設(shè)計歷史功能重用與變異方法研究

姜少飛，邵建輝，李吉泉

（浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310014）

0 引言

在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域中，局部需求變動型設(shè)計（包含且不限于公認意義上的適應性設(shè)計和變型設(shè)計）占有重要的地位，它是在設(shè)計歷史的基礎(chǔ)上，根據(jù)變化的需求對設(shè)計歷史進行修改，以滿足期望產(chǎn)品的需求的設(shè)計，即在設(shè)計歷史重用的基礎(chǔ)上對設(shè)計歷史進行變異，以產(chǎn)生期望產(chǎn)品的設(shè)計方案。它既迎合了企業(yè)對效益的追求，又滿足了顧客對產(chǎn)品個性化的需求。

設(shè)計重用是將設(shè)計歷史信息、知識或經(jīng)驗應用到當前從事的設(shè)計活動中。現(xiàn)有的設(shè)計重用研究主要偏重于對產(chǎn)品幾何和拓撲的重用，劉紅政［1］通過結(jié)合逆向工程、參數(shù)化設(shè)計、自由形狀變形三者的特點，提出了設(shè)計重用的逆向創(chuàng)新方法，但只限于圖形參數(shù)和幾何拓撲的重建；Baxter等［2］、Matsumoto等［3］提出的基于知識的過程重用模型，融合了產(chǎn)品過程知識、產(chǎn)品知識和任務知識信息，實現(xiàn)了從設(shè)計總體參數(shù)映射到詳細設(shè)計參數(shù)的知識建模；沈斌等［4］提出多類型、多層次產(chǎn)品設(shè)計知識的重用概念模型，針對不同設(shè)計知識采用不同的方式進行重用；鄒純穩(wěn)等［5］通過結(jié)構(gòu)移植的零部件變異再生技術(shù)，提出關(guān)聯(lián)與回溯的產(chǎn)品變異設(shè)計過程重用方法。這些方法能夠處理設(shè)計中的復雜過程知識，主要應用于產(chǎn)品詳細設(shè)計中的零部件重用，但并沒有涉及產(chǎn)品功能的重用，實際上功能是產(chǎn)品設(shè)計的初始要素，也是產(chǎn)品設(shè)計的最終目標，如果產(chǎn)品設(shè)計求解時跳過功能直接構(gòu)建與需求關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)級產(chǎn)品模型，試圖以產(chǎn)品族和零部件屬性建模解決需求變動響應問題，則不符合設(shè)計演化要求。真正能夠支持方案設(shè)計階段功能重用的是基于實例推理的方法（Case－Based Reasoning，CBR），Han等［6］提出虛擬功能生成器（VFGs），用于保存目的功能和實現(xiàn)功能的物理結(jié)構(gòu)模塊，最后通過CBR輸出概念設(shè)計的機構(gòu)運動方案；與之類似，Li等［7］的方法也對實現(xiàn)功能—行為的運動方案和機構(gòu)狀態(tài)空間進行了基于實例的推理，實現(xiàn)了機構(gòu)和運動的概念方案的重用?？傮w來看，現(xiàn)有工程設(shè)計重用研究能夠較好地支持產(chǎn)品幾何參數(shù)與拓撲的重用、設(shè)計屬性的知識化處理等，但對功能重用的支持不足，因此如何很好地實現(xiàn)功能重用以滿足新設(shè)計需求，有待深入研究。

產(chǎn)品設(shè)計是以功能需求為出發(fā)點，尋求功能—結(jié)構(gòu)方案的求解過程。目前比較典型的映射求解過程模型有：功能—結(jié)構(gòu)直接映射模型［8］、功能—行為—結(jié)構(gòu)模型［9－10］、功能—行為—狀態(tài)模型［11］、功能載體“之”字映射模型［12－13］等。因為這些映射求解過程模型只是說明了賦予結(jié)構(gòu)怎樣的運動來實現(xiàn)所要求的功能，沒有深層次地反映或解釋“功能被結(jié)構(gòu)實現(xiàn)”的本質(zhì)原因，具有一定的局限性，而效應則描述了實現(xiàn)功能的基本原理，所以本文把效應作為連接功能與原理解的紐帶，提出一種基于功能—效應—原理解（Function Effect Solution，F(xiàn)－E－S）映射的設(shè)計歷史功能重用與變異的方法，通過保持設(shè)計歷史的基本功能，實現(xiàn)設(shè)計歷史功能的重用，以及增加或刪除設(shè)計歷史的附加功能，實現(xiàn)設(shè)計歷史功能的變異，最后借助F－E－S映射將功能的重用與變異關(guān)聯(lián)傳遞到期望產(chǎn)品的原理解，完成期望產(chǎn)品的方案設(shè)計。

