（机械制造及其自动化专业论文）面向汽配件的设计重用方法研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 当前，制造企业产品设计环境正发生着巨大的变化：全球化激烈竞争对产品设计 提出更低的成本要求、多样化需求增加了产品设计的复杂程度、产品生命周期的缩短 客观上要求更快的产品设计开发速度。设计重用通过挖掘、组织和再用已有设计资源， 可以有效缓解产品设计面临的成本、时间双重压力，是当前企业产品开发的有效策略 之一 本文结合国家8 6 3 课题和浙江省重大科技攻关项目，以汽配件为切入点，对面向 设计的汽配件分类结构、汽配件设计之间的共性、汽配件设计重用方法体系、相关设 计重用方法、关键技术、应用软件开发等方面进行了研究 第一章分析了汽配件设计面临的挑战，阐明了设计重用研究的重要意义。从设计 重用理论、方法、关键技术等方面出发，论述了国内外研究现状在此基础上，结合 具体科研项目，给出了本文的主要研究内容和组织结构 第二章针对如何实施汽配件设计重用问题，研究了面向设计的汽配件分类，分析 了各层次汽配件之间的设计共性，指出了实施汽配件设计重用需解决的关键问题，提 出了面向汽配件的设计重用方法体系，为后续的深入研究奠定了基础 第三章针对工作原理相同关键性能参数不同汽配件设计之间的重用，研究了基于 汽配件设计实例的产品级参数化建模，提出了一种基于改进主成分分析法的汽配件主 尺寸变量筛选方法，研究了主尺寸变量识别的各个步骤；此外，针对汽配件接i = i 设计 重用，研究了基于接口零件库的汽配件接口设计重用方法。 第四章针对汽配件设计中的零件设计重用，提出了基于结构形状简化描述的可重 用汽配零件设计实例搜索方法，研究了基于三维模型的零件结构形状信息简化描述形 式边面网络图，研究了零件结构形状信息的快速构造过程，探讨了可重用汽配零件 设计实例的检索方法。 第五章针对汽配件设计中的部件设计重用，研究了基于样板实例部件划分与描述 的汽配部件设计重用方法，提出了基于样板的汽配件设计实例部件划分与描述方法， 研究了部件设计重用中的可重用设计资源获取策略。 第六章构建并开发了支持汽配件快速设计的设计重用软件平台，介绍了软件平台 的总体结构及功能组成，给出了运行实例，验证了所作研究的有效性。 第七章对全文进行了总结，对今后的研究工作进行了展望。 关键词汽配件设计重用方法体系产品级参数化部件设计重用零件设计重用 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ep r o d u c td e s i g ne n v i r o n m e n tf o rm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e si sc h a n g e d r a p i d l y , g l o b a lc o m p e t i t i o nc o m p r e s st h ep r o d u c td e s i g nc o s t , v a r i e t yr e q u i r e m e n t sm a k e t h ep r o d u c tm o r ec o m p l e x i t y , t h es h o r t e n i n gp r o d u c tl i f ec y c l em a k et h ep r o d u c td e s i g n l e a dt i m em o r es h o r t e r d e s i g nr e u s ec a nh e l pt h em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s eo v e r c o m et h e p r e s s u r eo ft i m ea n dc o s tb yr e u s i n gt h ee x i s t i n gd e s i g nr e s o u r c e s p o n s o r e db y t h en a t i o n a l h i g h 一1 e c h r & dp r o g r a m f o rc i m s ，c h i n a ( n o 2 0 0 5 a a 4 15 2 8 0 ) ；a n dt h ek e ys c i e n c e & t e c h n o l o g yp r o g r a mo fz h e j i a n gp r o v i n c e ， c h i n a ( n o 2 0 0 3 c 110 4 ) ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e dt h ed e s i g nr e u s em e t h o df o ra u t op a r t s f r o mt h