可拓工程分析法的機(jī)械設(shè)計(jì)方案研究

蔡喜++李月鳳

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，可拓工程分析法在機(jī)械設(shè)計(jì)方案中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)對(duì)可拓論中物元理論的理解，建立了物元模型，并運(yùn)用關(guān)聯(lián)函數(shù)研究機(jī)械設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量，建立了一套科學(xué)、客觀的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)尺度，可基本反映機(jī)械設(shè)計(jì)方案的整體屬性。基于可拓工程分析給出了一種機(jī)械設(shè)計(jì)方案決策方法。通過(guò)研究構(gòu)建物元模型，運(yùn)用在關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)上的優(yōu)度評(píng)價(jià)方法計(jì)算優(yōu)度。比較每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的優(yōu)度值確定待評(píng)方案的優(yōu)劣?；诳赏乩碚摰臎Q策模型不僅能夠反映單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度，而且能夠全面反映設(shè)計(jì)方案的整體屬性。實(shí)例證明該決策方法科學(xué)、清晰、合理，具有較好的可行性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：可拓工程；機(jī)械設(shè)計(jì)；物元理論；CAD

可拓工程是可拓論和可拓方法在實(shí)際領(lǐng)域中的應(yīng)用方法和技術(shù)。隨著第三次科技革命時(shí)代的到來(lái)，機(jī)械設(shè)計(jì)方式也越來(lái)越科技化，尤其是近些年智能 CAD 和虛擬樣機(jī)技術(shù)正在飛速進(jìn)入人們的視野，機(jī)械設(shè)計(jì)人員對(duì)傳統(tǒng)的邏輯思維的推理和演繹方式不再重視，逐漸開(kāi)始將視線轉(zhuǎn)向案例推理。應(yīng)用可拓理論建立物元模型，通過(guò)關(guān)聯(lián)函機(jī)械新產(chǎn)品設(shè)計(jì)從提出任務(wù)到投放市場(chǎng)的全部程序要經(jīng)過(guò)調(diào)查決策、研究設(shè)計(jì)、試制和投產(chǎn)銷售四個(gè)階段，在設(shè)計(jì)階段要充分發(fā)揮創(chuàng)造性、構(gòu)思方案多樣化，然后經(jīng)過(guò)反復(fù)分析比較后做出決策，選出最佳的設(shè)計(jì)方案。決策是非常關(guān)鍵的一步，影響設(shè)計(jì)工作和產(chǎn)品的成敗。應(yīng)用可拓理論建立物元模型，為機(jī)械設(shè)計(jì)方案提供科學(xué)決策的有效新途徑。

1可拓學(xué)基本理論

1.1可拓學(xué)的主要內(nèi)容

可拓學(xué)是一門由可拓論、可拓方法和可拓工程構(gòu)成，研究創(chuàng)意產(chǎn)生規(guī)律和生產(chǎn)創(chuàng)意方法的學(xué)科。1983 年，中國(guó)學(xué)者蔡文在《科學(xué)探索學(xué)報(bào)》上發(fā)表的一篇文章中首次提出可拓論，通過(guò)研究可拓集合和不相容問(wèn)題處理矛盾問(wèn)題?？赏卣撗芯渴挛锿卣沟目赡苄院烷_(kāi)拓創(chuàng)新的規(guī)律，是可拓學(xué)的基本理論。目前，可拓學(xué)的快速發(fā)展已經(jīng)研究出了人們解決矛盾問(wèn)題、產(chǎn)生創(chuàng)意的基本規(guī)律?？赏胤ㄒ呀?jīng)成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)人員生產(chǎn)創(chuàng)意產(chǎn)品、提出新想法和新方案、開(kāi)拓新思路、解決新問(wèn)題的最主要、最實(shí)用的方法，不僅有利于決策者、管理者和工程技術(shù)人員，還對(duì)解決家庭矛盾有一定的幫助。

1.2物元理論

在物元理論中，將一維物元即描述事物的基本元，定義為以 Om 為對(duì)象、以 Cm 為特征時(shí)，Om 的量值 Vm 構(gòu)成的有序三元組。多元以多個(gè)物為基礎(chǔ)，所有對(duì)象及其量值會(huì)構(gòu)成一個(gè)矩陣，根據(jù)物元理論建立的物元數(shù)學(xué)模型，可對(duì)物元進(jìn)行定量和定性分析。在精確分析下，多維物元幾乎可以描述所有事物，是機(jī)械設(shè)計(jì)方案選擇的理論基礎(chǔ)。

1.3關(guān)聯(lián)函數(shù)

可拓集合將可拓學(xué)與可拓理論通過(guò)數(shù)學(xué)的方式聯(lián)系起來(lái)，從而以定性和定量的方式對(duì)決策過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述。假定以 U 為論域，其中，任意一個(gè)元素設(shè)為x，則以函數(shù)形式表示可拓集A：A={（x，y）x∈U，y=K（x）∈（-∞，+∞）}. （1）式（1）中：y=K（x），為與可拓集合相關(guān)的關(guān)聯(lián)函數(shù)。將論域 U 中的各個(gè)元素都映射到（-∞，+∞）后，可按照一定的程序產(chǎn)生創(chuàng)意，利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)創(chuàng)意，這必將在人類歷史上引發(fā)一場(chǎng)“創(chuàng)意革命”。