1 基于F－E－S的功能重用與變異模型

產(chǎn)品設(shè)計是在設(shè)計條件與設(shè)計約束的作用下，尋求一條功能需求與物理結(jié)構(gòu)之間復雜映射的過程，通過設(shè)計問題求解，使產(chǎn)品每個子功能都依附于具有一定拓撲結(jié)構(gòu)的物理結(jié)構(gòu)［14］。F－E－S模型認為，原理解方案求解即是功能域、效應域、原理解域之間的映射過程。功能集中體現(xiàn)了設(shè)計任務和要求，效應描述了實現(xiàn)功能的基本機理，原理解則描述了效應的作用結(jié)構(gòu)，是對效應的具體化。如圖1所示，利用摩擦效應實現(xiàn)傳遞扭矩功能，在圓柱形作用面上用過盈配合或夾緊連接作為原理解。

F－E－S之間存在多種映射關(guān)系，每個功能都能找到實現(xiàn)該功能的多種效應或效應組，而每種效應又可以通過若干不同的原理解（物理結(jié)構(gòu)）來實現(xiàn)。圖2表示了功能、效應及原理解之間的映射關(guān)系。

圖中R1和R2分別是F－E和E－S的映射關(guān)系。功能集F中的功能與效應可能是一對一的映射（如功能F1對應效應E1）、一對多的映射（如功能F2對應效應E2和E3）或多對一的映射（如功能F2和F3對應效應E3）。任何一種效應必定有其物理實現(xiàn)形式，同一效應可能由多種不同的物理結(jié)構(gòu)即原理解實現(xiàn)（如效應E3對應原理解S2，S3和S4），也可能只有一種原理解（如效應E1對應原理解S1），或者多個效應可由一個原理解實現(xiàn)（如效應E2和E3對應原理解S2）。三者之間的多種映射關(guān)系構(gòu)成了解的發(fā)散現(xiàn)象，從而產(chǎn)生了設(shè)計的多解性和創(chuàng)新性。

功能是產(chǎn)品的核心，顧客購買產(chǎn)品是借助其實現(xiàn)一定的功能。產(chǎn)品的總功能通常由若干個基本功能和若干個附加功能組成?；竟δ芗粗鞴δ?，它是辨識產(chǎn)品種類的重要技術(shù)特征，體現(xiàn)了產(chǎn)品存在的依據(jù)；而附加功能是為了增加產(chǎn)品的使用價值、提高產(chǎn)品的競爭力而添加的功能［15］。如多功能手表的基本功能是顯示時間，附加功能可以是顯示日歷、防水等。每個基本功能和附加功能的實現(xiàn)都需要下一級子功能的實現(xiàn)來支持，每個子功能的實現(xiàn)可能還需要更下一級子功能的實現(xiàn)來支持，直到每個子功能都能找到相應的技術(shù)物理效應和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其功能要求，這一類型的子功能可認為是功能元。

產(chǎn)品的總功能是高層次上對產(chǎn)品功能的高度概括，對于一個復雜的總功能，可以將其進行逐層分解直到末端的功能元為止，便能根據(jù)功能邏輯關(guān)系組合功能元形成的功能結(jié)構(gòu)簡單地實現(xiàn)總功能。由于效應可以實現(xiàn)功能（功能分解樹中的功能元），功能依靠物理、化學或幾何效應而存在，效應通過確定的幾何和物料特征標識使功能得以實現(xiàn)，借助F－E－S映射，功能結(jié)構(gòu)中的功能元單元映射為效應元單元，功能關(guān)系映射為效應關(guān)系，效應關(guān)系將效應元組合形成效應結(jié)構(gòu)，效應結(jié)構(gòu)中的效應元單元映射為原理解元單元，效應關(guān)系映射為原理解關(guān)系，原理解關(guān)系將原理解元組合形成原理解結(jié)構(gòu)。通過縱向的F－E－S映射模型和橫向功能結(jié)構(gòu)、效應結(jié)構(gòu)、原理解結(jié)構(gòu)的綜合，便能較全面地表達產(chǎn)品的設(shè)計分解過程。圖3為設(shè)計歷史的F－E－S映射模型。

