机械系统概念设计论文范文

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1可变功能机械系统概念设计模型

可变功能机械系统由不同的分功能组成，且功能间会发生耦合。笔者基于FBS概念设计模型对可变功能机械系统进行研究，先将各分功能独立，分别建立自顶向下的设计模型，即先对功能进行分解，由功能-行为映射求解得到相应的行为层级结构，分析相应的行为模型，得出映射层结构方案。可变功能机械的FBS模型详解如图1所示。在研究可变功能机械系统时，本研究将分功能到行为和行为到结构的映射并行研究，功能总和代表了各分功能不同模型的集合，系统实现其中一个功能时，另一个分功能处于待用模式，为加以区分，用功能符号“F”+“i”（数字）代表分功能序号，用“or”（或者）连接各分功能。之后本研究建立分功能的层级结构及相应的功能分解模型、行为过程层级结构及其行为过程模型，最后进行映射求解。这种并列的设计过程存在交集，即这些分功能间具有耦合性，系统的功能分解有部分相似，例如当农用拖车的连接器连接不同的耕作设备可以完成不同的生产功能，施肥机可以进行移动施肥，洒水机完成浇灌工作等，系统的动力功能和传动功能并未发生改变，改变的仅是执行端的功能。本研究将相似的功能结构和行为结构以及方案层的具体实施构件组合用虚线连接，代表它们之间存在的特殊联系。为具体表达该设计过程中的模型联系，基于经典相似理论中对序结构的定义，本研究将系统要素按一定组成规律、一定顺序出现的序列结构称为序结构，序结构与系统有着紧密的联系。根据可变功能机械系统概念设计层次，笔者对序结构进行特征分析，分为功能序结构、行为序结构以及方案序结构。由于篇幅原因，本研究仅对功能分解和行为结构的序结构表达进行描述，并构建相似模型。

2相似模型构建

2.1功能序结构和行为序结构模型相似包括功能相似以及行为相似，功能具有相同的效果不代表行为也具有相似性。研究系统相似度时需要衡量功能相似度和行为相似度不同的权重值，建立相似模型，从系统的角度将不同的功能及其行为映射用序结构表达出来，用系统要素的方式进行模型构建。功能是表达系统特性最抽象的方式，功能的表达需满足：（1）能根据给定要求表示设计者的意图；（2）能准确描述满足设计要求的设计对象；（3）能被定性或者定量地评价，并可以测定设计意图的满意度。功能的系统要素为能量、物质和信息，每个功能要素都有其输入和输出，因此可以运用“输入流-输出流”的方法进行功能描述。功能要素在时间和空间上有一定的顺序，即功能序。本研究将功能序的关系进行分类，分别有组成关系、时序关系和因果关系如图2、图3所示。时序关系又有顺序关系，并存关系。功能序是功能序结构的基础组成。在概念设计模型中，功能是一个模糊而粗糙的概念，而行为相对而言更为具体，能激发设计者的灵感，引导设计者保证三大流（即物质、能量、信息）的有序流动，不违背自然规律。行为的系统要素包括运动学要素、力学要素和能量要素。结合目前行为结构的表达方法，本研究统一用“输入流-输出流”的方式表达行为序结构。行为可以分为基本行为和组合行为。基本行为对应基本结构，较为简单；组合行为由基本行为构成，包括运动转换行为、执行行为、检测行为、控制行为等，这些基本行为通过一定的顺序连接起来形成组合行为。行为序就是指这些基本行为和组合行为间的连接，行为序结构则表达了行为序间的连接关系。行为序结构分类如图4所示。行为序的关系有以下几种：①串联顺序关系；②并联同时关系；③选择发生关系。

2.2基于序结构的相似模型构建由相似第一定律即序结构定律可知，不同类型、不同层次系统存在一定的序结构，当系统序结构存在共同性时，系统之间出现相似特性，相似性大小随序结构的共同性程度增大而上升，反之则下降。上节已将可变功能机械系统概念设计中的功能层和行为层用序结构进行表达来探索功能和行为的相似性，本节在此基础之上运用数学建模对相似度进行计算。可变功能机械系统具有一定的相似性，即相似度大于零，某些功能或行为能通过改变一些系统组成就能形成新的功能系统，若是没有相似性即相似度为零，那么整个分功能系统就转变成了多功能的单个系统的集合，不在本研究的研究范围之内。本研究将系统或者系统的一部分进行序结构构建和分析之后，为每个序进行编码，用eik表示序要素的集合，要素包含属性和特征值，属性由所属功能或者行为的输入输出流决定，i是分功能编号，k是序的编号。相似序的概念是将分功能序结构的要素和特征联系形成两两组合的有序偶，用(e1k,e2k)表示。相似度由相似序的个数和相似序对相似的影响权重所决定，相似度以q表示，相似序个数决定的相似度为q1，影响权重决定的相似度。权重的分配也是相似度量的重要环节之一，主要包括主观权重分配方法和客观权重分配方法。相似序模型分析之后根据经典相似理论进行数学建模，系统的总相似度由功能、行为和结构的相似度综合得出。本研究根据所建立的序结构进行系统知识表达，计算可变功能间的相似性，设机械系统共有两个可变分功能，特征参数取自输入输出流的类型和数值，如功能的能量类型和所代表的数值等，对整个系统进行相似模型构建，并计算相应的相似度数值。相似求解模型如图5所示。建模的一般步骤可表述如下：（1）分别对分功能系统进行层次划分，建立基于功能或者行为结构的模型。可用输入流输出流的方式按2.1节所述分别建立分功能的具体模型，对应的序结构统计如表1所示。

3实例分析

笔者选取典型的可变功能机械系统进行研究，选取如图6所示的机床作为研究对象，通过更换不同的刀具执行机构可以获得钻孔，扩孔和铰孔3个不同的功能。可以看出，这是一种通过改变系统执行机构达到改变功能的情况。本研究按上文所述的步骤进行分析，首先由系统的可变功能得到功能的序结构模型，所建立的模型如图7所示。表3所示机床的可变功能由更换执行机构来实现，在系统层面上达到了改变功能的要求。本研究按上文所述，根据所建立的序结构模型，通过分析相似要素应用公式（1~3）得到系统功能级的相似度数值。

4结束语

机械系统往往有很多复杂的功能系统组成，通过系统间的协调和配合完成一定功能，从而实现机械变化，代替人类劳动的作用。可变功能机械系统正是为了更好地利用环境资源、增加设备利用率而产生，以适应劳动过程中不同的需求。相似性是存在于大自然中最普遍的特性，在对可变功能系统研究中，研究者通过探索系统相似性，建立概念设计相似模型，可以从定量角度描述系统间的共性，进而基于一定的相似度进行可变功能创新设计。为此，本研究提出了将FBS模型与经典相似理论相结合的方法构建概念设计相似系统模型，建立了基于输入/输出流的序结构模型，对序的概念做了进一步的阐述，通过序结构建立相似序，得出了构建相似系统模型的具体步骤，并通过数学模型计算获得具体的相似度数值。前文的分析和案例均表明，该模型符合设计过程中设计人员的认知过程，对相似性进行了可靠地描述，有利于机械系统的创新设计，为可变功能机械系统的相似度研究提供了方法和依据。

作者：赵琳贺华波邓益民单位：宁波大学机械工程与力学学院