可适应聚类分析

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目录

• AdaptableDesigner功能简介

• 我的一点想法

AdaptableDesigner简介

AdaptableDesigner 1.0 采用 NSGA-II 优化算法，聚类分析，复杂网络理论、知识发掘，粗糙集等各种方法，将模块化设计，产品平台设计，优化设计等各种设计理论融合并加以实现。

同时， AdaptableDesigner 1.0 将产品设计过程的功能相关、物理相关、工艺相关等多域空间的相关度结合起来对产品进行模块划分，并且将用户需求，生产成本等结合起来对产品加以评价； AdaptableDesigner 1.0 还将 ANSYS ，MATLAB 与 NSGA-II 集成起来对产品的结构进行优化；AdaptableDesigner 1.0 采用聚类分析，能对产品族进行规划。所以 AdaptableDesigner 1.0 具有建模功能、模块划分功能、知识库推理功能、数据库管理功能以及产品优化工具和产品族规划工具。

AdaptableDesigner主界面

AdaptableDesigner的功能

AdaptableDesigner的功能

AdaptableDesigner的结构层次• 基础层：包括建模功能、数据导入导出、 CAD软件接口

、知识库推理功能和数据库管理功能。

• 方法层：各种设计理论、优化算法的软件模块。注重通用性和一般性。以实现方法和算法为目的。比如现在最成熟的聚类分析模块就属于这个层。

• 应用层：针对不同类型的机械，应用层通过设置具体的参数、约束和优化目标来实现具体的应用。针对具体的应用对象，要么建立优化公式调用MATLAB进行计算，要么建立 3D模型通过 ANSYS进行优化。

• 用户层：通过友好的用户界面，把以上三个层次结合起来，呈现到用户面前。使得用户可以通过简单的点击和数据导入导出就能完成工作。

多目标模块划分功能

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多域空间零部件间相关性的确定

功能相关性

关系类型

相关性

共同完成 极强 1

协作完成 强 0.5～ 0.9

辅助完成 弱 0.1～ 0.4

无功能关系 无 0

几何相关性

关系类型

相关性

不可拆分 极强 1

难以拆分 强 0.8～ 0.9

较难拆分 中 0.6～ 0.7

较易拆分 弱 0.4～ 0.5

容易拆分 较弱 0.1～ 0.3

无连接关系 无 0

物理相关性

关系类型

相关性

存在能量流 极强 1

存在信息流 强 0.5～ 0.9

存在物料流 弱 0.1～ 0.4

无物理关系 无 0

功能相关性描述

物理相关性描述

装配相关性描述

不能从本质上揭示结构发生改变的难易程度

装配关系拓展

机械的本质

• 需要能量来完成动作

• 动作是对物料的加工

• 有计划有目标的去完成

• 有机整体说明

运用能量，对物料一定程序的加工，使之成为目标产品的有机整体。

可适应设计的基本哲学

• 产品功能跟随用户需求改变

• 功能和结构密切相关

• 可适应性也就是要求结构也易于改变和重用

使产品能够适应改变，产品和设计易于在新的需求中重用。

机电一体化系统

现代机械涉及机、电、液、光、声等多门学科，是机械技术、电子技术、信息技术、自动控制技术等相关技术的综合。

从可适应性角度分析

Figure 14 来自 Adaptable Design,2004 ， P. Gu etc.

根据木桶原理，可适应度性最差的机械部分决定了整个机电系统的可适应度。

机械零件的类型划分• 能量传递件：输入和输出都是同一类的能量，存在传递函数。例如，齿数相同的两个齿轮的传递函数就是 f(x)=-x。

• 能量转换件：输入输出不是同一类的能量，也存在转换函数，只是较复杂。比如，电机实现了电能到机械能的转换。

• 固定件：这类零部件包括机架、轴承座之类，主要作用是为能量传递件和能量转换件提供约束，使之成为自由度为一的机构，以便完成能量传递过程。虽然没有能量传递，但还是有力的作用。

能量的差别

机械系统的抽象

把机械系统看作为具有功能的系统

能量 能量物质信息

物质信息

在这里我们以抽象的方式为产品建立一个称为黑箱子的功能模型。该模型包含三个输入 /输出类型。如下图所示的模型，可以使我们仅关注产品的主要功能。

能量转换的实现方式

聚类分析

• 把一个集合中属性相近的元素聚合成到相同的子集中。

可适应聚类分析过程

• 生成不同的设计方案

• 对每个方案的零部件进行聚类分析

• 取每个方案最好的聚类结果；并把类与类之间的联系进行量化。得到一系列指标。

• 把每个方案的指标进行比较，找出可适应性最好的设计。

类与类之间的联系

1

3

7

2

4

6

58

9

1

3

7

2

4

6

58

9

(a) 改变量为6

(b) 改变量为4

还需解决的问题

• 零部件不同域的关系如何处理

• 具体的聚类分析算法

• 方案的评价指标的确立

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