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基于性能組件庫和圖文法的產品自動方案優化設計方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510267509.7

申請日:

2015.05.21

公開號:

CN104915479A

公開日:

2015.09.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20150521|||公開
IPC分類號: G06F17/50 主分類號: G06F17/50
申請人: 浙江大學
發明人: 李玉良
地址: 310058浙江省杭州市西湖區余杭塘路866號
優先權:
專利代理機構: 杭州求是專利事務所有限公司33200 代理人: 邱啟旺
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510267509.7

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.11.14|||2015.10.14|||2015.09.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于性能組件模型和圖文法的產品自動方案優化設計方法,包括以下步驟:依據模型演化歷史采用面向對象的方法建立一個復合性能組件模型庫;以產品功能結構圖作為參考模型,由產品配置和布局設計獲得的圖文法及性能組件性能接口參數和功能圖中的信息、能量和物料流進行匹配來驅動系統性能模型的動態生成;采用元模型將系統性能模型轉變為包含優化目標模型及其相關約束的數學模型;啟動結合性能仿真框架的優化算法來求解該優化設計問題。優化后得到的最終結果包含性能組件的最優配置及最佳設計參數,該方法能夠搜索比傳統的基于變量的優化設計方法更大的空間,從而能獲得更優的結果。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于性能組件模型和圖文法的產品自動方案優化設計方法,其特征在于,包括以下步驟:
(1)依據性能模型演化歷史采用面向對象的方法建立一個復合性能組件模型庫;
所述的性能模型演化歷史是指針對產品方案設計過程所建立的不同精度的性能模型,包括針對原理設計的期望性能模型,針對工作結構設計的預測性能模型和針對實際工況的實際性能模型,這些模型以初始的物理或化學等基本定律為依據不斷擴展演化得到;依據性能演化模型,所述的復合性能組件模型包括描述設計演化歷史的應用層,描述性能模型類型的對象層和描述性能模型圖結構的計算層;所述計算層模型是由結點和邊組成的有向結構圖,其中結點可分為設計公式結點和設計變量結點,有向邊則是設計變量結點和設計公式結點之間的聯系;如果有向邊由變量結點指向公式結點表明變量是公式的輸入,而如果邊是由公式結點指向變量結點則表明變量是公式的輸出;
(2)以產品功能結構圖作為參考模型,由產品配置和布局設計獲得的圖文法及性能組件性能接口參數和功能圖中的信息、能量和物料流進行匹配來驅動系統性能模型的動態生成;
所述的產品功能結構圖是指根據用戶需求建立的描述產品功能組成及能量、信息和物料流動的方塊圖,該圖被用作系統性能模型生成的初始參考模型;在系統性能模型生成過程中,功能結構圖中的功能結點按照圖文法的重寫規則變換成性能組件結點,圖中的能量、信號和物料流則轉變成性能組件的輸入輸出變量;在系統性能模型生成過程中用到三類規則,即基于產品配置需求的功能層文法規則,功能‐組件映射規則和參數層規則,依據這三類規則,初始的功能宿主模型變換為系統性能組件模型可分為三個子步驟:在第一子步中,產品功能的拓撲和類型,相同功能結點的個數以及功能屬性的定量要求被確定下來;在第二子步中,啟動功能結點的實例化過程,功能結點轉變為性能組件,同時,能量、物料和信號流轉變為性能組件的輸入輸出變量;在第三子步中,首先確立各個組件包含的公共設計變量,然后對每個優化設計變量按照設計人員的經驗或設計手冊賦予一個變化區間;
(3)采用元模型將系統性能模型轉變為包含優化目標模型及其相關約束的數學模型,所述數學模型的形式如下:
Min Vo
Vo=F3(Vbdy5,Vini6,Vint1,Vint2,Vind31…,Vind3n)
Vint1=F1(Vbdy1,Vini2,Vind11…,Vind1l)
Vint2=F2(Vbdy3,Vini4,Vind21…,Vind2m)
邊界條件:
Vbdy1,Vbdy3,Vbdy5
初始條件:
Vini2,Vini4,Vini6
優化變量取值約束:
Vind1iu≤Vind1i≤Vind1il(i=1,…,l)
Vind2ju≤Vind2j≤Vind2jl(j=1,…,m)
Vind3ku≤Vind3k≤Vind3kl(k=1,…,n)
其中,Vo為需要優化的目標性能變量,F3(Vbdy5,Vini6,Vint1,Vint2,Vind31…,Vind3n)為優化目標函數,Vint1=F1(Vbdy1,Vini2,Vind11…,Vind1l)和Vint2=F2(Vbdy3,Vini4,Vind21…,Vind2m)為中間設計變量及其函數,Vbdy1,Vbdy3,Vbdy5為邊界條件變量,Vini2,Vini4,Vini6為初始條件變量,Vind1i,Vind2j,Vind3k為獨立設計變量,l,m,n為目標及中間函數中獨立設計變量的數量,Vind1il和Vind1iu分別為獨立設計變量的上限和下限;
所述元模型由四部分組成,即,①模型計算所用的輔助信息,包括材料屬性、邊界和初始條件等;②約束方程或不等式格式化和計算部分;③目標函數格式化和計算部分;④函數返回部分;所述元模型的中間兩個部分可由系統性能組件模型轉換而來,并利用性能組件模型的接口參數建立約束方程和目標參數之間的關聯;依據元模型模板獲得的系統性能優化模型,在進行優化求解之前有時需要進行變換,這些變換通過變量替換、代理模型應用和優化目標變更將一個復雜、耦合的設計問題轉變為一些可求解的子模型,或者是將單目標優化問題轉變為多目標優化問題,或者建立模型離散求解方法;
(4)啟動結合性能仿真框架的優化算法來求解該優化設計問題,具體為:將仿真框架用于優化模型的求解,將優化算法用于對優化變量進行編碼、賦值和目標評價;優化算法采用遺傳算法,仿真框架采用MatLab;
(5)查看并保存步驟2得到的設計方案及步驟4得到的優化目標和優化變量取值;如果此時的優化迭代次數小于預設規定次數,則迭代執行步驟2‐4;如果已 達到規定迭代次數,則從保存的設計方案中選擇最優的方案及設計變量和目標。

