基于可供性和功能-性能集成求解的采煤机概念设计原理方案优化研究

Principal schemes in product conceptual design phase have decisive influence on the final functionality and performance. The problems of optimization of principal schemes are how to make the principal schemes to meet both functional and performance requirements concurrently, and how to put the related coupling factors between complex product and related subjects into design process..In this project，product design requirements are translated into functional requirements and performance requirements. Performance are considered as important as functions in the early stages of design. “performance attachment” model and “PF-PB-S”(performance attachment functional element- performance behavior - structure) mapping are proposed to realize function-performance integration solving of shearer in conceptual design phase. Therefore, the principal schemes can be optimized. Coupling factors between product and related subjects are expressed by affordance, and “substance-field affordance model” is proposed to analysis current principal schemes. Optimized principal schemes are achieved by removing negative interaction. The inherent law of interaction of function and performance is revealed by proposed method of this project, and design quality can be improved.

概念设计阶段生成的原理方案解对产品最终的功能与性能实现具有决定性影响。如何使原理方案解既满足功能需求又充分考虑性能需求、如何将产品及其相关主体之间的复杂交互耦合因素转化为设计要求并纳入设计求解，是原理方案优化面临的难题。.本项目以采煤机装备为对象，提出将产品设计需求内化为功能需求和性能需求，改变原有概念设计以功能作为设计输入的思路，将性能视作与功能同等重要的因素在设计早期阶段加以考虑，基于“性能依附”模型和“PF-PB-S”（性能依附功能元-性能行为-结构）映射实现概念设计中的功能-性能集成求解，得到优化的原理方案；以可供性表达多主体交互复杂耦合关系，基于“物-场可供性”模型分析原理方案解，发现并改进原理方案中存在的消极交互作用，进一步实现产品原理方案优化。本项目研究为揭示设计过程功能与性能的内在作用规律、提升产品设计质量提供了新的方法支撑。

项目背景：概念设计阶段生成的原理方案解对产品最终的功能与性能实现具有决定性影响。如何使原理方案解既满足功能需求又充分考虑性能需求、如何将产品及其相关主体之间的复杂交互耦合因素转化为设计要求并纳入设计求解，是原理方案优化面临的难题。针对采煤机对象，如何有效地将性能融入设计早期，把原有功能性能依次串联的工程设计方法转变为功能性能并联求解的工程设计方法，是采煤机概念设计阶段原理方案解进一步优化需要解决的重要问题。 .主要研究内容：1）面向概念设计的产品设计需求到功能、性能多维期望转化研究，包括设计需求到功能维的转化研究和设计需求到性能维的转化研究。2）性能依附及功能-性能集成求解。包括：功能的纵向分解过程研究、性能依附功能元-行为性能（PF-PB）的映射和行为性能-结构载体（PB-S）的映射。3）产品概念设计阶段考虑多主体交互耦合因素的可供性设计研究。4）采煤机概念设计阶段功能-性能集成求解应用研究。 .重要结果：1）建立了基于性能依附的复杂产品概念设计功能-性能集成求解模型。建立了基于“物-场可供性”的复杂产品概念设计多主体交互耦合因素的可供性设计方法，有效提升原理方案的设计质量。 3）自主开发了复杂产品概念设计功能-性能集成求解原型系统。.关键数据及其科学意义：1）在传统的功能分解的基础上，将技术性能作为 .设计偏向合理依附到对应的功能中，直至功能元，最终得到多个既包含功能期望， .又含有性能偏向的性能依附功能元（PF）。基于 PF-PB-S 映射实现概念设计中的功能-性能集成求解，得到优化的原理方案；2）提出“物-场可供性”模型，并应用于分析产品的原理方案解，发现并改进原理方案中存在的消极交互作用、需要提升的积极交互作用和有待增加的积极交互作用，实现了产品原理方案的二次优化，提升了产品设计质量。