機械產(chǎn)品設計的模塊劃分方法研究①

張建民 周 俊 劉衛(wèi)艷

(上海工程技術大學機械工程學院)

機械產(chǎn)品設計的模塊劃分方法研究①

張建民 周 俊 劉衛(wèi)艷

(上海工程技術大學機械工程學院)

針對功能-結構集成模塊劃分方法的不足，基于功能相似性和結構關聯(lián)性，提出一種面向產(chǎn)品創(chuàng)新設計的模塊劃分方法。將功能-結構關系矩陣轉化為結構間的功能相似矩陣，與結構間的關系矩陣相結合，構成關聯(lián)矩陣，然后進行模塊劃分，分析評價出最佳劃分模塊。以裝載機裝載裝置設計的模塊劃分為例，對所提方法進行驗證，結果表明：劃分結果與實際相符。

機械產(chǎn)品設計 模塊劃分 關聯(lián)矩陣 聚合度 分離度

機械產(chǎn)品的模塊化設計可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、提高效率，快速響應市場需求，提高設計標準化、系列化程度，實現(xiàn)優(yōu)化設計，有利于產(chǎn)品維修、升級和再利用，便于工廠和產(chǎn)品的重組，延長產(chǎn)品的使用壽命。因此，面向產(chǎn)品創(chuàng)新設計的模塊劃分對產(chǎn)品設計具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學者對機械產(chǎn)品設計的模塊劃分方法進行了廣泛研究。Gu P和Sosale S提出了一種面向產(chǎn)品全生命周期的模塊劃分方法，針對每個階段的設計目標構造相關矩陣，通過對每個設計目標的模塊劃分結果進行對比分析，得到了較為滿意的結果[1]。陳繼文等主要從客戶需求、流和技術的角度出發(fā)，研究了一種面向創(chuàng)新設計的功能模塊動態(tài)劃分方法[2]。周開俊等提出了一種面向產(chǎn)品創(chuàng)新設計的功能模塊劃分方法，在考慮功能單元之間流的鄰接關系的基礎上，根據(jù)功能模塊的聚合度和分離度構造優(yōu)化目標函數(shù)，從抽象層面上對產(chǎn)品功能模塊進行劃分[3]。魏鋒等針對跨國石油公司專業(yè)軟件利用率低、管理難度大及重復投資等問題，利用其海外IT資源共享和服務中心，設計了一個模塊劃分專業(yè)軟件，并進行了實際部署應用[4]。

在此，筆者提出一種基于功能相似性和結構關聯(lián)性的面向產(chǎn)品創(chuàng)新設計的模塊劃分方法，從而更好地提高機械產(chǎn)品設計的協(xié)調性。

1 產(chǎn)品關聯(lián)矩陣的建立

1.1 功能相似矩陣

將產(chǎn)品的總功能F分解成f1、f2、…、fm共m個功能元。R1、R2、…、Rn表示n個結構零件。rij表示fi對Rj的影響程度，其功能相關性準則見表1。

表1 功能相關性準則

相應的功能關系矩陣R可表示為：

R=[rij]m×n

采用數(shù)量積法，通過下式將功能關系矩陣轉化為模糊相似矩陣：

(1)

Sij=[sij]n×n

1.2 結構關聯(lián)矩陣

結構相關性是指零部件之間的空間和幾何關

系，主要包括裝配、排列、定位及聯(lián)接等。表2主要從配合方式、聯(lián)接類型和接觸類型3個方面衡量了子結構之間的相關性[5]。

表2 結構相關性

結構關聯(lián)矩陣R′為：

(2)

其中，R1′為子結構配合關聯(lián)矩陣，表示子結構i和子結構j之間的配合關聯(lián)度；R2′為子結構聯(lián)接關聯(lián)度，表示子結構i和子結構j之間的聯(lián)接關聯(lián)度；R3′為子結構接觸關聯(lián)矩陣，表示子結構i和子結構j之間的接觸關聯(lián)度；W1′、W2′、W3′為結構關聯(lián)準則的權重系數(shù)。準則權重系數(shù)采用層次分析法或設計經(jīng)驗分析法確定。3個結構關聯(lián)準則分別指子結構間的配合方式準則、聯(lián)接類型準則和接觸類型準則。由式(2)可計算得到各子結構之間的相關度，進而建立結構關聯(lián)矩陣R′。

1.3 產(chǎn)品關聯(lián)矩陣

機械產(chǎn)品設計中，模塊劃分不僅要考慮功能對產(chǎn)品結構的影響，而且要考慮產(chǎn)品結構關聯(lián)度的影響。筆者通過加權的方式，將功能關聯(lián)矩陣和結構關聯(lián)矩陣聯(lián)系在一起，構成產(chǎn)品關聯(lián)矩陣Cij：

(3)

式中 rij′——結構關聯(lián)矩陣的元素；

wf——功能關聯(lián)矩陣的權重系數(shù)；

ws——結構關聯(lián)矩陣的權重系數(shù)。

2 結構模塊劃分

2.1 基于模糊等價矩陣的聚類

通過平方法計算傳遞閉包[6]，將關聯(lián)矩陣Cn×n構造成模糊等價矩陣：

R→R2→R4→…→R2K=R*

(4)

(5)