本文認為局部變需求設(shè)計是產(chǎn)品的基本功能保持不變，在附加功能集中增加或刪除若干個附加功能的產(chǎn)品設(shè)計。結(jié)合F－E－S的映射過程，可得到在局部變需求設(shè)計中，基于F－E－S映射的設(shè)計歷史功能重用與變異的總體思路是：根據(jù)客戶的需求變化，獲取期望產(chǎn)品所要新增或刪除的附加功能，以期望產(chǎn)品的基本功能和附加功能為匹配條件，在設(shè)計歷史庫中定性檢索，獲得庫中與期望產(chǎn)品最相似的成熟設(shè)計案例。當期望產(chǎn)品是通過在設(shè)計歷史附加功能中增加新附加功能獲得時，通過附加功能的F－ES與設(shè)計實例中F－E－S進行一系列操作，實現(xiàn)產(chǎn)品功能、效應、原理解的重新組合，以便快速建立期望產(chǎn)品的原理解。當期望產(chǎn)品是在設(shè)計歷史中通過刪除附加功能集中的功能獲得時，原先F－E－S的橫向模型內(nèi)部關(guān)系被破壞，需對功能、效應、原理解重新組合，以實現(xiàn)期望產(chǎn)品的原理解?；谏鲜鏊悸?，本文建立了如圖4所示的設(shè)計歷史功能重用與變異的過程模型。

在該過程模型中，期望產(chǎn)品中所繼承的設(shè)計歷史產(chǎn)品的基本功能及相關(guān)附加功能體現(xiàn)了對設(shè)計歷史功能的重用，而期望產(chǎn)品中新增或刪除的附加功能則體現(xiàn)了對設(shè)計歷史功能的變異，借以F－E－S的映射，將設(shè)計歷史功能重用與變異關(guān)聯(lián)傳遞到期望產(chǎn)品的原理解，最終從根源上實現(xiàn)了局部變需求設(shè)計。

2 設(shè)計歷史功能重用與變異求解

局部變需求設(shè)計建立在設(shè)計歷史修改的基礎(chǔ)上，當設(shè)計歷史被刪除若干附加功能時，必然會破壞設(shè)計歷史原有的一致性，而當設(shè)計歷史中新增若干附加功能時，會出現(xiàn)F－E－S的映射關(guān)聯(lián)傳遞，因此必須對期望產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)、效應結(jié)構(gòu)、原理解結(jié)構(gòu)進行重新組合，才能將刪除或新增的附加功能產(chǎn)生的約束貫穿于整個局部需求變動型設(shè)計中，從而完成期望產(chǎn)品的原理解設(shè)計。

2．1 功能結(jié)構(gòu)重新組合方法

產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)描述了物料流、能量流、信息流的傳遞方向和轉(zhuǎn)換關(guān)系。功能結(jié)構(gòu)采用功能流建模方法表示。當期望產(chǎn)品通過在設(shè)計歷史中新增附加功能獲得時，功能結(jié)構(gòu)的重新組合過程如下（如圖5）：

步驟1 根據(jù)三種邏輯關(guān)系（串聯(lián)關(guān)系、并聯(lián)關(guān)系、混聯(lián)關(guān)系）［16］，將新增的附加功能插入到相應的設(shè)計歷史功能結(jié)構(gòu)中。

步驟2 先檢索設(shè)計歷史庫，看能否檢索到實現(xiàn)新增附加功能的效應和原理解：

（1）如果檢索存在對應的效應和原理解，則步驟1插入的新增附加功能保持不變。

（2）如果檢索不到相應的效應和原理解，則借組設(shè)計目錄看有無實現(xiàn)該新增附加功能的效應和原理解，如果存在，則步驟1插入的新增附加功能保持不變。

步驟3 如果在設(shè)計歷史庫與設(shè)計目錄中均檢索不到對應的效應和原理解，則結(jié)合設(shè)計歷史庫與設(shè)計目錄對新增的附加功能進行分解，直到末端的子附加功能元能夠在設(shè)計歷史庫或設(shè)計目錄中找到對應的效應和原理解為止。

