对称性知识的机械CAD系统开发

摘要

　　对称性在机械系统中得到了广泛的应用。深入系统地研究机械对称性知识,并开发相应的计算机辅助设计系统,有助于更好地运用对称性知识进行机械产品的设计开发,提高机械产品的技术性、经济性和社会性。本文主要研究应用对称性知识的机械CAD系统的开发策略、方法和技术,取得了如下主要的进展:

　　1.基于对1000多个机械结构对称性实例的分析,建立了机械产品的功能库和设计需求体系,并从技术性、经济性和社会性三个方面加以细化和展开。

　　2.设计了可扩展的机械结构对称性存储体系,相应建立了机械结构对称性实例知识模型。

　　3.从设计需求体系出发,建立了系统的机械对称性应用知识库,从提高机械产品的技术性、经济性和社会性三个方面进行了展开。

　　4.基于上述研究,开发了应用对称性知识的机械CAD系统,构建了由基础知识管理、实例及应用知识管理、知识挖掘及应用、系统设置与维护以及辅助工具五大摸块组成的软件框架体系。最后借助该系统对剪式千斤顶进行改进设计,生成的新方案正在申请专利。

　　关键词：机械结构对称性;机械对称性应用知识;CAD系统

Abstract

　　Symmetry is widely used in mechanical systems. Deeply and systematically researching on mechanical symmetiy knowledge and the developing of corresponding CAD system are helpful to improve the efficiency and quality of the knowledge reuse of mechanical symmetry, and can make better use of symmetry knowledge to design mechanical products. This thesis mainly studies the theoretical knowledge required for the development of mechanical CAD system based on symmetry knowledge. The main research contents and results can be classified into the following four aspects:

　　Firstly, based on the analysis of more than 1,000 symmetric instances, the functional library and design requirement system of mechanical products are established, which are refined and developed from three aspects: technical, economic and social.

　　Secondly, an extensible mechanical structure symmetry storage system is established. Combined with the symmetry system, the mechanical symmetry instance knowledge storage model is put forward.

　　Thirdly, according to the design demand system, a systematic knowledge base for the application of mechanical symmetry is established and expanded from the technical, economic and social aspects of mechanical products.

　　Fourdily, on the basis of the above theory, a mechanical CAD system based on symmetry knowledge is developed. And the software framework consists of five basic modules: basic knowledge management, symmetric instances and application knowledge management, knowledge mining and application and so on. This CAD system can be used to mine mechanical symmetry association knowledge and guide the design of mechanical products. Finally, an improved design of the scissor jacks was put forward which increased stability,and proved the usefiil of the CAD system. And the new design is applying for a patent.

　　Key words: symmetry of mechanical structure; application knowledge of mechanical symmetry; CAD system

　　对称性是自然界普遍存在的现象,比如人体外形呈现左右对称,蔷薇科植物的花萼和花瓣呈现旋转对称,海螺壳则具有螺旋对称[1],建筑物[2]和各种机械设备[3]也都表现出了各种各样的对称性。对称最初作为一个美学概念,在建筑和艺术领域中得到广泛的应用。从地下出土的各种陶器和青铜器上的壁画和图案,到高大雄伟的宫殿、金字塔,都可见对称的设计。随着时代的变迁,人类对对称性的研究在自然科学,工程技术,人文艺术乃至社科领域均取得了丰硕的成果。

　　虽然对称性在机械领域的应用历史久远,但是关于对称性的系统研究起步较晚。有关对称性系统研究始见于1990年德国学者Barrens cheende的博士论并未深入。2006年以来,浙江大学机械设计研究所展开了对称性及其在机械中应用的系统探究,取得了多方面的进展和成果。在机械对称性理论研究的过程中,积累文[4],文中初步研究了机械结构对称的概念分类体系及其在设计中的应用,后续了大量机械对称性应用实例,从中提炼了大量的对称性应用知识。如何在产品的设计中实现这些知识的重用,以提高利用对称性进行产品设计的效率,开发应用对称性知识的CAD系统是解决这一问题的关键。借助这一系统,把对称性知识用于产品研发和创新,对缩短产品的研发周期,提高产品的技术性、经济性和社会性具有重大意义。

　　物理学中的对称性研究很早已经开始,但关于对称比较严格的定义,普遍认为是1951年德国学者魏尔[51在其着作中提出的:一个操作使系统从一个状态变到另一个状态,若两状态相等或者状态在此操作下不变,我们称系统对于这一操作是对称的,这个操作称为系统的一个对称操作。在物理学中对称性是指:在某些变换操作下的不变性[6]。物理学中对称主要分为.?宏观对称和微观对称。宏观对称又可分为空间对称和时间对称。空间对称主要包括空间平移对称、空间反演对称、空间转动对称三种。时间对称分为时间反演对称和时间平移对称。宏观对称性与守恒定律具有一定的关系,在物理学中有重要意义的诺特定理指出:运动规律的对称性可导致相应的守恒定律m。例如,运动规律的时间平移对称、空间平移对称和空间旋转对称,可分别导致动量守恒定律、能量守恒定律和角动量守恒定律。徵观对称主要体现在粒子物理和量子力学中,利用对称原理和对称分析方法研究霉观粒子的运动规律和行为[8]。

