n c t i o nc a t a l o go f e e l le x e c u t eo r g a n ， w h i c ha c h i e v et h a tf u n c t i o nr e q u e s tm a t c hc e l le x e c u t eo r g a n i nt h em a t t e ro f e x e c u t eo r g a n m a t c h i n g ，c o n s i d e r t h es p o r tc o r r e s p o n do f c o r r e s p o n d i n go r g a n w h e n c o r r e s p o n d i n gs e v e r a le x e c u t eo r g a n w h e np r o d u c th a ss e v e r a l e x e c u t ea c t i o n s ， 摘要 c o n s i d e r 也es y n t h e s i sm a t t e ro ft r a n s m i s s i o nr o u t e s a n db r i n gf o r w a r dt h a tt h e s y n t h e s i so f r o u t e si se x p r e s s e db ys o m er u l e s i no r d e rt or e d u c et h ed r i v er o u t e sa n d s a v et h ec o s to f d e s i g n b r i n gf o r w a r dt h em a t t e ro ft h ed e c o m p o s eo f e e l ld r i v e s t r u c t u r e a n dp o i n to u tt h a tt h ed e c o m p o s eo fc e l ls t r u c t u r es h o u l da c c o r dw i 也 m o v e m e n t t y p ea n da d a p t i v ed r i v eo r g a nt y p e a c c o r d i n gt ot h eb a c k g r o u n do f c e l l d r i v eo r g a n t h em a t t e ri sd i v i d e di n t ot h em a t c h i n go fs i n g l ee n dr e s t r i c ta n dt h e m a t c h i n go f t w oe n dr e s t r i c t ，a n dp o i n to u tt h es i m i l a r i t yo ft h em a t c h i n go f s i n g l e e n dr e s t r i c ta n dt h em a t c h i n go ft w oe n dr e s t r i c t ，a n db u i l dt h ef u n c t i o nc a t a l o go f t h em a t c h i n go f t w oe n dr e s t r i c t i no r d e rt of i tt h er e d e s i g na n d p r e c e p td e s i g ni nt h e c o u r s eo fp r o d u c td e s i g n ，b u i l dp r o d u c ts t r u c t u r ed a t am o d e lb a s e do nf u n c t i o n s u r f a c e b u i l dt h em o d e l s o f p r o d u c t d r i v es t r u c t u r em e c h a n i c sa n dk i n e m a t i c sc o m p u t e a n dp r e s e n tr e l e v a n tc a l c u l a t ee x p r e s s i o n s ，c o n s t r u c tr e a l t i m es y n t h e s i se v a l u a t e s y s t e ma n dg r o w t hc o n t r o ls y s t e mo fp r o d u c tc o n c e p ts t r u c t u r eb a s e do nm e c h a n i c s a n dk i n e m a t i c s ，a n de o n l r o le v e r ys t e po fs t r u c t u r eg r o w t hu n d e rt h es y n t h e s i so f m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e t h ee v a l u a t i o ng u i d e l i n ec o n t a i nt h ed e g r e eo fo r i g i n a l m o t i v a t i o no fp r o d u c ts t r u c t u r e 。