毕业论文- 基于多色集合的电动式挖掘机散热系统设计过程建模

诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名：年月日

毕业设计任务书设计题目：基于多色集合的电动式挖掘机散热系统设计过程建模系部：机械工程系专业：机械电子工程学号：学生：指导教师（含职称）：设计的主要任务及目标一、在多色集合的理论框架下，建立电动式挖掘机散热系统设计形式化模型和推理矩阵，要求能通过算法实现其概念设计的流程；二、通过编程语言对上述设计模型进行软件实现，并通过案例验证原型系统的可行性，要求软件能流畅运行，并能对案例进行设计。2．设计的基本要求和内容通过阅读文献和图纸、参观实习等方式，掌握电动式挖掘机散热系统的主要组成、结构和原理；熟悉多色集合理论，明确所设计题目和内容，并撰写开题报告一篇。运用多色集合理论建立针对散热系统设计的形式化模型及对应的推理矩阵，形成完整的电动式挖掘机散热系统设计过程模型，完成中期答辩报告一份。利用编程语言（推荐使用VB）对上述过程中建立的模型进行软件实现，编制基于多色集合的电动式挖掘机散热系统设计原型系统。对编制的原型系统进行案例验证，以验证该模型和方法的可行性。撰写毕业论文一篇。3．主要参考文献1）VisualBasic6.0中文版编程方法详解[M]，李鸿吉著，科学出版社，2001.2）WK系列大型矿用挖掘机特性介绍及应用[J].有色设备，2013，4：12-15.3）《多色集合及其在仿真复杂对象和系统时的应用》,李宗斌,信息与控制,2001,30（3）:204-208.4．进度安排设计各阶段名称起止日期1开题阶段（开题报告一篇）2014-12.01——2014.12.302设计过程建模阶段（中期答辩报告一份）2015.01.01——2015.03.153程序设计阶段2015.03.16——2015.04.304毕业论文撰写及答辩准备阶段2015.05.01——毕业答辩审核人：年月日基于多色集合的电动式挖掘机散热系统过程建模摘要：长期以来，散热装置的散热效率在很大程度上并不能满足国民生产需要。在市场竞争日益激烈今天，我国装备制造产业面临着巨大的挑战。其中散热系统的设计、制造和应用备受关注。本论文基于多色集合理论，研究了电动式挖掘机设计的过程建模及推理技术，并且对该设计方法进行了软件实现。设计的主要内容如下：1）知识基础部分：介绍了电动式挖掘机散热系统的常见结构。然后对建模所需的理论基础--多色集合理论作了详细介绍。2）建模部分：应用多色集合理论，建立了散热系统层次结构模型以及推理模型。3）系统设计部分：运用上一部分所建立的多色集合层次和推理模型，设计得到相对应的软件系统。4）原型系统开发以及案例验证部分：系统实现了设计电动式挖掘机散热系统的各个主要模块的功能，并用典型散热系统的设计过程为例对该系统进行了案例验证。关键词：多色集合，散热系统，概念设计ElectricexcavatorcoolingsystemmodelingofconceptualdesignprocessbasedonPolychromaticSetsAbstract:Foralongtime,theefficiencyofthecoolingdevicecannotmeettheneedofnationalproduction.Today,China’sindustryisfacingahugechallenge.Thedesign,manufactureandapplicationofthecoolingsystemhavereceivedmuchattention.Therefore,thispaperisbasedonpolychromaticsetstheorysothispaperstudiedprocessmodelingandreasoningtechniques,andIfinishedthedesign.Themaincontentisasfollows:1)Basics:ThispapermadeasimplebriefaboutcommonstructureofCoolingsystemandthebasisformodeling;2)Modeling.Thepolychromaticsetstheorywasapplied,IsetuptheCoolingsystemhierarchicalstructuremodelandreasoningmodel;3)Design:Thispaperusedtheseinformationandestablishedthesoftwaresystem;4)Verification:Eachmainmoduleofcoolingsystemhasaccomplished,andthedesignprocessofcoolingsystemwastestedbyacase;Keywords:Thepolychromaticsets,Coolingsystem,Conceptualdesign目录1绪论 