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基于产品基因的概念设计理论及关键技术研究

作　者: 尚勇
导　师: 黄克正
学　校: 山东大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 概念设计产品建模产品基因模型形式化表达设计自动化逆向求解 ACIS
分类号: TB472
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 539次
引　用: 4次
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内容摘要

概念设计是机械产品生命周期中决定产品质量、成本和创新性的重要阶段。本文在系统综述计算机辅助概念设计、产品基因以及生长型设计研究现状与进展的基础上,为解决机械产品概念设计过程中存在的问题,借鉴生物基因工程的思想,利用产品基因在设计知识表示和进化方面的潜力,探索概念设计建模方法和设计知识转换规律,研究概念设计自动化理论和关键技术,为计算机辅助概念设计平台的开发奠定基础。本文研究内容和进展如下;在详细论述分解重构原理和广义定位原理的基础上,分析了概念设计建模、概念设计自动化和产品基因逆向求解等关键技术,提出了机械产品概念设计知识转换模型和理论框架。功能表面作为具有明确功能概念的最小几何单位,是产品功能和结构的信息载体,是产品基因形式化表达的媒介。在采用数学方法描述功能表面和功能模式的基础上,提出了功能单元的概念,提高了概念产品功能描述和结构表达的能力。根据产品概念设计的特点和信息需求,建立了产品概念设计知识转换模型。模型包括知识表示、知识转换和知识获取三个部分,分为设计信息转换和设计过程转换两个环节。以分解重构原理和广义定位原理为理论基础,以概念设计建模、概念设计自动化和产品基因逆向求解等为关键技术,以设计知识库和CAD平台为支撑环境,构建了概念设计体系结构并提出了计算机辅助概念设计系统框架。建立了产品概念设计功能模型、产品信息模型和产品映射模型。产品概念设计模型是关于设计对象和设计过程的计算机抽象描述和表达,是实现计算机辅助概念设计的前提和基础。提出了产品功能模型;采用面向对象技术建立了功能表面、零件和产品信息模型,采用多层次产品信息组织方式,从而使设计信息容易理解和处理;以功能表面为媒介,采用数学方法构建了产品概念设计产品映射模型(功能—功能表面—结构),实现了功能到结构的稳定映射关系;为使设计者能够考虑多种方案,并且在功能分解、功能表面表示以及物理实现的同时能够捕获设计意图,提出了三层概念设计过程模型,较好地解决了概念设计过程中功能向结构映射问题。概念设计自动化技术是实现计算机辅助概念设计的关键技术。借鉴生物基因工程的思想,类比生物基因,提出了产品基因的概念,建立了产品基因模型,来表达概念设计过程中涉及的复杂的异构设计知识。给出了产品基因面向对象定义,描述了产品基因的变长度编码体系。采用功能表面作为物理载体,在更深的层次上实现功能到结构的信息传递,提出了产品基因的形式化表达方法和产品基因进化策略。构建了基于产品基因的概念设计过程模型和系统框架,有效解决了设计知识表示和转换问题,有利于计算机辅助概念设计工具的开发。提出了产品基因逆向求解和产品基因库建模方法。获取信息组合优良的产品基因并建立产品基因库是通过基因进化生成新产品的前提和基础。采用IDEF方法描述了产品基因库管理系统功能信息模型,并提出了产品基因逆向求解方法。产品基因逆向求解主要功能包括STEP信息转换、ACIS 产品建模、概念结构创成、设计过程重构和产品基因表达。为充分利用面向对象技术在数据操作和处理方面以及成熟的关系型数据库在数据存储和管理方面的优势,提出了基于关系型数据库的产品数据管理面向对象层次模型,构建了产品基因库及其管理工具实现方法。较好地解决了设计知识获取和管理问题,对设计知识重用和产品创新设计提供了有力的支持。在上述设计理论和关键技术的基础上,开发了基于产品基因的计算机辅助概念设计系统—PGBDARFAD。该系统是在ACIS几何建模平台上采用面向对象技术开发的,包括产品基因逆向求解、产品基因进化、设计方案创成、基因库管理和系统管理等功能模块。以数控铣床机械系统设计为例,详细描述了功能分解和产品进化过程。PGBDARFAD系统的开发和设计实例验证了提出理论和关键技术。