o s ea s p e c t s ，d e s i g nr e u s eo b j e c ti na u t op a r t sd e s i g n , d e s i g nr e u s em e t h o d s a r c h i t e c t u r e ，k e yd e s i g nr e u s et e c h n o l o g i e s ，a p p l i c a b l ed e s i g nr e u s es o f t w a r ed e v e l o p m e n t , e t c c h a p t e ria n a l y z e dt h ec h a l l e n g e so fa u t op a r t sd e s i g n , g i v et h es i g n i f i c a t i o no fd e s i g n r e u s e s u m m a r i z e dt h er e s e a r c hs t a t u so fd e s i g nr e u s e ，a n dt h e ng i v et h ec o n t e n ta n d s t r u c t u r eo ft h i sd i s s e r t a t i o n c h a p t e ri ia n a l y z e dt h ec l a s s i f i c a t i o no fa u t op a r t sf r o md e s i g na s p e c tf i r s t l y , t h e n g a v et h er e l l s eo b j e c t s ，a n dp r o p o s e dt h ed e s i g nr e u s em e t h o d sa r c h i t e c t u r e ，w h i c hi st h e f o u n d a t i o no ft h ew h o l er e s e a r c h c h a p t e ri i ir e s e a r c h e dt h ep a r a m e t e r - b a s e da u t op a r t sd e s i g nr e u s em e t h o d m o s t l y d i s c u s s e dt w ot o p i c s ，o n ei sp a r a m e t r i cm o d e l i n gm e t h o df r o ma u t op a r t sd e s i g nc a s e s ；t h e o t h e ri sh o wt or e u s et h ep a r a m e t r i cm o d e lt of i n i s ht h en e wd e s i g n f u r t h e r m o r e ，t h e i n t e r f a c ep a r t sd e s i g nr e u s em e t h o dw a sr e s e a r c h e d 功ei n t e r f a c ed e s i g nw a sr e u s e db y c o n s t r u c t i n gi n t e r f a c ep a r t sl i b r a r y c h a p t e ri vr e s e a r c h e dt h es i n g l ep a r td e s i g nr e u s em e t h o d s h a p ei n f o r m a t i o ni st h e m o s ti m p o r t a n ti n f o r m a t i o nt oe s t i m a t et h er e u s a b i l i t yo fp a r td e s i g n ，b u tt h es h a p e i n f o r m a t i o ni si n c l u d e di nt h e3 dm o d e l ，d i r e c t l yr e t r i v i n g3 dm o d e li sah a r dw o r k , s oa s i m p l i f i e df o r mt h a te x p r e s s i n gt h es h a p ei n f o r m a t i o no ft h ep a r ti sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , e d g e f a c e - n e tg r a p h ( e f n ) h o w t oc r e a t ee f nf r o