基于设计单元及其多维关联的产品结构自组织进化设计方法研究

It is a key problem for the realization of product whole systematic design to explore the evolutionary characteristics and the principle of self-organization and self reconfiguration of product composition cell, which is similar to that of biological cell. In order to solve this problem, a design cells based biological evolution design method is proposed. The method is based on the integration character of biological growth, which is represented by the following evolution process, from genetic constitution, geometry conformation, cell morphology, organ function, to the system function. The work is continued from our previous works and will be further extended by integrating product micro-knowledge into the growth design process. In this extension, the following research aspects are involved, modeling of design process based on the structure differential hypothesis, analysis of multi-scale interaction and correlation principle of design cells, construction of the evolutionary mechanism of design cells, and planning of product growth design path and process based on the multi-scale interaction and correlation of design cells. The cell based top-down design mechanism and its digital representation will be explored. Based on these work, the evolution mechanism of biological growth will be extended from function level to structure level. These research findings will help on the transformation of qualitative design to the quantitative design in biological evolution design area, and help in setting up a new method and providing technology support for the realization of product self-organizing intelligent design.

探索产品构成单元类似于生物细胞的进化特性及其拓扑构态自组织、自重构转化原理，是从集成科学角度实现产品全系统协同设计的关键。针对上述问题，本项目提出了基于设计单元及其多维关联的产品自组织进化设计方法。提出将装配结构视为具有多维度、多尺度关联的微分单元的组合，建立产品结构微分假设模型的构想；根据装配结构的物理连续性、装配系统整体有序性的特点，提取设计进程的序列化约束，提出基于微分假设模型的生物型产品结构建模方法；提出根据结构关联面间发生聚合与分离的结构效应，确定产品进化设计中多尺度关联关系的辨识与映射机制，形成设计单元拓扑关联设计方法；提出基于微分设计单元内在演化机理、外在进化过程，建立其进化逻辑模型，并通过基于约束规则的拓扑排序方法，实现产品进化路径规划。上述成果，有助于实现产品系统基于功能、结构及其耦合关系动态变化的多单元、多要素协同进化，进而实现产品从概念到结构的自组织、自适应进化设计。

探索产品构成单元在自顶向下设计过程中的演化特性及其拓扑构态自组织、自重构转化原理，是从集成科学角度实现产品全系统协同设计的关键。本项目以基于设计单元及其多维关联的产品结构自组织进化设计方法研究为核心，开展了如下几个方面的研究：. （1）基于设计单元及其多维关联的产品设计过程宏观建模技术。以整个产品设计过程为研究对象，构建了基于复杂网络的产品多维度、多尺度关联表达模型；以设计单元为基本载体，从产品维度建立了产品原型到产品级设计单元直至零件的动态演化过程模型，从零件维度建立了面向设计状态递进转换的零件多域视图模型，形成了基于设计单元的产品结构自组织设计方法运行机理与数字化表征方法。. （2）基于设计单元及其多维关联的产品设计过程微观运行机制。研究产品进化设计中设计单元之间发生聚合与分离的多尺度效应，探索了自顶向下设计过程中基于功能保障的产品结构、尺寸、公差的主动进化机制，形成了基于设计单元微分结构作用规则的关联设计方法。. （3）基于设计单元及其多维关联的产品设计质量保障策略。解析了产品设计质量特性关联传播和控制的基本路径，分别从基于故障反馈的关键设计质量特性逆向推理技术、基于关联网络的设计质量特性波动溯源技术和基于关联网络的设计质量特性波动控制技术三个维度，实现了产品设计质量的有效评估与控制。. 上述成果，有助于实现产品系统基于功能、结构及其耦合关系的多单元、多要素协同进化，进而实现产品从概念到结构的自组织、自适应进化设计；同时通过设计过程中的质量控制策略，可以有效控制产品故障风险的存在，提高设计质量，形成产品的闭环设计过程。