步驟4 根據(jù)三種邏輯關(guān)系并結(jié)合三種功能鏈（串聯(lián)功能鏈、并聯(lián)功能鏈、混合功能鏈），將步驟3中分解到的最底層子附加功能元組成功能鏈，由此可以得到多種附加功能鏈。形成功能鏈的主要問題是確保功能之間的相容性，以形成平穩(wěn)的物質(zhì)、能量和信息流。

步驟5 檢驗步驟4組合形成的多條附加功能鏈的輸入輸出流和設(shè)計歷史功能結(jié)構(gòu)中應該插入附加功能鏈兩端的輸入輸出流是否相同，如果不同則剔除相應的功能鏈，否則保留相應的功能鏈，從而可能產(chǎn)生期望產(chǎn)品的多個功能結(jié)構(gòu)解。

當期望產(chǎn)品通過在設(shè)計歷史中刪除附加功能獲得時，功能結(jié)構(gòu)的重新組合過程如下（如圖6）：

步驟1 對照功能分解樹中需刪除的一級子功能中的附加功能，找到設(shè)計歷史功能結(jié)構(gòu)中的該附加功能。

步驟2 在設(shè)計歷史的功能結(jié)構(gòu)中直接刪去步驟1中找到的附加功能，得到期望產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)。

2．2 效應結(jié)構(gòu)重新組合方法

效應結(jié)構(gòu)描述了效應之間的邏輯關(guān)系和物理關(guān)系，效應結(jié)構(gòu)中各效應的位置與借助該效應實現(xiàn)某功能、該功能在期望產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)中的位置相同。效應結(jié)構(gòu)采用有向圖模型表示。

功能結(jié)構(gòu)重新組合為效應結(jié)構(gòu)重新組合提供了導向作用，后續(xù)的效應結(jié)構(gòu)重新組合在功能結(jié)構(gòu)重新組合的基礎(chǔ)上深入展開。

當期望產(chǎn)品是通過在設(shè)計歷史中新增附加功能得到時，效應結(jié)構(gòu)重新組合過程如下（如圖7）：

步驟1 如果實現(xiàn)新增附加功能的效應解是在設(shè)計歷史庫中檢索到的，則只需檢驗該效應解是否與設(shè)計歷史效應結(jié)構(gòu)中需插入效應解處兩端的輸入輸出流相容，如果相容，則該效應解有效，否則通過該途徑求解的效應解無效。

步驟2 如果實現(xiàn)新增附加功能的效應解是在設(shè)計目錄中檢索到的，則由于設(shè)計目錄提供的多解性，此時需將產(chǎn)生的多個效應解和設(shè)計歷史效應結(jié)構(gòu)中需插入效應解處兩端的輸入輸出流進行匹配，篩選出若干個符合要求的效應解，從而得到期望產(chǎn)品的多個效應結(jié)構(gòu)。

步驟3 如果新增的附加功能必須經(jīng)過分解后才能找到相應的效應和原理解，則分解后的部分功能元可在設(shè)計歷史庫中檢索到唯一的效應解，剩余的部分功能元則可在設(shè)計目錄中分別找到每個功能元的多個效應解。檢驗在設(shè)計目錄中找到的多個效應解和在設(shè)計歷史庫中找到的唯一效應解之間的輸入輸出流是否相同，如果不同，則剔除在設(shè)計目錄中找到的相應的效應解，否則給予保留。由此可以產(chǎn)生多條效應鏈，將產(chǎn)生的多條效應鏈的輸入輸出流和設(shè)計歷史效應結(jié)構(gòu)中需插入效應解處兩端的輸入輸出流進行匹配，篩選出若干個符合要求的效應鏈，從而得到期望產(chǎn)品的多個效應結(jié)構(gòu)。

當期望產(chǎn)品通過在設(shè)計歷史中刪除附加功能獲得時，效應結(jié)構(gòu)的重新組合只需在設(shè)計歷史的效應結(jié)構(gòu)中找到實現(xiàn)需刪除的附加功能對應的效應解，然后在設(shè)計歷史的效應結(jié)構(gòu)中直接刪除該效應解，便可得到期望產(chǎn)品的效應結(jié)構(gòu)。

