一種基于產(chǎn)品功能的綠色模塊劃分方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化領(lǐng)域，尤其涉及一種基于產(chǎn)品功能的綠色模塊劃分 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展不僅為人類創(chuàng)造了大量的物質(zhì)財(cái)富，也對(duì) 環(huán)境造成了極其嚴(yán)重的影響，形成了一系列的環(huán)境污染。為符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，綠色設(shè)計(jì) 思想不斷發(fā)展，人們也逐漸意識(shí)到模塊化設(shè)計(jì)思想與綠色設(shè)計(jì)思想相結(jié)合的重要性，綠色 設(shè)計(jì)的主要思想是在產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、運(yùn)輸、回收周期內(nèi)，將重點(diǎn)放在產(chǎn)品的綠色 性能(主要包括產(chǎn)品的裝配性能、可維護(hù)性、可拆卸性、可回收性等），在保證產(chǎn)品常規(guī)性能、 功能的前提下，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中融入綠色設(shè)計(jì)的思想，使產(chǎn)品能同時(shí)保證綠色屬性。而現(xiàn) 有的研究在模塊劃分過程僅考慮到產(chǎn)品的常規(guī)性能需求，部分研究也只是考慮了產(chǎn)品某一 階段的綠色性能需求，因此如何將綠色設(shè)計(jì)思想融入到模塊化設(shè)計(jì)中，使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品 在滿足客戶提出的常規(guī)功能、性能需求的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足客戶所提出的綠色性能需求，已 經(jīng)逐漸成為產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)過程中的重要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供一種基于產(chǎn)品功能的綠色模塊劃分方法，該方法將綠 色設(shè)計(jì)思想與模塊化設(shè)計(jì)思想相結(jié)合，使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品在滿足客戶提出的常規(guī)功能、性 能需求的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足客戶所提出的綠色性能需求。
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種基于產(chǎn)品功能的綠色模塊劃分方法，包括以下步驟：
[0006] 1)將子功能之間的相關(guān)性定義為7種類型:功能相關(guān)、材料相關(guān)、裝配相關(guān)、拆卸相 關(guān)、維護(hù)相關(guān)、工藝相關(guān)以及回收相關(guān)；
[0007] 2)對(duì)各子功能之間的相關(guān)度rij進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)度rij的計(jì)算公式為：
[0008]
[0009] 式（1)中，wk為第k種相關(guān)類型對(duì)相關(guān)度的影響系數(shù)； < 為子功能元乜與子功能元fj 第k種相關(guān)類型的相關(guān)性;并且
[0010] 3)由各個(gè)功能元之間的相關(guān)度得到相關(guān)度矩陣R如下：
對(duì)相關(guān) 度矩陣R應(yīng)用譜系聚類方法進(jìn)行子功能的聚合，以1^(6上)表示子功能元6與6所對(duì)應(yīng)的 產(chǎn)品零部件之間的距離；
[0011] iij(fi)fj) = i-rij,= ···,]! (2)
[0012] 建立距尚矩陣L〇為：
，設(shè)Gp，Gq分別表不fi與f j的聚合，設(shè)它 們分別含有nP、nq個(gè)子功能元;把GP，Gq之間的距離記為L(zhǎng)M，L M = min{lij}，即用兩類功能元 之間的最短距離作為GP，Gq的距離;選擇L〇中非對(duì)角線上的最小元素，設(shè)這個(gè)最小元素為l Pq， 把分類對(duì)象GP，Gq合并成為一個(gè)新類Gr，然后在Lei中劃去G P和Gq所對(duì)應(yīng)的行和列，同時(shí)加入由 新類Gr與剩下的未聚合的類之間的最小距離所組成的一行和一列，形成一個(gè)新的n-1階矩 陣，如此反復(fù)，直到η個(gè)功能元聚合成為一個(gè)大類為止，并繪制類譜系圖；
[0013] 4)對(duì)綠色模塊劃分方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，以模塊組合復(fù)雜度、變型設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及 產(chǎn)品綠色度這3種因素作為優(yōu)化目標(biāo)，通過分別計(jì)算分析這3種因素來定義產(chǎn)品模塊劃分方 案的優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選擇。
[0014]進(jìn)一步的，為了確定wk，采用層次分析法對(duì)7種相關(guān)性類型進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，步驟如 下：
[0015] a:建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型；
[0016] b:構(gòu)造判斷矩陣A，采用1-9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣；
