机械产品概念设计是产品设计过程中最为重要的阶段，产品概念设计方案的质量是决定产品最终质量、产品市场竞争力以及企业获利最为关键的因素。现实产品和零件的结构复杂多变，在结构表达、结构构思及设计过程描述等方面，构成对工业界产品设计工作者的严重挑战。旨在解决设计困难的产品设计理论与设计方法学研究至今尚未找到理想的解决途径。本文在最新设计自动化理论研究基础上，探讨人造产品的“基因”概念和“基因”工程，对于提高人类对人造产品世界的理解和掌握能力，以及自动处理产品知识和数据的能力，均具有重要理论价值和深远的经济价值。本文通过概念设计与生物生长过程的相似性类比，借鉴生物基因工程原理，提出基于产品生命周期基因工程的产品概念设计理论，试图利用产品基因的遗传性和变异性来实现概念设计过程中的知识重用和产品创新；将生物生长机理用于机械产品概念设计自动化技术，通过对产品生命周期基因的操作实现产品的并行设计。本文主要对产品基因工程理论、技术及其应用等方面进行了研究。本文首先从理论上对机械产品基因工程进行研究，介绍了产品基因工程的理论基础——广义定位原理、分解重构原理、功能表面理论和生长型设计理论。广义定位原理阐明了机械产品中每一零件都应遵循的法则，分解重构原理揭示了发明创造的本质，功能表面充当着抽象概念直观表达的媒介，生长型设计理论则是对生物生长机制的借鉴与应用。基于上述理论基础，本文提出基于功能表面的产品生命周期基因理论和产品基因工程。通过综合分析产品基因理论研究现状和现阶段存在的问题，对产品基因本质和内涵进行了重新认识，提出产品生命周期基因的概念。认为产品基因是产品生命周期信息的有机集合，产品基因规定了产品的基本功能、结构特征以及产品自动生成机制。在产品生命周期的不同阶段，产品基因表现为不同的形式，有着不同的作用。分析了产品基因的基本特征，认为产品基因具有遗传性、变异性和自组织性与自适应性等特点，产品基因的这些性质使得基于产品基因的产品创新设计和设计自动化成为可能。根据产品概念设计的需要，本文把产品基因整合划分为功能基因(包括概念结构基因)、结构基因、技术基因和管理基因等，并对其数据结构进行了分析，建立了产品基因的层次结构。功能表面具有功能-结构二元性，并且可以作为产品生命周期信息的载体在功能与结构间有效地传递信息。本文把功能表面作为产品基因的碱基，参照生物基因的Chargaff法则，以广义定位原理为指导，提出产品基因碱基组成法则。以产品碱基组成法则为基础，仿照生物基因的结构，构建了产品DNA模型作为产品生命周期信息的载体，从而建立了基于功能表面的产品生命周期基因模型。基于产品基因模型，提出基于产品基因的概念设计模型。从而，使功能-结构映射概念设计模型转变为功能-产品基因-结构映射的新模式。由于产品基因是以功能表面为载体，且包含了产品生命周期的信息，所以该模型使设计过程中信息更为丰富准确，能够在概念设计阶段将产品生命周期更多的影响因素考虑在内，解决功能-结构映射病态性的同时，可以从整体上优化产品概念设计方案。进而，提出了产品基因工程的理论框架。产品基因工程是获取现有产品基因，根据设计需求按照一定的规则对其进行重组、评价与修改，并在特定环境中通过基因的控制机理和表达方式，创造出更有价值产品的过程。产品基因工程的本质是基于资源重用策略的产品创新设计，产品基因的本质决定了产品基因工程面向产品全生命周期和面向产品族设计的特点。在上述理论研究基础之上，本文对产品生命周期基因工程的主要组成技术进行了研究。产品基因工程的关键技术组成包括产品基因的获取、目的基因的检索与重组和产品基因的表达等技术。产品基因的获取，对应于生物基因逆转录的概念，是产品基因工程的前提与关键。本文提出基于产品逆向工程的产品基因获取方法。赋予了产品逆向工程新的含义与特点，把产品逆向工程定义为在产品基因工程理论指导下根据现有产品及其相关信息重新构造产品基因的创造性工程，从而把对实物的反求扩展到对人类设计思维反求的高度。在产品逆向工程理论指导下，提出基于功能模式的零件基因获取方法。以生长型设计理论为基础，通过具有特定作用关系的功能表面之间的耦合，实现了产品设计过程的重构。