产品设计是制造业的灵魂,《中国制造2025》明确要求要以促进制造业创新发展为主题,以提质增效为中心,以信息技术与制造业深度融合为主线,实现制造业由大变强的历史跨越。而方案设计作为产品设计中最为关键的环节,决定了设计开展的方向和产品性能、质量等诸多因素。随着产品结构、功能复杂程度不断增加,方案设计的周期和难度也不断增加,难以适应激烈的市场竞争所提出的需求响应快速化的要求。知识作为“知识经济”时代的基础,业已成为企业的核心竞争力,为现代产品设计提供了重要了智力资源,从某种程度上说,现代产品设计是一个知识驱动的创造性过程。借助产品全生命周期各阶段所包含的大量知识,来代替固有设计经验,能够缩短设计时间、提高设计效率和方案的合理性、快速响应市场需求。而当前对于产品设计所需知识的获取、组织、传递和运用能力,仍停留在较低的水平,这也是制约产品方案设计和产品创新的瓶颈。为此提出“面向方案设计的产品全生命周期知识驱动关键技术”的课题,一方面力求实现企业分散的智力资源的有效整合,另一方面努力提高企业的产品设计效率和创新能力。具体研究内容如下:(1)面向方案设计的产品全生命周期知识驱动体系框架。以公理化设计理论为指导,定义了方案设计中的需求域、广义功能域、方案域,拓展了原有设计域的内涵,提出了基于复式质量屋的用户需求向广义技术特性和方案特征的映射和转化方法,相比传统质量屋,降低了关联矩阵的复杂度。给出了产品生命周期知识的定义,阐述了基于产品全生命周期知识的方案设计的内涵,建立了面向方案设计的产品生命周期知识驱动体系框架,讨论了全生命周期知识驱动的关键技术。(2)面向工程数据和经验的知识获取方法研究。确定了产品方案设计要求与知识间复杂映射关系,给出了给出了产品方案知识的获取技术框架,提出了面向产品生命周期各阶段工程数据和专家隐性经验相结合的知识联合获取方法,根据获取知识源的不同,分为显性数据挖掘和隐性知识获取两个方面。面向显示数据,提出了基于不可分辨和优势关系粗糙集的分层获取策略。面向专家隐性知识,提出了基于问题情境的三阶段法隐性知识获取方法。研究了规则分裂、合并、关联等获取知识的再加工技术,确定了知识可靠性的评价指标,对获取的知识进行可靠性分析。(3)产品方案知识的多维度表示模型研究。分析了产品方案知识的内容和表达需求,建立了产品方案知识的多维度表示模型。广度维,从知识来源视角出发,提出基于知识元链接的广度维知识融合方法,将设计下游的制造、运行、维护等产品生命周期各阶段的知识融合到方案设计中,以规避设计隐患。粒度维,从知识的组织层次和细化粒度视角出发,基于驱动过程将产品方案知识划分为决策层知识、推理层知识和对象层知识等三种表示粒度,并基于面向对象的思想构建了树结构、表结构、有向图关联等三种知识表示方式。深度维,从知识类型出发,提出基于本体和知识组件的表示方法,通过知识本体建模、知识组件封装、本体与知识组件的映射等技术从知识重用的角度对知识表示方法进行了研究。(4)面向快速设计的层级递进驱动策略研究。针对由案例库和需求多样性的增加引起的案例检索效率不高和案例修改繁琐的问题,提出一种面向快速设计的PLK层级递进驱动策略,即索引驱动——模版驱动——导航驱动,以实现产品方案的快速检索、修改和重用。索引驱动采用SOM聚类进行快速检索,模版驱动通过相似匹配模版进行计算选择出推荐的相似方案,导航驱动以导航控制模型为核心,对相似方案中的差异进行快速的调整,实现了由用户需求到产品方案的快速检索、修改重用的一体化快速设计。研究了产品方案的单元配置设计,基于黑箱法与IDEF0相结合建立了产品方案空间的驱动单元配置表达模型。(5)方案设计平台开发和应用案例研究。在上述理论研究的基础上,以大型环保装备袋式除尘器为应用对象,设计开发了袋式除尘器全生命周期知识驱动方案设计平台。该平台提供了产品方案快速设计、方案管理和知识管理等功能,不仅摆脱了对设计人员的过度依赖,而且通过产品方案设计范例及数值模拟验证表明提高了方案设计效率和产品综合性能。