map a r td e s i g ni n s t a n c ew a sr e s e a r c h e d , a n dt h ef e n - b a s e dr e u s a b l ep a r tr e t r i v em e t h o dw a sg i v e n c h a p t e rv r e s e a r c h e dt h ec o m p o n e n td e s i g nr e u s em e t h o d n l ec o m p o n e n tl i b r a r y b a s e dc o m p o n e n td e s i g nr e u s em e t h o dw a sr e s e a r c h e d h o wt h ed i v i d et h ea u t op a r td e s i g n i n s t a n c et os e v e r a lc o m p o n e n t si st h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mt ob er e s o l v e d a t e m p l e t b a s e dc o m p o n e n td i v i s i o nm e t h o dw a sp r o p o s e d t h ed e s i g nr e s o u r c er e t r i v i n g s t r a t e g ya n dm e t h o dw e r ed i s c u s s e d c h a p t e rv ir e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt h ep r o t o t y p ea p p l i c a b l es o f t w a r eb a s e dt h e w h o l ed i s s e r t a t i o n sr e s e a r c h ；t h ep r o p o s e dd e s i g nr e u s em e t h o dw a st e s t e d ad e s i g nr e u s e p l a t f o r mw a sg i v e n , a n dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h ep l a t f o r mw a sc o n s t r u e d ，a n dd e s i g nr e u s e e x a m p l e sw e r eg i v e n c h a p t e rv i is u m m a r i z e dt h ew h o l er e s e a r c h ，a n ds o m es u g g e s t i o nw a sg i v e nf o rt h e v 浙江大学博士学位论文 f u r t h e rr e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e y w o r d s a u t op a r t s ，d e s i g nr e u s e ，m e t h o d s ，p r o d u c tp a r a m e t r i c ，c o m p o n e n td e s i g n r e u s e ，p a r td e s i g nr e u s e 浙江大学博士学位论文图目录 图目录 图1 1 d u f f y 的设计重用过程模型5 图1 2 论文组织结构1 6 图2 1 面向设计的汽配件分类18 图2 2 不同接口弹簧制动气室设计对比2 0 图2 3 不同系列弹簧制动气室设计对比2 1 图2 4 不同子类离合器设计对比2 2 图2 5 不同子类弹簧制动气室设计对比2 2 图2 6 不同种类汽配件设计对比2 3 图2 7 汽配件设计间的可重用对象及关键问题2 4 图2 8 面向汽配件的设计重用方法体系2 5 图3 1 基于产品级参数化的汽配件设计重用方法3 3 图3 2 活塞式制动气室设计及其原始尺寸数据4 4 图3 3 基于汽配件产品级参数化模型的变型重用过程4 7 图3 4 连接叉接口零件及其结构型式分析4 9 图3 5 接口零件尺寸分析及参数化建模5 0 图3 6 不同结构型式接口零件的共性装配特征分析5 l 图3 7 基于接口零件库的新接口设计过程5 2 图3 8 异构接口零件的替换5 3 图4 1 基于结构形状简化描述的可重用汽配零件设计实例搜索方法5 7 图4 2 零件的b r e p 数据结构分析一5 9 图4 3 s t e p 中主要数据结构及其之间关系6 0 图4 4 零件结构信息的边面网络图表示6 1 图4 5 零件三维模型的简化实例6 4 图4 6 三维零件s t p 文件中的数据层次结构6 6 图4 7 结构相似可重用设计实例检索过程6 9 图5 1 基于样板实例部件划分与描述的汽配件部件级设计重用7 8 图5 2 r l 3 5 3 0 s a c 设计实例的部件划分8 1 图5 3 离合器设计实例的功能原理树。