异质复杂产品系统模块化方法研究

The modularization of existing complex products and systems (CoPS) is the precondition, which can facilitate the transformation of product design from integrated design to modular design. However, the available modular design approaches are mainly focus on new products and variant products with similar physical structures. Research on the effective theory and approach for the modularization of heterogeneous CoPS with various physical structures is insufficiency. Motivated by this issue, this project intends to study the modularization of heterogeneous CoPS, including data modeling, homogenization of function and physical structure, module clustering and module parameter planning, then with typical products, develop a prototype system to accomplish the empirical research. The main innovation points of this project are: (1) developing the homogenization approach of product functions and physical structures based on matrices theory to reduce the function redundancy and increase the components share ratio; (2) representing the coupling relation intensity with quantitative method, establishing module partition with modified GN community detection algorithm, and the proposed approach could cope with the huge components amount and complex coupling relations of CoPS to improve the module clustering efficiency; (3) proposing the module parameter evaluation model for CoPS based on the customer requirements distribution and obtaining the module parameter portfolio with heuristic algorithm, which could lay the foundation for subsequent modular configuration.

对已有产品的模块化改造是实现复杂产品系统由集成化设计向模块化设计转变的前提。但目前的模块化方法主要是面向新产品和结构相似的变型产品的。对于结构差异较大的异质类复杂产品系统的模块化，还缺少有效的理论和方法。针对这一现状，本项目拟开展异质复杂产品系统模块化方法研究，包括数据建模、功能-结构同质化处理、模块聚类划分以及模块参数规划等方面。并以典型产品为例，开发原型系统，进行实证研究。本项目创新点在于:(1)提出了基于矩阵的异质多产品功能-结构同质化方法，减少了功能冗余，提高了零部件共享率；(2)采用定量化方法描述零部件之间的耦合关系强度，应用改进的GN社区发现算法进行模块划分，提高了模块聚类效率，使聚类方法适用于复杂产品系统零部件数量规模巨大和耦合关系复杂的情况；(3)提出了基于顾客参数需求分布的复杂产品系统模块参数优化取值模型，采用启发式算法获取模块参数谱系，为后续模块化配置设计奠定基础。

本项目针对大型复杂产品模块化改造过程中存在着结构差异较大等问题，对产品功能--结构同质化处理、零部件模块聚类划分、模块参数规划等关键技术开展了一系列的理论研究和实际验证工作。. 在功能--结构同质化处理方面，建立了产品功能-结构模型，描述了功能与结构之间的网状关联关系。从功能和结构两个层面，提出了基于关联矩阵的异质多产品功能-结构同质化模型，应用启发式算法寻找能实现产品所有功能的最小零部件结构集合。减少了功能冗余，提高了零部件共享率；. 在零部件模块划分方面，采用定量化方法描述零部件之间的耦合关系强度，应用改进的GN 社区发现算法进行模块划分，提高了模块聚类效率，使聚类方法适用于复杂产品系统零部件数量规模巨大和耦合关系复杂的情况。基于产品生命周期理论构建了复杂产品系统模块划分方案评价指标体系，提出了基于区间直觉模糊理论的模块划分方案评价方法，进行方案排序，从而获得最优化模块划分方案。. 在产品模块参数规划方面，利用QFD对顾客需求进行调研和分析，确定模块参数的取值范围。采用模糊聚类方法实现顾客需求的聚类，通过聚类有效性指标确定最优的顾客需求聚类方案，即模块参数的取值个数。通过提取顾客需求聚类中心的分布特征，综合所有相关顾客需求的分布特征可获取模块参数取值的分布特征，提出了基于顾客参数需求分布的复杂产品系统模块参数优化取值模型，采用启发式算法获取模块参数谱系。. 在典型产品实证研究方面，将研究成果应用于大吨位履带起重机8500产品模块化改造设计。基于6500WE、9000和16000三种产品实现了功能和零部件结构的约简，根据基本配置和选配项原则预划分为下车、上车、作业机构和选配项4个模块。以作业机构为例验证了本文提出的模块划分方法，获得了4种模块划分方案。构建了针对作业机构模块划分方案评价指标体系，对4种划分方案的优劣进行了排序，获得了最优方案，依次构建了大吨位履带起重机产品的模块化产品结构，共包括53个二级模块。以主变幅机构模块的“绳槽数量”参数为例进行了模块参数取值的规划，通过顾客需求聚类得到其取值个数为5个。基于5种顾客需求参数的分布特征进行了取值规划，获得了大吨位履带起重机模块参数取值型谱。. 以上研究工作为解决大型复杂产品系统的模块化改造提供了重要理论基础，有着较为广泛的应用价值。