概念设计的一大任务是为预想的功能寻找可行原理解.在计算机辅助概念设计研究中,通常需要对已知原理解的功能进行规范化表示,使得计算机辅助概念设计系统可以帮助设计员高效准确地找到可行原理解.功能作用是功能表示中的重要组成部分,目前功能作用大多采用自然语言表达,存在不利于计算机辅助概念设计系统识别和处理的问题.为解决上述问题,基于中文词典对及物动词的解释和定义,搜集并规范处理了与概念设计相关的功能作用.根据功能作用的本质特征,提出了功能作用的标准分类框架和具体分类框架,并初步建立了规范化的功能作用库.为实现对功能作用的规范管理,开发了功能作用的计算机管理模块.通过功能作用的规范化,可以为产品功能表示的规范化、原理解的精准检索等研究提供坚实的基础.

塔架作为风力机结构体系的重要组成部分,起到支撑上部结构质量、承受动载荷的作用,保障了风力机的正常运行.对塔架结构研究进行总结概述,能够完善风力机结构设计理论体系.从工程实用角度出发,以风力机塔架结构的刚度、强度、稳定性以及抗疲劳性能为核心,围绕结构选型、静动态特性、屈曲特性及疲劳特性等要点问题进行综述,回顾了各领域不同研究阶段的国内外成果,同时,介绍了新型塔架结构设计、随机荷载动力分析以及非线性屈曲与疲劳特性分析等前沿热点问题的研究进展.总结了上述要点问题的研究现状,详细阐述了相关技术的原理和应用,梳理其发展脉络,并对未来研究趋势进行了展望.内容涵盖了风力机塔架结构的各主要设计指标,能够为风力机塔架设计与分析提供指导.

以平底直动推杆盘形凸轮机构为研究对象,给出机构形态、基本/总体尺寸、尺寸综合问题的准确描述和求解基本思路与步骤,提出3项约束条件及解析表达,构建尺寸坐标系O-r₀βe、尺寸空间Ω(r₀,β,e),建立面向“科学计算可视化”的数学求解模型,采取遍历性方法,先得到单一约束的可视边界、解域,继而据多目标规划归并约束,得到归并约束边界面/解空间,分析论证得到“最优解/解区间/解集”、“非劣解区间/解域”和“谷底点”等重要规律,以及尺寸最优解存在性特征,以一种行之有效的通用求解方法解决了对象机构的尺寸综合问题,为对象机构基本尺寸的选择与工程设计奠定了理论基础.

以实现功能创新组合为设计目标,对现有产品功能进行创新组合具有非常重要的实用价值.通过对典型多功能组合产品各分功能之间关系分析,引入功能主题链这一概念,构建不同产品之间功能主题链,以此为组合设计前提;提出基于功能本体的创新组合设计策略,利用功能本体知识库,查找匹配各产品主要部件的功能语义,列出相同或相近的功能语义表述,以此为组合契合点.由功能-结构相互映射关系,实现已有产品功能到其结构的映射,在结构模型上进行组合设计,结合设计相关知识及联系实际得到满足社会和技术需求的创新组合产品模型.最后,用实例验证了上述组合创新设计方法的可行性.

在系统可靠性建模过程中,通常假设部件寿命和维修时间等服从指数分布等典型分布,这样做会导致模型的约束条件过于严格,缩小了所研究模型的适用范围.采用Phase-type (PH)分布来构建模型,研究了包含2个不同部件的并联系统,考虑系统具有单一维修台,假设部件寿命和维修时间分别服从不同的PH分布,构建了描述能力更强的系统可靠性模型,得出了明确的系统稳态可用度、首次故障前平均工作时间、稳态故障频度等一系列相关可靠性参数的解析式.最后,通过算例分析证明了该方法的正确性和适用性.

