基于FPBS的机械系统模块化设计方法与应用研究
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摘要
为快速响应多样化机械装备产品的需求,在机械产品的方案设计过程中引入模块化设计方法与技术,建立与实施基于功能-原理(行为)-结构(Function-Principle-Behavior-Structure, FPBS)的产品模块化设计技术是解决问题的关键。本文对基于FPBS的产品方案设计、产品模块划分与创建、产品族规划设计、产品配置设计、模块适应性／变型设计、模块重构设计等问题进行了深入研究,主要内容与成果包括：
(1)提出了基于功构独立性、行为相容性的产品FPBS设计建模方法。针对机械系统(产品)方案设计的复杂性,按照产品的总体技术目标特征,首先通过功能→原理(行为)→结构→功能的纵向设计迭代演进,实现产品方案设计过程中的功能-原理映射、原理-结构求解、结构-功能分解。同时,按照公理设计理论与行为相容性原则,进行产品功能、结构的不断解耦,直至分解到具有相对独立结构、独立功能、相容行为的基本功能-结构单元,实现产品FPBS分解模型的建立。其次,采用IDEF0和功能流建模相结合的方法进行产品功能建模,采用行为关联进行产品原理建模,采用装配联接进行产品结构建模,实现产品动态模型的建立。以此为基础,把机械产品方案设计拓扑模型与模块化设计方法相结合,提出基于产品方案设计模型的模块化设计方法。
(2)提出了基于产品FPBS设计模型的产品模块识别、划分与创建方法。针对产品模块的创建问题,基于产品的FPBS设计模型,首先展开产品功构要素(功能、行为、结构、接口等)的相关性分析,建立功能-结构单元的相关度计算模型；然后采用模糊聚类算法进行自底向上的功能-结构单元的聚合,实现了产品层次性模块划分与创建。
(3)提出了基于产品FPBS设计模型的产品族规划设计方法。针对产品族模块体系建立的问题,首先通过客户需求的聚类分析,建立满足市场细分的产品族,考虑产品性能参数的“量变”与“质变”,对产品族功能展开FPBS功构分解,建立不同层次的功能-结构单元,同时,通过QFD方法确定产品族功能-结构单元的特征参数及其取值范围；其次,建立产品族FPBS功构分解的底层功能-结构单元的功能模型,采用谱系聚类建立产品族的不同层次的功构模块,并确定基础功构模块、扩展功构模块。然后通过功能-结构单元的结构及其特征参数的综合而建立基本模块族、扩展模块族,从而实现产品族规划。
(4)提出了基于产品族模块体系的产品可拓配置设计方法。针对基于模块体系的产品快速设计问题,以产品族模型为基础,针对具体的客户需求,首先采用QFD瀑布式分解方法对期望产品特征进行层次性展开,采用基于知识推理的方法进行产品配置求解,获得期望模块物元。在此基础上,采用相似匹配算法从模块族中模糊匹配出相似存在模块,形成产品的初步配置方案。然后通过ISM分析方法,确定相似存在模块变换的结构层次与变换需求,进行可拓变换,建立产品结构方案。
(5)提出了基于FPBS设计模型的模块可拓适应性／变型设计方法。针对单个模块的变型设计问题,首先建立存在模块的FPBS设计模型,通过模型中功能、原理、行为、结构的可拓变换与分解而建立期望模块的FPBS分解模型；其次,建立期望模块的功能模型；然后基于功能模型的约束,通过结构单元的删减、聚合,并进行模块功构要素可拓变换、分解、聚合中传导变换分析,实现模块的适应性／变型设计。
(6)提出了基于FPBS设计模型的模块重构设计方法。针对多个模块的重构设计问题,首先建立存在模块的FPBS设计模型；以此为基础进行基于功能流流转的功能重构、基于运动行为传递的原理构型、基于行为一致性的行为组合、基于行为相容性的结构聚合,建立期望模块的设计模型；进一步展开期望模块结构综合与设计,实现模块的重构设计。
(7)建立了计算机辅助的产品模块化设计支持系统。针对模块化设计方法的工程应用问题,以论文研究成果为基础,遵循产品模块化设计的一般性流程,选择通用CAD作为产品结构设计工具,设计开发计算机辅助的产品模块化设计支持系统——MDSS,初步实现了论文提出的基于FPBS的机械系统模块化设计方法的工程应用。
To respond rapidly to the various requirements of mechanical equipments, the modular design methodology and technology are introduced in the process of conceptual design of mechanical products. The technology of product modular design based on Function-Principle-Behavior-Structure (FPBS) is one of the key solutions to meet the requirements. Several aspects including product conceptual design, product module identifying and module creation, product family planning and design, product configuration design, module adaptive/variant design, and module reconfiguration design are deeply discussed. The main achievements are described as follows:
(1) The modeling method based on function-structure (FS) independence and behavior compatibility is brought forward. As to the complexity of conceptual design of mechanical system(product), several steps are taken according to the objective features of products. Firstly, function-principle mapping, principle-structure solution and structure-function decomposition in the process of product conceptual design are realized by means of the iterative vertical design of FPBS. At the same time, according to the axiomatic design theory and the behavior compatibility principle, the decoupling of functions and structures of a product is carried out. Once the basic FS units have relative independent structures, functions and compatible behaviors, the FPBS decomposition model of product is established. Secondly, the method combining IDEFO with function flow modeling is applied to product function modeling, behavior correlation is applied to product principle modeling, assembly joining is also applied to product structure modeling, and accordingly the horizontal dynamic models of product design are established. Based on the above, the topology model of conceptual design for mechanical products and the modular design method are integrated. So the modular design method based on the model of product conceptual design is presented.
