湯 亮， 李飛揚， 龔發(fā)云

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068； 2.湖北省制造業(yè)創(chuàng)新方法與應(yīng)用工程技術(shù)中心， 湖北 武漢 430068）

0 引言

概念設(shè)計階段研究的重點是設(shè)計過程建模， 即采用合適的方法對概念設(shè)計過程進行恰當(dāng)?shù)拿枋觥?表達和操作，使其更充分體現(xiàn)產(chǎn)品特征，滿足用戶需求?；诠δ?行為-結(jié)構(gòu)的FBS 模型的提出， 為不同層次的信息組合提供了途徑[1]?；趫D語言和樹模型（用節(jié)點表示元件，邊表示元件間能量流動的方式； 用有向圖和鄰接矩陣描述設(shè)計約束等）的產(chǎn)品設(shè)計信息建模，不僅可以描述設(shè)計組成的行為準則， 也可以通過矩陣來表示功能與結(jié)構(gòu)之間的映射，實現(xiàn)產(chǎn)品的拓撲設(shè)計[2-3]。

根據(jù)功能-結(jié)構(gòu)映射機制， 可將設(shè)計知識表達為功能-行為-結(jié)構(gòu)的映射模式，功能與行為映射由原理庫和本體庫支持；行為與結(jié)構(gòu)的映射由結(jié)構(gòu)庫和樣體庫支持[4-7]。根據(jù)上述描述，楊琨等[8]基于設(shè)計流構(gòu)建了功能知識庫、行為效應(yīng)庫和結(jié)構(gòu)實例庫用于咖啡機的創(chuàng)新求解； 宮琳等[9]提出產(chǎn)品-功能-結(jié)構(gòu)設(shè)計模型，對產(chǎn)品知識、功能知識、結(jié)構(gòu)知識進行了表示，用于對美容補水器創(chuàng)新求解。以上設(shè)計方法存在共同的問題， 它們都是面向過程的描述性框架，而非提出一個對設(shè)計活動完整解釋的方法，其結(jié)果是在觀察-描述-規(guī)范設(shè)計過程中缺乏解釋環(huán)節(jié)，因此存在邏輯斷層； 另一個問題是上述各種方法沒有明確的預(yù)期效果，所以難以嚴格驗證。

針對以上問題， 本文提出了基于有向圖與對偶圖的產(chǎn)品概念設(shè)計過程模型，認為概念設(shè)計過程是從功能-特性-特征三個方面來描述并求解的過程，最后以張拉機概念設(shè)計為例對該過程作了詳細闡述。

1 概念設(shè)計過程建模

概念設(shè)計的一般過程是從明確設(shè)計需求開始， 為各項功能找到滿足要求的原理解， 通過原理解的組合生成多種方案，最后通過評價選擇最優(yōu)方案。本文的概念設(shè)計過程可描述為： 需求分析-功能結(jié)構(gòu)-特性提取-結(jié)構(gòu)特征，如圖1 所示。 需求分析即明確設(shè)計目標(biāo)，通過抽象化擬定功能結(jié)構(gòu)；功能結(jié)構(gòu)建立之后，并不能直接轉(zhuǎn)化功能為結(jié)構(gòu)，需要在功能-結(jié)構(gòu)之間引入特性，即效應(yīng)；特征是結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和材料參數(shù)。

圖1 概念設(shè)計過程模型

1.1 產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)

為了更容易求解出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)， 需要將總功能分解為易于實現(xiàn)的功能元。產(chǎn)品功能分解應(yīng)滿足以下原則：①在每一級分解中，各級功能都應(yīng)當(dāng)是本級中最基本的功能；②同級功能之間應(yīng)當(dāng)滿足獨立公理[11]。

功能結(jié)構(gòu)建立步驟：①通過分析顧客需求，抽象待設(shè)計產(chǎn)品的總功能，即待設(shè)計產(chǎn)品或系統(tǒng)總的輸入/輸出關(guān)系，輸入/輸出由能量流、物料流、信息流組成；②將產(chǎn)品的總功能進行分解， 并使用功能基建立功能樹； ③引入流，從功能樹底層對物質(zhì)流、能量流、信息流進行追蹤，建立每個輸入流的功能鏈。 功能鏈可分為串行功能鏈和并行功能鏈；④連接各功能鏈，合并重復(fù)的部分，即得產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)。

1.2 功能-特性的表述

功能結(jié)構(gòu)建立后，不能直接將功能轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)，而是要找到滿足該功能的特性。特性取決于載荷、允許頻率范圍、允許撓度變形、占據(jù)空間、運動速度等設(shè)計約束，將功能轉(zhuǎn)化為特性，創(chuàng)建了外部需求與內(nèi)部特征的接口，可用少量的物理量表述。

