張建民 周 俊 劉衛(wèi)艷

(上海工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院)

機械產(chǎn)品設(shè)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(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院)

針對功能-結(jié)構(gòu)集成模塊劃分方法的不足，基于功能相似性和結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性，提出一種面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的模塊劃分方法。將功能-結(jié)構(gòu)關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)間的功能相似矩陣，與結(jié)構(gòu)間的關(guān)系矩陣相結(jié)合，構(gòu)成關(guān)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(shè)計的模塊劃分為例，對所提方法進行驗證，結(jié)果表明：劃分結(jié)果與實際相符。

機械產(chǎn)品設(shè)計 模塊劃分 關(guān)聯(lián)矩陣 聚合度 分離度

機械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、提高效率，快速響應(yīng)市場需求，提高設(shè)計標準化、系列化程度，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)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(shè)計的模塊劃分對產(chǎn)品設(shè)計具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對機械產(chǎn)品設(shè)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(shè)計目標構(gòu)造相關(guān)矩陣，通過對每個設(shè)計目標的模塊劃分結(jié)果進行對比分析，得到了較為滿意的結(jié)果[1]。陳繼文等主要從客戶需求、流和技術(shù)的角度出發(fā)，研究了一種面向創(chuàng)新設(shè)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(shè)計的功能模塊劃分方法，在考慮功能單元之間流的鄰接關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)功能模塊的聚合度和分離度構(gòu)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(fù)投資等問題，利用其海外IT資源共享和服務(wù)中心，設(shè)計了一個模塊劃分專業(yè)軟件，并進行了實際部署應(yīng)用[4]。

在此，筆者提出一種基于功能相似性和結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性的面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的模塊劃分方法，從而更好地提高機械產(chǎn)品設(shè)計的協(xié)調(diào)性。

1 產(chǎn)品關(guān)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(jié)構(gòu)零件。rij表示fi對Rj的影響程度，其功能相關(guān)性準則見表1。

表1 功能相關(guān)性準則

相應(yīng)的功能關(guān)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(guān)系矩陣轉(zhuǎn)化為模糊相似矩陣：

(1)

Sij=[sij]n×n

1.2 結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣

結(jié)構(gòu)相關(guān)性是指零部件之間的空間和幾何關(guān)

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(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性[5]。

表2 結(jié)構(gòu)相關(guān)性

結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣R′為：

(2)

其中，R1′為子結(jié)構(gòu)配合關(guān)聯(lián)矩陣，表示子結(jié)構(gòu)i和子結(jié)構(gòu)j之間的配合關(guān)聯(lián)度；R2′為子結(jié)構(gòu)聯(lián)接關(guān)聯(lián)度，表示子結(jié)構(gòu)i和子結(jié)構(gòu)j之間的聯(lián)接關(guān)聯(lián)度；R3′為子結(jié)構(gòu)接觸關(guān)聯(lián)矩陣，表示子結(jié)構(gòu)i和子結(jié)構(gòu)j之間的接觸關(guān)聯(lián)度；W1′、W2′、W3′為結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)準則的權(quán)重系數(shù)。準則權(quán)重系數(shù)采用層次分析法或設(shè)計經(jīng)驗分析法確定。3個結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)準則分別指子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之間的相關(guān)度，進而建立結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣R′。

1.3 產(chǎn)品關(guān)聯(lián)矩陣

機械產(chǎn)品設(shè)計中，模塊劃分不僅要考慮功能對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響，而且要考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度的影響。筆者通過加權(quán)的方式，將功能關(guān)聯(lián)矩陣和結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣聯(lián)系在一起，構(gòu)成產(chǎn)品關(guān)聯(lián)矩陣Cij：

(3)

式中 rij′——結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣的元素；

wf——功能關(guān)聯(lián)矩陣的權(quán)重系數(shù)；

ws——結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣的權(quán)重系數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)矩陣Cn×n構(gòu)造成模糊等價矩陣：

R→R2→R4→…→R2K=R*

(4)

(5)

2.2 結(jié)構(gòu)模塊劃分評價方法

λ值不同，得到的劃分結(jié)果也不同，通過評價劃分結(jié)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(shè)模塊mi={…ub…ud…}，其中ub和ud是模塊mi的零件結(jié)構(gòu)，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(zhì)量越高。

(8)

3 應(yīng)用實例分析

以裝載機裝載裝置設(shè)計的模塊劃分為例對筆者提出的機械產(chǎn)品設(shè)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(shè)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(guān)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(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)表2分別列出子結(jié)構(gòu)配合關(guān)聯(lián)矩陣、接觸關(guān)聯(lián)矩陣和聯(lián)接關(guān)聯(lián)矩陣，利用式(2)求出結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣R′：

其中，w′=(0.4，0.4，0.2)。根據(jù)式(3)求出其關(guān)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(jié)果見表3。

表3 模塊劃分方案

當λ≤0.45時，劃分結(jié)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(yīng)單獨設(shè)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(shè)計中兩者在結(jié)構(gòu)上是密不可分的，此次劃分符合實際要求；[9]指機身部分，應(yīng)單獨設(shè)計，劃分結(jié)果與實際相符。

4 結(jié)束語

機械產(chǎn)品設(shè)計中的模塊劃分不僅有利于產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)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(jié)構(gòu)關(guān)系的雙重因素，構(gòu)造關(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計的模塊劃分驗證了所提方法的可行性。

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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(wù)系統(tǒng)設(shè)計、機械產(chǎn)品設(shè)計的研究，jianminlvld@163.com。

TH122

B

1000-3932(2017)03-0253-05

2016-10-16，

2016-12-28)