8 3 图5 4 部件的功能及结构属性对比8 4 图5 5 基于编辑操作的树匹配分析8 8 图5 6 功能原理树的矩阵表示8 9 图5 7 功能原理树a 和a t 9 4 图5 8 功能原理树的矩阵表示9 5 图5 9 移除完全匹配子树之后的功能原理树9 6 v 浙江大学博士学位论文图目录 图6 1 汽配件快速设计平台体系结构1 0 1 图6 2 系统主要功能模块1 0 2 图6 3 主尺寸变量及尺寸约束关系分析1 0 3 图6 4 产品级参数化建模流程。1 0 4 图6 5 弹簧制动气室产品级参数化模型定义1 0 4 图6 6 设计实例的部件划分1 0 5 图6 7 汽配零件设计实例结构形状信息构建1 0 6 图6 8 上壳体零件结构形状信息构建实例1 0 7 图6 9 基于产品级参数化模型的设计重用实例1 0 8 图6 1 0 部件级设计重用中的可重用设计资源检索1 0 8 图6 1 1 可重用汽配零件设计实例检索一1 0 9 图6 1 2 数据维护与集成。1 1 0 v 1 浙江大学博士学位论文表目录 表目录 表3 1 数据预处理后的尺寸参数4 5 表3 2 尺寸变量协方差阵4 5 表3 3 主尺寸变量及枢元值4 6 表3 4 尺寸参数分析结果4 6 表3 5 汽配件接口零件特点分析4 7 表4 1 三维草图模板7 0 表5 1 r l 3 5 3 0 s a c 设计实例的零件组成8 0 表5 2 功能原理节点信息8 3 v i l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：钗字侈签字r 期：卯夕年月哆同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：匀氏l 寺l 圹 导师签名： 签字日期：矽口乡年f ，月哆日签字日期：7 年l f 月哆日 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 求是园求学六年，在论文即将完成之际，首先向我的导师潘晓弘教授致以深深的 谢意，感谢导师在科研项目和论文写作中给予的悉心指导和帮助。潘老师以他宽广的 胸襟、出色的问题识别与处理能力、严谨的治学作风、求是的治学精神在我求学过程 中烙下深深的印迹，享用终身。同时，感谢王正肖老师在课题研究和论文写作中给予 的指导、在生活中给予的无私帮助和无微不至的关怀。 感谢先进制造工程研究的顾新建教授、祁国宁教授、唐任仲教授、陈芨熙副教授 及其他老师的关心、指导和帮助。 感谢实验室已毕业的贾江鸣博士、傅玉颖博士、王正成博士、刘文富硕士、蔡晋 硕士，章建兴硕士、宋瀛海硕士、陈波硕士、李金环硕士、金国新硕士、徐俊伟硕士， 张晓风硕士、林菁菁硕士、黄琼英硕士、李珍硕士、陈国威硕士，在读的祝勇博士生、 顾玉琦博士生、叶建芳博士生、钟美鹏博士生，田景红博士生、张勇博士生，吴佑波 博士生、周东君博士生、张卫博士生、吴鹏程博士生、冯开琪硕士生、张宗伟硕士生、 以及其他所有师兄师弟师姐师妹们，感谢他们在共同的求学过程中给予的关心、帮助 与鼓励。 感谢与我相处六年的室友但汉波博士，六年来与你同窗相处，深深友谊终身难忘。 感谢一直以来给予关心和支持的无间好友张帅、孙元戎等。 感谢女友杨妮娜及其家人，一直以来你们给予了我大量无私的关怀，尤其是论文 写作过程中浓缩了太多你们的鼓励和支持，浓浓深情，无以回报。 感谢我的父亲、母亲，你们始终如一地给予我的最无私、最淳朴、最善良的呵护 与爱，是我终生享用不尽的财富。感谢一直关心我的哥嫂、姐姐、姐夫等，浓浓亲情， 无以言表。 感谢在百忙之中抽出时间评阅我论文的各位老师，你们辛苦了。 最后，感谢所有给予关心和帮助的人，祝好人一生平安! 武守飞谨致 2 0 0 9 年8 月于求是园 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 日益激烈的国际化市场竞争、多样化定制化的市场需求对产品设计带来了巨大冲 击，现有的汽配件设计系统已不能从容应对时间、成本和质量等方面的诸多压力。设 计重用通过挖掘、组织和再用已有设计资源，可有效缓解产品设计面临的时间、成本 压力设计重用的意义不断被广大研究人员所认同【1 巧】，目前设计重用处于一种自由 散乱状态，产品设计知识只是分散地掌握在少数设计人员手中，产品设计资源未能充 分发挥其应有的作用，而设计重用的客观需求却是迫切的，就汽配件设计而言，近年 来整车车型所呈现出的多样性，以及汽配件设计所呈现的系列多、变形多等特点，给 汽配件设计带来冲击；同时，同类汽配件在产品功能、结构、零件等设计方面具有较 多的共性，为设计重用提供了契机。 