复杂产品概念设计多学科过程建模方法研究

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1、http://www.paper.edu.cn复杂产品概念设计多学科过程建模方法研究刘海强，祁国宁，张太华,纪杨建（浙江大学现代制造工程研究所email:liuhaiqiang1980@126.com）摘要：为了使复杂产品概念设计的过程模型支持多学科优化，实现概念设计过程中的求解功能，确定产品设计的综合最优方案，提出了基于扩展Petri网与NSGA-Ⅱ算法相结合的多学科过程建模方法。针对复杂产品设计过程的特点，分析了概念设计在多学科优化过程中的重要作用，研究了扩展Petri网模型建立和NSGA-Ⅱ算法的执行过程。重点讨论以扩展Petri模型的变迁序列作为N

2、SGA-Ⅱ算法的染色体,结合属于Petri网模型元素的选择算子、交叉算子进行NSGA-Ⅱ优化运算。将上述方法应用于某工业汽轮机的设计，可以对于不同的设计要求，给出不同情况下的Pareto最优解集，是进行复杂产品概念设计过程建模的一种切实有效方法。关键词：过程建模；概念设计；多学科；Pareto最优中图分类号：TH122复杂产品是指结构复杂、技术密集、制造要求供新的理论和方法。和成本高、过程管理复杂、客户需求多变的一类产[1]1复杂产品多学科优化过程品。复杂产品的设计是一个跨越多学科的、复杂且高度迭代的过程，这个过程涉及到多专业信息的1．1产品多学科优化方法

3、集成、多学科团队的协同设计，其复杂性主要表现多学科设计优化(MultidisciplinaryDesign在各种设计因素（如设计零部件、设计活动等）之Optimization，MDO)方法是实现缩短复杂产品设间的相互耦合作用。计开发周期、降低产品开发成本、提高产品开发质衡量一个产品的设计是否成功标准有不少，取量目标的有效手段。多学科设计优化的主要思想包决于用户所最追求的目标，这个目标通常是产品成括增加概念设计在整个设计过程中的比重，在各个本、周期、质量等。概念设计所花费的成本只占整阶段力求各学科的平衡，充分考虑各学科之间的相个产品全生命周期成本的约1％，但

4、它却决定了整互影响和耦合作用，应用有效的设计/优化优化策[2]个全生命周期成本的70％。概念设计不仅决定着略和分布式计算机网络系统，来组织和管理整个系开发产品的成本、周期、质量、性能、可靠性、安统的设计过程，通过充分利用各学科之间的相互作[4]全性和环保性，而且产生的设计无法由后续设计过用所产生的协同效应，以获得系统的整体最优解。程弥补。概念设计被认为是设计过程中最重要、最在多学科设计优化中，由于需要考虑的因素很[3]关键、最具创造性的阶段。概念设计对产品全生多，经常出现一些十分困难的优化问题。这类问题命周期的其它环节，如生产、制造、维修等也有着通常含有离

5、散变量和多个局部最优点，通常是不可重要的影响。微的，传统的优化算法无法有效地求解这类问题。过程建模是对产品开发过程的表示和设计,它从工程应用角度出发，人们陆续提出了包括禁忌搜是产品开发过程研究和应用的首要问题。过程模型索（TabooSearch,TS）、模拟退火（Simulated是产品开发过程及其内在规律的一种形式化描述，Annealing,SA）、遗传算法（Genetic是对开发设计过程本质的一种表示。属于多学科系Algorithm,GA）、神经网络（NeuralNetworks,NN）统的复杂产品设计过程从分析所给定设计任务开等现代优化算法。始，在设

6、计过程中不断深入细化，最后获得满足任遗传算法是一类随机优化算法，但它不是简单务需求的设计，对设计过程进行建模、管理和控制的随机比较搜索，而是通过对染色体的评价和对染有助于提高设计质量、缩短设计周期。色体中基因的作用，有效地利用已有信息来指导搜现阶段的多学科优化方法不能充分利用概念索并改善优化质量。本文采用的NSGA-Ⅱ算法就是设计阶段更加丰富的信息和自由度来改进设计质一种基于快速分类的、采用精英策略的多目标遗传量、达到满足需求的学科间平衡设计。基于概念设算法。计在产品全生命周期的重要决定作用，本文针对复1．2产品概念设计的多学科过程设计杂产品设计过程的特点

7、，提出一种将扩展Petri网产品概念设计阶段的设计质量对最终设计结及NSGA-Ⅱ算法相结合的方法来进行复杂产品概念果有着及其重要的影响，在产品设计中，需要尽早设计多学科过程建模，为产品的多学科过程建模提地获取各种系统因素之间的相互作用关系，以尽量1http://www.paper.edu.cn减少产品设计后期的变更，并提前对相关设计活动产品订单到达产品合同确定和组织计划进行合理规划。在各种特定约束条件下实现系统性能、成本、初步工产品选型设计方案设计质量等目标是复杂产品开发设计过程的重要工作。程资料方法就是通过应用多学科优化技术把更多的知识和信息引入到产品设

8、计过程的早期阶段——概念或方案设计评审设计阶段，同时能因此增加设计