圖8顯示了設(shè)計歷史中刪除附加功能時的效應結(jié)構(gòu)重新組合過程。

2．3 原理解結(jié)構(gòu)重新組合方法

原理解（物理結(jié)構(gòu)）是功能的載體，是產(chǎn)品設(shè)計活動的最終結(jié)果，通過進行特定規(guī)律的運動來實現(xiàn)特定的功能。局部變需求設(shè)計經(jīng)過功能結(jié)構(gòu)重新組合和效應結(jié)構(gòu)重新組合，最終只有進行原理解重新組合才能將抽象的功能和效應具體化，才真正完成了局部需求變動型設(shè)計。原理解結(jié)構(gòu)是對實現(xiàn)功能、效應的原理解之間融合、聯(lián)結(jié)關(guān)系的一種結(jié)構(gòu)化表達，采用有向圖表示原理解結(jié)構(gòu)。

當期望產(chǎn)品是通過在設(shè)計歷史中新增附加功能得到時，原理解結(jié)構(gòu)重新組合過程如下（如圖9）：

步驟1 如果在設(shè)計歷史庫中檢索到實現(xiàn)新增附加功能的原理解，則只需檢驗該原理解輸入輸出端的運動行為是否可以通過添加裝配聯(lián)接副實現(xiàn)與設(shè)計歷史原理解結(jié)構(gòu)中需插入原理解處兩端的運動行為相容，如果相容則該原理解有效，否則剔除該原理解。

步驟2 如果在設(shè)計目錄中檢索到實現(xiàn)新增附加功能的原理解，則由于設(shè)計目錄提供的多解性，此時需將產(chǎn)生的多個原理解兩端的運動行為和設(shè)計歷史原理解結(jié)構(gòu)中需插入原理解處兩端的運動行為通過添加裝配聯(lián)接副后進行運動相容性匹配，篩選出若干個符合要求的原理解，從而得到期望產(chǎn)品的多個原理解結(jié)構(gòu)。

步驟3 如果新增的附加功能必須經(jīng)過分解后才能找到相應的效應和原理解，則分解后的部分功能元可在設(shè)計歷史庫中檢索到唯一的原理解，剩余的部分功能元則可在設(shè)計目錄中分別找到每個功能元的多個原理解。檢驗在設(shè)計目錄中找到的多個原理解與在設(shè)計歷史庫中找到的唯一原理解之間的運動行為是否相容，如果不相容則剔除相應的在設(shè)計目錄中找到的原理解，否則給予保留，由此可以產(chǎn)生多個原理解，最后將產(chǎn)生的多個原理解兩端的運動行為和設(shè)計歷史原理解結(jié)構(gòu)中需插入原理解處兩端的運動行為進行相容性匹配，篩選出若干個符合要求的原理解，最后在新增原理解和設(shè)計歷史的部分原理解之間添加裝配聯(lián)接副（如表1）［17］，從而得到期望產(chǎn)品的多個原理解結(jié)構(gòu)。

表1 裝配聯(lián)接類型

圖9顯示了設(shè)計歷史中新增附加功能時原理解結(jié)構(gòu)重新組合過程，圖中數(shù)字表示裝配聯(lián)接類型。當期望產(chǎn)品通過在設(shè)計歷史中刪除附加功能得到時，原理解結(jié)構(gòu)的重新組合只需在設(shè)計歷史的原理解結(jié)構(gòu)中，找到實現(xiàn)設(shè)計歷史效應結(jié)構(gòu)中需刪除的效應解對應的原理解，然后將該原理解在設(shè)計歷史的原理解結(jié)構(gòu)中直接刪除，最后再添加必要的裝配聯(lián)接副保證剩余原理解的穩(wěn)定性，便可得到期望產(chǎn)品的原理解結(jié)構(gòu)。圖10顯示了設(shè)計歷史中刪除附加功能時原理解結(jié)構(gòu)的重新組合過程，圖中數(shù)字表示裝配聯(lián)接類型。

