复杂产品概念设计中功能-结构映射过程可靠性设计方法研究

产品的设计早期阶段对可靠性具有关键性的影响。项目针对复杂产品设计需求的复杂性、功能和结构的构成复杂性，以最具创新性和最有可能引入失效隐患的功能-结构映射过程为切入点，研究建立复杂产品概念设计中功能-结构映射过程可靠性设计的建模理论、设计方法和数值方法。其创新之处在于：提出了复杂产品概念设计中功能-结构映射过程可靠性设计的概念，实现了概念设计阶段可靠性问题研究从"事后分析型"向"设计"的重要转变；在概念设计阶段引入"不确定性设计思维模式"，针对设计变量与参数的不确定性，提出功能建模方法、行为建模方法和功能-结构映射过程可靠性设计建模方法；在多形态的不确定性和行为模型条件下，提出了减少复杂功能模型-结构映射过程可靠性设计迭代次数的有效设计方法；在功能之间的耦合、子功能的性能之间的关联性、多形态不确定性和高维数条件下，开发了复杂产品概念设计功能-结构映射过程可靠性设计的数值方法。

在激烈竞争的环境中，客户需求日趋丰富，既对成本、性能及其可靠性有明确要求，也对几何空间、材料、搬运、维修、回收等方面均有所要求。由于没有在设计早期充分考虑可靠性，传统概念设计方法确定的概念设计方案在设计后期可能发现不是好方案、甚至是不可行方案，带来设计周期延长和设计成本增大，延误市场机会。特别是设计周期较长、投资成本较大的复杂产品，企业往往迫切希望在设计早期明确期望可靠度条件下的估计成本，以便降低市场风险。项目针对概念设计阶段既是创新的关键阶段、也是引入失效风险的重要阶段的特点，兼顾创新和可靠性提出了搜索原理解和可靠性设计两次功能-结构映射过程的概念，提出了产品概念设计中功能-结构映射可靠性设计的建模方法和设计流程，基于多学科优化方法及协同设计法建立了复杂产品概念设计系统可靠性设计模型和解耦方法，为产品设计者提供了一种在设计早期开展可靠性设计的可行方法。有限信息量和多形态不确定性是复杂产品概念设计阶段可靠性设计的主要难点，项目针对区间估计的认知不确定性、概率分布参数不确定性的认知不确定性和随机不确定性等多形态不确定性，提出了区间和随机不确定性混合高效可靠性分析方法，比现有算法的效率提高了近50%，进一步研究了认知不确定性信息量对可靠度失真度的影响，提出了可靠度失真度改进方法。项目研究过程中协同开展了理论研究和工程应用研究，选择金属切削带锯床、大型风力发电机、双轴数控机床、装订机为工程研究对象，对以上产品的概念设计和详细设计阶段的可靠性设计及其相关问题开展了系统研究，从不同设计阶段对可靠性分析和设计方法进行了比较研究，验证了理论研究成果的可行性，相关理论成果融入了有关产品的设计理论与方法，形成了系列工程应用研究成果。金属切削带锯床的锯切机理和锯切力计算模型、锯切系统力学分析方法、设计过程、数字化仿真技术和可靠性优化设计方法等研究成果出版了专著《金属切削带锯床设计理论与方法》。