11.1多色集合理论研究背景 11.2研究的目的和意义 21.2.1研究目的 21.2.2研究意义 21.3电动式挖掘机散热系统 31.3.1电动式挖掘机简介 31.3.2电动式挖掘机散热系统简介及其重要性 51.4主要内容 81.4.1信息建模 81.4.2方案推理 91.4.3方案生成 102多色集合及其在设计建模中的应用 112.1多色集合理论的起源与发展 112.2多色集合理论 122.2.1多色集合的概念 122.2.2个人着色和统一着色 122.2.3个人颜色与统一颜色的关系 132.2.4多色集合的数学表达式 142.3多色集合在设计建模中的应用 142.3.1建模思路 142.3.2多色集合概念设计模型 153.基于多色集合的电动式挖掘机散热系统设计模型的建立 163.1电气柜内冷却管的信息建模及推理过程 173.2通风装置的信息建模和推理 194方案贴近度的建立 224.1方案贴近度的建立 224.2电动式挖掘机散热系统概念设计流程 234.3应用实例分析 255.电动式挖掘机散设计原型系统的设计及案例验证 275.1软件框架 275.2原型系统设计 285.3方案验证 306.结论和展望 33参考文献 34致谢 35太原工业学院毕业设计1绪论1.1多色集合理论研究背景随着科学技术的快速发展；各类学科，如机械、电子、材料都相互渗透融合。制造产业已然发生了极为迅速的变化，其已从传统的机械产品制造发展成了今天近乎包含所有产品生产的制造业，制造也从狭义的加工拓展成了包含有分析设计到销售服务的一整套制造周期过程。“大制造”的概念已经在全球范围内得到了广泛的认同。在这种情况下，普通的设计建模工具，如功能方法树、单色图以及功能结构图等，都很难对现在复杂的知识进行形式化的表达描述，在模型的识别方面存在很多困难，且推理过程不够流畅，还需要专业的知识和经验来协助。针对上述问题，最终产生了多色集合理论。多色集合理论的发展：1976年俄罗斯的巴甫洛夫教授提出了多色集合的思想，这种思想能描绘出元素集合本身及元素的性质，随后这种思想应用于开发对象仿真分级系统。在此基础上，多色图的概念、多色集合的概念先后产生；紧接着多色集合的体系结构产生。该项研究不断发展。俄罗斯在多色集合方面的研究从上世纪70年代开始并且持续到了今天，已经发展的较为成熟。多色集合理论本质是一种信息处理工具。其主要是运用多色集合可表示性质的模型来进行设计仿真。运用多色集合理论时，仿真系统更具柔性，且便于编程。相比较以往的建模方法，多色集合理论在系统的形式化领域更加先进，有着很大的优势，这正是多色集合理论在方法和理论上的强大的地方。多色集合理论已经成为了前苏联国家在进行系统的设计仿真等方面最主要的方向。相对来说，西方国家对于多色集合理论的了解不多。对我国国内来说，多色集合理论是一种有发展前景的信息处理工具。因为传入我国不久，所以在我国的发展潜力很大。其核心思想就是运用模型来仿真对象及元素间的结构及关系。利用多色集合完成模型后，运用各种运算法则，对系统设计结构进行了严密的分析。因此多色集合理论在系统的形式化领域更加先进，相对传统理论有着很大的优势。前苏联国家已经把多色集合理论方法确立为其国家标准，其在前苏联国家企业界中获得广泛的应用。但对我国来说，多色集合理论是非常新颖的、有发展前景的信息处理工具，其传入我国的时间较短，发展潜力很大。1.2研究的目的和意义1.2.1研究目的首先；在多色集合的理论框架下，建立电动式挖掘机散热系统设计形式化模型和推理矩阵，其获得的推理矩阵要求通过算法能够实现其过程设计的流程。其次；通过VB编程语言对上述设计模型进行软件实现，编制基于多色集合的电动式挖掘机散热系统设计的原型系统。并通过案例验证原型系统的可靠性，最终要求：软件能流畅运行，并能对案例进行设计。其中的重点是：利用多色集合理论能对设计过程进行形式化描述的特点，通过获取散热系统设计功能需求，分别建立两个功能树模型，对其功能特征进行划分。之后利用多色集合的层次结构模型对电动式挖掘机散热系统设计过程进行建模，构建出电动式挖掘机散热系统设计层次结构模型，并对其中的各特征元素进行着色。在获得层次结构模型的基础上，建立与之相对应的多色集合推理矩阵，以便与进行设计推理过程。最后开发出相对应的设计系统。