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面向机构构型设计的进化设计原理和方法的研究

作　者: 李洪杰
导　师: 肖人彬
学　校: 华中科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 进化设计机构构型概念设计约束网络基因模型创新设计
分类号: TH122
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

经济全球一体化导致市场竞争愈加激烈,提高产品质量与缩短产品研发周期是提升产品竞争力的有效手段。机构构型设计是众多机械产品创新设计的关键步骤,而传统设计采用自上而下、顺序决策的方式,延长了设计周期降低了效率; 设计的局部修改也会产生链式反应,使得设计柔性与敏捷性相对不足,因此传统设计方法难以从根本上满足复杂产品创新设计的要求。借鉴生物进化趋优机制,通过对生命现象与规律的泛化,提出一种面向机构构型设计的进化设计原理与方法,以提高设计的柔性、灵活性、快速响应能力和自动化水平,满足新产品开发的需要。在吸收和采纳已有理论和方法的基础上,对该方法进行系统研究:阐明了复杂构型设计的进化设计方法的基础原理,明确了进化设计在设计领域内的概念涵义,规范了进化设计的相关定义及其表述,给出了进化设计的一种统一表达式,将进化设计的核心问题归结为进化设计路线的获取和设计基因的进化操作,从而建立了该进化设计方法的概念框架体系。提出了基于约束网络的进化设计路线获取策略。将设计视作约束满足问题,对设计过程中的各种约束进行划分、归类和表达,建立设计约束系统; 通过约束关系连接获得进化设计的约束网络,由设计基因参与的约束网络运算得到设计约束链,借助于设计知识进行约束链解析,从而获得进化设计路线。上述方法可通过构建不同的约束网络获得不同的有效约束链,使进化路线具有多样性,可为设计方案的创新提供多重选择路线。鉴于演化的不同需求,给出了设计基因的两种进化操作方式:进化设计基因模型和基于MAS 环境的进化机制。前者以方案设计的功能构造和结构的优化配置为核心,对功能需求进行形式化描述,建立设计的功能构造矩阵,对功能基因进行统一表达,给出了基因操作机制,建立起进化设计基因模型,实现了设计的自组织功能。后者以方案演化设计问题为核心,探讨了基于分布式人工智能的多Agent 技术与进化设计原理上的相似之处,给出Agent 类型与功能模型,进一步明确了面向复杂设计的MAS 工作原理和基因Agent 的相关进化规则。在此基础上,开发了面向机构构型设计原型系统,包括设计基因选取、进化路线选择、进化操作等功能模块。对进化设计的两个相关问题进行研究。连杆曲线的进化识别方法通过将图谱匹配转换为模式识别,通过遗传算法对曲线特征进行处理,实现了对机构图谱的有效识别; 进化设计的混沌控制从理论上分析了设计中混沌现象产生的原因,给出了利用局部动力学对设计中的混沌现象进行控制的方法,以推动进化设计演化向期望方向发展。以飞剪机剪切机构的构型设计为例,利用上述进化设计原型系统,实现了剪切机构方案的设计,该实例运行结果验证了本文提出方法在理论上的可行性和实践中的有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-23
  1.1 问题的提出  9-11
  1.2 进化设计立论分析  11-12
  1.3 相关研究领域概况  12-20
  1.4 课题来源与本文主要工作  20-21
  1.5 全文组织结构  21-23
2 进化设计方法概论  23-33
  2.1 进化设计概述  23-27
  2.2 基本原理和研究内容  27-29
  2.3 进化设计实现的关键技术  29-31
  2.4 进化设计方法与其它设计方法的比较  31-32
  2.5 本章小结  32-33
3 基于约束网络的进化设计路线获取策略  33-50
  3.1 引言  33
  3.2 进化路线与设计约束  33-34
  3.3 设计约束及其表述  34-38
  3.4 设计约束网络  38-42
  3.5 设计约束运算  42-46
  3.6 进化路线获取  46
  3.7 抽油机构型设计示例  46-49
  3.8 本章小结  49-50
4 基于功能构造的进化设计基因模型  50-63
  4.1 引言  50
  4.2 功能需求的分层表达策略  50-52
  4.3 进化设计基因模型  52-58
  4.4 模型框架结构  58
  4.5 应用实例  58-62
  4.6 本章小结  62-63
5 基于Multi-Agent 的进化设计系统  63-83
  5.1 引言  63
  5.2 基于MAS 的进化设计系统  63-69
  5.3 设计Agent 类型及其功能模型  69-74
  5.4 基于MAS 的设计系统进化机制  74-82
  5.5 本章小结  82-83
6 设计实例  83-105
  6.1 飞剪机剪切机构的设计问题  83-84
  6.2 设计要求分析  84-85
  6.3 飞剪机进化设计流程  85-86
  6.4 系统主要功能模块  86-95
  6.5 程序运行界面  95-104
  6.6 本章小结  104-105
7 相关问题研究  105-119
  7.1 引言  105
  7.2 连杆曲线的进化识别方法  105-111
  7.3 进化设计的混沌控制  111-118
  7.4 本章小结  118-119
8 全文总结与研究展望  119-121
  8.1 全文总结  119-120
  8.2 研究展望  120-121
致谢  121-122
参考文献  122-129
附录1 攻读学位期间发表期刊论文目录  129-130
附录2 攻读学位期间所获荣誉和奖励  130

面向机构构型设计的进化设计原理和方法的研究

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