面向类比思维的创新问题求解过程

为促进设计者在创新问题求解过程中产生创新概念,从类比思维的认知过程出发,提出从功能、行为、结构三个角度所对应的抽象层次及语义层次来描述相似特征,构建以相似特征为基础的创新问题求解模型,用于实现问题空间和知识空间不断映射求解,激励设计者形成创新概念。该模型主要包括问题表征、设计检索及映射迁移三个求解步骤。首先,以相似特征为基础,从功能、行为及结构的不同抽象层次表征设计问题,并基于抽象层次和语义层次知识检索,实现类比源的获取,完成知识的映射迁移。最后基于课题组开发的产品创新设计服务平台的创新问题求解模块,以波轮式洗衣机的创新问题求解示例说明该模型的应用。     

基于TRIZ及功能类比的产品概念设计创新*

介绍了类比源设计与功能类比作用原理,从两者作用原理及发明问题求解理论(Theory of inventive problem solving,TRIZ)的相关性描述得到启发,提出基于TRIZ的类比源设计求解过程模型。首先,借助于所建立的产品功能结构模型,找出用户需求与产品各功能之间的关联性。其次,将用户需求权重值赋予相关的产品各分功能,从而得到产品功能相似度矩阵,再利用Matlab工具对该矩阵进行标准化,这有利于类比源设计与待设计问题之间相关性的定量化表示。最后,构建出一种基于TRIZ及功能类比的概念设计过程模型。以紫外光油烟净化机为例,对其功能类比源设计的功能相似度进行分析,并利用有效价值分析法对所获得的功能原理解方案进行评价,验证了所构建模型的正确性。     

融合设计过程与设计知识的产品概念设计方法

为了开拓设计思路、产生创新产品方案,将设计知识有效融入产品的概念设计过程中,提出一种融合设计过程与设计知识的产品概念设计方法。定义了基于产品—功能—结构的过程模型和知识模型,利用逐层映射行为、回溯映射行为、检索行为和存储行为支持设计过程和设计知识的融合。在产品域,通过基于组合权重的双层灰色关联分析法得到待改进产品的相似产品集;在功能域,使用功能相似度算法和功能操作方法得到新产品功能架构;在结构域,利用形态学矩阵生成多种概念方案,提出基于粗数的逼近理想解排序法,并定义了综合约束指数,对方案进行定性和定量评价、得到最优方案。利用所提方法获得了一种新型美容补水仪的概念方案,从而验证了该方法的可行性。     

面向系统资源挖掘的FBS与发明原理辅助裁剪创新方法

深层次挖掘系统潜在可用资源是裁剪创新设计过程中系统有用功能进行重组的核心，是通过裁剪方法获取高质量解决方案的难点和关键。首先引入“功能-行为-结构”模型(function-behavior-structure,FBS)对系统元件知识进行表征，运用功能、行为、结构相似度计算检索系统内潜在可用资源；其次通过计算资源相似度及分析元件间功能、行为、结构关联关系确定潜在资源的最优衍生路径；最后建立FBS模型与发明原理集成的辅助资源衍生过程，为裁剪过程中的资源衍生提供更具体、可操作性强的知识；在此基础上构建面向系统潜在可用资源挖掘的裁剪创新设计过程模型,应用该方法对4C注胶辅助装置进行创新设计，验证了该方法的有效性。     

一种面向产品创新设计的知识检索模型与实现

针对计算机辅助创新系统在中文知识检索方面的不足,提出一种基于共指关系扩展的知识检索方法.采用“共指关系索引—检索本体—设计知识”三层映射结构表达设计知识,形成一种以检索本体为组织核心、以共指关系索引为引导的面对面的知识结构体系.通过解析设计者以自然语言表达的检索意图,得到检索动名词词对,利用互信息技术计算概念术语间的相似度权重,匹配到符合检索意图的功能本体,调用已构建好的功能基索引检索设计知识.通过开发的知识检索原型系统中的检索示例验证了该方法的可行性.     

生物激励的知识建模与创新类推方法

生物激励设计作为最具活力的设计创新方法之一,是工程领域创新设计解方案产生的重要途径。针对生物激励设计中缺乏系统的跨领域实例获取和类推方法以支持将生物领域实例映射到工程领域激励创新解方案生成的问题,提出了规范化的生物领域功能-行为-结构(Fbio-Bbio-Sbio)知识元模型和基于知识元模型的解/问题驱动的转换-聚类检索-关联映射-设计综合(Transformation-clustering-mapping-synthesis,TCMS)创新类推过程模型。在解/问题驱动类推过程中,首先根据公理化设计的原则构建类推实例的非耦合知识元模型,完成设计需求/实例到功能模型的转换,然后根据生物功能与依存环境密切相关的特点,进行基于环境特征的聚类检索,以知识元模型功能基为桥梁建立生物与工程领域知识元间映射关系,最后通过对功能分解路径的回溯实现对工程领域知识元模型的设计综合,该类推模型的可能性和有效性在视觉假体装置的设计中得到了验证。     