为了满足用户多样化的产品造型需求,模拟设计师的设计思维特性,提出了应用元胞遗传算法和标准遗传算法的产品造型创新设计新方法.首先收集产品样本,经聚类分析、设计师聚焦等确定代表性产品样本,再利用形态分析法得到产品造型元素并定量描述设计参数;其次,以代表性产品样本为初始种群,应用元胞遗传算法建立产品造型初始设计系统,实现了以少量原型生成大量创新性方案的智能设计进程;最后,应用标准遗传算法建立产品造型细化设计系统,进一步优化初始设计方案,快速实现方案的细化智能设计进程.卡通表情造型设计实例表明,该方法可为创新设计提供有效的辅助与支持.

在传统的计算机辅助司钻控制室布局设计中通常采用交互式输入和修改,不能以全局最优化的思想支持布局设计全过程,故将遗传-蚁群算法引入司钻控制室布局设计中.根据人的认知特性规律,总结出布局原则,并建立相应的数学模型,将布局原则以目标函数变量的形式作用于布局优化过程.从工业设计的角度,研究了面向司钻控制室操纵器空间几何位置布局优化的适应度函数、信息素和启发信息的表达形式,建立了遗传-蚁群算法应用于司钻控制室操纵器布局优化设计过程中的流程.以某型钻机控制台上的操纵器布局设计为例,进行了多目标优化计算,实现了布局原则量化并与算法结合,提高了设计效率.

为了详细考察篦齿裂纹的扩展规律,对篦齿裂纹从齿尖一直扩展到即将完全穿透篦齿环的过程进行了数值模拟.含篦齿裂纹的涡轮盘有限元模型采用子模型法建立,使用M积分计算裂纹前沿的应力强度因子;在确定篦齿裂纹前沿每一节点处的局部扩展方向及距离后,通过样条曲线拟合出新裂纹前沿,并依靠自适应网格划分实现裂纹区有限元网格的更新.数值模拟结果表明,篦齿根部过渡圆角顶部可以视为裂纹缓慢扩展阶段与快速扩展阶段的分界点,在此之前篦齿裂纹以穿透型裂纹的形态以较低的速度进行扩展,在此之后篦齿裂纹开始向表面裂纹进行转化,并且平均扩展速度大大增加,分界点前的裂纹扩展寿命是之后的数倍.此外,由数值模拟结果还可以发现,增大篦齿根部过渡圆角半径以及减小相邻篦齿的间距,均有助于延缓篦齿裂纹的扩展.

针对刨煤机中部槽滑架体在工作过程中出现的疲劳断裂现象,采用理论与试验相结合的方法,基于Winkler弹性地基接触模型,建立了刨头三自由度碰撞振动动力学模型.通过点到直线的距离算法作为检验碰撞的准则,构造了刨头与滑架接触碰撞判别条件.采用数值方法进行求解,得到刨头与滑架各点的最大碰撞力,并以此作为疲劳试验载荷,对中部槽滑架体进行疲劳寿命试验,得到了滑架体的疲劳寿命.研究结果表明:滑架体在最大碰撞力作用下,在立板前端产生初始裂纹,在发生静强度失效时,失效点倾向于立板后部下端.研究结果对提高滑架体疲劳强度提供了理论依据.

对冲击碰撞现象进行充分的理解和科学分析是对冲击沉桩机进行结构设计的前提.冲击沉桩机动力学特性分析是一个涉及几何大变形、材料非线性和接触非线性的复杂动力学问题,采用应力波法难以对冲击系统结构的动态响应和桩土的相互作用进行描述.基于ANSYS/LS-DYNA分析软件,针对新型冲击沉桩机,考虑土体大变形,利用ALE流固耦合算法,建立冲击沉桩机-桩-土相互作用的全系统有限元模型.搭建冲击沉桩机实验测试平台,获得关键测点的应力波时程曲线,验证了有限元模型的正确性.依据冲击体、传力箱和拉杆的应力分布图,分析了各关键部件受力情况并提出结构设计建议.改变土体体积模量,获得了不同土体下的预制桩桩底端面承载力.研究结果为新型冲击沉桩机的结构设计和适用环境的选择提供了理论依据.