2.2 結構模塊劃分評價方法

λ值不同，得到的劃分結果也不同，通過評價劃分結果、分析不同模塊內(nèi)部的耦合度和模塊間的分離度，得出最優(yōu)劃分模塊[7～10]。

假設模塊mi={…ub…ud…}，其中ub和ud是模塊mi的零件結構，共有k個，則其聚合度為：

(6)

模塊mi和mj的分離度DV為：

(7)

DV(mi， mj)越小，模塊mi與mj的分離度越小，劃分質量越高。

(8)

3 應用實例分析

以裝載機裝載裝置設計的模塊劃分為例對筆者提出的機械產(chǎn)品設計模塊劃分方法進行驗證分析，利用Matlab進行輔助計算。裝載機的裝載裝置(圖1)設計主要考慮容積、鏟取、平移、動力及卸載等功能。根據(jù)表1列出功能關系矩陣，通過式(1)求出其功能相似矩陣S：

圖1 裝載機的裝載裝置結構示意圖

根據(jù)表2分別列出子結構配合關聯(lián)矩陣、接觸關聯(lián)矩陣和聯(lián)接關聯(lián)矩陣，利用式(2)求出結構關聯(lián)矩陣R′：

其中，w′=(0.4，0.4，0.2)。根據(jù)式(3)求出其關聯(lián)矩陣Cn×n：

其中，wf=0.6，ws=0.4。利用式(4)計算傳遞閉包，得出k=3，模糊等價矩陣R*為：

利用式(5)對模糊等價矩陣進行動態(tài)模塊劃分，取不同的λ值，以得到不同劃分模塊。利用式(6)、(7)對劃分模塊進行評價分析，結果見表3。

表3 模塊劃分方案

當λ≤0.45時，劃分結果沒有意義；當λ=0.65時，模塊劃分的聚合度達到較高值，整體劃分效果最好。[1]、[4]分別指鏟斗和搖臂，起容納和支撐作用，應單獨設計；[2、4]指連桿和搖桿，負責裝載機的傳動部分；[5、6]、[7、8]指兩個液壓裝置，負責裝載裝置的動力部分，實際設計中兩者在結構上是密不可分的，此次劃分符合實際要求；[9]指機身部分，應單獨設計，劃分結果與實際相符。

4 結束語

機械產(chǎn)品設計中的模塊劃分不僅有利于產(chǎn)品的創(chuàng)新設計，實現(xiàn)產(chǎn)品的多樣性；而且能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的標準化程度。筆者提出的模塊劃分方法充分考慮了功能作用和結構關系的雙重因素，構造關聯(lián)矩陣，通過傳遞閉包，求出模糊等價矩陣，進行模塊劃分。最終通過裝載機裝載裝置結構設計的模塊劃分驗證了所提方法的可行性。

[1]GuP,SosaleS.ProductModularizationforLifeCycleEngineering[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing,1999,15(5):387～401.

[2] 陳繼文,張進生,王志,等.面向產(chǎn)品創(chuàng)新設計的功能模塊動態(tài)劃分方法研究[J].中國機械工程,2013,24(2):251～257.

[3] 周開俊,李東波,童一飛.面向產(chǎn)品創(chuàng)新設計的功能模塊劃分方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2007,19(1):73～77.

[4] 魏鋒,劉璀,張超林,等.跨國公司石油專業(yè)軟件共享系統(tǒng)的設計與應用[J].石油化工自動化,2016,52(3):50～54.

[5] 王日君,張進生,葛培琪,等.面向設計的產(chǎn)品模塊劃分方法[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2009,40(9):174～178.

[6] 董慶華,范周田.相似矩陣與等價矩陣的收斂性及其傳遞閉包[J].數(shù)學的實踐與認識,2010,40(18):231～234.

[7] 貢智兵,李東波,史翔.面向產(chǎn)品配置的模塊形成及劃分方法[J].機械工程學報,2007,43(11):160～167.

[8] 潘雙夏,高飛,馮培恩.批量客戶化生產(chǎn)模式下的模塊劃分方法研究[J].機械工程學報,2003,39(7):1～6.

[9] 趙煥臣,許樹柏,和金生.層次分析法[M].北京:科學出版社,1986.

[10] 唐濤,劉志峰,劉光復,等.綠色模塊化設計方法研究[J].機械工程學報,2003,39(11):149～154.

ResearchonModulePartitioninMechanicalProductDesign

ZHANG Jian-min, ZHOU Jun, LIU Wei-yan

(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience)

Considering the shortcomings of function-structure module partition method, having the functional similarity and structural correlation based to propose a product innovation design-oriented module partition method was implemented, which has the integrated function-structure relation matrix converted into the functional similarity matrix of between the structures and then combined with the relationship matrix between the structures to form correlation matrix, and to partition the module and analyze and evaluate the best module. Taking the module partition in loading device design as an example, having the proposed module partition method verified to show that, the partition results coincide with the reality.

mechanical product design, module partition, correlation matrix, clustering degree, detached degree

張建民(1989-)，碩士研究生，從事產(chǎn)品服務系統(tǒng)設計、機械產(chǎn)品設計的研究，jianminlvld@163.com。

TH122

B

1000-3932(2017)03-0253-05

2016-10-16，

2016-12-28)