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集成设计理论及信息建模的研究

作　者: 周桂霞
导　师: 段国林
学　校: 河北工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 设计方法学集成设计 FTMC模型信息建模 STEP EXPRESS
分类号: TB472
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着现代科学技术的发展与市场竞争的日益激烈，产品的技术含量和复杂程度不断增加，用户越来越追求产品的广义质量，而产品的广义质量取决于产品的设计。概念设计是产品设计过程中最具有创造性的阶段，其作用至关重要，产品概念设计方案的质量决定了产品最终价值的80%以上。为了取得满意的产品概念设计方案，国内外学者提出了许多设计理论与方法，如何在产品设计过程中进行选择和运用，实现不同设计方法的有机组合，一直是研究的热点。为提高产品的设计效率，实现设计自动化成为人们追求的目标之一。在设计过程中要保证不同的设计系统、企业和部门之间产品数据的交换，必须建立产品信息模型，以实现产品全生命周期各种信息的共享。本文主要研究内容包括：1．研究现代设计理论和方法，分析系统化设计、公理设计和TRIZ理论的研究现状和设计模型，归纳三种理论基于功能的推理模型。2．通过对系统化设计理论、公理设计理论和TRIZ理论深入研究，提出集三种设计理论有机结合的集成概念设计模型。该模型利用系统化设计理论确定产品初始概念设计方案，应用公理设计理论的独立公理进行功能分解，利用TRIZ理论解决耦合问题，得到创新概念最优设计方案。3．提出基于功能优化设计的FTMC推理模型，形式化描述其推理过程。将功能层的基体功能映射到转换层相应的变体功能，再映射到机构层相应的机构，解决功构映射过程，得到满足功能的产品方案。4.提出集成设计过程模型，利用概念设计目标指导详细设计，详细设计细化概念设计的产品结构，并确定参数。建立概念设计到详细设计的映射模型，采用图形和矩阵形式描述详细设计阶段的功能、特征及功能-特征关系，为计算机语言描述提供基础。5.分析产品信息建模的研究成果，建立基于STEP的通用产品设计过程信息模型。该模型采用EXPRESS语言描述产品概念设计和详细设计过程。6.运用所构建的集成设计过程模型对免耕播种机进行设计，制作原理性模型，完成试验研究，结果表明该方案具有良好的破茬和播种性能，满足用户的潜在需求，验证所构建的产品集成设计过程模型的合理性及可行性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-33
  1.1 研究的目的、意义  12-13
    1.1.1 研究背景  12
    1.1.2 课题研究的目的及意义  12-13
  1.2 设计方法学的发展过程  13-19
    1.2.1 设计发展的基本阶段  13-14
    1.2.2 现代设计的目标  14-15
    1.2.3 产品设计基本原则  15-16
    1.2.4 传统设计和现代设计特点  16-18
    1.2.5 现代设计技术体系  18-19
  1.3 设计方法学和设计理论研究现状  19-30
    1.3.1 设计方法学  19-20
    1.3.2 现代产品设计理论  20-30
      1.3.2.1 质量功能展开  21-22
      1.3.2.2 普适设计理论  22
      1.3.2.3 系统化设计理论  22-26
      1.3.2.4 公理化设计理论  26-28
      1.3.2.5 发明问题解决理论  28-30
  1.4 主要研究内容及框架  30-33
    1.4.1 主要研究内容  30-31
    1.4.2 研究框架  31-33
第二章集成概念设计模型  33-86
  2.1 概念设计理论  33-37
    2.1.1 概念设计的内涵  33-35
    2.1.2 国内外研究现状  35-36
      2.1.2.1 生成产品方案研究  35-36
      2.1.2.2 评价产品方案  36
    2.1.3 概念设计进程  36-37
  2.2 基于 FTMC 的功能优化设计  37-46
    2.2.1 FS 功构模型  37-38
    2.2.2 FBS 功构模型  38
    2.2.3 FTMC 功构拓展模型研究  38-46
      2.2.3.1 功能特征模型  39-40
      2.2.3.2 基于功能变异的拓展模型  40
      2.2.3.3 变体功能向机构的拓展模型  40-41
      2.2.3.4 FTMC 功构拓展模型  41-42
      2.2.3.5 概念方案评价  42-46
  2.3 集成概念设计模型  46-49
    2.3.1 集成理论的适用范围  46-47
    2.3.2 集成原理  47-49
  2.4 基于 FTMC 模型概念设计的形式化描述  49-56
