概念设计是产品开发过程中最为重要的阶段,也是计算机辅助设计的薄弱环节。随着计算机及网络技术、协同概念设计技术以及智能化概念设计技术等的进一步发展与成熟,概念设计将朝着网络化、智能化、数字化的方向迈进。考虑到概念设计的重要性,本文在国家自然科学基金项目(No.50505017,50775111)的支持下,研究了机电产品方案设计的程式化、智能化方法。本文以矩阵算式为工具,对机电产品的功能分析、功能模型的构建、功能链的分解、单功能链设计方案的求解、功能链设计方案的优化、功能链聚合的设计方案求解以及辅助系统的开发等诸多方面进行了研究,其目的在于:在概念设计阶段,对机电产品的设计方案自动化求解,为新产品的开发提供决策方案。本文研究的主要内容如下:(1)研究了产品功能信息表达及功能链的获取方法。功能信息表达是产品概念设计的基础,为了分析产品功能,首先介绍了产品功能的定义、产品功能的分解方法、产品的底层功能--元功能以及元功能的表述语言—功能本体;其次介绍了功能链的定义、结构类型、聚合方法以及主功能链的定义及获取方法;然后,研究了功能链的矩阵式表达,给出了功能、元件等相关矩阵的定义。最后,分析了豆浆机、吹吸机等几个案例的功能,给出了相关信息的表达矩阵。(2)研究了基于矩阵算式的单功能链设计方案的求解方法。矩阵可以清晰的表达功能、元件之间的各种关系,因此矩阵作为工具被用来表达、求解功能链的设计方案。首先研究了功能模型分解为功能链的方法,然后研究了功能-元件矩阵、功能关联矩阵、设计结构矩阵的构建方法及设计方案矩阵的求解方法,最后分析了某传动机构设计方案的求解过程。在方案求解的过程中,功能、元件间的各种关联、约束、冲突等信息都通过矩阵来表达、计算和传递,最后设计方案矩阵中所蕴含的设计方案既能满足产品功能需求又能满足设计结构的要求。(3)研究了单功能链设计方案的优化方法。首先介绍了蚁群算法原理、相似性理论、广义距离的定义以及相似度矩阵的构建方法;其次研究了设计方案的评价模型和基于蚁群算法的设计方案优化模型,给出了评价参数、权重以及评价值的计算方法,定义了信息素矩阵和概率矩阵;然后,通过相似度矩阵和设计方案矩阵的计算获得包含相似度信息的设计方案矩阵,进而获得初始信息素矩阵和初始概率矩阵;最后,将产品设计方案的求解问题转化为蚁群算法中蚂蚁需找最优路径的问题,研究了利用蚁群算法和设计方案矩阵获得最优化方案的方法。(4)研究了功能链聚合的设计方案求解方法。首先分析了两条功能链上的输入流、输出流和元功能的相似性,给出了输入流相似矩阵、输出流相似矩阵、元功能相似矩阵以及功能相似总矩阵的构建及求解方法。然后研究了元件关联矩阵的计算方法和元件的关联性分析方法,通过矩阵计算将功能的相似性映射为元件的关联性,通过分析元件关联性获得功能链的聚合方案。最后,通过求解剃须刀和吸尘器两个产品主功能链的聚合方案,详细的介绍了功能链聚合方案的求解过程。(5)开发了机电产品方案设计原型系统,并利用该系统获得了移载平台传动机构和三坐标送料机的设计方案。首先开发了产品设计知识库和矩阵信息数据库;然后在产品方案求解方法的基础上开发了机电产品方案设计原型系统,将研究的计算方法用软件实现,用以辅助产品设计方案的求解;最后利用研究的产品设计方案求解方法,在原型系统的辅助下获得了移载平台传动机构和某大型三坐标送料机的设计方案。