a n dt h ei m p o r to ft h eg u i d e l i n ec a ne n s u r et h a t p r o d u c ts t r u c t u r eh a sg o o do r i g i n a lm o t i v a t i o nw o r k i n gp e r f o r m a n c e ，a n ds ob u i l d o r i g i n a lm o t i v a t i o nf u n c t i o nc a t a l o g b a s e do nt h es p e c i a l i t yo f p o w e r b u i l dt h et y p es y s t e mo f p a r ts l n l e t u r ee v o l v e m e n t ，n o to n l ya c h i e v el a b e l i n g t h eg r o w t h p r o c e s so f p a r tc o n c e p ts t r u c t u r e ，b u ta l s op r o v i d e t h e d e c i s i o n - m a k i n g o f m o r eg r o w t hd i r e c t i o n a i m i n ga tt h em a t e r i a ls t r u c t u r ef o r mo fe v o l v e m e n tb u i l d t h e p r i n c i p l eo fs e l e c t i n gd i r e c t i o no f p a r tc o n c e p t s t r u c t u r e 1 1 1t l l et r a i l s f o r m a t i o nf i o mc o n c e p t p a r tt oe n t i t yp a r t ，u s et h et e c h n o l o g yb a s e d o ni n s t a n c e a n de x p r e s si tb yg e n e r a l i z e dl o c a t i o nm o d ea n dm a k e - l o c a t i o nm o d e ， a n dm a t c hu s i n ga p p o i n t e dm a t c h i n ga r i t h m e t i ca n di n s t a n c ew a r e h o u s e ，a n dc a n r e p l a c ec o n c e p tp a r tu s i n g i n s t a n c es l r u c t u r e a tl a s t , t l l er u n - t i m ee n v i r o n m e n ta n ds p e c i a l i t yo f0 1 1 1 i n n o v a t i v ed e s i g n s y s t e mb a s e do nc o n c e p ts 1 1 m c t u r eg r o w t hd e s i g n ，a n d f i n i s ha ni n s t a n c eo f d e s i g n u s i n gi t , a n dv a l i d a t et h ec o l t e c u l e s sa n dv a l i d i t yo ft h e o r ya n dt e c h n o l o g yi nt h e p a p e r n 璩p a p e rh a sd i r e c t i v e s e n s ei ne n h a n c i n gt h ec a p a c i t yo fo u re n t e r p r i s e d e v e l o p i n gp r o d u c tb y t h e m s e l v e s k e y w o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g n , g r o w t h - d e s i g n ，i n n o v a t i v ed e s i g n , f u n c t i o n a l s u r f a c e ，m e c h a n i c ss y n t h e s i s l i 山东大学博士学位论文 第章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 随着社会的发展，技术的迸步，物质供给极大地丰富，消费者对新产品的 舒适度要求也越来越高，往往会提出一些个性化的要求，这都预示着市场已经 由传统的卖方市场转变为买方市场，产品设计相应她成为按定单的设计，必须 满足顾客这样、那样的需求i ”。