(2) The methods of module identifying and creation of products based on FPBS design model are advanced. As to module creation, the correlative analysis of the product's FS elements (function, behavior, structure, interface, etc.) is spread to create correlation computation model of FS units based on the FPBS design model of product. Afterwards, the fuzzy clustering algorithm is used to perform a bottom-up polymerization for FS units. Finally hierarchical module identifying and module creation for the product are realized.
(3) The methods for product family planning and design are brought forth based on FPBS design model of the product to creat module system. Firstly, the product family that satisfies market subdivision is constructed through cluster analysis of the customer requirements. Considering the quantitative change and the qualitative change of product's performance parameters, the FPBS decomposition is outspread from functions of the product family. Thereby the FS units of different hierarchies are set up. At the same time, feature parameters and their ranges of the product family's FS units are determined by means of the Quality Function Deployment (QFD) method. Secondly, the function model of bottom FS units for FPBS decomposition of product family is set up. FS modules of different levels of product family are built using pedigree clustering, and the basic FS modules and extended FS modules are determined. Accordingly, the basic module family and extended module family are set up by the synthesis of structures and characteristic parameters of FS units, thus the product family planning is achieved.
(4) The methods of product extension configuration design based on the module system of product family are put forward. Directed towards rapid product design based on the module system, serveral approaches are carried out for customer requirements based on product family model. In the first place, expectant product features are spread hierarchically using waterfall decomposition method of QFD, while product configuration solution is performed using the method based on knowledge inference, as a result, the matter-elements of expectant module are obtained. In the next place, grounded on this, similar existent modules are elicited from module family using the similarity matching algorithm. Consequently, preliminary configuration plan is formed. Then, through ISM analysis, transformation structure hierarchies and transformation requirements of similar existing modules are determined, and extension transformation is carried out. Eventually the plan of product structure is gained.
(5) The methods of extensive module adaptive design/variant design based on the model of FPBS design are proposed. Focused on the variant design of a single module, the FPBS decomposition model of the existing module is established firstly, and through extensive transformation and decomposition of functions, principles, behavior, and structures of the module, the FPBS design model of expectant module is created. Secondly, the function model of expectant module is built. Then based on the constraints of the function model, the adaptive design/variant design of the module is realized through the deletion and polymerization of the structure units and through the conduction transformation analysis in extensive transformation, decomposition, and polymerization of the module's FS elements.
(6) The methods of module reconfiguration based on FPBS design model are given. As to the reconfiguration design of several modules, the FPBS design model of existing modules is established. Based on the above models, function reconfiguration by function flow joining, principle configuration by behavior transmitting, behavior combination by behavior coincidence, and structure polymerization by behavior compatibility are carried out. Thus, the design models of expectant module are constituted, and the module reconfiguration design is achieved through the structural synthesis and design of the expected modules.