    2.4.1 设计过程描述  50-53
    2.4.2 设计过程迭代描述  53-54
    2.4.3 产品方案的评价  54-56
  2.5 集成概念设计在免耕播种设计中的应用  56-84
    2.5.1 免耕播种机信息调研  56-57
      2.5.1.1 用户需求调研  56
      2.5.1.2 环境调研  56-57
      2.5.1.3 风险调研  57
    2.5.2 免耕播种机规划阶段  57-61
      2.5.2.1 设计目标  57-58
      2.5.2.2 免耕播种机的设计思想  58
      2.5.2.3 免耕播种机的设计环境  58-61
    2.5.3 免耕播种机的方案设计阶段  61-84
      2.5.3.1 免耕播种机的功能优化设计  61
      2.5.3.2 抽取免耕播种机功能  61
      2.5.3.3 免耕播种机的功能分解  61-62
      2.5.3.4 建立免耕播种机的功能结构  62-63
      2.5.3.5 免耕播种机的功构映射  63-65
      2.5.3.6 确定终选方案  65-78
      2.5.3.7 确定最优解  78-84
  2.6 破茬机构对比分析  84-85
  2.7 小结  85-86
第三章产品设计过程模型  86-115
  3.1 详细设计  86-87
    3.1.1 结构设计  86
    3.1.2 参数化设计  86-87
  3.2 概念设计和详细设计的关系  87-98
    3.2.1 概念设计和详细设计关系模型  87-88
    3.2.2 概念设计和详细设计的映射  88
    3.2.3 详细设计阶段的映射  88-98
      3.2.3.1 需求功能、特征、功能相关特征  89-92
      3.2.3.2 功能关系描述  92-95
      3.2.3.3 特征关系描述  95-97
      3.2.3.4 功能—特征关系描述  97-98
  3.3 构建产品设计过程模型  98-99
  3.4 设计过程的映射在免耕播种机的应用  99-104
    3.4.1 功能关系描述  100-102
    3.4.2 特征关系描述  102-103
    3.4.3 功能—特征关系描述  103-104
  3.5 免耕播种机检验  104-114
    3.5.1 可视化检验  104-111
      3.5.1.1 可视化内容  104-106
      3.5.1.2 可视化设计技术流程  106
      3.5.1.3 免耕播种机三维建模  106-108
      3.5.1.4 免耕播种机可视化装配  108-109
      3.5.1.5 免耕播种机工作过程可视化  109-110
      3.5.1.6 免耕播种机的干涉检验  110
      3.5.1.7 免耕播种机动力学可视化  110-111
    3.5.2 用户检验  111-113
    3.5.3 播种机其它性能检验  113-114
  3.6 小结  114-115
第四章产品设计过程信息模型  115-137
  4.1 产品信息模型  115-118
    4.1.1 信息集成的关键问题  115-116
    4.1.2 信息模型的研究现状  116-117
    4.1.3 建立信息模型的必要性  117-118
  4.2 STEP 标准  118-124
    4.2.1 STEP 标准简介  118-119
    4.2.2 EXPRESS 语言  119-120
    4.2.3 EXPRESS—G 图  120-121
    4.2.4 EXPRESS 模型的语法检查  121-122
    4.2.5 STEP 中性文件  122-124
  4.3 基于 STEP 概念层产品信息模型  124-130
    4.3.1 产品信息建模过程  124
    4.3.2 基于STEP 模型概念设计描述  124-128
    4.3.3 基于 STEP 模型详细设计描述  128-130
  4.4 基于 STEP 免耕播种机信息模型  130-136
    4.4.1 免耕播种机概念设计信息模型  130-135
    4.4.2 免耕播种机详细设计的 EXPRESS 描述  135-136
  4.5 小结  136-137
第五章研究成果和展望  137-139
  5.1 研究成果  137
  5.2 创新点  137-138
  5.3 展望  138-139
参考文献  139-148
附录 A  148-149
附录 B  149-150
附录 C  150-154
附录 D  154-161
攻读博士学位期间论文发表及科研情况  161-162
致谢  162

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