我国现已加入w t d ，在即将与全球经济融为一 体的买方市场态势下，只有注重培养以产品设计创新为核心的持续创新能力， 才能保证我国生产力的可持续发展。企业竞争将由全国范围内的竞争扩大为全 球范围内的竞争，竞争的焦点就在于对市场的快速响应和产品创新设计的能力。 产品创新设计成为企业生存的惟一出路，企业必须以不断提高的创新能力，源 源不断地开发、生产出顾客需要的产品，并以产品的质量、价格和差异性在多 企业的竞争中成为有效供给，才能保障市场竞争中的地位。 在我国，由于长期受计划经济的束缚，不注重提升企业创新能力，直接导 致产品创新能力差。有资料表明：我国机械制造业在2 0 0 0 年的新产品贡献率约 为1 8 0 9 ，而美国已经达到5 2 左右：我国大中型企业生产的2 0 0 0 多种主导 产品的平均生命周期为1 0 5 年，是美国同类产品生命周期的3 5 倍：我国近年 来开发成功的9 2 种典型机电产品，自主开发的还不到4 6 ，而这些自主开发 的产品中的大部分仍需要利用国外技术。我国国家9 6 3 计划先进制造与自动化 领域专家委员会主任孙家广先生指出目前我国工业迫切需要解决的主要问题就 是产品创新能力较差，开发周期较长1 2 。 产品创新的关键是设计的创新，设计创新是实现产品创新的根本基础。产 品的结构、性能、质量、成本、交货时间、可制造性以及人、机、环境的关系 等，原则上都是在产品的设计阶段确定的。尽管设计阶段的投入只占产品总成 本的约5 ，丽设计过程所做的决策几乎决定着产品全部成本的约7 0 。目前 世界各国都十分重视发展先进的设计技术，许多跨国公司也积极采纳先进的设 计技术巩固其在国际市场上的垄断地位。例如，美国波音公司在波音7 7 7 客机 的研制中使用了先进的开发设计技术，使开发周期从过去的8 9 年缩短到和5 年，出错返工率降低7 5 ，成本降低2 5 ，大大巩固了市场占有率p j 。 产品设计，通常先根据产品的功能要求设计出产品的大致结构、轮廓以及 第一章绪论 主要构件，然后在考虑有关强度、成本、可加工性等因素的过程中逐步细化设 计1 4 j 。整个设计是一个逐步细化、求精及循环迭代的过程，是一个设计约束不 断分解、传播与满足的过程，大致可分为概念设计、结构设计和详细设计三个 阶段 5 1 。这种分阶段的设计过程体现了一种自顶向下的设计思想，设计要求和 设计信息自顶向下传递，当一个阶段的设计和细化完成后，设计活动转入下一 个阶段继续进行。这种设计过程在本质上符合由抽象到具体、由整体到局部的 人脑思维活动规律。设计过程三阶段中的概念设计阶段在整个设计过程中是最 为重要的，它所做的决策直接决定着产品最终价值的8 0 以上，而且随后的详 细设计阶段很难纠正它有可能造成的缺陷 6 1 。因此，作好概念设计工作是整个 产品设计成功的关键。要想在短时间内设计出创新的概念产品，用来与顾客进 行交流或得到市场反馈信息，进行初步的设计评价，以保证开发出具有竞争力 的创新产品，应寻求计算机对概念设计的支持【7 l 。 计算机辅助设计( c a d ) 技术可以提高产品设计效率和设计质量，同时使设 计者从繁琐的手工设计中解脱出来，使其有更多的时间仔细考虑产品的总体设 计，易于保证产品结构的优化设计，增强产品的市场竞争能力1 8 l 。c a d 技术在 推动产品自动化设计方面作出了巨大贡献，但是目前绝大多数c a d 系统仅支 持产品详细阶段的设计过程，不支持概念设计阶段。设计人员先要用人脑和手 工工具进行概念设计，然后再利用计算机对每个零件进行详细设计、装配设计 和优化设计以形成最终产品。这一过程对真正的设计活动支持较少，也不支持 t o p d o w n 式的设计方法，不符合设计人员的正常设计思维，且人脑的概念设计 结果和手绘的设计草图不能为计算机所直接使用【9 】。 鉴于概念设计在产品设计中的重要地位，如果能够实现计算机辅助的概念 设计自动化，同时保证实现产品结构上的创新，那么无疑对提高产品的设计效 率、设计质量乃至降低开发设计的周期、成本，从而提高我国企业、产品在国 际市场上的竞争能力具有巨大的作用。我们在借用生物生长机理的基础上，提 出了产品概念结构生长型设计，设计过程真正支持产品设计自上而下、从无到 有、从抽象到具体的进化过程，体现着生物生长的自然选择、遗传与变异等机 制，可实现产品概念结构的创新设计。 1 2 产品设计理论与方法研究概况 产品设计方法学是研究产品设计的过程、规律及设计中思维和工作方法的 2 山东大学博士学位论文 - i 1 综合性学科。设计方法学的研究结果包括设计理论与设计方法。设计理论 是研究产品设计过程的系统行为和基本规律【1 0 1 ，如日本学者y o s h i k a w a 等借助 集合论等数学工具建立“通用设计理论”，t a u r a 等在此基础上建立的“设计空 间度量理论”等。