1 1 1 产品设计面临的挑战 近年来，市场需求形势的变化和科学技术的迅速发展，给产品设计带来了诸多挑 战。就汽配件设计而言，面临的挑战主要有： ( 1 ) 市场竞争加剧、设计成本压缩 汽车行业在我国经过近十余年的快速增长之后，其已进入成熟期，增速有所放缓。 国际知名管理咨询管理公司罗兰贝格( r o l a n db e r g e r ) 与罗斯切尔德投资银行 ( r o t h s c h i l d ) 合作进行的第三次“全球汽车生产商研究”报告显示：2 0 0 8 年上半年汽车 行业减产1 0 ，2 0 0 8 年下半年，汽车生产商税前平均利润率远低于5 。汽车生产商 正面临前所未有的竞争环境，原材料价格日益上涨，低成本国家制造商参与竞争， o e m 要求降低成本，环保革新呼声不断。由于汽车整车行业的平均利润水平直接决 定着汽车配件行业的利润水平，汽配件行业竞争同样在不断加剧。市场竞争的加剧致 使汽车行业平均利润水平的降低，大大压缩了汽配件设计成本空间。 ( 2 ) 产品更新换代加快、设计时间压缩 现今人们对汽车的需求已不仅仅是为了满足以车代步的用途，人们对时尚、新 技术、新款式的追求，使得汽车已经超出了交通工具的范畴，同时汽车厂商也在竭尽 所能推出各种满足客户需求的各种车型，新车上市时间间隔越来越短，汽车更新换代 速度加快。二手车的“车龄”的“年轻化”就是一个很好的印证汽车生命周期的缩 短和更新换代速度的加快，在时间上给汽配件设计造成更大压力。 l 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) 市场需求个性化、产品设计多样化 消费者已经不再满足于选择大众化的标准产品，对汽车产品也不例外，他们同样 希望得到满足其个性化需求的独一无二的汽车。在产品中融入客户的个性化和多样化 需求己经成为世界的潮流，而这一潮流必然会给汽车制造企业带来新的压力，汽车整 车不断的推出更为适合客户需求的各种类型的新车型，必定造成汽车零部件种类的增 多，给汽配件企业带了更多的产品设计多样化。 时间和成本的双重压力是当前产品设计面临形势的生动写照。如何在不影响产品 设计速度的情况下，开发更加多样化、成本更低的新产品成为产品设计部门面临的两 难问题。设计重用是解决问题的有效途径之一。 1 1 2 设计重用研究的意义 设计重用对企业产品设计的影响可以从时间、产品质量、产品成本、产品可预知 性四个方面进行分析。 ( 1 ) 设计重用有利于节省新产品设计时间 有效的设计重用能够使得设计者从一个已有的设计出发，直接使用其可重用部 分，避免大量的重复性设计工作，节省产品设计时间。据统计，在绝大多数新产品开 发中，4 0 是重用过去的零部件设计，4 0 是对现有零部件稍作修改，完全创新的设 计仅占2 0 2 1 。美国最大的汽车电器生产商t r a n s p o 公司拉伸机构设计专家j o h n b u r f i l l 指出产品设计时间缩短的3 0 - 与i 设计重用有关。美国著名的市场与行业调研公 司a b e r d e e ng r o u p 在其2 0 0 7 年度设计重用现状调研报告中指出：重用已有设计可以 使整个产品开发周期缩短8 0 t 6 1 。重用已有的设计还可以使设计者将更多的时间和精 力花费在创新型设计问题上，从而不断提高产品的性能和客户需求满足度，综合提高 所开发产品的市场竞争力。 ( 2 ) 设计重用有利于保证所设计新产品的质量 设计重用可以使每个设计人员有机会接触那些被实践证明了的高质量的设计，设 计者以这些成功的设计作为参照，选用其中的有用部分，可以充分保证所设计部分的 设计质量，保障产品所要实现的功能。已有的设计过程中蕴含大量的设计知识和经验， 其中很大一部分是不容易显式表示的，在类似产品的新设计中，重用他人已有的成功 设计，是保证设计质量的重要途径。 ( 3 ) 设计重用有利于节省产品成本 重用已有的设计可以避免设计人员的重复性劳动，节约人力资源成本；重用已有 2 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 的设备可以提高设备的利用率，降低设备有形损耗成本，i 设计重用可以缩短产品设计 提前期，避免因设计延误而可能带来的经济损失，保证产品在合适的时机成功上市 ( 4 ) 设计重用有利于提高新产品的可预知性 已完成产品设计的开发时间、成本、性能等各种设计参数的取值都是在实践中得 出来的，以这些数据作为参考，参照这些全面而真实的数据可以大大降低产品设计， 加工、装配等过程中的不确定性因素，提高最终制造出来实体产品的可预知性。 由此可见，设计重用在时间、成本、质量等关键因素上对新产品开发具有重要意 义设计重用也越来越多的被企业界所重视，并不断的在实践中探索和发展。学术界 在设计重用方面也开展了不少的理论研究 1 2 设计重用理论及方法研究进展 设计重用的研究始于二十世纪五六十年代，随着零件分类系统的建立而发展起 来，零件分类系统的建立鼓励设计人员更多地重用已有的产品设计。