[发明专利]一种基于谱特征的模块化复杂产品的设计方法

说明书

本发明公开一种基于谱特征的模块化复杂产品的设计方法。首先将结构、功能和物理关联作为影响零部件间关联强度的三大因素，从这三方面分别量化关联强度，并设置权重配比，计算零部件间的综合关联强度，构建设计结构矩阵。其次结合图谱理论，应用奇异值分解提取设计结构矩阵的前k个最大的谱特征和对应的特征向量组成一个精简的谱映射空间。然后在此空间上运用k‑means算法进行聚类运算，得到模块划分的方案集。最后利用拓展加权模块度EWQ函数选取最优划分方案并将最优方案中的模块在软件环境下进行组合建模获得装载机工作装置的三维模型。本发明能够根据客户需求来快速实现响应其需求的性能和规格产品，实现对轮式装载机工作装置的模块化设计。

技术领域

本发明涉及复杂产品模块化设计领域，具体涉及一种基于谱特征的模块化复杂产品的设计方法。

背景技术

面向大批量定制的设计技术是建立在模块化基础上的，产品的模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能、结构和物理等分析的基础上，划分并设计出一系列模块。模块化复杂产品具有很多优点，和传统大规模制造的产品相比，他们能够更加灵活的被重新设计、重新配置以及重新使用。模块能够实现产品功能的分配和隔离，使设计的改进变得相对容易，从而降低产品的复杂性，使产品更容易管理，且通过特定模块间的组合实现快速响应顾客的个性化需求。模块化在电子设备，计算机、软件业、汽车制造、飞机制造等众多行业得到成功的应用并产生了巨大的经济价值。但是现有的一些模块化设计方法在进行复杂产品设计时存在以下问题：1)模块划分步骤繁琐。随着复杂产品的零部件数量规模增大，彼此间的关联关系更为复杂时，算法的运行效率逐渐降低。得到最后的划分方案是非常耗时的。2)易陷入局部最优解，且缺少一种客观有效的方案评价方法帮助工程师们从得到的方案集中找到令人满意的模块划分方案。

因此，需要升级一套完整的模块划分方案，使得工程师们能快速准确地得到一套满意的划分方案，缩短产品设计周期。

发明内容

本发明针对传统模块划分方法中的算法运行效率低以及易出现局部最优解问题，提供一种基于谱特征的模块化复杂产品的设计方法，结合图谱理论，运用谱聚类算法快速实现模块化设计。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于谱特征的模块化复杂产品的设计方法，包括如下步骤：

步骤1：确定影响零部件间关联强度的因素，并制定关联强度量化标准，对零部件间的关联强度进行量化；

步骤2：确定结构、功能和物理关联度三者之间的权重，使之满足三者权重之和为1，并计算零部件间的综合关联强度值，构建数值型设计结构矩阵；

步骤3：对设计结构矩阵进行谱特征分析，确定k的取值范围，并提取前k个最大的谱特征和对应的特征向量组成一个新的谱映射空间；

步骤4：利用k-means算法对谱映射空间中的数据进行聚类，得到k取值范围内所有的模块划分方案；

步骤5：将拓展加权模块度EWQ函数作为目标函数，每得到一种划分方案，计算一次EWQ值，直到所有方案的拓展加权模块度被计算完毕为止，找到EWQ函数的局部峰值，其对应的模块划分方案即为最优方案。

所述步骤2在进行描述零部件的关联强度时，同时考虑结构、功能和物理因素，量化三个因素，通过权重配比，计算零部件间的综合关联强度，公式如下：

其中Γ(i,j)表示零件i和j之间的综合关联强度；和分别表示零件i和j的结构关联度、功能关联度和物理关联度；w_g、w_f和w_p分别为结构关联、功能关联和物理关联的权重配比。

所述步骤3通过对设计结构矩阵进行谱特征分析，具体为：