设计方法是产品设计的具体手段，包括功能结构方法【l l 】、并 行设计【1 2 l 、面向x 的设计1 1 3 , 1 4 、三次设计、可靠性设计、精度设计、智能设计 等。 1 9 9 8 年由德国发起、在德国举行的泛设计理论( u n i v e r s a ld e s i g n t h e o r y ) 国际论坛可以作为一个窗口，了解国际上关于产品设计理论与方法的最新进展。 德、美、日等国家的学者与会，主流的观点认为，目前产品设计问题一般表述 为以经验为基础的演绎、归纳的设计过程。因此，需探求以科学原理为基础的 产品设计理论，以系统地提高设计方法。设计是从需求出发寻求设计出的产品 解的过程，产品设计理论是研究设计人员在产品设计过程中的思维行为规律。 研究设计理论的目的在于发展新一代用计算机可帮助产品设计人员高效率与高 质量地寻求设计解的技术。目前有代表性的设计理论方法主要有： o ) t r i z 的方法【1 5 】 前苏联g s a l t s h u l l e r 等人通过5 0 年来对世界近2 5 0 万件发明专利的分析 研究，总结出人类进行发明创造解决技术问题中所遵循的4 0 个原理和法则，而 建立一个由解决技术问题，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体 系，简称t r i z 。其基本原理是技术系统进化遵循的客观法则群，其内容包括： 分割、抽出、部分改变、对称性、组合、多面性、多功能、潜套构成、事先对 策预防、等位性、逆问题、同质性、这些问题覆盖了材料i 构形与能量运动形 态变换，动、静态力学原理，基本功能的物理技术实现等方面。 t r i z 的方法不是针对某个具体的机构、机械或过程，而是要建立解决问题 的模型及指明问题解决对策的探索方向，提供人们思考问题、解决问题的科学 化依据。t r i z 方法在工程上实用性强，但其方法核心系经验的集合。t r i z 可 视为一种知识库的方法。t r i z 没有提出如何随着人类在构思、创新产品过程中 的规律而建立一种有效的产品设计机制。 ( 2 ) 公理化设计( a x i o m a t i cd e s i g n ；简称a d ) ”圳 美国麻省理工学院机械工程系n a m e s u h 等学者自1 9 9 0 年来对设计理论进 行了系统的研究，提出了设计公理体系【1 7 】。a d 的出发点是将传统上以经验为 主的设计，建立以科学公理、法则为基础的公理体系。设计的问题域看作为顾 第一章绪论 客需求域 c a s 】、功能域 f r s 、物理域【d p s 】、过程域【p v s 】四个依次通过映射机 制相联系的问题域概念模型。应当提及的是：此通过映射机制如从功能域映射 至物理域的定义为 【f r s 】= 【a 】【d p s 】 式中：a 表示为设计矩阵，表示产品设计的特征。 在公理化设计体系中，其主要贡献在于提出公理抽象本身推进了设计研究 的深化i l ”。a d 提出了两个基本公理，其余的公理、法则均有两个公理衍生而 得，此两个公理为： 1 ) 独立性公理( t h ei n d e p e n d e n c e a x i o m )保持功能需求的独立性，功能需 求是满足设计目标的独立性功能需求的最小数目。在映射过程中，如功能域到 物理域的映射，必须采用独立性公理进行正确的设计决策。当存在多个功能需 求时，设计方案在满足一个功能需求的同时不能影响其他的功能需求。 2 ) 信息公理( t h ei n f o r m a t i o na x i o m ) 使设计信息内容最小化，信息内容i 定义为满足给定f r 的可能性，若满足给定f r 的成功的可能性是p ，则： 1 一h 2 p 在满足独立性公理的设计中，具有最大的成功可能性的设计为最佳的设计。 在a d 体系中在于如何确定每个域的特征参量，确定设计矩阵【a 】和减少信息量 以建立健壮的设计过程。n a me s u h 给出了实现设计流程的概念系统结构图。 目前该原理系统结构仅能实现综合与控制，满足独立性公理的设计过程。这个 概念结构图中包括三类基本单元结构：综合器、控制器及反馈器。a d 基本上 是一种概念上的表达，距离完善的理论体系和实用尚有很大的距离，但a d 表 明了一种关于设计的考虑。 ( 3 ) 通用设计理论( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ，简称g d t ) b g 与泛设计理论 ( u n i v e r s a ld e s i g nt h e o r y ，简称t r d t ) b o j 日本东京大学人造物工程研究中心吉川弘之b 1 捌等自2 0 世纪7 0 年代起研 究提出o d t ，主要通过用数学形式化来表达设计过程，处理人类思维活动领域 内设计表示为知识处理的概念模型。他们认为g d t 不仅是设计的理论，还是 关于设计知识的抽象的理论。 基于g d t ，1 9 9 8 年5 月k a r s l r u h e 会上又提出了一个精细设计过程模型以 改进g d t 原先对实际设计过程描述的不足。