可适应设计方法及应用_顾佩华,薛德意,彭庆金,张健_9787577212777

本书提供了适应性设计（AD）的全面研究，从构思概念、开发方法和应用到AD的真实世界产品设计，通过扩展AC的设计和物理产品的实用性，可以实现实质性的益处。AD的主要元素包括合理化的功能结构、可适应的产品架构、可适应接口和适应性评估。AD原则的关键方面是适应性，包括设计适应性、产品适应性、一般适应性和特定适应性，以及适应性的建模和评估。对这些方面的详细讨论是为了理解AD。还描述了在软件中实现AD和设计应用的方法、工具和技术。包括AD的应用示例，以说明如何在实际产品设计中使用AD。*后，强调了人工智能、大数据、物联网、云技术等先进技术以及元宇宙和Web3.0时代AD的未来发展。

可适应设计(adaptable design)的概念*初是在1995年至1997 年间构想出来的。在此期间，我主持了NSERC/AECL Industrial Research Chair高级设计项目（NSERC 是加拿大自然科学和工程研究理事会；AECL是加拿大原子能有限公司）。当时，AECL在加拿大建了多个核电站，正打算改进设计并建造核电站，以及研究反应堆。那时建造的典型核电站的安全运行寿命至少为40年，有的服役时间更长。对于任何核电站或其他重要工程系统，其设计和建造都反映了当时的技术能力。随着技术的不断进步，在核电站竣工后不久的将来，为了提高性能和延长运行寿命，需要对核电站的一些部分进行升级。为适应重要工程系统的升级、维修和更换操作，可在设计中嵌入特殊设计特性，这样的设计特性就是设计的可适应能力。对于重要工程系统的设计和建造，通常会邀请设计、采购和施工（EPC）公司对项目进行投标。方案的编制和标书的拟写通常需要耗费大量的时间和资源来完成。招标的结果是一份正式合同，以议定的成本和期限交付项目。为了保障拟建工程系统设计的效率与合理性，EPC公司往往希望能够在现有类似项目设计的基础上开发新的设计。重复利用现有的类似设计，不仅能够有效提高设计效率，而且能够在一定程度上更准确地估算完成项目的工序流程、工具设备以及建造成本，以有效避免成本和时间的违约。多家EPC公司资助我主持了第二个NSERC Industrial Research Chair设计项目，以开发和完善相关设计概念与方法，并能够在现有设计的基础上快速开发新的设计设计重用，这也是可适应设计的一个组成部分。多个制造研究团体（如国际生产工程科学院（CIRP）不断进行的研究与讨论极大地促进了制造技术和方法的发展，持续不断地提高着产品生产率和质量，并有效降低了总成本及其环境影响。从某一个特定的产品来看，客户往往希望产品既具有卓越的功能，又能够保持高品质和低价格；产品制造商希望提高利润率或占有更大的市场份额，或两者兼而有之；社会或公众希望获得对环境影响*小、资源利用率*高的绿色环保产品。仅凭制造技术与方法的研究可能无法解决上述所有问题，这是因为一些挑战是与设计密切相关的。对于典型的制造公司来说，企业只是简单地按照设计生产产品。根据我的制造研究经验和工业实践，一个合理的设计可以部分地解决上述由目标冲突所引起的挑战。这也是提出可适应设计的一个原因。可适应设计的概念、方法和应用在过去几十年中一直在不断发展，大多数研究和应用工作都是由我与在加拿大和中国的同事、研究生开展的。随着人工智能、大数据、物联网、云计算和VR/AR 技术的快速发展，本书在总结过去几十年可适应设计工作进展的同时，旨在进一步促进可适应设计在这个数字化、碳中和与工业元宇宙时代的发展。*后，我要借此机会感谢完成手稿的合著者，感谢所有进行研究和应用工作的同事和研究生。希望本书的出版能够促进可适应设计在未来的研究和应用。顾佩华天津大学二○二三年六月