到了二十世纪末， 设计重用研究形成了阶段性高潮。在9 8 工程设计会议上，s s i v a l o g a n a t h a n 和 t m m s h a h i n 将设计重用有关的研究进行了总结，并指出设计重用将成为一种系统化 的设计工则8 0 l 。 ( 1 ) 设计重用与创新 重用和创新是一对固有的矛盾，产品开发通常是一个设计重用和创新的综合作用 过程，如何在产品开发中协调这对矛盾，成为研究者关注的焦点。c l a u s i n g 认为创新 和重用是产品开发中的一种战略权衡。重用无疑可以提高已有设计的使用率，降低设 计中的不确定性，但过度重用会造成产品市场单一，无法满足多样化、个性化的客户 需求 7 1 。l l o y d 等认为过度重用会限制设计的创新性，形成设计者的设计思维定势。 缺少重用和过多重复都是一种浪费【8 】。 c l a u s i n g 指出缺少重用和不必要的重复都是一种浪费。造成设计缺乏重用性的主 要原因有：产品规划不合理；设计方法的过度多样性( 造成设计结果的过度多样 化) 。造成不必要重复设计的主要原因有：产品设计健壮性差；设计信息表示不 足；o 设计中的错误。同时提出了克服以上问题的两种工具，规划1 图( p l a n n i n gm a p s ) 和重用度矩阵( r e u s a b i l i t ym a t r i x ) 。规划图即把已经开发的产品按照时间和所针对的 细分市场绘制成一张二维图，这样就可以很容易的查看一段时间内各细分市场产品开 发情况，方便地构造产品族和识别相近产品，最大化的实现设计重用和满足客户需求。 重用度矩阵即将设计所采用技术的来源分成四类：现有产品、竞争性产品、相近产品、 3 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 新技术，用矩阵来表示具体设计各阶段所用技术的构成，重用度矩阵有利于对新产品 开发中重用和创新所占的比例的监控 k i n g 和s i v a l o g a n a t h a n 提出了一种面向创新的柔性设计方法【4 7 】。该方法将已有产 品与其他相近领域产品比较，通过分析其中的相似产品，得出这些产品共同的核心产 品，以这些核心产品为基础，展开变型设计。此种方法在实现重用的同时，可以使企 业方便的将已有产品转移到相近的市场领域之中，体现了产品设计中的创新。 ( 2 ) 设计重用的认知研究 认知是指人们获得知识和应用知识的过程，设计重用认知研究是通过观察产品设 计过程的各种活动，研究人们在产品设计过程中的信息需求和信息处理方法，挖掘人 们进行产品设计的过程规律。f i n g e r 指出：设计知识的描述、获取、组织和检索是设 计重用的四个研究主题；设计者可能依据产品的功能、行为、形状甚至设计上下文进 行设计检索，但缺乏对设计信息进行结构化描述的方法【9 】。他通过认知试验观察，得 出以下结论：产品设计者很少使用计算机辅助设计工具进行设计信息的组织管理和 检索；产品设计信息通常是非结构化的，这些信息的获取手段远远没有到达系统化 程度；o 大部分设计人员只在详细设计阶段使用计算机辅助设计工具。 产品设计原理反应了设计人员获取知识并运用知识的过程，被认为是产品设计认 知研究的重要内容。设计原理即是对为什么要这样设计的描述，是对产品背后所蕴含 的设计知识和推理的总括【4 引。原理是指描述物体意图、目的、动机的信息【4 9 - 5 0 。与描 述产品的准确信息相比，设计原理是产品设计所蕴含的思想，是产品设计推理的原因 和理由【5 1 1 。产品设计原理是产品设计中极有使用价值的信息，如果能够记录设计原理， 并以一种比较容易理解的形式表示出来，那么将有利于对设计人员所作设计的深层次 理解，有利于设计中的各种决策。 设计原理在支持设计重用方面有独特的优势【5 2 1 。首先，设计原理既包含设计结果 又包含设计决策过程，即设计原理是同时面向设计过程和最终产品的，设计原理既捕 获了最终设计方案和构成信息，又包含了解决方案和产品构成的论证过程信息。其次， 设计原理使设计者对产品设计过程进行回溯，并获得自己对产品设计的理解【5 3 1 。再次， 设计原理有效的组织了设计信息【5 4 1 ，有助于识别和获取与当前问题相似的问题的设计 5 5 1 ，掌握了设计原理将使得根据需求的差异对设计进行修改更有效【5 6 1 。 设计原理对产品设计重用所能起到的作用取决于设计原理的表示，设计原理信息 的编码和组织不应给设计重用者带来任何附加的负担【5 刀。比如产品设计原理不能简单 4 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 的表示成自由文本、设计草图、设计日志的形式，这种形式对设计者来说没有太大帮 助，等同于现有的设计现状。同样，设计原理的表示也不能一味的追求形式化，应考 虑该种表示形式的设计原理是否容易获取。