基于领域本体的复杂产品设计知识检索技术

为解决产品数据管理系统中知识难以被发现和重用的问题,提出基于领域本体的设计知识检索技术.利用"领域本体-索引知识-数据资源"三层映射结构表达设计知识,形成以领域本体为语义模型和以索引知识为引导的设计知识体系.提出了基于语义的知识检索方法,对设计问题进行语义解析,转换成本体概念集,利用向量空间模型的相似度算法,在检索词元权重中引入语义关系权重,在索引知识词元权重中引入知识域权重,最终匹配符合设计人员检索意图的设计知识.以飞航导弹总体方案设计为例验证了知识检索技术的可行性.     

基于知识模板的复杂产品设计重用方法研究

为实现复杂产品设计知识的莺用,提出了基于面向对象技术的知识模板概念.用统一建模语言建立了复杂产品设计阶段的功能-行为-结构模型.通过功能分解和结构映射,将功能信息和向何信息集成封装在一个类模板中.基于功能域、行为域和结构域三个映射域,设计了功能分解算法,从而形成可重用知识.知识模板通过组成模板的静态和动态知识提取并加以综合获得,利用相似度数值的计算进行模板的选择与匹配.最后以叉车产品功能分解和结构映射所形成的知识模板,说明了所提出的设计重用方法的实际应用.     

基于TRIZ实例解到领域解的类比转化过程研究

为提高发明问题解决理论实例解向领域解转化的效率,将类比思维方法应用于该转化过程中,提出系统化的过程模型,为该过程的计算机化提供了参考框架。对目标设计进行功能分析及表征,并以此检索类比源,找到实例解。依据技术系统的组成要素,提出类比源的选择依据及定性相似性分析方法,初步筛选源设计方案。利用改进的模糊层次分析法对候选源设计方案的衡量指标进行权重赋值,并借助于加权欧式距离,对类比源的优先度进行定量分析及排序,提供最优类比源,指导概念设计。将该过程模型应用于背负式枸杞采摘机的改进设计中,提出一种新型采摘机的概念设计方案,证明了该方法的有效性。     

面向概念设计的科学效应库研究

为了更好地发挥科学效应知识在产品设计中的作用,辅助设计人员进行创新设计,基于功能行为结构的概念设计理论,阐述了效应与该概念设计理论的关系。在此基础上说明了功能-效应-行为的概念设计过程,并据此设计过程提出了功能-特征-效应的映射模型。在该模型中,通过提取效应和功能的通用特征得以建立功能与效应的关系。依据该模型构建了科学效应库原型系统,该系统作为计算机辅助创新服务平台系统的一个功能模块为产品创新设计提供有力支持。     

基于热机耦合的机体主轴承壁性能数值模拟与实验研究

针对一款2.7 L高增压柴油机,采用有限元方法计算了机体的结构强度,分析了热载荷与机械载荷对机体主轴承壁区域的应变分布影响。设计了发动机台架实验,测取机体主轴承壁面的温度与动态应变,对计算结果进行验证并分析了产生误差的原因。研究结果表明:机体主轴承壁的工作应力由热应力与动载应力两部分组成,在额定工况下,热应力占主导地位。通过对比模拟与实验结果可以发现,基于第3类热载荷边界条件计算得到的壁面温度精度较高,但是该方法精度强烈依赖输入的换热系数精度。基于有限元方法获得的应变模拟值表现出良好的跟随性。有限元方法对最大动载荷模拟精度较高。最大工作应变计算误差主要来自于最大热应力的计算误差。计算模型的拓扑网格结构、测点当地材料属性与换热条件是造成计算误差的3个主要因素。     

基于飞行数据的高压涡轮叶片蠕变寿命评估

针对民用航空发动机的特点,提出一种基于机载飞行数据的民用航空发动机高压涡轮叶片蠕变寿命评估方法。从机载飞行数据中提取发动机的实际使用载荷谱,通过有限元仿真得到高压涡轮叶片的应力和温度载荷谱,借助寿命评估模型计算一个飞行循环对高压涡轮叶片造成的累计损伤量,进而得到该发动机高压涡轮叶片的蠕变寿命。该方法对民航发动机的寿命预测、避免因高压涡轮叶片提前到寿而影响飞行安全和维修方案的制定具有重要意义。     

颠覆性创新理论研究综述

市场上很多重大技术变革源于颠覆性创新。颠覆性创新的概念最早是在经济管理领域中提出的,文中从商业模式、核心技术和产品市场3个方面分别进行了颠覆性创新相关研究文献分析,并对颠覆性创新实现方法研究进行了综合分析,提出颠覆性创新机遇发现和颠覆性创新技术路径规划将成为未来颠覆性创新研究的重点。     