针对传统螺旋法求解并联机构Jacobian矩阵的缺陷,提出了一种基于并联机构微运动分析的微位移法.该微位移法在求解过程中可避免求解超越方程组的难题,且得到的Jacobian矩阵为非奇异方阵.同时,针对并联机构传统控制器轨迹跟踪精度低的问题,设计了一种基于并联机构动力学方程和比例切换控制律的滑模变结构控制器(SMC).首先,建立机构的MATLAB/SimMechanics仿真分析模型,采用微位移法求解并联机构的Jacobian矩阵,为控制系统提供理论参考输入值.其次,设计SMC控制器,运用Lyapunov函数证明控制器的稳定性;最后,分别建立机构PID控制和SMC控制系统的MATLAB/Simulink框图,对其进行仿真分析与对比.结果表明:SMC控制器的轨迹跟踪精度比PID控制器的精度高,稳态误差小,且鲁棒性强,响应速度快,从而验证了SMC控制的有效性.

针对目前振动筛筛分性能差及筛分理论不完善,亟待建立筛机参数与筛分效率间综合数学模型来指导振动筛的设计.基于离散单元法(Discrete Element Method,DEM)的筛分仿真实验解决筛分过程的复杂性和筛分数据难获得等问题,用可调参数的振动筛对仿真实验进行验证.筛分效率与筛分参数之间的数学关系是一个复杂的非线性问题,由于传统的回归算法对筛分数学模型预测精度低,利用能有效解决小样本问题和基于统计学理论的简单多核支持向量机(Simple Multiple Kernel Learning,SimpleMKL)对仿真实验获得的数据建立回归模型.但其模型是多极值且不可微分的多参数大规模计算问题,借用鲁棒性强和全局收敛性好的人工鱼群优化算法(Artificial Fish Swarm Algorithm,AFSA)对由SimpleMKL建立的筛分回归模型进行参数寻优,得出筛机振动和结构参数:振幅为2.5 mm,振动频率为22 Hz,振动方向角为50°,筛孔大小为0.9 mm,筛丝直径为0.4 mm,筛面倾角为21.6°.提高了振动筛的筛分效率,为振动筛的设计和制造提供了新思路.

船舶管路的多样性和布局环境中约束的复杂性导致管路设计效率低下.为辅助设计人员提高管路设计效率并减少人为错误,提出了一种新的管路设计方法.首先,基于轴平行包围盒简化管路布局空间,利用栅格法对其进行离散化,并赋予空间网格特定的能量值,构建管路布局优化问题的数学模型.其次,基于遗传算法的框架,引入改进迷宫算法,提出管路路径规划方法,其中:迷宫搜索中引入辅助点的概念,增加了遗传算法中初始种群的多样性,有利于提高遗传算法的全局搜索能力;提出了定长度的编码方法,简化了管路染色体处理难度,提高了算法性能;基于引入方向优先搜索策略的迷宫算法,设计定长度编码遗传算子,保证了子代个体的质量,提高算法的收敛速度.最后,基于仿真试验,验证算法的性能.试验结果表明了该方法的可行性和高效率,以及其对实际管路布局工作具有指导意义.

针对智能停车库自动导引运输车(automated guided vehicle, AGV)存取车路径规划问题,提出了一种基于粒子群和遗传算法的动态自适应混合算法.在标准粒子群算法和遗传算法的基础上,通过引入动态自适应调整策略分别对惯性权重系数、学习因子以及交叉变异概率公式进行了优化.在进化初期,通过在惯性权重系数和学习因子之间建立动态联动关系来实现对粒子速度和位置的实时有效更新;在进化后期,通过引入自适应遗传算法的交叉、变异操作来增强混合算法的全局搜索能力,提高算法的进化速度和收敛精度.为验证混合算法的可行性和有效性,选用MATLAB软件对其进行仿真测试.仿真测试结果显示,与禁忌搜索算法、蚁群算法以及遗传算法相比,混合算法表现出较强的全局搜索能力和较好的收敛性能,表明混合算法可行和有效.