3 工程實例

叉車驅(qū)動橋處于叉車傳動系統(tǒng)的末端，其基本功用是增大由傳動軸傳來的轉(zhuǎn)矩，將動力分配給左右驅(qū)動輪，并使左右驅(qū)動輪具有叉車行駛運動學所要求的差速功能；同時，驅(qū)動橋還要承受作用于路面和車架或車身之間的垂直力、縱向力和橫向力［18］。在一般的叉車結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動橋主要由主減速器、差速器、半軸和橋殼等組成［19］。圖11a為叉車驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)圖，圖11b為對應的叉車驅(qū)動橋原理結(jié)構(gòu)圖。

圖12是基于圖11建立的叉車驅(qū)動橋的F－E－S的模型圖。在某些大噸位和中噸位叉車上，由于需要較大的總傳動比以提供給驅(qū)動輪較大的輸出扭矩，并減小變速器、主減速器、差速器、半軸的載荷和尺寸，以提高驅(qū)動橋的離地間隙來改善叉車的通過性能，需要添加一個額外的改變速比的附加功能。因為設(shè)計歷史庫中只有圖11所示的唯一備選叉車驅(qū)動橋，所以為求解到期望叉車驅(qū)動橋的原理解，可以在這一歷史叉車驅(qū)動橋上新增一改變速比的附加功能，通過功能結(jié)構(gòu)重新組合、效應結(jié)構(gòu)重新組合和原理解結(jié)構(gòu)重新組合這三個步驟，來求解期望叉車的原理解。

功能結(jié)構(gòu)重新組合即實現(xiàn)該變速比功能如何插入到設(shè)計歷史的功能結(jié)構(gòu)中時，考慮到叉車傳動系統(tǒng)總速比i總＝變速器速比i變×主傳動速比i主，而一般主傳動速比為5～7，如果增大主傳動速比，則將增大主減速器的整體尺寸，從而將減小叉車的離地間隙，不利于叉車的通過，如果增大變速器的速比，則將增大變速器的中心距及其體積，造成叉車整體布置困難。結(jié)合三個功能邏輯關(guān)系可知，改變速比的附加功能應該配置在傳遞扭矩的功能和輸出扭矩的功能之間。由于設(shè)計歷史庫中只有一個備選叉車驅(qū)動橋，新增的改變速比附加功能無法在設(shè)計歷史庫中檢索到對應的效應和原理解，但借助設(shè)計目錄（如表2）可以檢索到新增附加功能對應的效應和原理解，故新增的附加功能無需分解。新增的改變速比的附加功能的輸入輸出流均為速度和扭矩，歷史叉車驅(qū)動橋的功能結(jié)構(gòu)中應該插入附加功能處的輸入輸出流也為速度和扭矩，故新增的附加功能可直接插入到設(shè)計歷史功能結(jié)構(gòu)中并與其實現(xiàn)正確的融合銜接。圖13所示為期望叉車驅(qū)動橋的功能結(jié)構(gòu)重新組合過程。

表2 設(shè)計目錄

效應結(jié)構(gòu)重新組合即實現(xiàn)改變速比附加功能的扭矩平衡效應正確地插入設(shè)計歷史的效應結(jié)構(gòu)中時，首先根據(jù)功能結(jié)構(gòu)重新組合時新增附加功能在設(shè)計歷史功能結(jié)構(gòu)中所插入的位置，對應找到效應結(jié)構(gòu)中所要插入效應解處的位置，因為扭矩平衡效應解的輸入輸出流和歷史叉車驅(qū)動橋效應結(jié)構(gòu)中應該插入效應解處的輸入輸出流相同，所以只需將扭矩平衡效應解直接插入到備選叉車驅(qū)動橋的效應結(jié)構(gòu)中。圖14為期望叉車驅(qū)動橋的效應結(jié)構(gòu)重新組合過程。

