面向产品设计的全局—局部协同优化模型与方法-研究

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1、第一章绪论化建设，国民经济各部门迫切需要质量好、效率高、消耗低、价格便宜的先进机电产品。而产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要环节。产品是复杂而又统一的整体，而设计是试制产品的第一个环节。设计过程包括调研、收集资料、方案论证、计算分析、结构设计和工艺设计等。设计质量的好坏，直接影响到产品的性能、成本和竞争能力。传统的设计方法是以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、类比等方法进行设计。现代设计方法是以电子计算机为手段，运用工程设计和协同设计的新理论和新方法，使计算结果

2、达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化。中国企业要改变仅凭劳动力成本低而获取优势的历史局面，就要从自身出发加强自主研究，设计出具有独立知识产权的产品，才能在国际竞争中占据一席之地。在当前国际环境下，大规模定制下的产品族设计和现代协同优化设计方法是企业提高企业本身竞争力以及拓展市场的有效手段。本文比较系统深入研究了大规模定制下的产品设计中全局一局部协同优化模型与方法，并联合实际情况，用实例论证了这种方法的实用性和有效性。1．2本文理论的研究发展概况1．2．1大批量定制及产品族设计大批量生产方式在我国当前制造业中非常普遍，它是建立在如图卜1

3、所示的动态循环之上的。其中最关键的几个因素是【3】：统一的市场、．稳定的需求、长的产品生命周期和长的产品开发周期，这些因素中的任何一个发生变化都将直接影响到这个动态循环即大批量生产的顺利进行。大量生产／过程＼新产品▲I长的产品开发周期低成本、一致的质量、标丁产品单一产品市场～。＼长的产品稳定的、生命周期卜需求图1-1大批量生产的动态循环图产品开发流程是指从产品需求分析到产品最终定型的全过程，包括产品的设计、测试、制造和装配过程。传统的产品开发流程采用顺序工程的方法，该方法第一章绪论在设计过程中不能及早考虑制造过程及质量保证等问题，造成设计

4、出的产品不可加工、不可装配、不能完全满足用户需求，使产品开放过程形成设计、制造、试验、修改设计的大循环，不仅延长了产品开发时间，增加了成本，而且用户的需求也不能很好地保证。80年代末，美国国防分析研究所提出了并行工程CE(ConcurrentEngineering)的思想，并在其所发表的R-338报告中对并行工程进行了定义：并行工程是对产品及其相关工程(包括制造过程和支持过程)进行并行的集成设计的一种系统化的工作模式，这种工作模式使产品开发人员从一开始就考虑到从概念设计到产品报废的产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户要求，

5、以减少设计过程中不必要的返工，力争产品设计开放一次成功。串、并行产品开发过程对比如图1．2所示【4】。大批量定制的设计对象不是单一的产品，而是产品族，需要在产品的概念形成阶段就考虑一族产品的设计，更加需要采用并行工程的方法来保证一族产品的可制造性、可装配性和可维护性等。并行工程成为大批量定制设计流程的重要一环，而并行的范围进一步扩展到销售和服务领域，成为产品生命周期的并行。串行开发并行开发◆上I概念设计H详细设计H工艺设计H原型制造H生产制造图卜2串、并行产品开发过程比较1996年Mitchellt5】提出采用并行工程同绕大批量定制的设计

6、流程，以有效满足客户需求。这种方法的目标是在产品设计的早期阶段进行整体概念设计的同时，考虑范围经济性和批量经济性；其重点为建立合理的产品族结构，同时完成一族产品的设计，而不只是一个产品：为了实现大批量定制，设计就要捕捉并定义个体客户对产品的需求，设计过程必须从传统的设计制造过程集成扩展到销第一章绪论售、服务等部门，其扩展如图l-3所示：销售、设计制造、服务设计、制造产品设计设计单个产品类型设计一组产品类型图1-3MitcheII的设计流程领域扩展孙伟等人【6】【‘7]将DFMC产品设计流程分成新产品开发和变型产品设计两个循环，并且两者彻底

7、分离：新产品开发是针对产品族进行设计，产品开发人员分析已有的客户需求，预测未来的客户需求，确定合理的客户群，并以此为基础运用相关知识，结合产品族中拟采用的定制方法提取变型参数，建立覆盖整个产品族功能需求的动态产品族模型，设计结果不再是一个具体的产品实例；变型产品是针对客户的需求，在动态产品族模型的基础上，充分利用现有的设计资源，以配置为主要工具进行快速产品配置，或者通过对产品部分或局部的改变，进行相关功能、结构或参数的设计。赵继云等人fs】f9J将DFMC流程分为两个阶段。首先进行新产品开发，建立覆盖客户群总体需求的动态产品族模型；然后根

8、据具体的客户需求，在动态产品模型基础上，通过实例匹配，获取相近产品进行变型设计，得到满足该客户个性化需求的具体产品。刘达斌等人【10】提出了面向系列产品平台的产品开发流程，通过比较基于单独产品