复杂机械产品相似系统集成设计原理与方法

复杂机械产品相似系统集成设计原理与方法周美立(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009)资助项目：国家自然科学基金资助项目(50475072)摘要：理论基础--相似性科学复杂机械产品系统的概念及其特征和谐有序的复杂自然相似系统是由多层次、多个对应相似性子系统组成的原理设计复杂机械产品系统应相似于自然原理的思想相似元度量法、相似单元设计法、相似单元选择与置换法相似单元按照时间序、空间序、功能序集成设计复杂机械产品系统原理与方法相似单元系统集成设计的复杂性0、引言对于设计复杂机械产品而言,新产品的设计大都是原有产品的继承和发展,找出与原有产品的相似性与差异性,可用简单(子)系统组合有相似性与差异性的复杂机械系统,已是机械工程专家的共识。如今，单元化和集成化是工程产品设计发展的趋势。在CAD、CBR、CBD、KBE、智能设计、创新设计、协同设计、相似设计及设计重用中都涉及相似性和变异修改。传统相似设计方法要求所有特征都对应相似这不适合设计复杂系统。因此,用相似单元系统综合集成有相似性与差异性的复杂机械产品方法，是机械科学中一个重要问题。1、复杂机械产品系统的概念把多个层次复合、多个相互关联的机械零部件单元和电子元器件单元组成的机械产品视为复杂机械产品系统。由多种类型的单元间关系具有复杂的关联性复杂机械整体系统与其中单元的特性数量和特征值都可能有变化，不能用还原论方法求解整体分解到单元时整体特性不复存在,多单元组合整体时可以涌现新特征有人控制的复杂机械系统是更高层次、更广泛意义上人机综合的复杂系统2、复杂机械相似系统构成原理(1)复杂相似机械产品系统的概念系统间组成单元及特性有共性形成相似性。系统间有相似性形成相似系统。简单机械系统间相似性形成简单相似机械系统，复杂机械产品间存在相似性构成复杂相似机械产品系统。复杂相似机械产品系统间是多单元及多种特性综合的系统相似性，相似性程度主要由相似性单元的数量和特性相似程度大小所决定。(2)复杂自然相似系统构成原理两个或两个以上和谐有序的自然相似系统都是由多层次、多个对应相似特性的子系统按系统序结构有共性组成。不同层次的主子系统间有自相似性。例如，复杂相似高等生物体系统由对应相似的细胞的子系统按系统序结构组成；复杂天体系统是对应相似的星体子系统按系统序结构组成；复杂相似国家社会系统都对应省(州、市)、县、乡(镇)子系统按系统序结构有共性组成。(3)复杂机械相似系统构成原理人工设计复杂相似机械产品系统应遵从自然相似系统的组成原理：用对应相似性的机械和电子零部件单元子系统按系统序结构有共性组成复杂相似机械产品系统。例如，两部复杂相似汽车系统，常由具有对应相似性的发动机、变速器、前桥、后桥、悬挂、空调器、油泵、信息检测和控制单元子系统按相似序结构组合而成。3、相似元法(1)相似元概念及类型系统间的组成要素的属性和特征存在相似性的要素定义为相似要素。相似要素在系统间构成一个相似单元，简称相似元。相似元类型：相似元和自相似元精确相似元可拓相似元模糊相似元混合相似元(2)相似元分析度量设Uj(ai)、Uj(bi)是对应相似元某个相似特征j的特征值。反映特征相似程度用特征值相似比rij表示为:(1)当相似元ai和bi中特性数量分别为k,l，相似特性数量为n，特性的相似程度为rij,,权重系数为dj，相似元数值表示：(2)(3)式中:0≤q(ui)≤1,q(ui)数值反映相似元的相似程度。(3)相似元设计基于原有设计数据和信息，从单元特征的序结构和信息作用共性形成相似性的角度设计相似性单元。设单元a的特性与单元b特性相似,且有序结构相同,用同构映射；某些特性数量有变化时，用同态映射；多种相似特性类型可建立多维特征相似模型。改变单元间相似特征的数量及特征值相似比，可使相似元数值变化形成的差异性,可设计多样性、系列化和个性化的相似元。(4)相似元选择与置换设计初始总是希望在国内外原有产品中寻求与新设计特性相似的单元,进行相似组合。在相似元度量基础上，用相似元数值最大的推理求解出最相似单元，进行直接重用、代用和置换。在原有最相似单元的基础上,稍有改变被选用的单元某些特性,重新设计而形成相似元。相似元置换能有效地利用原有设计数据信息，经济快捷支持相似系统集成设计。4、相似系统集成设计原理(1)相似系统形成理论相似学第一定律:当对应系统序结构存在共同性时，系统之间形成相似特性。而且,系统相似性大小随序结构共同性程度增大而上升，序结构共同性程度减少而下降。