經(jīng)過功能結(jié)構(gòu)重新組合、效應結(jié)構(gòu)重新組合，最后完成原理解結(jié)構(gòu)重新組合，便可實現(xiàn)期望叉車驅(qū)動橋的原理結(jié)構(gòu)設(shè)計。原理解結(jié)構(gòu)重新組合的關(guān)鍵是依據(jù)運動相容性，將實現(xiàn)功能、效應的原理解正確地插入到設(shè)計歷史的原理解結(jié)構(gòu)中。在擬設(shè)計目錄中實現(xiàn)改變速比附加功能和扭矩平衡效應解的原理解有行星齒輪、外圓柱齒輪、蝸輪蝸桿、少齒差傳動、圓錐齒輪、內(nèi)嚙合齒輪齒圈共六種原理解。由于叉車驅(qū)動橋為傳力支撐其他部件的一個裝置，結(jié)合設(shè)計目錄中原理解的備注可知，行星齒輪傳動最符合叉車驅(qū)動橋的實際工作環(huán)境，不但可以承載很大的外力，而且可以提供較大的傳動比，故此處選取行星齒輪傳動作為實現(xiàn)扭矩平衡的效應解。為提高行星齒輪的承載能力，適應叉車的工作環(huán)境，需在行星齒輪中再添加兩個行星輪來分擔載荷，形成功率分流。參照扭矩守恒效應解在歷史叉車驅(qū)動橋效應結(jié)構(gòu)中的插入位置，找到對應在歷史叉車驅(qū)動橋的原理解結(jié)構(gòu)中應在輪轂和半軸原理解之間插入的行星齒輪原理解。行星齒輪原理解的輸入輸出端均為旋轉(zhuǎn)運動，歷史叉車驅(qū)動橋原理解中的輪轂為旋轉(zhuǎn)運動，半軸也為旋轉(zhuǎn)運動，故新插入的原理解的運動行為和設(shè)計歷史原理解結(jié)構(gòu)中應該插入的原理解的運動行為相容。通過螺栓聯(lián)接可以實現(xiàn)輪轂和行星架的聯(lián)接，通過花鍵可以實現(xiàn)半軸和太陽輪的聯(lián)接。最后橋殼和齒輪采用特征融合可以實現(xiàn)新增原理解和設(shè)計歷史原有的部分原理解之間的交互關(guān)系。這樣便可實現(xiàn)行星齒輪原理解正確地插入到歷史叉車驅(qū)動橋的原理解結(jié)構(gòu)中。

圖15所示為期望叉車驅(qū)動橋的原理解結(jié)構(gòu)重新組合過程。

經(jīng)過原理解結(jié)構(gòu)的重新組合，叉車系統(tǒng)總傳動比變?yōu)閕總＝變速器速比i變×主減速器速比i主×輪邊行星減速器速比i輪，行星齒輪速比一般3．5～5．5，由此新增的行星齒輪便能滿足增大叉車總傳動比、提高驅(qū)動橋的扭矩輸出并提高叉車通過性的要求，避免了因增大變速器或主減速器速比造成的叉車總體尺寸增大，以及引起叉車通過性不好的缺陷。圖16所示為添加改變速比附加功能后的期望叉車驅(qū)動橋的原理結(jié)構(gòu)圖。

4 結(jié)束語

本文以效應為紐帶，通過構(gòu)建設(shè)計歷史功能－效應－原理解（FES）映射模型，有效解析了已有設(shè)計歷史產(chǎn)品的設(shè)計意圖以及功能與原理方案之間的邏輯關(guān)系。當設(shè)計需求變動時，以設(shè)計歷史的FES模型為基礎(chǔ)，在模型中增加或刪除附加功能，快速構(gòu)成新的功能結(jié)構(gòu)模型，再通過FES映射求解可形成響應需求變化的新的產(chǎn)品原理方案，從而實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計意圖的快速有效重用。以叉車驅(qū)動橋設(shè)計為例說明了該方法的有效性。目前，對應能量、物料、信號轉(zhuǎn)變功能的效應庫正在逐步積累中，同時，F(xiàn)ES模型重用的計算機輔助實現(xiàn)是下一步研究的重點。

［1］ LIU Hongzheng．Research on innovative method of product design reuse［D］．Hangzhou：Zhejiang University，2008（in Chinese）．［劉紅政．產(chǎn)品設(shè)計重用中的創(chuàng)新方法研究［D］．杭州：浙江大學，2008．］

［2］ BAXTER D，GAO J，CASE K，et al．An engineering design knowledge reuse methodology using process modelling［J］．Research in Engineering Design，2007，18（1）：37－48．

［3］ MATSUMOTO I T，STAPLETON J，GLASS J，et al．A knowledge capture report for multidisciplinary design environments［J］．Journal of Knowledge Management，2005，9（3）：83－92．