1.2.2研究意义长期以来，我国在机械散热方面的技术水平不高，自动化程度较低，散热装置的散热效率在很大程度上不能满足国民生产的需要。很多挖掘机由于散热不好的原因，造成设备容易老坏、生产效率较低的状况。在市场竞争日益激烈今天，我国的装备制造产业面临着巨大的挑战。伴随着我国于2001年加入世界贸易组织和全球经济融为一体，各类企业所面临的竞争越来越激烈，为了在新的挑战中获得胜利，许多企业都开始重视用各种新观念、新技术来改造企业。在我国工艺设计仍处于较为落后的阶段，其设计方法依旧采用着分步骤设计方法，其恪守着“概念产生——细节描述——工艺设计——加工制造——案例检验——方案改正”的步骤。这种传统串行流程的产品开发模式存在着很多不足，如：一：各部门之间信息交流存在障碍二：产品开发过程产生了许多不增值的环节三：产品的准备周期过长，更改反馈过于频繁四：缺乏数字化的产品定义五：缺少跨平台的产品数据管理工具传统的设计建模工具，如功能方法树、功能树、单色图以及功能结构图等，都难以对复杂的知识进行形式化的描述，使其在模型的识别方面存在很多困难，且推理过程不够流畅，还需要专业知识和经验来协助，这样的话就显得很较为复杂。相对于传统的建模工具，多色集合理论采用层次式的结构，简化约束，且利用形式化的布尔矩阵作建模工具，形成一整套可以系统的描述对象信息及推理的方法，这对方案的推理过程以及信息模型的形式化表述很有利，这样可以帮助识别计算机模型。在多色集合中是通过矩阵运算来实现方案推理过程，在建立层次模型后，根据具体的需求功能输入，利用多色集合理论中统一颜色与个人颜色之间的关系矩阵进行推导，即可从推导矩阵的横元素得到符合需求的竖元素，从而实现功能需求到方案元的推导过程。总的来说，系统设计的先决条件就是概念设计，它是整个产品形成中有意义的阶段，是我们要研究的重点。1.3电动式挖掘机散热系统1.3.1电动式挖掘机简介电动挖掘机一般是由机械和电气两个部分组成。其中机械部分主要包含：提升机构、中央枢轴、履带装置、润滑系统及润滑室、司机室及其空调、开斗机构、回转平台、回转机构、栏杆、机棚、上部其余组件、下部其余组件、斗杆、铲斗、辊盘、底架、起重臂和推压机构、走台、压气操纵系统、梯子、通风除尘装置、配重等[2]。其中推压装置一般用的是：齿轮——齿条推压结构。电气控制系统部分主要包括：加热及通风装置、变频驱动电机、辅助变压器、AFE变频驱动系统、低压集电环、高压开关柜、辅助电气系统、供电、PLC控制及综合监控系统、高压集电环、照明及通讯系统、主变压器、避雷器、电缆等[2]

。电动式挖掘机的工作状态：

在露天矿开采工艺过程中，挖掘机用斗杆上的铲斗铲取爆破后的矿石(或原煤)、待铲斗装满后再将其提高、运转到放料的地方，将矿石卸载到汽车上，接下来回转到平面上，这样就完成了一个循环。

大型矿用电动式挖掘机主要用途：用于冶金、煤炭等行业露天矿场的开采，与大型的矿用汽车(载重量一般为180到360吨)或移动式破碎机器配套使用，完成矿山表层的剥离和采矿工作。电动式挖掘机是大型露天矿开采成套设备内的关键设备。

对国外而言：目前国外电动挖掘机厂商著名的有美国和俄罗斯的几家公司。其中，技术较先进、竞争力较强的主要是美国的P&H公司、B-E公司。P&H公司的大型电动式挖掘机在全球销量是排在第一位的，其生产的挖掘机水平基本保持了世界领先的地位。公司用了齿轮——齿条式的推压方式，装备产生的作用力很大，装载系数很高，工作稳定，性能好，效率高，设备维修和保护容易，使用起来寿命较长。但相对于其在机械结构方面的先进性，在电气及控制系统方面则由于该公司多年来一直采用的可控硅供电以及直流电动机系统，相比较现在流行的交流变频电机及控制系统来说是比较落后的。B-E公司同样是世界著名的矿用挖掘机设备企业，其挖掘机主要运用钢绳推压的方式，而斗杆用了截面为圆形地免扭装置，最近这几年研制出的挖掘机电气系统则安装了较为先进的交流电机及其控制装置，这对设备主要结构件和传动件的保护较好，大大提高了主要结构部件、传动部件和基础部件的使用寿命，使得挖掘机整体的寿命得到提升，维护与保养变得简单，出现问题的几率降低(特别是其电气控制装置)，装备工作效率提升，运行成本降低。