1.2.1 特性的表述

特性主要分為：功能特性和傳遞特性，功能特性指實現(xiàn)該功能需要滿足的效應(yīng)，如力、速度等；傳遞特性包括能量流和信號流。

功能特性集合：Fc={Fci=（C1,C2,…）}，i=1，2，…，N；

傳遞特性集合：Tcij={Etij，Stij}，i，j=1，2，…，N；

能量流：Etij=（Type｜Ee，He，Me，…）；

信號流：Stij=（Type｜F，D，U，I…）。

式中：Fci—產(chǎn)品需要滿足的功能；Ci—不同功能所具有的特性，如張拉功能所具有的特性包括負載、流量、液壓力、速度等。Etij和Stij分別表示能量流和信號流，能量流包括電能、液壓能、機械能等；信號流包括力信號和變形信號等。

1.2.2 流的描述-有向圖

有向圖的定義：設(shè)V（D）={v1，v2，…，vp}是一個非空有限集合，A（D）={a1，a2，…，aq}是與V（D）不相交的有限集合。一個有向圖D 是指一個有序三元組{V（D），A（D），ΨD}，其中ΨD為關(guān)聯(lián)函數(shù)，它使A（D）中的每一個元素（稱為有向邊或?。?yīng)于V（D）中一個有序元素（稱為頂點或點）對。 若a 是一條弧，而和是使得ΨD（a）=（u，v）（≠（v，u））的頂點，則a 從u 指向v，并稱u 為a 的起點，v 為a 的終點，簡記為a=（u，v）。

功能有向圖D 的關(guān)聯(lián)矩陣B（D）=（bij）p×q定義為：

功能有向圖D 的鄰接矩陣M（D）=（aij）p×p的元素aij定義為從（功能）vi到（功能）vj的弧（傳遞關(guān)系）的條數(shù)。

如圖2 所示的功能有向圖，vi標(biāo)記為第i 個分功，v1、v2、v3分別表示分功能1、分功能2、分功能3。 aij標(biāo)記為從分功能i 到分功能j 的能量或信號傳遞。

圖2 功能階段有向圖

功能特性

能量流：Etij=（a2，a3）；

信號流：Stij=（a1，a4）；。

1.3 結(jié)構(gòu)特征的映射及表述

式中：σΤ—單位面積上的平均張力（kN/m2）；B—預(yù)應(yīng)力筋的橫截面積；FT—作用在預(yù)應(yīng)力筋橫截面積B 上的張力（kN）。

結(jié)構(gòu)特征可以表述為：

式中：C—幾何參數(shù)，包括長、寬、高、體積等；m—材料參數(shù)，包括強度、剛度、硬度、塑性、密度等。

1.4 對偶圖表述特性-特征的轉(zhuǎn)化關(guān)系

對偶圖的定義：設(shè)圖D 的面的集合為F（D）={f1，f2，…，fr}，則取G*的頂點集合為V（G*）={v1*，v2*，…，vr*}。 若D 中兩個面fi與fj有公共邊ak，則在G*中將兩個頂點vi*和vj*連上一條邊ak*； 若D 的邊ak只在一個面fi的邊界中出現(xiàn)，則在G*中，以頂點vi*為端點做一個環(huán)ak*。 于是得到G*中的邊集合E（G*）={a1*，a2*，…，aq*}，所得圖G*稱為圖D的對偶圖。

如圖3 所示的有向圖演變?yōu)閷ε紙D， 表示功能特性轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)特征。 有向圖中的節(jié)點為功能， 邊為傳遞關(guān)系。演變?yōu)閷ε紙D后，原圖的特性消失，被特征取代；原圖的傳遞特性消失， 被鄰接特征 （兩元件間的物理連接關(guān)系）取代；節(jié)點轉(zhuǎn)化為面，抽象特性變?yōu)榫哂袛?shù)量和體積的物理實體。

圖3 有向圖轉(zhuǎn)化為對偶圖

根據(jù)最近毗鄰規(guī)則（①減少能量、信號傳遞通道的長度；②結(jié)構(gòu)之間彼此靠近），結(jié)構(gòu)發(fā)生遷移，形成新的布局。 布局圖反映了結(jié)構(gòu)之間的最優(yōu)部局關(guān)系。

1.5 邊點賦權(quán)圖的優(yōu)化決策

邊點賦權(quán)圖的定義：對圖D 中的每一條邊（vi，vj）相應(yīng)地有一個數(shù)wij，wij為對應(yīng)邊（vi，vj）上的權(quán)，對D 中每一頂點vi相應(yīng)地有一個數(shù)pi，pi為對應(yīng)頂點上的權(quán)，即頂點和邊均有權(quán)的圖。

根據(jù)邊點賦權(quán)圖的定義可知， 功能權(quán)值集合可表述為頂點狀態(tài)變量：V={vi，pi}； 傳遞特性權(quán)值集合可用邊狀態(tài)變量表示為：E={ai，wij}。

