支持可适应设计的模块化产品族耦合关联分析与优化研究

Product family design is the core of mass customization and has been identified as an effective tool to quick respond to the customers’ demands, and to achieve the proliferation of product variants by diverse market niches. There is not only a contradiction between commonality and diversity, but also often exist association relationship between siries products, coupling relationship between modules, and hierarchical leader-follower relationship between platform module and customization module within a given product family, which causes the coupling of product family design and increases the difficulty of product design. So the coupling should be avoided to the greatest extent. In the actual design process of product family, due to technical or other limitations, it is often difficult to get uncoupled design or decoupled design. However, most investigations have not discussed the problem of coupling for product family design. For the coupling association in design process of modular product family, this project addresses the strategy of coupling association analysis and optimization for adaptable design. From architectural level of platform plan, the topology of adaptable platform is defined, and a method to coupling analysis based on axiomatic design and modular association matrix is proposed. In the view of parametric level of product family design, the decoupling methods based on coupling association path and association influence degree are proposed, and a bi-level model and leader-follower correlation optimization model are developed to improve the robustness and reduce the coupling degree, and try to establish decoupling methodology for product family design. So, the research of this project not only has scientific meaning, but also has comparatively higher theoretical and practical value.

产品族设计是大批量定制下快速响应客户个性化需求的有效技术手段。产品族不仅涉及共性和个性的协调及系列产品间的关联问题，而且各模块间可能存在耦合关系及平台模块与定制模块间往往存在主从关联关系，进而增加设计的复杂度。由于技术或其它条件的限制，实际的产品族设计，耦合有时很难避免。当前研究鲜见对产品族的耦合设计展开探讨，本项目针对模块化产品族设计的耦合关联问题，提出支持可适应设计的耦合关联分析与优化策略。基于平台规划体系层，分析适应性产品平台结构关联关系，提出基于公理设计和模块关联矩阵的耦合分析方法；从产品族参数层，提出基于耦合关联路径和模块关联影响度的解耦方法，建立产品族层次关联优化模型，考虑平台参数的适应性，提出协调优化算法进行求解。从而提升产品族设计的适应能力，减弱设计的耦合度。其成果旨在为产品族设计提供有效的理论指导和方法支持，力图建立产品族设计解耦的方法体系，富有重要的科学意义和应用价值。

本项目针对模块化产品族设计的耦合关联问题，在对国内外研究状况进行综合论述与深入分析的基础上，开展了支持可适应设计的模块化产品族耦合关联分析与优化的研究，取得以下成果：.①针对产品模块化设计问题，考虑了零部件之间的非对称及两两模块之间关联关系，提出了一种基于密度算法和设计结构矩阵的模块划分方法，通过n维空间的欧式距离判断各零部件间的联系强弱，利用密度可达原则进行零部件聚类。以模块内部的高内聚度和模块之间的低耦合度为划分准则，根据算法参数选用的不同获得不同划分结果。.②针对模块化产品族设计耦合问题，提出了一种基于耦合关联路径和关联影响度的耦合分析方法。从平台模块间的耦合、平台模块与定制模块间的耦合及定制模块间的耦合三种情形，探讨了模块化产品族设计耦合机理。针对每一种耦合情形，分析耦合机理和关联特性，建立模块之间的耦合关联路径图，计算模块间的关联影响度，提出了耦合处理方法。.③针对模块化产品设计中模块间的耦合关联问题，分析模块间的相互作用，确定关联模块的主控零件和依赖零件，分析主控零件的关联传播路径，计算模块关联依赖度；根据产品结构及其零部件的复杂性，分析主控关联零件的影响，从模块间的关联依赖度、关联零件变更传播的影响及提高模块的适应性等几个方面，提出关联模块的解耦策略。.④针对平台模块与个性化模块间的层次关联特性，建立了以可适应产品平台为上层，产品个性化设计为下层的层次关联优化模型。上层模型先进行平台模块的决策优选，下层模型面向产品族中变型产品，用于个性化模块的决策优选。利用基于遗传算法的混合算法对模型进行求解。.将所提出的方法应用到起重机及其零部件等多个实例产品族的耦合关联和优化中，对上述理论研究工作进行验证，均获得满意的设计结果。旨在提高起重机等产品开发能力，提高产品族设计效率和产品的竞争能力，提升与之相适应的产品创新设计水平，增强企业快速响应市场变化的能力，降低设计成本。其成果不仅能够为机械产品耦合设计提供一种新的研究途径，也可为产品族规划和产品平台开发提供有效的理论指导和方法工具，既有重要的科学意义和学术探讨价值，又有广泛的应用前景和实际指导作用。