对我国而言：目前我国制造的电动式挖掘机厂家主要是太重。虽然还有一些公司能够生产，但这些企业都没有核心技术，没有能力自主研发，只是同国外企业联合制造。因此我们主要来介绍太重产的电动式挖掘机。下图就是太重的WK系列电动式挖掘机。图1.1WK系列电动式挖掘机1.3.2电动式挖掘机散热系统简介及其重要性电动式挖掘机散热系统是确定电动式挖掘机能够稳定工作的重要组成部分。首先，我们要了解热的传播方式分为三种：传导、对流、辐射。传导是指分子之间的动能互相交换，一般是采用散热管来实现传导；对流是指透过热物质的运动来实现热的传递，一般来说是通过风扇实现强制对流；辐射是指热能从热源以电磁的形式传递出去，其取决与散热源的材料很表面颜色。对照我们研究的电动式挖掘机散热系统可知，其主要是通过冷却管循环装置和通风装置来实现散热。冷却管通过制冷液体循环来进行传导散热；通风装置通过风扇实现对流散热。散热系统的主要作用：通过冷却液的循环装置及通风装置,使挖掘机在运行过程中多余的热量能够通过传导和对流快速的被带走,避免大量热量累积在产品内部，从而造成的机械材料疲劳脆化、机械使用寿命的减少以及工作效率的降低。之前对散热系统性能的选择，主要是采用试验验证的方法,但是这不仅加大试验的难度及工作量,且没有办法准确预测在不同环境下散热系统性能变化的情况。随着机械电子工程技术以及计算机控制技术的迅速发展,世界各国对节能、排放的各项标准都有所提高,智能可控型的散热系统已经成为未来发展的主要方向。因此以往的方法已跟不上时代的步伐，终究会将逐步淘汰。通过建立散热系统散热模型,利用VB设计系统分析软件,不仅可以直观地对散热系统温度变化进行分析和预测,降低了试验研究强度,而且为智能可控型散热系统的设计和控制提供必要的辅助手段。在进行电动式挖掘机散热装置设计时，针对设计方法存在的缺陷，如：通风口通风的快慢不均、通风效率太低、电器室内一些电气设备产生的高温都会使散热器的温度升高，制冷最终导管制冷效果不好等，致传统散热系统不能达到预计的散热效果。然而等散热效果不佳时，会造成温度过高，超过了敏感电气元件的工作要求温度，会出现过热报警，不能正常工作，影响使用寿命，甚至会烧毁某些关键元件，造成重大经济损失。这些问题不解决，我国在散热系统方面就不可能迈入国际先进行列。机械的散热是世界通用的难题，如何改进散热系统，进而提高散热效率，节约经济成本。而本项目就是在利用多色集合理论建立一个形式化设计模型，对电动式挖掘机的散热装置进行形式化的设计，以改变目前所存在的问题，希望其能在环境恶劣的条件下提高散热效率、延长使用寿命、从而减少经济成本。改变机械散热不佳这个难题。为了详细的了解并研究电动式挖掘机散热系统，在指导老师的帮助下，我们去了太重考察了挖掘机的运作情况，参观了挖掘机散热器的试运行过程，并与专业的研究人员进行了深刻的探讨，通过对各个方面的测量我们发现确实存在问题；如：通风口的进风量和出风量、器室内空气的流动、和一些电气设备产生的高温都会导致散热器的温度升高等。在获得第一手资料后，针对这些问题开始对电动式挖掘机散热系统进行下一步的研究，为之后的建模做好充分的准备。图1.2一般散热系统中的散热管装置图1.3散热系统中通风装置的风道图1.4散热系统中风道弯头设计1.4主要内容1.4.1信息建模采用功能方法树和多色集合理论相结合的方法，对电动式挖掘机散热系统的设计过程建立模型。将散热系统按照功能——方法进行逐步解析，分为多层，其中每层都含有目标产品功能需求及方法，其用多色集合来表达，这种方式就是布尔矩阵。建模方法：首先采用功能方法树的方法，按照其中功能与子功能的概念，将产品功能需求分层分组逐步分解，每组都表示一个功能需求模块，每层都要包括设计的需求、方案的表达、从产品设计功能需求得到推理矩阵及限制条件，其中功能需求就是这层的读入，对应需求就是这层方案统一颜色，方案表达为这层的个人颜色，其中的推理矩阵则是个人颜色与统一颜色之间相互关联的矩阵。图1.5多色集合层次结构模型1.4.2方案推理根据散热系统的设计方法、功能结构逐层分解的设计方法以及多色集合理论，提出一种基于多色集合理论分层次的推理机制。将设计任务进行功能模块的划分，将电动式挖掘机散热系统划分为电气柜内散热管装置和散热通风装置两个功能模块，各功能模块之间相对独立，且具有层次性，在层次结构的最低层应是方案元，在这里的方案元与材料、尺寸、形状等设计结构的概念相对应，它们就是用户定义最基本的功能需求推理过程就是运用多色集合理论对模型中各层之间相互关联的具体表述，从而实现从功能需求到生成方案的逐步解析。其是通过统一颜色与个人颜色的关系矩阵来实现的。1.4.3方案生成当遇到给出的条件在已有的方案内找不到符合其需求方案的情况下，就需要一种新方案匹配其需求。这是我们需要通过运用“发明问题解决”理论来解决遇到的问题，对当前的基本功能进行不断的分析，借助方案验证得到与系统已有方案的相互矛盾所在；然后分析得到新方案形成原理，再由目前的已知问题将其细化得到其相对应符合条件的方案。针对方案可能很少的情况，以方案元为散热性能的前提下，采用功能与结构的方法，从底层着手，不以功能为先导，在之前系统的方案元上，运用基于散热效率图谱的推理方法进行对比创造，得到一些与原本方案元不同的新方案元来，以增加最终方案的选择，并成功得到功能推理的设计过程模型。