全文目录

摘要  13-15
ABSTRACT  15-19
第1章绪论  19-35
  1.1 课题研究的背景和意义  19-20
  1.2 机械产品概念设计研究综述  20-24
    1.2.1 概念产品建模技术进展  20-22
    1.2.2 基于知识的概念设计综述  22-24
    1.2.3 存在的问题  24
  1.3 产品基因理论与技术研究综述  24-28
    1.3.1 产品基因理论综述  24-25
    1.3.2 产品基因技术进展  25-27
    1.3.3 存在的问题  27-28
  1.4 生长型设计研究综述  28-33
    1.4.1 进化设计研究综述  28-29
    1.4.2 生长型设计研究进展  29-32
    1.4.3 存在的问题  32-33
  1.5 本文的研究内容与组织安排  33-35
第2章机械产品概念设计理论基础与系统框架  35-53
  2.1 机械产品概念设计理论基础  35-45
    2.1.1 分解重构原理  35-38
    2.1.2 广义定位原理  38-41
    2.1.3 功能表面  41-45
  2.2 机械产品概念设计关键技术  45-47
    2.2.1 产品建模技术  46
    2.2.2 概念设计自动化技术  46-47
    2.2.3 产品基因逆向求解技术  47
  2.3 机械产品概念设计系统框架  47-51
    2.3.1 设计知识转换模型  47-48
    2.3.2 概念设计体系结构  48-49
    2.3.3 概念设计系统框架  49-51
  2.4 本章小结  51-53
第3章概念设计建模技术  53-75
  3.1 映射模型框架  53-55
  3.2 产品功能模型  55-58
  3.3 产品信息模型  58-65
    3.3.1 功能表面信息模型  58-60
    3.3.2 零件信息模型  60-61
    3.3.3 产品信息模型  61-62
    3.3.4 产品信息组织结构  62-65
  3.4 概念设计映射模型  65-69
    3.4.1 产品功能建模  65
    3.4.2 功能向功能表面的映射  65-66
    3.4.3 功能表面向结构的映射过程  66-67
    3.4.4 实例  67-69
  3.5 概念设计过程模型  69-73
    3.5.1 概念设计过程模型  69-71
    3.5.2 实例  71-73
  3.6 本章小结  73-75
第4章概念设计自动化技术  75-95
  4.1 产品基因模型  75-78
    4.1.1 产品基因定义  75-76
    4.1.2 产品基因模型  76-77
    4.1.3 产品基因面向对象表示  77-78
  4.2 产品基因形式化表达  78-85
    4.2.1 功能表面编码  78-82
    4.2.2 产品基因编码  82-84
    4.2.3 产品基因形式化表达  84-85
  4.3 基于产品基因的概念设计过程模型  85-91
    4.3.1 产品基因进化  87-89
    4.3.2 概念结构创成  89
    4.3.3 设计评价  89-90
    4.3.4 产品基因逆向求解  90-91
    4.3.5 产品基因库  91
  4.4 基于产品基因的概念设计系统框架  91-92
  4.5 实例  92-93
  4.6 本章小结  93-95
第5章产品基因库建模与管理技术  95-115
  5.1 系统建模方法  95-96
  5.2 系统框架  96-98
    5.2.1 系统框架  96-97
    5.2.2 系统功能信息模型  97-98
  5.3 产品基因逆向求解技术  98-108
    5.3.1 STEP信息转换  99-100
    5.3.2 ACIS产品建模  100-103
    5.3.3 概念结构创成  103-104
    5.3.4 设计过程重构  104-107
    5.3.5 产品基因表达  107-108
  5.4 产品基因库建模技术  108-110
    5.4.1 数据库设计  108-109
    5.4.2 产品信息面向对象表示  109-110
  5.5 产品基因库管理技术  110-113
    5.5.1 版本管理  110-112
    5.5.2 产品基因库管理  112
    5.5.3 系统管理  112-113
  5.6 本章小结  113-115
第6章系统实现与设计实例  115-125
  6.1 PGBDARFAD系统  116-120
    6.1.1 系统开发平台ACIS  116-117
    6.1.2 系统开发环境  117-118
    6.1.3 PGBDARFAD系统架构  118-119
    6.1.4 PGBDARFAD系统功能  119-120
  6.2 设计实例  120-124
  6.3 本章小结  124-125
第7章结论与展望  125-128
  7.1 全文总结  125-126
  7.2 创新点  126-127
  7.3 研究展望  127-128
参考文献  128-139
攻读博士其间发表的论文、参与的课题以及获得的奖励  139-141
致谢  141-142
外文论文  142-167
学位论文评阅及答辩情况表  167

基于产品基因的概念设计理论及关键技术研究

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