复杂产品多学科设计优化技术

针对复杂产品设计过程中存在学科组成多、学科高度耦合、复杂产品不能进行全面优化设计的问题,指出在复杂产品设计中应用多学科设计优化(Multidisciplinary design optimization, MDO)方法的必要性.阐述MDO的国内外发展现状及其基本概念.分析MDO的知识体系,总结出MDO研究应包括理论和应用两大方面,前者主要包括数学建模、系统分解、优化框架、近似模型、灵敏度分析和优化算法等理论方法,后者主要涉及软件集成、数据转换、设计数据管理、可视化、项目管理和并行计算等技术,并指出这些理论方法与应用技术间的关系.结合实际情况,建议我国应在理论创新、集成平台开发和技术推广等方向开展MDO研究工作.     

一种面向复杂系统的多学科设计优化方法

目前复杂系统多学科设计优化的工作主要集中在结构设计或设计过程的某个阶段,较少从整体角度对多学科设计优化过程进行研究。文中在前人系统分解研究的基础上,提出了一种基于学科分解的多学科设计优化方法,并建立了具体实现该方法的框架和应用流程。借助多学科设计优化领域主流分析软件Isight为优化平台,通过批处理命令调用各学科专业软件循环运行实现多学科综合设计,利用数据挖掘寻找整体最优解在应用层面实现了复杂系统整体优化设计。最后以某T形波导连接器隔板位置和形状优化设计为例,展示了该优化方法的应用过程和实效性。     

复杂微机电系统多学科设计方法研究

针对复杂微机电系统设计涉及多个学科领域的特点,提出了应用多学科设计优化方法来设计复杂微机电工程产品,归纳分析了复杂微机电系统在设计过程中可能涉及的学科,探讨了多学科设计方法在复杂微机电系统设计中的应用。     

机械产品设计中系统化设计法研究

机械产品的设计具有复杂性、交叉性的特征。为了更好的完成产品设计和优化,在机械产品设计时需要基于系统观,准确的整理好系统与各个要素间的相互关系,按照产品的结构形式,使产品功能逐渐优化到既定的功能。本文基于现代产品设计的系统观,探讨机械产品设计中的设计方法。第一部分介绍产品系统化设计的理论;第二部分介绍了机械产品系统化设计的方法;第三部分探讨了系统化设计方法在机械产品设计中的应用。旨在为智能机械产品的设计和优化提供一些参考。     

基于数字孪生的复杂机械产品多学科协同设计建模技术

数字孪生技术能够实现产品物理模型和信息模型的融合与迭代优化,从而缩短产品研发周期、降低返工成本。针对复杂产品多学科协同性差、研发成本高的难题,将数字孪生的理念引入到复杂机械产品多学科协同设计中。分析了多学科协同设计和数字孪生的研究进展,从全生命周期的视角探讨了产品、生产及其性能数字孪生模型的信息表达、集成与数据交互问题,给出了数字孪生的演变过程模型;在分析产品数字孪生多阶段建模过程的基础上,设计了一个产品数字孪生多学科协同设计建模参考架构,提出了机电一体化的多学科协同设计与虚拟工程方法和产品数字孪生多学科协同设计关键技术,通过优化仿真和虚拟调试构建了复杂机械产品的数字孪生模型,解决了产品全生命周期中机械、电气和自动化等多学科系统的信息物理融合问题。通过案例验证了所提数字孪生多学科建模理论及其优化方法的可行性。     

基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发框架与关键技术

数字孪生是实现物理信息深度融合的一个重要抓手,复杂产品设计和制造信息物理融合是其中最重要的环节,为最终智能制造的落地提供了有效途径。当前,针对数字孪生技术的研究与应用主要集中在车间运行和产品运维等方面,而将数字孪生技术应用于复杂产品设计与制造融合的研究较少。产品设计是智能制造的第一个环节,也是产生数字孪生体的第一个环节,研究基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发对实现后续的智能加工、装配和运维等具有重要影响。为此,分析了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发内涵,提出了基于数字孪生的复杂产品环形设计框架;基于所提出的框架,从需求分析、概念设计、个性化配置设计、虚拟样机、多学科融合设计和数据管理等方面,探索了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发中的关键技术;通过两个典型应用案例,展示了数字孪生关键技术在复杂产品设计制造一体化开发中的应用场景。     

机械产品快速设计理论与方法研究现状

在日趋激烈的市场竞争环境下,如何充分利用现有资源实现产品的快速设计是复杂机械产品研究的重点。详细论述了模块化设计、参数化设计、产品族设计和可重构设计等快速设计理论方法,以及并行工程和虚拟样机使能技术的研究和应用现状。针对复杂机械产品设计特点,分析了快速设计理论的不足及其发展方向。     