2多色集合及其在设计建模中的应用2.1多色集合理论的起源与发展前苏联的巴甫洛夫教授于在1976年提出了色集合的思想。其本意在于扩大传统集合仿真，随后将这个思想用于开发对象仿真的分级系统。紧接着1988年多色图概念被提出，1995年多色集合的概念产生，2000年多色集合的体系结构产生，2005年该研究又有了新的进展[4]。对国内而言：2000年左右多色集合理论传入国内，相关项目研究渗透到制造系统学、制造信息学、面向概念设计、零件加工工艺的建模、仿真等各个方面，项目完成并投入社会生产后，将会取得一定的社会经济效益，对中国制造产业的发展将产生重要的影响。传统集合理论与多色集合理论之间有着很大不同，主要是传统集合就是元素的全体，元素所不同的仅是名字，它们任何别的性质形式上都没被表示出来[5]。而在多色集合理论中，其通过对集合整体以及集合元素涂上不同颜色，用来表示所研究对象及元素的性质。因此，普通的集合理论数学工具的不足之处是在技术系统建模时不能够描绘元素、子系统及整个系统的性质，这就限制了其在仿真复杂对象和复杂系统时运用传统集合论的可能性[4]。而多色集合就能够避免这个不足的方面。多色集合理论的就是通过传统集合方法、逻辑等工具用来表述集合及元素的性质，并通过矩阵阐述了集合整体与组成元素两者性质之间的关系。多色集合理论是一种系统理论和信息处理数学工具，其主要思想是运用在形式上相同的数学模型来仿真出不相同的对象，如概念设计的过程、工艺设计的过程、生产系统等[6]。多色集合理论的思想和方法会在产品整个周期仿真、产品概念的设计、过程建模的过程中有极大的用途。相比传统建模方式，多色集合理论在问题的形式化研究方面更具高度概括性，这是该理论的一个优点，也是其在理论发展上的一个突出贡献，这种形式化的方法有利于加工工艺过程中的系统仿真[6]。另外，由于其数据的表示采用逻辑变量0和1，因此有利于利用计算机实现信息的存储和程序本身的实现，随着当今计算机技术的迅猛发展，对它的应用性研究也将不断取得新的突破，从而开拓出更大的发展空间。2.2多色集合理论2.2.1多色集合的概念传统集合就是元素的全体：(2.1)元素，其中各个元素都是不一样的，元素具有的性质没能体现出了来。但对多色集合理论而言，其本身及元素都可以用不同颜色区分，因此其整体及元素的性质都可体现出来。颜色的元素是多色集合中的元素。集合对应元素，颜色集合则对应集合整体。(2.2)在多色集合中：整体颜色成分和元素颜色成分被称为着色,它们包含在统一的颜色集合中，在运用多色集合理论对系统仿真的过程中，必须要使用围道的概念，其表示纯数学中的“颜色”一词。围道概念指的是诸如性质、属性、指标、参数、特征等技术概念的抽象与概括[6]。2.2.2个人着色和统一着色在多色集合中，属于元素本身的颜色集合被称作这个元素的个人着色。多色集合中所有元素的个人着色都可以用布尔矩阵来表示[4]：（2.3）其中，如果,并且（2.4）将颜色用逻辑变量来表达就是，根据上述内容，则可以将公式（2.4）中和之间的关系式转换成方便于计算机仿真的形式:元素的个人着色由矩阵公式(2.3)中第行的元素的成分确定。相对应的，多色集合整体颜色被称作统一颜色,颜色所有组成则就是多色集合的统一颜色[4]。2.2.3个人颜色与统一颜色的关系简单来说，统一颜色是以元素个人颜色为前提条件。但统一颜色的存在不仅是取决于元素的同名的个人颜色，还取决于别的颜色。在多色集合中理论中：统一颜色的元素组成(2.2)和个人颜色的元素组成(2.4)是相互关联的,用相关公式表示为:（2.5）其中的,如果统一颜色的存在受到个人颜色的作用。多色集合的统一颜色和的个人颜色的联系可用矩阵表示:(2.6)在此矩阵中由上述关系可知：矩阵(2.6)中第行的元素组成确立了与统一颜色同名个人颜色的组成。同样，所有元素的组成是由矩阵(2.6)中第j列的元素组成所决定的，因此所有元素中同名个人颜色决定着统一颜色存在与否。当元素存在如的存在，元素的组成就是统一颜色体。多色集合中统一颜色体的元素的组成用矩阵表示为：(2.7)其中组合是统一颜色体形成的。2.2.4多色集合的数学表达式由上述可知：多色集合由多个成分确定(2.8)在进行仿真时,公式(2.8)中的一部分组成有时会忽略。在进行系统仿真时，必须表示出式(2.8)存在的性质，而且还要表达出其它性质：统一颜色与个人颜色的联系及结构组成等。这些性质的表达不仅需要运用多色集合理论，还需要运用其他数学逻辑工具[4]。