現(xiàn)代設計方法及理論

2023-2023 學年其次學期爭論生課程考核〔讀書報告、爭論報告〕考核科目： 現(xiàn)代設計方法及理論學生所在院〔系〕： 機電學院學生所在學科： 機械制造及其自動化題 目： 機械產(chǎn)品方案的現(xiàn)代設計方法及進展趨勢第1 頁〔共 6 頁〕機械產(chǎn)品方案的現(xiàn)代設計方法及進展趨勢科學技術(shù)的飛速進展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，簡單性增加，壽命期縮短，更換代速度加快。然而，產(chǎn)品的設計，尤其是機械產(chǎn)品方案的設計手段，則顯得力不從心，跟不上時代進展的需要。目前，計算機關(guān)心產(chǎn)品的設計繪圖、設計計算、加工制造、生產(chǎn)規(guī)劃已得到了比較廣泛和深入的爭論，并初見成效，而產(chǎn)品開發(fā)初期方案的計算機關(guān)心設計卻遠遠不能滿足設計的需要。為此，作者在閱讀了大量文獻的根底上，概括總結(jié)了國內(nèi)外設計學者進展方案設計時承受的方法，并爭論了各種方法之間的有機聯(lián)系和機械產(chǎn)品方案設計計算機實現(xiàn)的進展趨勢。依據(jù)目前國內(nèi)外設計學者進展機械產(chǎn)品方案設計所用方法的主要特征，可以將方案的現(xiàn)代設計方法概括為下述四大類型。1、系統(tǒng)化設計方法系統(tǒng)化設計方法的主要特點是：將設計看成由假設干個設計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，全部的設計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設計系統(tǒng)所需完成的任務。70PahlBeitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為根底，制訂了設計的一般模式，提倡設計工作應具備條理性。VDI2221“技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設計方法。VDI2221的設計方式。除此之外，我國很多設計學者在進展產(chǎn)品方案設計時還借鑒和引用了其他興旺國家的系統(tǒng)化設計思想，其中具有代表性的是：將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、構(gòu)造設計和零件設計、工藝規(guī)劃、作業(yè)掌握等的根底，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程動身，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標和作業(yè)掌握規(guī)程的方法。將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設計層次。同時承受了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)構(gòu)造。將機械設計中系統(tǒng)科學的應用歸納為兩個根本問題：一是把要設計()及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設計過程看成一個系統(tǒng)，依據(jù)設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段。由于每個設計者爭論問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進展方案設計時承受的具體爭論方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設計方法。設計元素法用五個設計元素(功能、效應、效應載體、外形元素和外表參數(shù) )描述“產(chǎn)品解”，認為一個產(chǎn)品的五個設計元素值確定之后，產(chǎn)品的全部特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者承受了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。圖形建模法品的功能構(gòu)造及其相關(guān)的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)構(gòu)造、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。Nijssen信息分析方法可以承受圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型構(gòu)造、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點，將設計方法解與信息技術(shù)進展集成，實現(xiàn)了設計過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。ASK中，承受(如設計任務、功能)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關(guān)系，由此為設計過程中的全部活動和結(jié)果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個構(gòu)造的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達，實現(xiàn)了計算機關(guān)心設計過程由抽象到具體的飛躍?！皹?gòu)思”—“設計”法將產(chǎn)品的方案設計分成“構(gòu)思”和“設計”兩個階段?！皹?gòu)思”階段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解。“設計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。將方案的“構(gòu)思”具體描述為：依據(jù)適宜的功能構(gòu)造，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能構(gòu)造中的分功能由“構(gòu)造元素”實現(xiàn)，并將“構(gòu)造元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“構(gòu)造()。方案的“設計”是依據(jù)功能示意圖，先定性地描述全部的“功能載體”和“構(gòu)造元素”，()的外形及位置，Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)(KE)(FKE)”、“聯(lián)接構(gòu)造元素(VKE)(KT)(KET)”等概念，以及描述構(gòu)造元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的假設干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現(xiàn)有學問的方法，并將其應用于“構(gòu)思”和“設計”階段。從設計方法學的觀點動身，將明確了設計任務后的設計工作分為三步：1) ()；2)()；3)()。