耦合多学科设计系统中参数映射方法

正确地辨识和有效地管理多学科设计模型之间的耦合关系是实现复杂产品多学科设计优化的基础.针对复杂产品研制需求,采用集合概念建立了多学科耦合关系的概念模型.然后,采用面向对象方法实现了耦合多学科设计模型(系统)的参数辨识和表达,并且通过文件解析方法自动关联多学科模型求解器(设计系统)间的输入输出参数.此参数映射方法在参数层次上控制多学科设计数据生成、获取、转换、存储和计算过程,实现了多学科异构数据源互操作.此参数映射方法可以支持耦合学科模型求解器集成,并且支持多学科计算进程的协同调度.此参数映射方法应用于航空装备研制,显著提高了设计效率和设计质量.     

微机电系统多学科设计优化

多学科设计优化是一种针对于涵盖多个学科领域的复杂系统进行设计优化的方法,强调各子学科系统在独自设计优化的基础上的相互之间的并行协作。鉴于微机电系统(Micro electro mechanical systems,MEMS)设计中存在多学科交叉耦合等问题,将多学科优化设计方法引入到MEMS的设计中,研究分析MEMS本身的多学科特性和设计现状,建立面向MEMS的多学科设计优化系统(Micro electro mechanical multidisciplinary design optimization system,MMDOS),提出四种多学科设计优化方法,对提升MEMS的设计水平和产品质量具有积极意义。     

机器人系统多学科协同优化设计

将多学科设计优化思想应用于机器人系统的设计问题.首先介绍了协同优化算法的主要思想与框架,然后以二自由度机器人的设计为例,着重研究用协同优化算法完成机器人的运动学、静力学、动力学与控制学的多学科设计优化.优化结果证明了协同优化算法解决复杂机器人系统多学科设计优化问题的有效性,为解决更为复杂的机械系统的设计优化问题奠定了基础.     

机械设计中的材料设计方法问题

本文提出机械设计中的材料设计方法问题,认为传统机械设计方法中有关机械零部件“材料选择设计”的方法应加以改进;以实例分析,阐述了机械设计中常见的材料设计问题;鉴于工业设计方法学的新进展提出了材料设计的新的功能和系统论设计思想方法;并建议建立基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的机械设计材料库。     

不确定性设计优化理论与方法研究

系统地开展了不确定性设计优化理论与方法研究,定义了设计不确定性、设计稳健性和设计可靠性等概念,阐述了不确定性设计优化理论体系框架,建立了不确定性设计优化模型,提出了解决不确定性设计优化建模、求解和计算复杂性问题的有效途径.     

A novel method of reverse engineering using axiomatic design

Reverse engineering has been widely used to analyze existing objects such as software systems, products, etc. The main purpose is obtaining information by disassembling a product and finding an improved design. Based on the disassembling work, research for a systematic analysis has been well developed, but reverse engineering has been rarely employed in finding a new (an improved) design of a complex and large scale product. Therefore, even though the ultimate goal of reverse engineering is an improved design (or redesign), the opportunity to make a new feature is rarely given. A novel method of reverse engineering is proposed by using the axiomatic design viewpoint. The method not only keeps the fundamental concept of reverse engineering, but also realizes a new (or improved) design according to proposed procedures such as inference, design improvement module and a qualitative evaluation. A complex and large scale product (a ceiling type air conditioning system) is chosen as a case study to validate the proposed method. As a result, useful information for a new (or improved) design is obtained and also a new part (filter cleaning system) is proposed. The methodology provides a good way to design a new (or improved) product.     

制造/再制造集成物流网络模糊优化设计方法

为提高制造/再制造物流管理绩效,提出了合理设计制造/再制造闭环物流网络结构.将废旧产品回收量、新产品或再生品需求量、物流设施的生产或处理能力等看成三角或容差模糊参数,建立了单周期、单回收产品、有能力限制、同一物流设施备选地点对应多种可选物流设施类型的集成物流网络设计的模糊混合整数线性规划模型.为求解该模型,利用模糊机会约束规划方法将其转换成等价清晰模型.介绍了模糊混合整数线性规划模型针对同类型不同规模的物流设施选择的扩展应用,阐述了置信水平重要程度的分析方法,通过算例验证了模糊优化设计方法的有效性.     