2.3多色集合在设计建模中的应用2.3.1建模思路散热系统的设计过程一般会分为三个步骤：首先，从功能需求中获取产品方案的技术要求，而这些技术要求是根据目标产品功能和结构的要求去构建，利用功能特征值来进行表示[6]。其用途是：表达其整体性质（功能、特点等）。这个步骤需要通过不断的分析判断及功能设置等方法去实现。其次，用上个步骤得到得准确功能值，用其去构建散热系统的模型，在根据已有推导方法从原本的可行方案库（任意的可行方案都是由功能需求和合理的改进方法所组成）中寻到符合其功能需求规范的合理方案。在整个系统中技术方案可描述为功能值徐群殴和结构分解值所得到的集合。其中查询方案是基于技术方案和相应准则规范相似的基础上。通常最终的到的方案不会只有一种，会有很多种，形成方案集。最后，在方案近似度评价的筛选下，在上面获得的可行产品方案中选择合理的可行方案。2.3.2多色集合概念设计模型对电动式挖掘机散热系统设计过程将采用功能方法树与多色集合理论结合的方法来建立模型。将系统按照功能、方法逐层的分解，分为若干层，每层包含功能方法，功能与方法、层与层之间用线段来连接，在图中，节点之间的连接弧是“合取”的意思，用“∧”表达，没有连接弧的则是“析取”的意思，用“∨”来表达，从多色集合的角度来看，将每个方法当作一个元素，其具有个人颜色。在多色集合理论中，元素与集合是用着色来区分表达的，其可以较方便的叙述出层次方面的关系，所以可利用多色集合理论来进行功能分解以及带得到推理机制，完成散热系统产品的设计。其统一颜色就是第二层所求完成的任务，同样也是上一层向这层的读入。3.基于多色集合的电动式挖掘机散热系统设计模型的建立对于多色集合理论来说，其本质是一种全新的系统理论以及信息处理的数学工具，它是通过使用相同的数学工具用来仿真不同对象，对象可以是产品、设计过程、工艺过程以及生产系统等[4]。在多色集合的模型中，对象、元素、性质及其相互关系之间可以建立起逻辑关系、隶属关系以及数量关系，这几种关系可以只用了表示部分，或者在不同层次上的分别表示。通过这几种关系就可以很好的表达出各种设计过程或者产品的组成。多色集合层次结构模型是将产品按照功能特征逐层的分解，分成了各不相同的若干层，每一层都对相应的特征按照功能和方法的形式进行描述。将不同特征元素和集合之间染成不同的颜色，能形式化的描述不同层次之间的关系。在建立多色集合层次结构模型前，首先要对电动式挖掘机散热系统的总功能进行功能上的分解，我们需要按照设计元素的特征对总功能进行逐步的分解。经过认真的分析对比，在进行概电动式挖掘机散热系统设计时，我是主要考虑散热系统中对散热效果较大的两个装置，即在电气柜内的冷却管装置、通风装置两个方面。冷却管装置主要是通过散热管内液体循环流动将电气柜内产生的热量传导出去；而通风装置则是通过风扇的快速转动形成强制对流将散热系统内的热量通过通风管道排出去。在我们对总功能进行分解，得到“冷却装置”、“通风装置”两个基本特征后，我们要进一步对可能功能需求进行划分（即第一层的划分），通过查阅资料，我将“冷却装置”的功能需求划分为“外部温度”、“外部湿度”和“负载大小”三部分；将“通风装置”的功能需求划分为“风速大小”、“粉尘多少”和“海拔高低”共三部分。然后对每个特征进一步划分，得到第二层的特征，将“冷却装置”划分为“冷却管横截面形状”、“冷却管长度”和“冷却管材料”三个部分；而“通风装置”划分为“通风口大小”、“风道弯头半径”和“风道长度”三个部分。而第二层最后则是对应的方案元描述。依据以上的功能分解，建立了如4.1所示的散热系统设计功能树模型。图3.1散热系统功能树模型3.1电气柜内冷却管的信息建模及推理过程在电动式挖掘机散热系统中，冷却管在散热系统的电气柜内，通过冷却管内制冷液体的循环流动，来带走散热系统内产生的大量余热。其是散热系统中最为重要的装置，是不可缺少的重要部分。冷却管的设计主要与外部环境所产生的因素有着重大关系，其决定着冷却管装置设计的方向。通过查询资料，得到了对冷却管散热效果产生影响的主要因素有：散热系统外温度的高低、外部湿度的大小以及外部负载的大小等。因此，我们为您要从中这些因素着手，想办法抽取其需要的基本功能，用来满足其建模的需求，我们将所有的性质、功能都用布尔矢量来进行描述得到：外部温度：低温——中温——高温——外部湿度：较低——适中——较高——负载大小：较小——较大——很大——如图3.1所示，散热系统内冷却管装置的概念设计一共分为两层。第一层1）统一颜色：可对冷却管总功能进行描述，即--所代表的含义，这是系统在该层上面的求解目标。2）元素：方案1——方案n3）个人颜色：就是每个方案的描述，即冷却管，横截面形状：圆形——方形——三角形——长度：短——适中——长——所用材料：铝管——钢管——铜管——4）约束条件：对冷却管的横截面形状，长度，所用材料各为一组。