并用下述四種策略描述機械產(chǎn)品構(gòu)思1：分別考慮“功能”、“效應”和“構(gòu)形規(guī)章”。因此，可以在各個工作步驟中分別創(chuàng)立變型方案，由此產(chǎn)生廣泛的原理解2()關(guān)聯(lián)，單獨()。此時，區(qū)分典型的構(gòu)形規(guī)章及其所屬效應1的方案譜。策略3：“功能”、“效應”、“構(gòu)形規(guī)章”三者親熱相關(guān)。適用于功能、效應和構(gòu)形規(guī)章間沒有選擇余地、具有特別要求的領(lǐng)域，如超小型機械、特大型機械、價值高的功能零件，以及有特別功能要求的零部件等等。策略 4：針對設計要求進展構(gòu)造化求解。該策略從已有的零件動身，通過零件間不同的排序和連接，獲得預期功能 。矩陣設計法()描述要求、功能之間的相互關(guān)系，得到滿足要求的功能設計解集，形成不同的設計方案。再依據(jù)“要求—功能”規(guī)律樹建立“要求—功能”關(guān)聯(lián)矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的簡單關(guān)系，表示出要求與功能間一一對應的關(guān)系。Kotaetal 將矩陣作為機械系統(tǒng)方案設計的根底，把機械系統(tǒng)的設計空間分解為功能子空間，每個子空間只表示方案設計的一個模塊，在抽象階段的高層，每個設計模塊用運動轉(zhuǎn)換矩陣和一個可進展操作的約束矢量表示；在抽象階段的低層，每個設計模塊被表示為參數(shù)矩陣和一個運動方程。鍵合圖法將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，期望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能構(gòu)造的自動生成和功能構(gòu)造與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設計方案的方法。2、構(gòu)造模塊化設計方法從規(guī)劃產(chǎn)品的角度提出：定義設計任務時以功能化的產(chǎn)品構(gòu)造為根底，()描述設計任務，即分解任務時就考慮每個分任務是否存在對應的產(chǎn)品解，這樣，能夠在產(chǎn)品規(guī)劃階段就消退設計任務中可能存在的沖突，早期推測生產(chǎn)力量、費用，以及開發(fā)設計過程中打算的可調(diào)整性，由此提高設計效率和設計的牢靠性，同時也降低產(chǎn)品的本錢。Feldmann 將描述設計任務的功能化產(chǎn)品構(gòu)造分為四層，(1)產(chǎn)品(2)(3)(4)特征名目，對功能元件進展更為具體的定性和定量描述。同時研制出適合于產(chǎn)STRAT。認為專用機械中多數(shù)功能可以承受已有的產(chǎn)品解，而具有型解的專用功能只是少數(shù)，因此，在專用機械設計中承受功能化的產(chǎn)品構(gòu)造，對于評價專用機械的設計、制造風險格外有利。提倡在產(chǎn)品功能分析的根底上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的根本構(gòu)造，通過選擇和組合這些模塊化根本構(gòu)造組建成不同的產(chǎn)品。這些根本構(gòu)造可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。抱負的模塊化根本()，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、敏捷化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合CAD技術(shù)，將變形設計與組合設計相結(jié)合，依據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。以設計為名目作為選擇變異機械構(gòu)造的工具，提出將設計的解元素進展完整的、構(gòu)造化的編排，形成解集設計名目。并在解集設計名目中列出評論每一個解的附加信息，格外有利于設計工程師選擇解元素。1)元件間直接定位，2)3)具有嵌套式構(gòu)造及嵌套式元件的聯(lián)接；4)具有模塊化構(gòu)造和模塊化元件的聯(lián)接。并承受準符號表示典型元件和元件間的連接規(guī)章，由此實現(xiàn)元件間聯(lián)接的算法化和概念的可視化。在進展機械系統(tǒng)的方案設計中，用“功能建立”模塊對功能進展分解，并規(guī)定功能分解的最正確“?；背潭仁枪δ芘c機構(gòu)型式的一一對應。“構(gòu)造建立”模塊則作為功能解的選擇對象以便于實現(xiàn)映射算法。3、基于產(chǎn)品特征學問的設計方法基于產(chǎn)品特征學問設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設計領(lǐng)域?qū)＜业膶W問和閱歷，建立相應的學問庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域?qū)W問和建立的推理機制實現(xiàn)計算機關(guān)心產(chǎn)品的方案設計。機械系統(tǒng)的方案設計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設計領(lǐng)域?qū)＜业膶W問和閱歷進展推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機關(guān)心設計，必需爭論學問的自動獵取、表達、集成、協(xié)調(diào)、治理和使用。為此，國內(nèi)外設計學者針對機械系統(tǒng)方案設計學問的自動化處理做了大量的爭論工作，承受的方法可歸納為下述幾種。編碼法()將機構(gòu)進展分類，并利用代碼描述功能元和機構(gòu)類別，由此建立起“機構(gòu)系統(tǒng)方案設計專家系統(tǒng)”學問庫。在此根底上，將二元規(guī)律推理與模糊綜合評判原理相結(jié)合，建立了該“專家系統(tǒng)”的推理機制，并用于四工位專用機床的方案設計中。利用生物進化理論，通過自然選擇和有性生殖使生物體得以演化的原理，在機構(gòu)方案設計中，運用網(wǎng)絡圖論方法將機構(gòu)的構(gòu)造表達為拓撲圖，再通過編碼技術(shù)，把機構(gòu)的構(gòu)造和性能轉(zhuǎn)化為個體染色體的二進制數(shù)串，并依據(jù)設計要求編制適應值，運用生物進化理論掌握生殖機制，通過選擇、交叉、突然變異等手段，淘汰適應值低的不適應個體，以極快的進化過程得到適應性最優(yōu)的個體，即最符合設計要求的機構(gòu)方案。學問的混合型表達法針對簡單機械系統(tǒng)的方案設計，承受混合型的學問表達方式描述設計中的各類學問尤為適合，這一點已得到我國很多設計學者的共識。DMDSS中，將規(guī)章、框架、過程和神經(jīng)網(wǎng)絡等學問表示方法有機地結(jié)合在一起，以適應設計中不同類()，按面對對象的編程原則，用框架的槽表示對象的屬性，用規(guī)章表示對象的動態(tài)特征，用過程表示學問的處理，組成一種混合型的學問表達型式，并成功地研制出“面對對象的數(shù)控龍門銑床變速箱方案設計智能系統(tǒng)“變速箱構(gòu)造設計專家系統(tǒng)GBSDES”。

GBCDIS”和利用基于學問的開發(fā)工具C