因此，在考虑基于设计原理的计算机辅助 设计重用研究中，应考虑几个方面的问题：设计原理中的哪些方面信息需要清楚的 形式化表示；如何获取并编码这些信息；o 在将来的设计中如何重新得到这些信息。 然而，从设计人员那里抽取设计原理十分困难，设计原理通常是碎片状的、易丢 失的，设计原理的获取远远没有达到自动化、系统化、智能化的程度。设计原理不仅 包含设计决策背后的理由，还包括认为这些理由合理的依据、关于其它可替代产品的 考虑、各种价值之间的权衡、各种决策的论证等【5 引。理解产品的设计原理需要对设计 具有相当广泛而深入的了解，包括设计的需求、产品的结构、具体零部件的设计、产 品设计上下文中的一些假定、以及一些类似产品的设计和制造过程等【5 9 1 ( 3 ) 设计重用与计算机科学 设计重用的研究最早始于软件开发领域，其中很大一部分工作集中于如何使用计 算机来实现知识的快速获取和重用。d u 厨等人将知识获取和重用研究划分为三部分： 知识的索引和检索；o 知识的建模和使用；o 知识的改造【1 0 1 d u f f y 提出了一个设计重用模型( 如图1 1 所示) ，该模型将设计重用描述为六类 知识( 领域知识、领域模型、重用资源库、设计需求、设计进化模型、最终设计结果) 图1 1 d u f f y 的设计重用过程模型 5 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 和三个过程( 基于重用的设计、面向重用的设计、领域知识发掘) 。 d a v i db a r t a 和j o s e p hg i l 共同建立了一个计算机辅助文档重用的系统，该系统支 持构建新文档时重用己有文档的片断【俐。h e r b e r t 和j o s e f 认为计算机辅助设计系统构 造的主要任务应是提高已有设计产品的可重用性【1 。 ( 4 ) 标准件与c a d 对象重用 标准件在机械产品中占有很重要的地位。标准件通常由已实现专业化设计和生产 的大公司提供，标准件使用所带来的益处显而易见 7 9 1 。当今设计者可以通过电子目录 或标准件库的方式，实现对标准件的检索和重用。在对已有零件重用的同时也重用了 零件设计中所包含的知识和经验。c u l l e y 指出建立产品电子目录和零件库的益处在 于：增加找到最合适零件的可能性；提高设计检索的速度；增加产品及零部件 被检索到的可能性；通用化的检索过程；o 设计检索更具客观性，较少受主观因素 影响【1 2 1 。c u l l e y 和t h e o b a l d 指出设计重用不应该局限于标准件，而应该将其扩展到 企业内部的一些通用零部件【1 3 】。 在机械产品设计中，产品设计的最终方案以c a d 对象的形式表示，c a d 对象是 产品设计最直接的结果。至今为止，c a d 对象重用也是产品设计重用中研究最多的 领域之一c a d 对象的数据表示形式与所设计所采用的工具直接相关从工程应用 角度出发，近些年计算机在几何造型方面有了十足的进展，在几何造型方面，现有 c a d 工具已经具备了表示所有机械结构的能力。c a d 经历了从早期的线框造型、曲 线曲面造型，到后来的实体造型、基于特征的实体造型，到现在的基于特征的参数化 实体造型几个阶段。 f i n g e r 调查发现：设计人员很少使用c a d 工具进行检索和组织设计信息；设 计信息是非结构化的，设计信息的获取远远没有达到系统化的程度；o 大部分设计人 员只在详细设计阶段使用c a d 工具【6 1 1 。 就产品设计重用而言，c a d 对象还存在以下几个方面不足【钢：c a d 工具对早 期产品设计表示能力不足：c a d 对象由精确的几何数据构成，不能表示模糊含义， 产品早期设计阶段，产品设计的不确定性很高，所绘制的结构代表一定的工程含义， 是产品的粗结构框架，不代表精确的几何含义。c a d 精确几何造型要求严格，而早 期的设计草图变动较多，不可能也没必要每次都绘制精确的几何模型。c a d 对象 构成元素不能代表工程语义：c a d 对象是由精确的几何元素构成，相同的几何结构 其几何表示相同，只是参数值不同。而相同的几何结构，由于其尺寸参数值不同，往 6 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 往其所代表的工程语义不同。因此，c a d 对象在几何表示上具有严密性，但在工程 语义表达上缺乏智能化。o c a d 对象数据结构复杂、缺乏有效的检索工具：一个简 单的零件往往由大量的几何数据构成，且其内部结构复杂，使得检索困难。同一零件， 特征造型顺序不同，零件内部几何数据结构不同，给相似性评价带来困难。异构 c a d 数据普遍存在：现有的商用c a d 系统各自为证，其内部数据结构往往差异很大， 造成c a d 数据在各系统之间不能通用。即使存在产品设计数据交换标准( s t e p 、 i g e s ) ，但将特定c a d 数据转化成标准格式后，造成大量数据丢失。 