在这个模型中，“设计”定义为完 成技术规格书的过程。设计过程的开始，根据功能、行为状态、属性以确定设 4 山东大学博士学位论文 计目标的技术规格书，随着设计过程的发展，技术规格书不断精确化，成为稳 定的、完整的和可行的最终产品定义。精确化的演绎过程用一个元模型的映射 机制以建立需求、功能、物理等域多模型的问题域。基于上述基本理论方法， 提出了一个技术实现的知识处理的工程框架。g d t 的学者主要兴趣在于研究设 计活动中的认知问题，对于工程问题的表达则尚难以处理。 德国k a r s l r u h e 大学“计算机应用于设计与生产研究所的学者h g r a b o w s k i 教授认为德国的目标不仅在于寻求较低廉的成本生产产品，以提高产品的竞争 力，更重要的是使德国生产别人不能生产的产品，因而创造发明新的产品就是 德国企业的经常性的行为。他们提出“泛设计理论”，研究结构化表达设计过程 的方法，以奠定实现新一代计算机辅助设计技术系统的理论前提，并开发了一 个原理性的演示系统。其目的在于探求设计过程是如何组织的，计算机如何能 用于支持设计的全过程。 ( 4 ) p a h l 和b e i t z 的理论 问题求解被认为是有步骤地进行分析与综合，不断地从定性到定量的过程。 产品设计可以看作是信息演变的过程，其中每个新阶段都是对上一个阶段结果 的具体化和改进，直至获得最后要求的结果。在德国慕尼黑大学r o d e n a c k e r 教 授设计方法学研究的基础上，德国学者p a h l 和b e i t z 于2 0 世纪7 0 年代提出有 相当代表性、系统性的产品设计方法学。他们将设计过程分为：明确任务、概 念设计、具体化设计和详细设计等四个阶段【矧。该设计过程很典型地代表了串 行的产品设计与开发模式，尽管各大阶段具有信息反馈使需求说明更为全面， 但缺乏有效的反馈机制的支持，实际作用不大。 美国学者y a h j i n 【2 4 】和s t e p h e n l u 认为，目前需要发展一个通用的框架以全 面地理解设计问题，据此进一步建立设计模型【2 5 1 。他们研究的对象为工程设计 领域，包括理解顾客需求、发展产品定义、概念和详细设计、直至发货给顾客 的整个过程，并提出设计问题中的随意性、复杂性与不确定性的问题，提出了 设计过程的主要组成应该有：参与人员( 顾客、设计员、生产人员) 、过程、目 标与方法等三方面。 1 3 产品概念设计 概念设计的任务，是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创 造、功能分解以及功能和子功能的结构设计，进行满足功能和结构要求的工作 第一苹绪论 r 原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计，是一 个发挥思维和创新设计的过程嘶3 。由于概念设计中不确定因素很多，设计的可 塑性及自由度较大，因此概念设计是最有可能发挥创造力的阶段。尽管概念设 计所花费的成本在产品总开发成本中所占比例仅为2 0 左右，但却决定着产品 开发总成本的7 0 左右，而且还决定性地影响着产品创新过程中后续的产品详 细设计、生产开发、市场开发以及企业经营战略的实现口7 1 。因此，概念设计的 创新又是实现产品设计创新的关键。 1 3 1 产品概念设计的研究方法与现状 由于买方市场的逐步形成，充分地倾听顾客之声，考虑顾客的需求，从中 发现商机，是新产品开发成功的前提。分析顾客需求，构思形成新产品的需求 规格说明书，称之为需求设计。对于全新产品的设计，从市场调研获得的初始 顾客需求一般是多种多样的、朦胧的、定性的。因此，初始需求说明往往是不 完全的、不一致的，有时甚至是不可行的。另外，顾客需求经常变化，很可能 在设计期间有新的需求。在整个概念设计过程中都要对需求说明进行增加、更 正、细化和折中，使其进一步完普田】。需求规格说明书的产生与概念产品的产 生是高度耦合的，这就使得需求设计与概念设计之间的迭代非常频繁，有时甚 至于阶段界线消失。因此可把需求设计与概念设计合称为广义的概念设计【2 9 】。 机械产品概念设计方法总体上有两种：第一种方法，基本上是一种很原始 的机械设计，即生成机械产品功能目录；第二种方法，涉及机械结构的抽象化 表示和符号化表示机械的各个功能方面。第二种方法是朝向通用化方向的进步。 用抽象化符号表示可以为规律化、系统化描述提供基础，但是要求有一个便于 理解的方法表示抽象的功能解答方案【3 0 j 。 在2 0 世纪6 0 年代中期，借助于图论工具，开始研究机械运动方案的抽象 表示，从那时起使用图论来表示运动链的结构以及机器，在机械产品创新设计 中占有主导地位。人工智能技术在机械类型选择上逐渐得到广泛的应用，但是 大部分工作还只是在平面机构上进行，并主要依赖于结构的约束，将图论引入 后，还只是局限于自由度方面的设计问题，所选择的运动链是非常通用的，而 且是纯粹的拓扑结构。 k o t ae ta l 提出的矩阵表示方法，提供了概念设计的一个可计算方法的新基 础【l ”。根据该方法，机械领域的设计空间不断被分解为功能子空间，每个子空 6 山东大学博士学位论文 间只表示概念设计的一个模块。