［4］ SHEN Bin，GONG Da．Study on product design knowledge reuse［J］．Computer Engineering，2006，32（18）：186－188（in Chinese）．［沈 斌，宮 大．產(chǎn)品設(shè)計知識重用研究［J］．計算機工程，2006，32（18）：186－188．］

［5］ ZOU Chunwen，ZHANG Shuyou，QIU Lemiao．Part variable model and its regeneration for structure transplantation variable design［J］．Computer Integrated Manufacturing Systems，2009，15（11）：2081－2088（in Chinese）．［鄒純穩(wěn)，張樹有，裘樂淼．面向結(jié)構(gòu)移植變異設(shè)計的零件可變異模型與再生技術(shù)［J］．計算機集成制造系統(tǒng)，2009，15（11）：2081－2088．］

［6］ HAN Y H，LEE K W．A case－based framework for reuse of previous design concepts in conceptual synthesis of mechanisms［J］．Computers in Industry，2006，57（4）：305－318．

［7］ LI C L，CHAN K W，TAN S T．A configuration space approach to the automatic design of multiple－state mechanical devices［J］．Computer－Aided Design，1999，31（10）：621－653．

［8］ FENG P E，XU G R，ZHANG M J．Feature modeling based on design catalogues for principle conceptual design［J］．AI E－dam－Artificial Intelligence for Engineering Design Analysis and Manufacturing，1996，10（4）：347－354．

［9］ GERO J S，KANNENGIESSER U．The situated function－behaviour－structure framework［J］．Design Studies，2004，25（4）：373－391．

［10］ WANG Yuxin，ZHANG Xuguang，MAO Xiaohui．Implementation and quotient representation of creativity in functional layer and form layer of the function－behavior－structure model［J］．Journal of Mechanical Engineering，2010，46（15）：107－116（in Chinese）．［王玉新，張旭光，毛曉輝．FBS模型中行為與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的商空間表達與實現(xiàn)［J］．機械工程學報，2010，46（15）：107－116．］

［11］ UMEDA Y，KONDOH S，SHIMOMURA Y，et al．Development of design methodology for upgradable products based on function－behavior－state modeling［J］．AI Edam－Artificial Intelligence for Engineering Design Analysis and Manufacturing，2005，19（3）：161－182．

［12］ SUH N P．Axiomatic design：advances and applications［M］．New York，N．Y．，USA：Oxford University Press，2001．

［13］ SUH N P．The principles of design［M］．London，UK：Oxford University Press，1990．

［14］ LI Hongjie，XIAO Renbin．Genetic model in evolutionary design of complicated product based on function construction［J］．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2003，39（5）：41－48（in Chinese）．［李洪杰，肖人彬．基于功能構(gòu)造的復雜產(chǎn)品進化設(shè)計基因模型［J］．機械工程學報，2003，39（5）：41－48．］

［15］ TANG Linxin．Research on key techniques of product variant design based on the related models［D］．Shanghai：Tongji University，2008（in Chinese）．［唐林新．基于相關(guān)模型的產(chǎn)品變型設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．上海：同濟大學，2008．］

［16］ WANG Yuxin，YANG Liyan，ZHU Dianhua．Expression of complicated functional and structural relation－ships and their applications in conceptual design［J］．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，40（6）：49－54（in Chinese）．［王玉新，楊麗艷，朱殿華．復雜功能、結(jié)構(gòu)關(guān)系表達及其在概念設(shè)計中應用［J］．機械工程學報，2004，40（6）：49－54．］

［17］ ZHANG Meng．Research on reconfigurable technology of mechanical system design［D］．Changsha：National University of Defense Technology，2008（in Chinese）．［張 萌．機械系統(tǒng)可重構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究［D］．長沙：國防科學技術(shù)大學，2008．］

［18］ LUO Yongge，F(xiàn)ENG Ying．Automobile design［M］．Beijing：China Machine Press，2011（in Chinese）．［羅永革，馮 櫻．汽車設(shè)計［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2011．］

［19］ TAO Yuanfang，WEI Liangbao．The construction and design of forklift［M］．Beijing：China Machine Press，2011（in Chinese）．［陶元芳，衛(wèi)良保．叉車構(gòu)造與設(shè)計［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2011．］