說明書

說明書基于性能組件庫和圖文法的產品自動方案優化設計方法
技術領域
本發明屬于計算機輔助機械設計技術領域,涉及機械產品方案優化設計的方法。
背景技術
設計人員在產品方案設計階段做出的決策對產品的設計目標有重要的影響,這是因為在此階段由于工程分析的不確定性會導致大量可能的設計選項被淘汰,從而使得最終的最優設計方案只能限制在一個較小的可行設計空間內。在產品方案設計階段進行不確定性條件下的分析和優化設計的研究較少。在產品方案設計階段,除了具有參數不確定性外,還廣泛存在模型不確定性。模型不確定性,有時也稱為結構不確定性或非參數不確定性,一般定義為沒有一個統一的、可被認可的描述某個問題的模型。在產品方案設計階段,產品模型可分為設計域和性能域模型,其中設計域模型是指包含產品功能結構、物理效應、工作結構和系統配置等在內的模型。設計域的不確定性結構對產品性能域模型有直接的影響。因此,考慮這兩者之間的直接關聯關系,對產品性能域模型及其參數直接進行優化組合是一種可直接消除在產品方案設計階段廣泛存在的模型和參數不確定性的方法,并能夠獲得比單純進行參數優化設計更好的設計結果。
對現有的技術文獻檢索發現,目前關于在產品詳細設計階段進行不確定條件下的產品優化設計方法已經有很多的研究,Yao等和Zang等進行了綜述,但在方案設計階段進行模型不確定性分析和優化研究很少。現有的方案設計方法如質量功能展開(QFD)、TRIZ理論等雖然具有進行產品方案設計的功能,但這些方法當中缺少一種能夠可編程的、能夠連續處理結構不確定設計問題的模型變換方法。在網絡通信和計算機多處理系統中雖然已經出現了一些系統和組件并行優化設計的方法,如Thai and Pardalos以及Kempf等所述,但這些方法很難移植到機械設計領域,這是因為機械設計中存在的大量約束很難用這些方法進行處理。鑒于此,基于提出的產品性能組件庫和設計過程中積累的圖文法規則,本發明提出一種能夠在機械產品方案設計階段進行系統和性能組件同時優化的設計方法。
發明內容
本發明的內容是針對現有技術的不足,提出一種基于性能組件庫和圖文法的 產品自動方案優化設計方法。該方法以產品系統設計為主要應用對象和領域,通過對組成產品系統的性能組件進行變換,能夠在更大范圍內對產品設計域進行探索,在對模型和參數不確定性進行消解的過程中,同時獲得比傳統參數和變量優化設計方法更優的設計結果。
本發明是通過以下的技術方案實現的,一種基于性能組件模型和圖文法的產品自動方案優化設計方法,包括以下步驟:
(1)依據性能模型演化歷史采用面向對象的方法建立一個復合性能組件模型庫;
所述的性能模型演化歷史是指針對產品方案設計過程所建立的不同精度的性能模型,包括針對原理設計的期望性能模型,針對工作結構設計的預測性能模型和針對實際工況的實際性能模型,這些模型以初始的物理或化學等基本定律為依據不斷擴展演化得到;依據性能演化模型,所述的復合性能組件模型包括描述設計演化歷史的應用層,描述性能模型類型的對象層和描述性能模型圖結構的計算層;所述計算層模型是由結點和邊組成的有向結構圖,其中結點可分為設計公式結點和設計變量結點,有向邊則是設計變量結點和設計公式結點之間的聯系;如果有向邊由變量結點指向公式結點表明變量是公式的輸入,而如果邊是由公式結點指向變量結點則表明變量是公式的輸出;所述復合性能組件模型滿足了產品設計演化的實際需求,便于在不同的產品設計階段選擇不同的性能組件,同時該模型的對象層和計算層便于設計人員進行模型的推理和評價計算,并且基于圖模型的計算模型也方便后續的系統性能模型的生成;
(2)以產品功能結構圖作為參考模型,由產品配置和布局設計獲得的圖文法及性能組件性能接口參數和功能圖中的信息、能量和物料流進行匹配來驅動系統性能模型的動態生成;