多学科设计优化研究进展

多学科设计优化是一种基于学科分析和优化的集成的系统设计方法论,是解决航天器设计等复杂工程系统问题的有效手段。综述了多学科设计优化的研究进展及其在航天器设计中的应用。重点介绍了系统数学建模、分解与组织技术及多学科设计优化算法等关键技术,讨论了多学科设计优化目前存在的问题和发展趋势。     

基于数字样机的铁路客车转向架动态设计与仿真

以仿真为核心的数字样机是虚拟现实技术在工业界的典型应用,是提高工业产品设计质量和效率的重要手段.从铁道车辆转向架设计的要求出发,提出了基于数字样机技术的转向架动态设计与仿真平台的框架结构与设计流程,并结合典型零部件的设计过程,从结构设计、机械物理性能和加工工艺仿真等方面,对基于数字样机技术的转向架动态设计与仿真的关键技术和方法进行了阐述.     

面向复杂产品时变性能设计的理论与方法

针对复杂机械产品在运转使用中的性能退化现象,提出面向时变性能的设计理念和方法。针对复杂机械产品,提出面向时变性能设计所需要解决的三个关键问题:一是要给出一个基准运转工况或者系统时变历程,这是对不同设计方案的时变性能进行评价设定共同的出发点;二是要进行多学科耦合分析,以精确仿真瞬态的系统行为;三是要根据瞬时的系统状态推算系统结构和系统性能的退化过程,从而为设计决策提供依据。结合汽车发动机对象的分析表明,系统磨损等结构退化现象对系统性能的影响非常明显。因此需要根据系统性能的退化分析,寻找影响时变性能的关键因素并加以改善。研究表明:时变性能已经成为决定产品竞争优势的重要因素;通过本文提出的思路和方法,将为有效改进产品的时变性能奠定基础。     

Modeling and design optimization of asynchronous flexible assembly systems with statistical process control and repair

This article presents the implementation of hybrid procedures involving the use of analytical performance evaluation techniques, discrete event simulation, and Monte Carlo optimization methods for the stochastic design optimization of asynchronous flexible assembly systems (AFASs) with statistical process control (SPC) and repair loops. AFASs are extremely complex and difficult to analyze in that such systems are subject to starvation and blocking effects, random jam occurrences at workstations, and splitting and merging of the assembly flow due to repair loops. Hence, an integrated approach simultaneously analyzing the interactions between product quality and optimal/near optimal system design is pursued. In the analytical analysis stage, a model based on GI/G/1 queueing network theory is used. In the Monte Carlo optimization stage, two alternative stochastic optimization approaches, namely, heuristic versions of stochastic quasigradient and simulated annealing algorithms, are implemented and compared in terms of their capabilities of solving complex AFAS design problems. The hybrid procedures presented appear to perform reasonably well in designing AFASs to reach a target production rate.     

Manufacturing multi-material articulated plastic products using in-mold assembly

In-mold assembly can be used to create plastic products with articulated joints. This process eliminates the need for post-molding assembly and reduces the number of parts being used in the product, hence improving the product quality. However, designing both products and molds is significantly more challenging in case of in-mold assembly. Currently, a systematic methodology does not exist for developing product and processes to exploit potential benefits of in-mold assembly for creating articulated joints. This paper is a step towards creating such a methodology and reports the following three results. First, it presents a model for designing assemblies and molding process so that the joint clearances and variation in the joint clearances can meet the performance goals. Second, it describes proven mold design templates for realizing revolute, prismatic, and spherical joints. Third, it describes a mold design methodology for designing molds for products that contain articulated joints and will be produced using in-mold assembly process. Three case studies are also presented to illustrate how in-mold assembly process can be used to create articulated devices.     

A material selection methodology and expert system for sustainable product design

Material selection is one of the main phases of product design process that has great impact on the manufacturing of sustainable products. One of the best approaches of material selection for sustainable products is life cycle engineering (LCE). But LCE is a costly and cumbersome task and it is not economic to perform this task for a large number of proposed materials in order to choose the most suitable one for a sustainable product. Instead, it is more reasonable to make a preliminary filtering on the proposed materials and obtain a shorter list of candidate materials and then perform LCE on alternatives which are obtained from preliminary filtering. Since environmental friendliness of materials is a critical sustainability issue, so it is a good criterion for preliminary filtering of alternatives. In this paper, a new methodology is proposed to support preliminary filtering of alternatives from environmental viewpoint. The methodology uses the knowledge of experts in the field of eco-design. The knowledge is translated to decision making rules and a decision tree is developed to guide the choice. In order to use the capabilities of frame-based systems, an object-oriented approach for representation of knowledge is also proposed. Moreover, a prototype hybrid expert system based on the proposed methodology called material selection expert system for sustainable product design is developed to support the task of preliminary filtering. Finally, a case study from tire manufacturing industries is presented to show the validity of the proposed system. The results show that the system can determine the appropriate candidate materials and hence improve the possibility of manufacturing of more sustainable products. Eliminating alternatives that do not have the necessary conditions for sustainable product leads to a large saving in time and cost of the LCE evaluation process