　　对称性思想在整个物理学的发展中意义重大M。古希腊的毕达哥拉斯学派,在“万物皆数”、“数的和谐”等理念的指导下,提出天体为球形且做句速圆周运动,正是对称性思想的反映。托勒密的“地心说”和哥白尼的“日心说”均是球对称性理念下的产物。牛顿力学体系中,作用与反作用定律、力的合成与分解、运动的可逆性及运动的相对性均是对称性思维的产物。在电磁学中的法拉第电磁感应定律、麦克思维方程的得出都是对称性研究的产物。在现代物理学中,爱因斯坦创造性地应用对称性原理,提出了狭义相对论和广义相对论。十九世纪二十年代,对称性一度被重视为物理学中的第一原理。如今,对称性依然是研究、探索和解决物理问题的一种重要思想。

　　在物理学中,对称破缺的研究也取得了非常大的成就。对称破缺是指在一定的条件下所表现的可变性或对称程度的降低,作为量子场论中的重要概念,在理论物理模型中具有非常重要的作用[11]。杨振宁和李政道因发现弱相互作用过程中宇称不守恒[12]获得了　1957年的诺贝尔物理学奖。美国学者James　Waston　Cronin和ValLogsdonFitch因在中性K介子衰变中发现电荷与宇称联合的CP对称性破缺,而获得1980年的诺见尔物理学奖;美国科学家南部阳一郎和日本科学家小林、益川敏英三人[13,14]因在对称破缺领域的突出贡献共同获得2008年诺贝尔物理学奖。居里夫人曾经指出“非对称创造了世界”,对称性往往需要以“对称性破缺”的方式开辟道路,对称性破缺是事物发展的内在动力[15]。正因为对称破缺存在,世界才呈现出了如此丰富多彩。

　　对称性知识的机械CAD系统演示：

系统主界面及各功能模块详细内容

设计需求管理模块

导出数据

实例综合管理主界面

实例信息添加

实例运用设计原理添加窗口

实例对称信息添加

对称主体原理效用信息

实例关联对称性应用知识信息表

目录

　　摘要
　　ABSTRACT
　　插图和列表清单
　　1 绪论
　　　　1.1 研究背景及意义
　　　　1.2 跨学科对称性研究现状
　　　　　　1.2.1 物理学领域中的对称性研究
　　　　　　1.2.2 生物学领域中的对称性研究
　　　　　　1.2.3 建筑中对称性应用研究
　　　　1.3 机械对称性研究现状
　　　　　　1.3.1 机械对称性的系统性研究
　　　　　　1.3.2 机械对称性的应用性研究
　　　　1.4 基于实例知识的智能CAD系统
　　　　1.5 课题研究内容
　　　　　　1.5.1 存在问题和不足
　　　　　　1.5.2 研究重点
　　　　1.6 论文框架
　　2 机械设计需求体系
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 技术性需求
　　　　　　2.2.1 功能需求
　　　　　　2.2.2 性能需求
　　2.3 经济性需求
　　　　2.4 社会性需求
　　　　2.5 小结
　　3 机械结构对称性体系及实例模型的建立
　　　　3.1 机械结构对称性体系
　　　　3.2 机械结构对称性实例模型
　　　　　　3.2.1 机械结构对称性实例模型分析
　　　　　　3.2.2 机械结构对称性实例数据库建立
　　　　3.3 小结
　　4 机械对称性应用知识
　　　　4.1 对称类型与设计需求之间关联知识总结
　　　　4.2 机械对称性应用知识的提炼
　　　　　　4.2.1 提高机械技术性的对称性应用知识
　　　　　　4.2.2 提高机械经济性的对称性应用知识
　　　　　　4.2.3 提高机械社会性的对称性应用知识
　　　　4.3 小结
　　5 应用对称性知识的机械CAD系统
　　　　5.1 系统开发环境和总体框架
　　　　　　5.1.1 系统开发环境
　　　　　　5.1.2 系统总体框架
　　　　5.2 主要模块功能实现
　　　　　　5.2.1 基础知识管理
　　　　　　5.2.2 对称性实例管理
　　　　　　5.2.3 对称性应用知识管理
　　　　　　5.2.4 系统设置维护及辅助工具
　　　　5.3 对称性关联知识挖掘
　　　　　　5.3.1 关联规则
　　　　　　5.3.2 关联知识挖掘
　　　　5.4 对称性知识应用
　　　　　　5.4.1 对称性应用知识查询
　　　　　　5.4.2 基于设计需求的设计查询
　　　　　　5.4.3 基于功能分解树的对称性设计方案自动查询
　　　　5.5 应用对称性知识的产品设计进程及实例应用
　　　　　　5.5.1 应用对称性知识的产品设计进程
　　　　　　5.5.2 实例应用
　　　　5.6 小结
　　6 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　附录(实例集说明)
　　在校期间参与项目

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