在推理时，在以上各组选择一个且只能选择一个。5）推理机制：方案的选择是用统一颜色和个人颜色的关系矩阵推理得到，从矩阵中我们可以有功能需求推导出相应的方案（即由横元素得到竖元素）。这里用了直观的形态来表示布尔矩阵，在矩阵中布尔值用1，0来表示，在下面的矩阵中我们用符号“”来表示通过（即布尔值1），否则为不通过（即布尔值0）。图3.2矩阵1（2）第二层1）统一颜色：即第一层中的个人颜色。2）元素：对应的冷却管的横截面形状、长度以及材料的方案。3）约束条件：都是关于横截面形状的方案元，都是关于长度的方案元，是关于材料的方案元。在推理是要按照步骤原则得到方案元4）推理矩阵：统一颜色与元素的关系矩阵2，方案元的选择是由它推理得到的。图3.3矩阵23.2通风装置的信息建模和推理在电动式挖掘机散热系统中，通风装置是通过风扇快速转动来形成强制对流，是散热系统内外的空气快速流动，从而来带走散热系统内产生的大量余热。其是散热系统中最为重要的装置，是不可缺少的重要部分。通风装置主要有通风管道、风扇等组成。对通风装置的设计，我们要先了解对通风效率产生重要影响的因素，如：所在环境风速的大小、外部粉尘的多少以及工作环境所处的海拔高度等。针对这些因素，我们对通风装置中通风口大小（对应风扇的半径大小）、通风管道的长短以及管道弯头半径大小进行研究改进。从影响通风装置的通风效率入手，抽象出通风装置的基本需求功能，用多色集合来进行表示：风速：微风——中风——大风——粉尘：微量——较多——很多——海拔：低——适中——高——由图4.1可知通风装置的概念设计分为两层（1）第一层1）同一颜色：对通风装置功能的描述2）元素：方案1—方案n3）个人颜色：是每个方案的描述，即通风口半径：小——适中——大——风道弯道半径：小——适中——大——通风道长短：短——较长——长——4）约束条件：通风装置中的通风口半径，风道弯头半径，通风口长短各为一组。在进行推理的时后，在以上各组选择一个且只能选择一个。5）推理矩阵：是统一颜色和个人颜色的关系矩阵3，同矩阵1的推理方法一样，有此可推理出能满足功能需求的方案来（即由横元素推出竖元素）。图3.4矩阵3（2）第二层1）统一颜色：即第一层中方案的个人颜色--，其就是这第二层的统一颜色。2）元素：对应着通风装置中设计方案，即通风口半径，风道弯道半径以及风道的长短3）约束条件：都是关于通风口半径大下的方案元，都是关于风道弯头半径大小的方案元，是关于风道长短的方案元。在推理时是要按照步骤原则来得到相应的方案元4）推理矩阵：是第二层统一颜色与元素间的关系矩阵4，与矩阵2一样，方案元的选择是由它推理得到的。图3.5矩阵44方案贴近度的建立4.1方案贴近度的建立方案的生成是通过推理矩阵选出，能够符合其功能需求，但是很有可能出现有功能重复的状况，而贴近度计算就是生成方案对于需求重复程度计算的数学函数，在方案过多的情况下，确定重复允许值可以去掉不合理的方案[5]。为了计算贴近度我们设置了函数。其中的是表示被研究元素或围道点之间的长度。在多色集合数学模型之中，元素之间的尺寸通过与元素围道，的组合对比来进行确定的。这时将修改过的尺寸记作，它等于是在矢量和中不一致数位的多少。则函数围道对要求的成分贴近度计算可作为方案对需求功能重复度的标准，在假设的目标产品的方案技术规范已经获得的基础上，再按照多色集合理论，为数学模型寻找设计方案时，其距离记为。的取值为，其中的n是布尔矢量或中二进制位数的个数。由上述三个公式中计算出，否则得出：本文中采用的是第一公式用作贴近度计算，因为整个散热系统是用多色集合理论建模的，则方案贴近度计算步骤为：将该层布尔矩阵中的全部横元素总数（即该层统一颜色之和）记作n，接着将这层的功能需求之和（即矩阵中符合需求的横元素总数）记作FAXQ，矩阵中符合横元素（统一颜色）可以正向推导出对应的竖元素（即该层的个人颜色），再运用反向推导的方法，有竖元素得到横元素，进行上述计算，就得到这层所有方案符合的横元素总数，记做FAMZ；这时将FAMZ与功能需求FAXQ之差记作，此时贴近度计算中各数举都已知道，其贴近度参数的确定流程图为：图4.1贴近度方案确立流程图4.2电动式挖掘机散热系统概念设计流程如图4.2所示，系统将采用规定的设计过程，该过程一共有七个步骤所组成，每一步都规定了相对应的任务以及特定的工作结果，这对每一阶段的完成，都提供了可用的资源以及支持。而当有一部进行不下去的时侯，就可以返回上一步来重新进行求解。