相似学第二定律:当不同系统中信息内容与规律、信息作用方式与过程存在共同性时，系统间形成相似特性。而且,不同系统的信息内容、作用形式和规律越接近系统间特性越相似,系统间相似特性随信息内容、规律变化而变化。相似学第三定律:当支配系统本质的规律有共性时系统间形成相似性。受相同自然规律支配的系统间将存在相似性,相似特性的性质随支配的自然规律而异。系统相似度大小与支配系统本质规律的共性相关联,相似性变化与系统演化方向与过程相关。应用相似规律的必要条件是支配相似特性的本质原理一致性和系统相似度Q0。(2)相似系统分析度量复杂系统相似性多层次、多单元、多种特性综合系统相似性。系统间相似性大小主要由相似单元数量和相似元的数值决定。设相似系统A、B中组成单元数量分别是K,L，相似元的数量为N，相似元数值为q(ui)，每一相似元对系统相似度的权重系数为βi,综合考虑的单元数量相似度和单元相似性大小两个方面，给出系统相似度量算式如下：(4)(5)式中：0≤Q≤1。Q值反映系统相似程度大小。0β1,∑β=1；0≤ω1，ω2≤1，且ω1+ω2=1(3)复杂相似系统集成设计方法系统组成单元特征的序结构和信息作用共性形成相似性的角度，按特性、单元和系统3个层次上结构与功能、运行本质规律的相似性集成设计。用相似度大的单元和相似组合共同性大集成设计出相似度的大系统，有利于简化设计，减少复杂性。反之亦然。在单元系统集成设计中，增减单元的数量，或改变相似单元的特征值及相似组合的序结构，集成设计出多样性、系列化和个性化的产品系列。取多种类型单元和先进技术信息集成于一体的设计，又称杂交集成设计(1)按时间序结构集成设单元a1，a2，…，an的工作时间顺序分别为t1，t2，…，tn，那么由时间顺序集成的系统为由a1至an的有序工作过程。当这些单元工作时间的序结构上有相似性，就集成设计出以时间序结构相似性为顺序的相似系统。例如，汽车中控制单元--动力单元—传动工作单元，都是由一些按一定先后顺序完成的相似系统。(2)按空间序结构集成基于空间序结构有共性形成相似性原理，选择有相似性的单元，按相似的空间排布相似，集成设计出相似系统。例如，汽车中发动机前置、后置按一定空间序结构集成的相似系统。(3)按功能序结构集成机器系统中的单元是有一定功能的，而且功能发挥有一定的秩序。根据功能序结构有共性形成相似性原理，选择一些相似单元，按照各个单元的功能发挥顺序的相似性集成设计相似系统。例如，汽车中控制功能单元--动力功能单元—传动功能单元，都是由功能顺序完成的相似系统(4)按信息作用规律集成从信息作用共性形成相似性角度，按照产品性能特征信息、共性信息设计相似机械系统。如果把各种与相似性有关的信息集成在相似制造系统之中，发展基于信息和知识的先进相似制造技术。5、复杂机械产品相似系统集成设计若干方法选择系统所有单元的特性都对应相似性，此时相似元数量多。若单元相似性大，且用相似元组合的系统序结构相似性大，则集成设计出复杂机械产品间相似程度大。例如，两部汽车的发动机、变速器、空调器等零部件单元都对应相似，组装序结构相同，两部汽车相似性较大。选择相似元少，每一单元相似性小，且用相似元组合系统序结构共性小，则集成设计出复杂机械产品系统间相似性小。例如，两部汽车的发动机性能相似性小,某一汽车产品系统中有空调器，而另一部汽车无空调器，，两部汽车相似性较小。单元数量及特性不变，系统的序结构不同，集成设计出相似性大小可变化的复杂机械产品系统。例如，两部汽车系统的发动机、变速器等单元都对应相似，只是组装序结构不同，把发动机单元的前置或后置。相似元的数量、数值及序结构变了,集成设计相似性大小可变化机械产品系统。如果选择的相似单元及特性和组装系统序结构变化，通常运用以下措施：①增加或减少单元；②单元特性的特征值变小或增大；③改变单元组装序结构。这样,可快捷经济地集成设计出变型个性化产品。当选择单元数量、特性和单元组成系统序结构变化较大,设计出系统相似性小，差异性大，创新性强的复杂机械产品。6、结论与讨论本文突破传统相似设计方法，为设计有相似性与差异性的复杂机械产品提供新的理论与方法。提出复杂相似系统形成原理，提出相似元法，用单元在机械产品系统中排序结构有相似性进行组合设计，可相似系统集成设计出相似性大小不等的复杂机械产品。运用相似度序列，相似元和系统集成设计多样化、序列化和个性化的产品理论方法，在设计实际中切实可行,在机械设计领域中有广阔的应用前景。由于单元特性的可变性、灵活性，不同单元按相应序结构集成时，不同相似元的特征变化及不同组合关系,引起总体性能变化涌现复杂性,都是系统集成设计应进—步考虑的重要方面。