在特性階段中，點、邊的權(quán)值是未知的，但是需要的功能和需要傳遞的信號和能量的種類是已知的。 權(quán)值由設(shè)計者根據(jù)產(chǎn)品的需求和個人經(jīng)驗確定，其中功能權(quán)重之和為1，特性權(quán)重之和為10。 邊點賦權(quán)圖如圖4 所示。

圖4 邊點賦權(quán)圖圖

2 實例

預(yù)應(yīng)力技術(shù)以其所特有的優(yōu)點迅速發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于橋梁、 高速公路、鐵路等領(lǐng)域。 預(yù)應(yīng)力張拉機[12-13]作為預(yù)應(yīng)力張拉的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是為鋼筋籠施加精確的預(yù)應(yīng)力，提供管樁抗裂性能。 通過分析客戶需求得到張拉機主要技術(shù)需求如下：①基本尺寸為1100mm×600mm×900mm；②最大張拉力為3000KN；③一次張拉時間為120s；預(yù)應(yīng)力筋伸長量誤差小于1mm。

2.1 張拉機的功能結(jié)構(gòu)

按照1.1 所描述的功能結(jié)構(gòu)建立步驟， 可以得到張拉機的功能模型如圖5 所示。 總功能的輸入能量、物質(zhì)、信號分別為電能和液壓能、預(yù)應(yīng)力筋、感應(yīng)信號；其輸出能量、物質(zhì)、信號分別為變形能、變形的預(yù)應(yīng)力筋、力信號和變形量。

圖5 自動張拉機功能結(jié)構(gòu)

2.2 張拉機功能-特性的轉(zhuǎn)化

如圖6 所示為一個張拉周期內(nèi)的管樁自動張拉機功能 有 向 圖，F(xiàn)1、F2、F3分 別 表示張拉預(yù)應(yīng)力筋、測量張拉力與引伸量、 錨固預(yù)應(yīng)力筋；e1、e2、e3表 示 張 拉、測量、 錨固所需輸入的能量，s12表示力信號和位移信號。由張拉機的功能有向圖可以得到功能關(guān)聯(lián)矩陣B（D）與鄰接矩陣M（D）。

圖6 張拉機功能有向圖

2.3 張拉機特性-特征的轉(zhuǎn)化

張拉機在張拉預(yù)應(yīng)力筋時， 張拉裝置做往復(fù)直線運動且主要承受軸向負載，可根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋理論伸長量和平均張拉力[14]確定其負載F 和速度ν。 由于張拉預(yù)應(yīng)力筋所需負載大、速度慢等特點，選擇活塞機構(gòu)作為張拉裝置。

在張拉預(yù)應(yīng)力筋時液壓力主要作用在活塞桿側(cè)環(huán)形面積上且液壓缸的液壓力必須大于或等于前面所分析的負載力，液壓力的計算如下：

式中：F1—作用在活塞桿側(cè)環(huán)形面積上的液壓力 （拉力）（N）；p—進油腔壓力（Pa）；A1—有桿腔面積（活塞桿側(cè)環(huán)形面積）（m2）；D—液壓缸內(nèi)徑 （活塞外徑）（m）；d—活塞桿直徑（m）；F—被拉動的負載阻力（N）。

錨固裝置通過電機帶動， 從而擰緊管樁張拉頭板上的螺母，其特征可以通過扭矩來確定；連接元件與張拉頭板一般采用螺紋連接或夾緊連接， 其特性可以根據(jù)螺母連接強度和夾緊力來確定。 通過以上分析可以得到張拉機的特性及特征如下：

張拉特性及特征：

錨固特性及特征：Fc2＝{C21＝{T，Tw，η1，ηm，i}}

連接特性及特征：Cp1={σ，K，F(xiàn)，d1，D，K1，d0，τ，σn}

2.4 張拉機結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化決策

根據(jù)張拉機功能特性到結(jié)構(gòu)特征的映射， 可以獲取滿足對應(yīng)功能的結(jié)構(gòu)實體，如表1 所示。通過邊點賦權(quán)圖計算滿足要求的物理實體的評價得分，如表2 所示。從表2 可以看出連接螺母和錨固螺母的得分要高與夾緊卡爪與錨固皮帶的得分。 選擇得分最高的物理實體通過布局圖組成整體結(jié)構(gòu)方案，如圖7 所示。

表1 滿足功能特性及結(jié)構(gòu)特征的物理實體

表2 物理實體評價得分

圖7 張拉機整體結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

本文提出的基于有向圖與對偶圖的功能-特性-特征的概念設(shè)計過程模型，更為精確地解釋了功能域-物理域的映射過程。 首先基于功能基的方法建立了張拉機的功能結(jié)構(gòu)， 并通過有向圖描述了能量流和信息流在功能之間的流動關(guān)系； 然后通過對偶圖實現(xiàn)特性-特征的轉(zhuǎn)化；最后通過邊點賦權(quán)圖對不同方案進行優(yōu)選。 根據(jù)本文的概念設(shè)計過程模型， 可以求解出滿足功能特性與結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計方案，為概念設(shè)計方法提供了新的思路。