第1章可适应设计简介/11.1产品生命周期和工程设计/21.1.1产品生命周期/21.1.2工程设计/51.1.3设计方法和工具/61.1.4可适应设计需求/91.2可适应设计原则/101.2.1可适应设计/101.2.2可适应设计中效用的扩展/121.2.3可适应设计中的关键问题/131.3可适应设计的益处/161.3.1用户效益/161.3.2生产商效益/171.3.3大型系统可适应性给用户和生产商带来的好处/181.3.4环境效益/181.4可适应设计的应用/191.5可适应设计和其他设计方法之间的差异/211.6本书的结构/221.7总结/23本章参考文献/23第2章可适应设计建模/342.1可适应设计的合理化功能结构/342.1.1可适应设计的功能建模/352.1.2可适应设计的结构建模/382.1.3功能组件和结构组件之间的关系/442.2可适应设计的产品架构/452.2.1模块化产品/452.2.2平台与产品族/462.2.3开放式架构产品/472.3可适应接口/502.4可适应产品的装配和拆卸/532.4.1产品装配建模/532.4.2拆卸操作建模/572.5总结/59本章参考文献/59可适应设计方法及应用目录第3章可适应设计评价方法/643.1工程设计评价方法/643.2可适应性的评估方法/653.2.1具体产品可适应性/683.2.2具体设计可适应性/753.2.3一般产品可适应性/763.2.4一般设计可适应性/793.3可适应性在设计评估中的作用/803.4基于信息熵的可适应性评估/863.4.1可适应产品的功能、结构和参数/863.4.2用于可适应性评估的信息熵/863.5总结/91本章参考文献/91第4章可适应设计的流程和方法/934.1可适应设计流程/934.1.1产品可适应性的设计流程/934.1.2设计可适应性的设计流程/954.2可适应设计的要素/954.2.1设计需求/954.2.2候选设计方案/994.2.3设计评估/1044.2.4设计优化/1054.3稳健可适应设计/1084.3.1考虑需求和参数变化的稳健可适应设计/1084.3.2考虑产品配置变化的稳健可适应设计/1194.3.3开放式架构产品的稳健可适应设计/1264.4可适应产品的操作规划/1334.4.1可适应产品的装配规划/1334.4.2可适应产品的拆卸顺序规划/1374.5大规模个性化产品的可适应设计/1384.5.1开放式架构产品的模块规划/1394.5.2开放式架构产品的详细设计/1404.5.3产品个性化/1424.6总结/143本章参考文献/143第5章可适应设计的工具和技术/1475.1模块化设计工具/1475.1.1可适应产品模块化规划方法/1475.1.2模块分类方法/1595.2优化工具/1645.2.1有约束优化/1645.2.2多目标优化/1675.2.3多级优化/1695.2.4全局优化/1725.3基于网络的可适应设计工具/1795.3.1简介/1795.3.2基于网络的可适应设计工具/1805.3.3基于网络的可适应设计工具应用/1835.4用于可适应产品设计和评价的虚拟现实系统/1855.4.1简介/1855.4.2基于VR技术的交互设计系统/1875.4.3应用案例1食品流动餐车/1915.4.4应用案例2房车设计/1965.4.5结论/1985.5总结/199本章参考文献/199第6章可适应设计的应用/2046.1数控机床的可适应设计/2046.1.1装备结构的重新设计流程/2046.1.2重新设计过程的评估标准/2066.1.3整机改进/2116.1.4新一代YH605齿轮切削机的研制/2136.1.5设计结果分析与讨论/2146.2重型龙门铣床可适应产品平台的设计/2156.2.1可适应产品平台的设计/2156.2.2应用可适应产品平台建造重型龙门铣床/2236.3用可适应设计方法规划大规模个性化产品生产/2266.3.1简介/2266.3.2背景介绍/2276.3.3大批量个性化产品设计方法/2306.3.4案例研究/2306.3.5个性化分析/2376.3.6总结/2386.4工业涂布机的可适应设计/2396.5开放式架构纸袋折叠机/2446.5.1开放式接口的初步设计/2446.5.2纸袋折叠机开放式接口的改进设计/2486.6发电机测试可适应设备的设计/2506.6.1设计问题/2506.6.2*佳可适应设计/2516.6.3比较研究/2576.7工业折袋机旋转工作台的可适应设计/2616.7.1装配建模/2626.7.2模块的装配顺序规划/2646.7.3模块内零件装配顺序规划/2646.7.4模块装配顺序规划/2646.8总结/266本章参考文献/267第7章结束语和发展趋势/2697.1结束语/2697.2发展趋势/2707.3总结/276本章参考文献/276

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