j y o t i r m a y a 等指出由于当前不同计算机辅助设计软件内部数据结构的不同使得产 品设计信息的索引、检索、重用、分类，浏览、集成十分困难，一种面向所有产品的 柔性的系统化知识管理系统有待开发。提出了一种基于网络物料清单( n e t w o r k b i l lo f m a t e d a l ) l 均设计信患管理和基于本体的设计信息表示方法【6 3 1 仰设计重用方法 d 证匆指出了三种设计重用方法，即基于实例推理、基于模型推理和计划重用 基于实例推理的产品设计主要涉及两个方面内容：已有设计实例的存储和已有实例在 新设计中的重用，它包含已有设计的实例表示、设计实例的索引、设计实例的组织、 设计实例的检索和被选用实例的修改等内容，基于实例的推理将已有的某一设计作为 新产品设计的出发点。基于模型推理研究的重点在于模型的构建，模型是新产品设计 的依托。与实例相比，模型更具有通用性，其代表的是通用知识，而实例更多的代表 了具体产品。计划重用更多关注的是设计背后所蕴含的基本原理，在新设计中通过采 用与原有设计相似的过程实现对新设计的求解。计划重用帮助设计者通过一系列的决 策而得到新的设计方案【1 0 1 a ) 基于模型的设计重用 基于已有设计的产品建模是实现设计重用的重要方法之一f 8 卜8 3 1 a n d r e w 和 s i v a l o g a n a t h a n 用变量模型表示机械产品设计，这种方法的基本思想就是通过构建一 个主模型来描述产品设计族，主模型是产品族设计中各种不同特征的联合体，产品族 的实例通过主模型的特征参数控制重新生成 7 8 1 。s h a h i n 等提出了一种叫做“参数化 c s g ”的建模技术【1 4 】。x u 建立了一种基于功能的产品概念设计重用模型【1 5 】。s k o n g 等对网络环境下的详细设计重用进行了研究【1 6 1 。d a v i d 提出了一种基于集成模型的设 计重用1 1 7 。 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 b ) 基于实例推理的设计重用 基于实例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 通过获取和使用先前已有的类似设计 进行推理，设计实例可以包含很多方面的信息，如设计中可以遵循的成功策略、设计 中应当避免的失败策略、采用某种策略可能会带来的结果等。c b r 的本质即是：获 取相关实例，并以这些实例指导新的设计 s 4 , 8 5 。c b r 的本质决定了其是一个以已有 实例作为依据的推理，完全体现了重用的思想。 基于实例的设计( c a s e b a s e dd e s i g n ，c b d ) 主要有四个过程构成：设计实例表示； 设计实例获取；设计实例检索；设计实例修改f 8 6 1 。p e r e z 将遗传算法和基于实 例的推理相结合用于设计的优化求解【1 8 】。d a v i d 等研究了实例推理和专家系统集成的 设计知识重用b g ) 。y o u n g h y u n 等探讨了基于实例的推理理论和概念图( c o n c e p t m a p ，c m a p ) 相结合的设计重用方法【2 0 l 。蔡文沁等研究了基于实例的航空产品设计重用 2 q 。刘闯等研究了基于实例的飞机钣金设计重用【2 2 1 。 1 3 设计重用相关关键技术研究现状 1 3 1 产品设计可重用建模技术研究现状 基于功能一行为一结构映射的设计理论是产品设计理论中的重要组成部分。功能即 产品或零件所能完成的任务，行为即通过那些动作来完成这些功能，结构即产品或零 部件物理实体的属性。对功能、行为、结构三个层次信息的描述有利于充分理解产品 设计过程。因此在产品设计领域对功能、原理、结构建模展开了大量的研究瞄, s 7 - s 9 1 。 a n d r e w 和s i v a l o g a n a t h a n 采用“功能方法树”表示产品的概念设计和详细设计阱l 。 产品概念设计是自顶向下逐层子系统定义的过程，每一子系统负责完成一定的子功 能。当产品概念设计完成时，将得到一个包含所有子功能的产品功能分解结构。详细 设计即是完成这些细分子功能的零件设计。“产品功能方法树”的结构代表了概念设 计，“产品功能方法树”中的叶节点( 即零件) 代表了详细设计因此，产品概念设计 方案和详细设计方案可以很容易的从“功能方法树”中获得。 x fz h a 在面向装配的设计过程中，采用基于模糊逻辑的产生式规则知识表达方 法和推理技术解决设计过程中的不确定数据和知识【2 5 1 。这种表达方法将几何和特征建 立在更加抽象的概念上，使得它能够与t o p d o w n 设计很好的匹配。使用户可以获得 面向装配的设计过程中的静态和动态特性。在模糊逻辑的帮助下，设计过程中不全面、 不精确的知识也能进行处理。 8 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 w c r e g l i l 提