[0017] c:計(jì)算權(quán)向量并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)；
[0018] d:層次總排序及一致性檢驗(yàn)，重復(fù)步驟c，逐層計(jì)算出各個(gè)判斷矩陣的最大特征根 與其對(duì)應(yīng)的特征向量，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行層次的總排序，并得出最底層因素相對(duì)于目標(biāo)層的 總排序權(quán)重。
[0019] 進(jìn)一步的，所述步驟c)計(jì)算權(quán)向量并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)具體包括如下步驟：
[0020] cl)計(jì)算一致性指標(biāo)Ic， ：，式中：Xmax為判斷矩陣A的最大特征根，η為判 斷矩陣的階數(shù)；
[0021 ] c2)計(jì)算一致性比率RC， _ : IR為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可通過查找平均 隨機(jī)一致性指標(biāo)表得到;接下來對(duì)矩陣是否滿足一致性判斷，當(dāng)RC<〇. 1時(shí)，判斷矩陣滿足 一致性;當(dāng)Rc>〇. 1，判斷矩陣不滿足一致性，此時(shí)重新構(gòu)造判斷矩陣。
[0022] 進(jìn)一步的，所述步驟4)中對(duì)模塊組合復(fù)雜度、變型設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及產(chǎn)品綠色度3種 因素的計(jì)算分析具體為：
[0023] 4.1)模塊組合復(fù)雜度計(jì)算分析，由兩方面構(gòu)成:方案決策復(fù)雜度Fe和模塊裝配復(fù) 雜度Fa;Fc、Fa的計(jì)算公式如下：
[0024] (3)
[0025] (4)，
[0026] 其中，
其中，f為對(duì)第i個(gè)模塊方案決策的平均復(fù)雜度;m為模塊的個(gè) 數(shù);fu為第i個(gè)模塊中第j個(gè)零部件的變型結(jié)構(gòu)數(shù)量為二元函數(shù)（當(dāng)零件j為模塊i關(guān)鍵 零件時(shí)，〇ij為1，否則〇ij為〇;)，ai為第i個(gè)模塊的接口個(gè)數(shù);WAi為接口副i的權(quán)重，Vi為接口副 i的裝配難易程度;當(dāng)模塊劃分粒度越細(xì)，模塊越多時(shí)，F(xiàn)C、FA的值就越大，當(dāng)產(chǎn)品的每個(gè)零部 件都單獨(dú)成為一個(gè)模塊時(shí)，模塊劃分的粒度最細(xì)；當(dāng)模塊劃分粒度越粗，模塊越少時(shí)，F(xiàn)c、Fa 的值就越小，當(dāng)整個(gè)產(chǎn)品劃分為一個(gè)模塊時(shí)，模塊的劃分粒度最粗;FC max、FA max分別為Fc、Fa 的最大值，F(xiàn)c min、FA min分別Fc、Fa的最小值;Fc max、FA max、Fc min，F(xiàn)A min分別如下式所不：
[0029] 將FC、FA進(jìn)行規(guī)劃處理，得到g、F；;
[0027] (5)
[0028] (6)
[0030]
(7)
[0031] 4.2)變型設(shè)計(jì)復(fù)雜度，設(shè)客戶需求影響的特征參數(shù)為KP= {kPl，kp2，'"kp。}，產(chǎn)品 變型設(shè)計(jì)復(fù)雜度Fd表示為：
[0032]
(8).
[0033] 其中，約為客戶需求對(duì)特征參數(shù)kPi的影響程度;Sijk為參數(shù)kPi對(duì)模塊j中零件k的 影響程度;t(j)為第j個(gè)模塊中的零件數(shù);指模塊j中1零件在參數(shù)k Pl的影響下對(duì)k零件 的影響。
[0034] 當(dāng)每個(gè)產(chǎn)品的每個(gè)零部件都被劃分為一個(gè)模塊時(shí)，產(chǎn)品的模塊劃分粒度最細(xì)，此 時(shí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)復(fù)雜度最低；當(dāng)整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分為一個(gè)模塊時(shí)，產(chǎn)品的模塊劃分粒度最粗， 此時(shí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)復(fù)雜度最高。
[0035] 將Fd規(guī)劃處理得到巧：
[0036]
[0037]
[0038] Fd max、FD miAFD的最大值和最小值，mp為模塊k中零件的總數(shù)、WDjk為變形設(shè)計(jì)中模 塊j中零件k的權(quán)重，W Dji為為變形設(shè)計(jì)中模塊j中零件1的權(quán)重；
[0039] 4. 3)模塊劃分的綠色度計(jì)算，產(chǎn)品劃分為η個(gè)模塊后的總綠色度為：
其中g(shù) ' k, h=min (gk, 1，gk, 2，…，gk, h)為模塊Uh對(duì)于第k個(gè)綠色性能的 屬性值。
[0040] 4.4)模塊劃分方案擇優(yōu)，針對(duì)以上對(duì)模塊組合復(fù)雜度、變型設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及產(chǎn)品 綠色度的分析，定義產(chǎn)品模塊劃分方案的優(yōu)化模型為：
[_
(10)
[0042] 上式中λ為不同的模塊劃分方案，據(jù)此，coc、ωΑ、coD、co G為相應(yīng)的權(quán)重，可由層次 分析法計(jì)算得到，由此就可以對(duì)各個(gè)模塊劃分方案進(jìn)行排序和擇優(yōu)，線性加權(quán)和最大的模 塊劃分方案即為最優(yōu)劃分方案。