所述的產品功能結構圖是指根據用戶需求建立的描述產品功能組成及能量、信息和物料流動的方塊圖,該圖被用作系統性能模型生成的初始參考模型;在系統性能模型生成過程中,功能結構圖中的功能結點按照圖文法的重寫規則變換成性能組件結點,圖中的能量、信號和物料流則轉變成性能組件的輸入輸出變量;在系統性能模型生成過程中用到三類規則,即基于產品配置需求的功能層文法規則,功能‐組件映射規則和參數層規則。規則的具體格式可參閱圖文法的著作如Rozenberg編著《Handbook of Graph Grammars and Computing by Graph Transformation》等。依據這三類規則,初始的功能宿主模型變換為系統性能組件模型可分為三個子步驟:在第一子步中,產品功能的拓撲和類型,相同功能結點 的個數以及功能屬性的定量要求被確定下來;在第二子步中,啟動功能結點的實例化過程,功能結點轉變為性能組件,同時,能量、物料和信號流轉變為性能組件的輸入輸出變量;在第三子步中,首先確立各個組件包含的公共設計變量,然后對每個優化設計變量按照設計人員的經驗或設計手冊賦予一個變化區間;
(3)采用元模型將系統性能模型轉變為包含優化目標模型及其相關約束的數學模型,所述數學模型的形式如下:
Min Vo
Vo=F3(Vbdy5,Vini6,Vint1,Vint2,Vind31…,Vind3n)
Vint1=F1(Vbdy1,Vini2,Vind11…,Vind1l)
Vint2=F2(Vbdy3,Vini4,Vind21…,Vind2m)
邊界條件:
Vbdy1,Vbdy3,Vbdy5
初始條件:
Vini2,Vini4,Vini6
優化變量取值約束:
Vind1iu≤Vind1i≤Vind1il(i=1,…,l)
Vind2ju≤Vind2j≤Vind2jl(j=1,…,m)
Vind3ku≤Vind3k≤Vind3kl(k=1,…,n)
其中,Vo為需要優化的目標性能變量,F3(Vbdy5,Vini6,Vint1,Vint2,Vind31…,Vind3n)為優化目標函數,Vint1=F1(Vbdy1,Vini2,Vind11…,Vind1l)和Vint2=F2(Vbdy3,Vini4,Vind21…,Vind2m)為中間設計變量及其函數,Vbdy1,Vbdy3,Vbdy5為邊界條件變量,Vini2,Vini4,Vini6為初始條件變量,Vind1i,Vind2j,Vind3k為獨立設計變量,l,m,n為目標及中間函數中獨立設計變量的數量,Vind1il和Vind1iu分別為獨立設計變量的上限和下限;
所述元模型由四部分組成,即,①模型計算所用的輔助信息,包括材料屬性、邊界和初始條件等;②約束方程或不等式格式化和計算部分;③目標函數格式化和計算部分;④函數返回部分;所述元模型的中間兩個部分可由系統性能組件模型轉換而來,并利用性能組件模型的接口參數建立約束方程和目標參數之間的關聯;依據元模型模板獲得的系統性能優化模型,在進行優化求解之前有時需要進行變換,這些變換通過變量替換、代理模型應用和優化目標變更等將一個復雜、耦合的設計問題轉變為一些可求解的子模型,或者是將單目標優化問題轉變為多 目標優化問題,或者建立模型離散求解方法以便獲得高效、可行的求解方法;
(4)啟動結合性能仿真框架的優化算法來求解該優化設計問題,具體為:將仿真框架用于優化模型的求解,將優化算法用于對優化變量進行編碼、賦值和目標評價;優化算法采用遺傳算法,仿真框架采用MatLab;
(5)查看并保存步驟2得到的設計方案及步驟4得到的優化目標和優化變量取值;如果此時的優化迭代次數小于預設規定次數,則迭代執行步驟2‐4;如果已達到規定迭代次數,則從保存的設計方案中選擇最優的方案及設計變量和目標。
與現有技術相比,本發明具有如下有益效果:在設計人員按照本發明中所規定的方法建立好性能組件庫之后,可以快速地生成多個產品系統方案,并對這些方案的參數進行優化,這樣一方面節省了大量的人力用于產品新方案的生成,同時能在更大范圍內進行方案優選,在提高產品方案設計效率的同時,可獲得比傳統單純參數優化設計更好的設計方案。