(7) The computer aided Modular Design Support System (MDSS) is developed to satisfy the engineering applications of modular design method. The system is designed and developed based on the research achievements of the thesis. The system runs on common CAD platforms and follows the common procedures of product modular design. Therefore the engineering application for the modular design method of mechanical system based on FPBS is accomplished primarily.
(1)提出了基于功构独立性、行为相容性的产品FPBS设计建模方法。针对机械系统(产品)方案设计的复杂性,按照产品的总体技术目标特征,首先通过功能→原理(行为)→结构→功能的纵向设计迭代演进,实现产品方案设计过程中的功能-原理映射、原理-结构求解、结构-功能分解。同时,按照公理设计理论与行为相容性原则,进行产品功能、结构的不断解耦,直至分解到具有相对独立结构、独立功能、相容行为的基本功能-结构单元,实现产品FPBS分解模型的建立。其次,采用IDEF0和功能流建模相结合的方法进行产品功能建模,采用行为关联进行产品原理建模,采用装配联接进行产品结构建模,实现产品动态模型的建立。以此为基础,把机械产品方案设计拓扑模型与模块化设计方法相结合,提出基于产品方案设计模型的模块化设计方法。
(2)提出了基于产品FPBS设计模型的产品模块识别、划分与创建方法。针对产品模块的创建问题,基于产品的FPBS设计模型,首先展开产品功构要素(功能、行为、结构、接口等)的相关性分析,建立功能-结构单元的相关度计算模型；然后采用模糊聚类算法进行自底向上的功能-结构单元的聚合,实现了产品层次性模块划分与创建。
(3)提出了基于产品FPBS设计模型的产品族规划设计方法。针对产品族模块体系建立的问题,首先通过客户需求的聚类分析,建立满足市场细分的产品族,考虑产品性能参数的“量变”与“质变”,对产品族功能展开FPBS功构分解,建立不同层次的功能-结构单元,同时,通过QFD方法确定产品族功能-结构单元的特征参数及其取值范围；其次,建立产品族FPBS功构分解的底层功能-结构单元的功能模型,采用谱系聚类建立产品族的不同层次的功构模块,并确定基础功构模块、扩展功构模块。然后通过功能-结构单元的结构及其特征参数的综合而建立基本模块族、扩展模块族,从而实现产品族规划。
(4)提出了基于产品族模块体系的产品可拓配置设计方法。针对基于模块体系的产品快速设计问题,以产品族模型为基础,针对具体的客户需求,首先采用QFD瀑布式分解方法对期望产品特征进行层次性展开,采用基于知识推理的方法进行产品配置求解,获得期望模块物元。在此基础上,采用相似匹配算法从模块族中模糊匹配出相似存在模块,形成产品的初步配置方案。然后通过ISM分析方法,确定相似存在模块变换的结构层次与变换需求,进行可拓变换,建立产品结构方案。
(5)提出了基于FPBS设计模型的模块可拓适应性／变型设计方法。针对单个模块的变型设计问题,首先建立存在模块的FPBS设计模型,通过模型中功能、原理、行为、结构的可拓变换与分解而建立期望模块的FPBS分解模型；其次,建立期望模块的功能模型；然后基于功能模型的约束,通过结构单元的删减、聚合,并进行模块功构要素可拓变换、分解、聚合中传导变换分析,实现模块的适应性／变型设计。
(6)提出了基于FPBS设计模型的模块重构设计方法。针对多个模块的重构设计问题,首先建立存在模块的FPBS设计模型；以此为基础进行基于功能流流转的功能重构、基于运动行为传递的原理构型、基于行为一致性的行为组合、基于行为相容性的结构聚合,建立期望模块的设计模型；进一步展开期望模块结构综合与设计,实现模块的重构设计。
(7)建立了计算机辅助的产品模块化设计支持系统。针对模块化设计方法的工程应用问题,以论文研究成果为基础,遵循产品模块化设计的一般性流程,选择通用CAD作为产品结构设计工具,设计开发计算机辅助的产品模块化设计支持系统——MDSS,初步实现了论文提出的基于FPBS的机械系统模块化设计方法的工程应用。
To respond rapidly to the various requirements of mechanical equipments, the modular design methodology and technology are introduced in the process of conceptual design of mechanical products. The technology of product modular design based on Function-Principle-Behavior-Structure (FPBS) is one of the key solutions to meet the requirements. Several aspects including product conceptual design, product module identifying and module creation, product family planning and design, product configuration design, module adaptive/variant design, and module reconfiguration design are deeply discussed. The main achievements are described as follows:
(1) The modeling method based on function-structure (FS) independence and behavior compatibility is brought forward. As to the complexity of conceptual design of mechanical system(product), several steps are taken according to the objective features of products. Firstly, function-principle mapping, principle-structure solution and structure-function decomposition in the process of product conceptual design are realized by means of the iterative vertical design of FPBS. At the same time, according to the axiomatic design theory and the behavior compatibility principle, the decoupling of functions and structures of a product is carried out. Once the basic FS units have relative independent structures, functions and compatible behaviors, the FPBS decomposition model of product is established. Secondly, the method combining IDEFO with function flow modeling is applied to product function modeling, behavior correlation is applied to product principle modeling, assembly joining is also applied to product structure modeling, and accordingly the horizontal dynamic models of product design are established. Based on the above, the topology model of conceptual design for mechanical products and the modular design method are integrated. So the modular design method based on the model of product conceptual design is presented.