2機(jī)械設(shè)計(jì)方案決策模型的建立

在經(jīng)典數(shù)學(xué)的運(yùn)用中，用來(lái)描述論域中的元素沒(méi)有具備某種性質(zhì)需要用到的為特征函數(shù)。然而，在模糊數(shù)學(xué)中，用來(lái)表達(dá)事物性質(zhì)程度的為隸屬函數(shù)。不同于經(jīng)典數(shù)學(xué)模型和模糊數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，在可拓?cái)?shù)學(xué)中，用來(lái)表達(dá)此性質(zhì)的為使用關(guān)聯(lián)函數(shù)，即表達(dá)論域中元素具有的性質(zhì)程度。在可拓學(xué)中，簡(jiǎn)單、快捷的決策方法之一為優(yōu)度評(píng)價(jià)，該評(píng)價(jià)系統(tǒng)正是建立在關(guān)聯(lián)函數(shù)的計(jì)算基礎(chǔ)上。在機(jī)械設(shè)計(jì)方案中，以可拓學(xué)理論為根基建立物元模型，并使用優(yōu)度評(píng)價(jià)法可快速評(píng)估各個(gè)指標(biāo)的關(guān)系。確定決策模型指標(biāo)體系在機(jī)械設(shè)計(jì)方案中，通常會(huì)包括多個(gè)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，這些指標(biāo)應(yīng)符合機(jī)器運(yùn)作本身需要的量和度。以此為前提條件，盡可能地使操作滿足方便、安全、經(jīng)濟(jì)、適用、形象和美觀等外在要求。最理想的情況為，將機(jī)器的質(zhì)量設(shè)計(jì)盡可能減輕，從而降低耗能、提高效率。在實(shí)際的模型指標(biāo)體系的建立過(guò)程中，要考慮制造難度、維修費(fèi)用和維修周期，創(chuàng)造科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

根據(jù)可拓學(xué)理論，關(guān)聯(lián)函數(shù)包括 2 種：最優(yōu)點(diǎn)在區(qū)間中點(diǎn)的關(guān)聯(lián)函數(shù)；不再區(qū)間中點(diǎn)的函數(shù)。前者可使用在機(jī)械制造工藝方案評(píng)價(jià)中，但在設(shè)計(jì)方案的評(píng)估中通常無(wú)法使用，這是因?yàn)樵趯?shí)際評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最優(yōu)點(diǎn)不在區(qū)間的中點(diǎn)，比如，機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品需要控制成本、提高機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)效率。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型建立后，應(yīng)使用后者進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算。

3 可拓理論的意義

在科技高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，創(chuàng)意的產(chǎn)生只需要靈機(jī)一動(dòng)，便可以創(chuàng)造出新奇的物品。在現(xiàn)代社會(huì)中，創(chuàng)意是需要借助一定的規(guī)律和工具的，而計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展剛好為創(chuàng)意的產(chǎn)生提供了工具，這是難得的好機(jī)會(huì)。計(jì)算機(jī)具備運(yùn)行速度快和儲(chǔ)存量大的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，利用新方法和新科技來(lái)創(chuàng)造便于人們生活的物品。在第一次的工業(yè)革命中，蒸汽機(jī)解放了人類的雙手；第二次工業(yè)革命解放了人類的雙腿；第三次科技革命中，電話、互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)拓展了人類的大腦和視野。此后，創(chuàng)意的產(chǎn)生是人類智力的拓展，可拓論研究事物拓展的可能性和開(kāi)拓創(chuàng)新的規(guī)律是可拓學(xué)的基本理論?？赏乩碚摰漠a(chǎn)生是為了解決人類在生產(chǎn)過(guò)程中的矛盾，不斷開(kāi)拓創(chuàng)新。研究用形式化的模型分析事物拓展的可能性和開(kāi)拓創(chuàng)新的規(guī)律，從而形成解決矛盾問(wèn)題的方法，這對(duì)提高人類智能有重要的意義。根據(jù)這些研究成果，探討用計(jì)算機(jī)解決矛盾的理論和方法對(duì)提高機(jī)器智能水平有重要的價(jià)值。有了這套理論和方法，便可以利用一定的程序借助互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生無(wú)盡的創(chuàng)意。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用可拓工程分析法來(lái)決策機(jī)械設(shè)計(jì)方案的可行性，將定量分析法與定性分析完美結(jié)合，這樣不僅能如實(shí)反映各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度，更能體現(xiàn)決策方案的整體性特點(diǎn)。在評(píng)價(jià)指標(biāo)層

級(jí)涵蓋的內(nèi)容寬泛時(shí)，使用可拓理論有助于決策者進(jìn)行層次性的評(píng)價(jià)和分析，進(jìn)而做出正確、合理的決策，從而推動(dòng)企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。該方法操作簡(jiǎn)單、價(jià)值含量高，有助于計(jì)算機(jī)程

序化理論為實(shí)際，從而為決策者提供更加切合實(shí)際的依據(jù)。

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