汽油机横流冷却水套的优化设计研究

针对某小型增压强化三缸汽油机,通过采用挡板结构设计出了新型的横流式冷却水套,以加强对缸盖鼻梁区的冷却。采用三维流动数值模型对初步设计的横流水套结构进行了计算分析,研究发现:整体横流水套的换热效果良好,但是横流冷却水套整体压力损失过大,缸体水套局部流速分布不均匀。针对上述问题,提出了包括增加水套进出水口高度、布置导流结构及调整缸垫水孔和挡水板处水口等水套结构优化方法。改进后的水套整体压力损失减小为40.9kPa,各缸体上部冷却液流速分布更加均匀,从而为新型的横流式冷却水套的设计与应用提供一定的参考。     

面向轻量化目标的新能源老年代步车设计

新能源老年人代步车作为绿色出行的交通工具,其造型设计和车架选材成为工业设计领域重要的研究方向。为达到代步车轻量化的设计目标,协调了选材、成本与环保三者的关系,通过对相关文献的整理和分析,梳理了近年来轻量化设计在交通工具领域的研究进展,确定了代步车轻量化设计的两大方向,即车架造型设计和材料选择。使用有限元软件Abaqus对材料指数和结构的可行性进行了分析。最终设计出一款车架结构简约的镁合金材料老年代步车,不仅满足了其功能要求和经济性原则,也减轻了其质量,为新能源代步车的绿色设计研究提供了参考。     

基于Isight软件的磁流变减震器节能性研究

汽车磁流变减震器与传统减震器相比,具有阻尼连续可调且调节范围广、响应速度快等优点,能提高汽车的舒适性和操纵稳定性。但磁流变减震器需要消耗电能,这与汽车经济节能的要求相矛盾。基于磁流变减震器的数学模型,利用Isight和MATLAB软件进行灵敏度分析和交互作用分析,研究各参数对于线路电流和阻尼力的不同影响程度,对磁流变减震器的节能设计具有一定的指导意义。     

TBM推进系统键合图建模与动态仿真

针对TBM推进系统的机电液耦合特性,为了弥补传统建模方法在多能域建模问题中的诸多不便,采用键合图建模方法建立了TBM推进系统的数学模型,推导了系统的状态空间表达式,并搭建了系统的同步控制模型。利用MATLAB软件对推进系统的同步控制进行了仿真,通过与试验结果对比验证了数学模型的正确性和可行性。     

仿生柔性关节关键技术综述

仿生柔性关节融合生物关节生理结构与柔性运动特性,能够根据外部环境与自身负载变化动态调整关节刚度以减缓外部环境刚性冲击,实现关节能量的积蓄与回收,满足机器人跑、跳等动态行走方式需求,具有广泛的应用前景。作为一个新兴的研究领域,国内外对仿生柔性关节的研究尚处在起步阶段,并没有成熟的技术可借鉴,因此有必要对现有研究成果进行系统分析和深入总结,以促进仿生柔性关节的进一步发展。文中简要介绍了国内外仿生柔性关节研究现状,详细探讨了制约仿生柔性关节研究的柔性结构设计和柔性控制方法等关键技术问题,并对仿生柔性关节研究未来发展趋势进行了构想与展望。     

特细金属丝整经筒子架及单丝张力控制研究

整经是重要的织前工艺,单丝张力是否均匀是整经质量最重要的衡量指标之一。筒子架作为整经机主要组成部分,是整经中单丝张力控制的关键。文中介绍了一种特细金属丝整经机筒子架,主要应用在高精细金属丝网织造中。首先分析了特细金属丝整经的特点与难点,然后通过对比矩形筒子架和V形筒子架各自优缺点,设计了V形对称错位结构的筒子架。通过单丝张力控制方式进行了对比试验,发现重锤摩擦盘式控制方式较无单丝张力控制方式、重锤张力杆式控制方式在输出响应的快速性、稳定性及准确性方面更佳,且能将单丝张力误差控制在±0.03 N。     

功能梯度材料微细电火花电极损耗机理研究

论述了功能梯度材料Ni-TiN/Cu微细电火花电极的制备方法,并用实验的方法研究功能梯度材料层在电火花微细加工对电极损耗的影响。Ni-TiN/Cu微细电火花电极通过在圆柱铜电极外侧电沉积功能梯度材料层来制备,纳米颗粒TiN做为增强相。通过使用SEM分析功能梯度材料层的显微组织,使用光学显微镜测量电极加工孔质量与电极损耗情况,对比功能梯度材料电极与均质电极的电火花加工性能。在微细电火花加工中,功能梯度材料层可以有效的抑制高频脉冲条件下电极的损耗效应,改善电流密度分布,从根本上解决因尖端放电引起的电极形状变化问题,实现端面等损耗,保证了微细电火花加工电极的形状精度。实验结果验证了功能梯度材料作为工具电极在微细电火花加工应用的前景。