第一步；在设定的客户功能需求已满足的基础上，从客户需求中抽象出来基本需求功能，用布尔矢量来进行表示，选择客户所需要的基本功能，如果具体客户需求中具有该功能则记作1，否则记为0第二步；根据个人颜色与统一颜色之间的关系矩阵以及约束条件，找出相对应的方案。这些方案是用下一层需要实现功能的形式来进行描述的[7]。第三步；对每个方案分别用个人颜色和统一颜色之间的关系矩阵反推理出它们的对应统一颜色，接下来计算各个方案的贴近度。然后再根据贴近度，去除那些不合理的方案而保留下合理方案。第四步；找到方案的个人颜色，通过其个人颜色对下一层进行子功能的分解，这层个人颜色就是下一层的统一颜色。第五步；此时就到了第二层（即最底一层），根据之前的关系矩阵以及约束条件，就可得到符合条件的方案元。第六步；根据上一步获得的方案元，得到对应方案，之后对每个方案都进行冗余计算，从中筛选出可行方案。第七步；根据上述运算得到方案集，最后在从方案集合中选出来最佳的方案。这样就完成了设计流程。图4.2散热系统概念设计流程图4.3应用实例分析电动式挖掘机散热系统功能设计需求：在外部温度适中、外部湿度较低、负载较小，外部风速较小、粉尘很多、海拔适中；因为过该信息模型的建立是采用模块化的设计方法，因此将其功能设计按照需求相应的划分为冷却管装置与通风装置的功能设计需求。用多色集合理论的布尔表达方式如下所示：冷却管装置的功能设计需求矩阵：图4.3通风装置的功能设计需求矩阵：图4.4方案设计的步骤一般包括以下几个步骤：第一步，所设需求与基本需求功能相对应的为，就是第一层的方案中满足所设需求的统一颜色，用布尔矢量来表示，其相对应的值是1。第二步，根据关系矩阵1，3以及与其约束条件，我们可得到对应的方案为:图4.5第三步，在上一步得到方案中，运用关系矩阵1，3反推理出其统一颜色为:图4.6第四步，贴近度函数计算方案一，距离：所设功能需求的布尔矢量为8位，就可实现其符合的功能为10位，因此，这里运用公式=1\*GB3①，则方案二，同方案一，，第五步，依据方案一与方案二的个人颜色对第二层进行功能上的分解，将方案一与方案二中的个人颜色就是第二层的统一颜色，然后通过关系矩阵2，4及约束条件，就可得到方案一，二对应的方案元。通过对上一层的方案可知，冷却管横截面选用的是方形、冷却管的长度选用短的其材料选用铝管或铜管，其统一颜色为，其中都是关于冷却管材料的，约束条件都是冷却管材料的方案元，在求解时只能选择其中一项，通过矩阵2以及约束条件的推理可得到两个方案；而通风装置选择通风口较小、弯道半径选大的、风道长度选长的，其统一颜色为，根据约束条件的均相互对应，根据矩阵4及约束条件可得:满足初始功能需求冷却管方案为：同样，可以得出满足功能需求通风装置方案是：。第六步，有以上步骤可知，系统方案有两种最终选择最佳方案为：5.电动式挖掘机散设计原型系统的设计及案例验证5.1软件框架对于电动式挖掘机散热系统的软件设计，此次设计是基于多色集合的基础上，利用多色集合理论便于对设计的过程进行形式化描述的特点，通过获取产品的基本功能需求，再对功能特征进行详细的划分。利用多色集合的层次结构模型对电动式挖掘机散热系统设计过程进行建模，构建出散热系统设计层次结构模型，然后对其中各特征元素进行多色集合的着色。在层次结构模型的基础上，建立与之相对应的多色集合推理矩阵，以便于进行设计推理过程。最后，开发相应的设计系统，实现此设计方法。如5.1所示为散热系统设计的体系结构。在进行设计时，首先对目标进行功能需求的分析，再确定设计特征信息，然后对设计特征要求进行二进制编码，将得到的编码信息输入设计系统，最后在多色集合推理矩阵中进行搜索，最终就会得到备选方案。图5.1散热系统设计体系结构5.2原型系统设计根据建好的模型及推理矩阵，运用vb语言编程软件，对其进行软件的编程。最终会得到相应程序，如下图，打开界面，进入程序。图5.2按照功能需求选择电动式挖掘机散热系统设计选项。其中的功能选择条件有外部温度、湿度、负载大小、风速大小、粉尘多少以及海拔高度总共六个方面的选择，我们可以根据不同的功能需求，来选择选项进行下一步的运算。图5.3在输入相应的功能需求之后，即可生成相对应的电动式挖掘机散热系统设计的相对应的方案，对应在结果生成界面。图5.4结果生成界面5.3方案验证在系统软件中引入实例进行验证。首先输入相对应的功能需求，其需求如下：在外部温度适中、外部湿度较低、负载较小，外部风速较小、粉尘很多、海拔适中。然后在软件的功能输入框输入电动式挖掘机散热系统设计选项。图5.5在输入相对应的电动式挖掘机散热系统的功能需求后，确定无误，然后点击“确定”键，我们就可以获得相对应的方案结果。图5.66.结论和展望本设计基于多色集合，运用VB编程，建立了电动式挖掘机散热系统设计过程。本篇论文完成了：一，在多色集合理论框架下