设计的频繁修改、已有设计重用率低和设计过程不可控严重影响了产品的设计效率,加重了设计师的工作负担。不同于大批量生产的普通产品,作为定制的单件或小批量生产的大型机械产品,其设计需要面对多维复杂性、结构层次性、过程迭代性、创新渐进性、演进非线性和设计信息不确定性的挑战。自顶向下设计是有效的快速设计方法,而传统自顶向下设计难以应对这些挑战,还需深入研究产品功能结构、信息管理、继承机制、设计重用以及设计活动优化等方面内容。针对以上问题和挑战,围绕自顶向下设计需解决的两个科学问题:1)面向耦合、迭代和重用的产品系统设计,2)不确定信息的层次化设计任务规划,重点研究机械产品系统多骨架自顶向下设计的模块化功能结构构建、布局设计和过程规划三项关键技术用以提高设计效率。主要开展了以下工作:(1)提出了基于有向加权复杂网络社区的模块化功能结构构建方法。首先提出了构建有向加权复杂网络功能模型的方法。产品系统功能基建模后,通过将功能基映射为网络节点,功能流映射为网络有向边,合并不同的功能流有向边,获得有向边的综合权重,从而获得产品系统的有向加权网络功能模型。其次研究了随机游走和社区发现的有向权重复杂网络模块的划分方法。基于LinkRank的社区发现算法和模拟退火算法实现了模块化功能结构的构建。(2)提出了多骨架建模布局自顶向下设计方法。首先通过研究产品系统布局设计时不同层级结构间设计信息描述和不同模块间接口关系的继承机制,将设计信息分为五类:定位信息、接口特征、设计空间、关键特征和运动学约束。其次将这五类设计信息用三种骨架来建模,三种骨架为:定位骨架、接口骨架和发布骨架。最后提出用递归和迭代的方式实现从相对抽象设计描述到详细设计描述的产品系统布局设计的多骨架建模方案。该多骨架建模方法能够实现产品系统不同层级间设计信息的变更传播,通过重用和修改已有模块提高设计效率,在设计早期阶段不需详细设计就可以评估和验证设计。另外,多骨架建模方法可以应用于大多数CAD(计算机辅助设计)系统。(3)提出了基于模糊层次设计结构矩阵的产品系统自顶向下设计过程规划方法。首先根据产品结构和多骨架布局设计方案,建立产品设计过程,依设计过程构建层次设计结构矩阵识别耦合设计活动。由于设计信息存在不确定性,引入专家打分成对比较法构建基于三角模糊数的耦合设计结构矩阵,计算评估设计活动的耦合度,根据耦合度对设计活动合并、分解和重构实现设计过程的优化。(4)将研究成果应用于重载履带起重机,提供了应用范例。以重载履带起重机为应用对象,将研究成果应用在自顶向下设计中。构建了重载履带起重机的模块化功能结构,实施了多骨架建模布局,评价了设计过程。所提出的自顶向下设计方法能够保证设计过程迭代、快速修改和设计重用。整套方法验证了所提出的自顶向设计关键技术的可行性和有效性。多骨架布局建模设计技术被应用到了某卫星设计公司,设计效率得到了明显提升。本研究为实现机械产品系统自顶向下设计作了深入探索,为机械产品构建功能结构、布局设计和过程优化提供了方法支持,为继续深入研究打下了基础。来源于企业实际的重载履带起重机自顶向下设计合作项目获得了企业肯定。