[0043] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是:本發(fā)明方法將綠色設(shè)計(jì)思想與模塊化設(shè)計(jì)思想相結(jié) 合，使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品在滿足客戶提出的常規(guī)功能、性能需求的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足客戶所提 出的綠色性能需求。
【附圖說明】
[0044] 圖1為本發(fā)明臥式數(shù)控車床主要功能結(jié)構(gòu)圖；
[0045] 圖2為本發(fā)明聚類譜系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046]為了進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)和效果，以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā) 明做進(jìn)一步描述。
[0047] -種基于產(chǎn)品功能的綠色模塊劃分方法，包括以下步驟：
[0048] 1)將子功能之間的相關(guān)性定義為7種類型:功能相關(guān)、材料相關(guān)、裝配相關(guān)、拆卸相 關(guān)、維護(hù)相關(guān)、工藝相關(guān)以及回收相關(guān)；
[0049] 2)對(duì)各子功能之間的相關(guān)度rij進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)度rij的計(jì)算公式為：
[0050]
[0051] 式（1)中，Wk為第k種相關(guān)類型對(duì)相關(guān)度的影響系數(shù)； <為子功能元fi與子功能元fj 第k種相關(guān)類型的相關(guān)性;并且，
[0052] 3)由各個(gè)功能元之間的相關(guān)度得到相關(guān)度矩陣R如下：
對(duì)相關(guān) 度矩陣r應(yīng)用譜系聚類方法進(jìn)行子功能的聚合，以表示子功能元6與6所對(duì)應(yīng)的 產(chǎn)品零部件之間的距離；
[0053] iij(fi)fj) = i-rij,= ···,]! (2)
[0054] 建立距尚矩陣L〇為：
，設(shè)Gp，Gq分別表不兩個(gè)功能兀fi與fj 的聚合，設(shè)它們分別含有nP、nq個(gè)子功能元;把GP，Gq之間的距離記為L(zhǎng)M，L M=min{lij}，即用 兩類功能元之間的最短距離作為GP，Gq的距離;選擇L〇中非對(duì)角線上的最小元素，設(shè)這個(gè)最 小元素為1 Μ，把分類對(duì)象GP，Gq合并成為一個(gè)新類Gr，然后在L〇中劃去GdPG q所對(duì)應(yīng)的行和 列，同時(shí)加入由新類Gr與剩下的未聚合的類之間的最小距離所組成的一行和一列，形成一 個(gè)新的n-1階矩陣，如此反復(fù)，直到η個(gè)功能元聚合成為一個(gè)大類為止，并繪制類譜系圖；
[0055] 4)對(duì)綠色模塊劃分方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，以模塊組合復(fù)雜度、變型設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及 產(chǎn)品綠色度這3種因素作為優(yōu)化目標(biāo)，通過分別計(jì)算分析這3種因素來定義產(chǎn)品模塊劃分方 案的優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選擇。
[0056]進(jìn)一步的，為了確定wk，采用層次分析法對(duì)7種相關(guān)性類型進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，步驟如 下：
[0057] a:建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型；
[0058] b:構(gòu)造判斷矩陣A，采用1-9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣；
[0059] c:計(jì)算權(quán)向量并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)；
[0060] d:層次總排序及一致性檢驗(yàn)，重復(fù)步驟c，逐層計(jì)算出各個(gè)判斷矩陣的最大特征根 與其對(duì)應(yīng)的特征向量，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行層次的總排序，并得出最底層因素相對(duì)于目標(biāo)層的 總排序權(quán)重。
[0061 ]進(jìn)一步的，所述步驟c)計(jì)算權(quán)向量并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)具體包括如下步驟：
[0062] cl)計(jì)算一致性指標(biāo)Ic: ..，式中：Xmax為判斷矩陣A的最大特征根，η為判 斷矩陣的階數(shù)；
[0063] c2)計(jì)算一致性比率RC， hlR為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可通過查找平均 隨機(jī)一致性指標(biāo)表得到;接下來對(duì)矩陣是否滿足一致性判斷，當(dāng)RC<〇. 1時(shí)，判斷矩陣滿足 一致性;當(dāng)Rc>〇. 1，判斷矩陣不滿足一致性，此時(shí)重新構(gòu)造判斷矩陣。
[0064] 進(jìn)一步的，所述步驟4)中對(duì)模塊組合復(fù)雜度、變型設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及產(chǎn)品綠色度3種 因素的計(jì)算分析具體為：
[0065] 4.1)模塊組合復(fù)雜度計(jì)算分析，由兩方面構(gòu)成:方案決策復(fù)雜度Fe和模塊裝配復(fù) 雜度Fa;Fc、Fa的計(jì)算公式如下：
[006