附圖說明
圖1為基于性能組件庫和圖文法的產品自動方案優化設計方法示意圖;
圖2為伴隨產品方案設計進程的性能模型演化;
圖3為復合組件模型;
圖4為以油氣懸掛系統為例說明復合組件模型庫建設方法
圖5為基于圖文法的系統性能模型動態生成;
圖6為系統性能組件圖生成和轉換過程;
圖7為基于元模型的系統優化模型裝配;
圖8為優化變量編碼。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明,本發明的目的和效果將變得更加明顯。
本發明提供了一種基于性能組件庫和圖文法的產品自動方案優化設計方法,如圖1所示。該產品自動方案優化設計方法通過采用組件組合圖文法規則對按一定要求建立的性能組件庫進行操作來動態生成系統性能模型,并將該系統性能組件模型轉化為系統優化模型進而進行求解的方法。該方法能在模型和參數兩個層次內進行產品設計方案的探索,不僅能提高產品方案設計的效率,還能獲得比傳統單純參數優化設計更好的設計方案。
在該方法中,產品性能模型采用MatLab進行編寫,方案生成模塊采用GrGen.net進行編寫,產品配置需求及性能組件管理和系統優化模型生成及求解模塊采用Visual Basic.net編寫。依據模型演化歷史,提出了如圖2所示的、具有不同精度的三種性能模型。在此基礎上,建立了如圖3所示的產品復合性能組件模型庫,圖4以油氣懸掛系統為例,給出了復合組件模型庫實例。在建立了產品性能組件模型庫之后,下面結合圖5‐圖8來詳細說明產品方案優化設計的過程。
在產品方案優化設計過程中(圖6所示),首先按照圖5所示建立一個初始的產品功能結構圖。該結構圖以圖的形式進行表達,可由產品功能層圖文法規則進行分解、擴展和合并等,以便最終生成滿足用戶需求的產品功能結構模型。然后,采用功能‐組件映射規則將建立好的產品功能結構模型映射為產品系統性能組件模型,其中功能結構圖中的功能結點變為性能組件結點,功能圖中的能量、信號和物料流變成性能組件的輸入和輸出變量。最后,對變換得到的系統性能組件圖中各個組件的變量進行統計,找到公共設計變量,避免在優化時重復編碼,同時對每個優化設計變量賦予一個變化區間。在獲得系統性能組件結構圖之后,還需要將該結構圖變為可用來優化求解的數學模型。在轉換過程中采用了基于元模型的變換方法,如圖7所示。在轉換過程中,系統性能組件圖中的兩個中間變量Vint1和Vint2稱為性能組件F1、F2和組件F3的關聯變量,并在優化模型中成為優化目標和設計約束之間的聯系變量。每個性能組件采用一個MatLab腳本函數文件編寫,其調用順序要按照是否有變量關聯關系進行確定。在確定系統性能優化模型后,對第三步中確定的優化變量進行編碼,編碼過程如圖8所示,并啟動遺傳算法進行優化計算。
本發明充分考慮了機械產品方案設計時的模型和參數不確定性和為適應不同產品設計需求的模塊開發性問題,為解決產品方案設計階段設計信息缺乏、往復迭代、計算工作量大等問題提供了一個基于性能組件庫和圖文法的可行方案優化設計方法。該方法利用據用廣泛適應性的性能模型進行組合優化,同時能夠融合設計人員積累的產品組件配置知識,加上目前計算機所具有的強大計算能力,能在模型和參數兩個層次對產品設計域進行搜索,能夠高效的獲得比傳統單純的參數優化更好的設計方案。
上述對實施方式的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域的技術人員顯然可以將本發明所介紹的方法應用于他們的設計實踐,并對本方法作出適當的修改,這個過程不需經過創造性勞動。本領域技 術人員根據本發明的揭示,對于本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。

關 鍵 詞:
基于 性能 組件 圖文 產品 自動 方案 優化 設計 方法
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