(2) The methods of module identifying and creation of products based on FPBS design model are advanced. As to module creation, the correlative analysis of the product's FS elements (function, behavior, structure, interface, etc.) is spread to create correlation computation model of FS units based on the FPBS design model of product. Afterwards, the fuzzy clustering algorithm is used to perform a bottom-up polymerization for FS units. Finally hierarchical module identifying and module creation for the product are realized.
(3) The methods for product family planning and design are brought forth based on FPBS design model of the product to creat module system. Firstly, the product family that satisfies market subdivision is constructed through cluster analysis of the customer requirements. Considering the quantitative change and the qualitative change of product's performance parameters, the FPBS decomposition is outspread from functions of the product family. Thereby the FS units of different hierarchies are set up. At the same time, feature parameters and their ranges of the product family's FS units are determined by means of the Quality Function Deployment (QFD) method. Secondly, the function model of bottom FS units for FPBS decomposition of product family is set up. FS modules of different levels of product family are built using pedigree clustering, and the basic FS modules and extended FS modules are determined. Accordingly, the basic module family and extended module family are set up by the synthesis of structures and characteristic parameters of FS units, thus the product family planning is achieved.
(4) The methods of product extension configuration design based on the module system of product family are put forward. Directed towards rapid product design based on the module system, serveral approaches are carried out for customer requirements based on product family model. In the first place, expectant product features are spread hierarchically using waterfall decomposition method of QFD, while product configuration solution is performed using the method based on knowledge inference, as a result, the matter-elements of expectant module are obtained. In the next place, grounded on this, similar existent modules are elicited from module family using the similarity matching algorithm. Consequently, preliminary configuration plan is formed. Then, through ISM analysis, transformation structure hierarchies and transformation requirements of similar existing modules are determined, and extension transformation is carried out. Eventually the plan of product structure is gained.
(5) The methods of extensive module adaptive design/variant design based on the model of FPBS design are proposed. Focused on the variant design of a single module, the FPBS decomposition model of the existing module is established firstly, and through extensive transformation and decomposition of functions, principles, behavior, and structures of the module, the FPBS design model of expectant module is created. Secondly, the function model of expectant module is built. Then based on the constraints of the function model, the adaptive design/variant design of the module is realized through the deletion and polymerization of the structure units and through the conduction transformation analysis in extensive transformation, decomposition, and polymerization of the module's FS elements.
(6) The methods of module reconfiguration based on FPBS design model are given. As to the reconfiguration design of several modules, the FPBS design model of existing modules is established. Based on the above models, function reconfiguration by function flow joining, principle configuration by behavior transmitting, behavior combination by behavior coincidence, and structure polymerization by behavior compatibility are carried out. Thus, the design models of expectant module are constituted, and the module reconfiguration design is achieved through the structural synthesis and design of the expected modules.
(7) The computer aided Modular Design Support System (MDSS) is developed to satisfy the engineering applications of modular design method. The system is designed and developed based on the research achievements of the thesis. The system runs on common CAD platforms and follows the common procedures of product modular design. Therefore the engineering application for the modular design method of mechanical system based on FPBS is accomplished primarily.
引文
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