在抽象阶段的高层，每个设计模块由运动转换 矩阵来表示，以及一个可进行操作的约束矢量；在抽象阶段的低层，每个设计 模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。设计任务，由一个运动转换矩阵和一 个操作用的矢量，通过对参数矩阵和矢量的操作处理，把给定的任务分解成子 功能集；通过一种较低水平的表示，可进行一个定性的机械运动的仿真。这种 方法可以：1 用设计模块在不同水平的抽象中进行表示和推理；2 产生可选择的 概念设计配置方案中的各个零部件；3 通过连接一系列的设计模块，可进行概 念设计的快速仿真。 在系统方面，早在2 0 世纪7 0 年代，a f r e e m a n 等就提出了功能推理的概 念，即由功能概念到结构概念的匹配【3 ”。k l a i 等人进一步发展了该思想，研 制了一种可用于功能结构描述和功能推理的语言，使得功能推理方法向实用阶 段迈进了一大步。s m a n o o e h a i r 等人讨论了创造性概念设计问题，提出了从第 一原理出发创造新的物理实体和物理概念的思想。g e r o 提出了基于原型的设计 方法。r d c o y n e 则研究了神经网络方法用于概念设计的可能性。 台湾成功大学的颜洪森等人提出颜氏创造性机构设计的系统方法。该方法 首先找出可用的已有设计，归纳出这些机构的拓扑构造特性，选择其中一个存 在的设计作为原始机构，然后把原始机构转化成只含有连杆和回转副的一般化 运动链，运用数目综合理论，得到所需机件和运动副数目的一般化运动链图谱。 根据设计需求，特定化运动链图谱，找出能满足设计约束条件的可用特定化运 动链图谱，再把可用特定化运动链图谱转换成与之对应的机构，获得机构图谱。 最后去掉已存在的现有机构，获得新类型机构图谱【3 2 。“。 j e s h a r p e 等人进行的并行概念设计的研究，通过b o n dg r a p h 图来表示单 个零件是怎样装配到整个系统模型中的，并可以进行静态操作和动态仿真。 y d w a n g 等人讨论了在概念设计阶段设计处理和模型的可能性，提出了两种不 同的方法：( 1 ) 寻找在每个设计阶段决策的基本原则；( 2 ) 模拟化感性知识和 经验，即越技术的应用。h j h e r p l 等研究了多类领域的系统设计方法，根据 快速成型原理，通过一套图形设计接口，进行综合分析各种功能原理，并连接 到整个系统中，再进行证实和评价。此外，y n a k a 等人在实践上进行了基于实 例的工程设计系统的研究。 m a t t h e w , t a l e b b e n d i a b 等人利用衍生分层多代理技术来完成一种分布式并 行概念设计任务，力图通过多层分布式代理的衍生与反馈机制去模仿概念设计 7 第一章绪论 的创造性过程，并在某些特定的产品中实现了其理论的验证。 国内对概念设计的研究与国外相比起步较晚，于1 9 8 6 年才发表了有关机械 产品方案设计专家系统的研究成果。该文对总体方案设计思想、知识表示、求 解策略和控制结构等方面提出了详细的描述。在实用系统开发方面，国内各大 学百家争鸣，都做了大量的工作，先后实现了几个实用化的概念设计专家系统 和开发工具，推进了国内机械产品概念设计专家系统的进程1 3 6 , 3 s 1 。 1 3 2 计算机辅助概念设计的关键技术 为了有效支持产品概念设计活动，首先需要解决好几个基本问题：一对产 品概念设计中相关的设计知识和信息的计算机表达技术；二是如何产生合理的 产品设计解的计算机求解技术。其次就是产品数据的管理问题，再次是如何实 现概念设计过程中的创新，即创新方法的问题1 3 9 - 4 0 l 。 1 概念设计问题的计算机表达技术 概念设计问题的计算机表达形式常用的有形式化语言、几何模型、图( 树) 、 对象、知识模型以及图象等【4 l 】，以下逐一介绍。 语言具有离散性、序列性和邻接性的特征，许多研究人员都采用语言来描 述设计行为，表达设计对象的实现知识等i 4 2 ，4 3 】。几何模型是产品结构在计算机 中的实现，目前比较常用的有b r c p 、c s g 、变量几何和特征等方法【 4 5 1 。图 和树是概念设计阶段常用的表示手段，可以对产品的各种属性，包括功能、行 为和结构进行描述 4 6 , 4 7 1 。对象表示是近来比较流行的一种表示方法，由于具有 抽象性、封装性、多态性和继承性等一些特点，对象表示在建模方面有很大的 灵活性【4 s , 4 9 1 。在分布产品建模上，p a h n g 等人利用对象技术构建了d o m e 框架 5 0 , 5 1 】。概念设计阶段最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓 词逻辑等，并且已有多种常用的工到珏卅。 最接近人类思维和推理方式的表示方法之一就是利用图象，如徒手草图是 设计活动中常用的加速设计进程和比较设计结果的方法【5 引，但直到m e k i m 垆圳 通过实验研究表明可视化思维适用于所有设计领域的设计活动，图象的应用才 得到了一定的发展。1 9 9 0 年r a d c l i f