产品设计过程重构并不要求完全按人类思维过程，而是根据成功地设计结果，重构直接而高效的设计过程，以指导和启发产品改良与创新设计。从而，以零件基因为基础建立产品基因。并且，在产品设计过程重构基础上，基于概念结构与公差同步进化理论，对产品公差信息重构方法进行了研究，利用公差链的自动生成技术，通过构建封闭环与组成环和局部尺寸链与全局尺寸链，实现公差的分配与全局优化，从而实现产品公差信息的重构。目的产品基因的检索，采用了基于需求产品基因与目的产品基因匹配度的检索方法，应用层次分析法确定匹配度权值系数，进而建立匹配度函数。利用遗传算法进行产品基因的重组，引入模糊评价理论构造产品基因的适应度函数，从而实现了产品基因评价指标的量化，把产品基因的重组与评价进行了有机的结合，重组过程中实现了产品基因的评价与选优，并对相关算法进行了研究。对于产品基因的表达，仿照生物基因中心法则，提出了产品基因的控制机理，将产品基因的表达分为“转录”与“翻译”两个步骤。认为产品基因的转录是由产品基因编码生成产品概念结构的解码过程，而产品基因的翻译则是从产品概念结构生长成为产品实体结构的过程，并采用了基于零厚度实体进化的产品概念结构向实体结构的表达方法。另外，对产品基因库技术和产品编码技术进行了研究。产品基因库中基因的存储按照零件-模块-产品的层次方式存储，这种存储方式不但能够方便产品的基因管理和增加产品基因的可维护性，还可以提高目的基因的检索速度和检索的准确度。采用面向对象技术，建立了产品碱基类、零件基因类、模块基因类和产品基因类对产品基因进行封装。产品基因编码技术采用了混合式编码结构，针对产品概念设计的特点，采用功能基因编码、概念结构基因与其它类型基因分段编码的方式。作为对产品基因工程理论的应用，本文将产品基因工程与面向大批量订制的设计有机结合，提出了基于产品基因的产品平台。把基于产品基因的产品平台定义为一个广义的概念，该产品平台充分考虑产品生命周期信息，内涵得以扩展，它不仅包括产品设计中可重用模块，还包括通用的设计方案、设计资源、相同的加工过程、制造资源和产品生命周期过程中其它的可重用信息；产品基因工程将产品平台置于一个动态发展演化过程当中，一旦有新产品被开发出来，相应的新产品基因就会融入到产品平台当中。另外，通过对产品基因的管理，实现生产资源的优化和产品基因的进化，进而使产品平台得到加强和改善，更能满足市场与客户不断变换的需求。该平台结合了基于功能分析产品平台和基于参数共享产品平台的优点，不但面向概念层，同时关注于产品的技术方案的快速响应，并且具有基于CBR产品平台的实用性，另外，克服了基于功能分析产品平台的难以实现计算机化的缺点。对基于产品基因的产品平台建模方法进行了研究。由于产品平台提供个性化产品的可能性和形成规模性生产的可能性在制造定制处得到了较好的平衡，解决了产品个性化要求与规模生产的矛盾，所以把制造定制作为设计产品平台的目标。给出了产品平台的基本设计方程，用于产品平台核心产品基因的规划，从而提出了基于产品基因的进化式产品平台建模方法，即通过对产品平台的适时评价实现产品平台核心基因的进化。引入通用性指标和差异性指标，利用产品平台的灵活度曲线对产品平台进行评价。基于产品平台，提出客户需求驱动的基于产品基因的定制化设计方法。针对定制化设计过程中客户需求的重要性，提出基于定制模板的客户需求获取方法。定制模板的建模方法主要从两个方面进行，一是基于客户需求集的需求分析，另一方面是对现有产品的反求需求分析。定制模板具有规范、约束和引导客户需求的作用，通过定制模板可以快速、准确地获取需求产品基因，用于产品基因工程中目的基因的检索，从而实现了客户需求驱动的产品定制设计。作为上述理论与技术的应用，本文初步实现了基于产品基因的定制设计系统DFMC-PGE的开发，主要包括产品基因获取模块PRE-DARFAD、产品定制模块CSBPG和基于产品基因的设计模块PGE-DARFAD，分别对其主要功能和开发技术进行了介绍。最后用洗衣机的定制化设计为例对系统的运行进行了详细说明和有效性验证。