4.1模块划分的基本概念与原则在线视频

同学们好

今天我们来学习

模块化产品设计开发

这门课程的第4讲模块划分

本讲主要分为以下4个部分

首先是介绍一下模块划分的

基本概念和原则

然后我们来介绍一下模块划分的

典型方法

再次我们介绍一下模块划分的

算法及其实现技术

最后我们介绍模块划分的一些

典型的案例

我们首先来看一下什么是模块划分

模块划分是指的是

产品的总功能的要求

按照模块化设计的特点和要求

合理的划分成多个功能模块的过程

我们称作是模块划分

模块化分的实质

是一个功能单元的

分解和重组的过程

那么模块划分的基本原则有哪些

从前面我们讲模块设计的基本概念

我们知道模块是指

具有独立的功能

独立结构

和标准结果的一个功能单元

所以在模块划分时候

我们要遵循的基本原则

主要有以下几个方面

一 独立结构原则

要求功能模块具有独立的结构

二 独立功能原则

要求功能模块可以独立的完成

对应的功能

三 耦合性最小原则

要求在更换功能模块时

对其他模块的影响程度最小

也就是说模块之间的耦合性要最小

四 成本最小原则

要求合理的配置模块大小

和模块数量

避免模块太大

增加开发制造成本

或者是模块太小

造成模块数量增多

使整个设计变得复杂

所以说要确定合理的模块数量

是非常关键的一个因素

那么模块划分注意的一些事项

除了以上几个原则之外

我们也要看

根据具体对象来具体进行分析

比如说模块分析特性

特别明显的产品

可按照功能进行自然结构的部件

进行模块划分

比如说数控机床里面

它的床 针 立柱 主轴箱

和主轴这些典型的部件

我们可以做一个模块来对待

对结构特性分析不是

特别明显的产品

我们可以首先进行功能分解

并加进附加结构已组成结构

独立的一个模块

比如说比较典型的是像

非标定制的一些这些产品

比如说液压机产品

就是典型的分级特性

不太明显的产品

我们可以采用这种方法

进行一些模块划分

在产品驱力分析中

可以把产品中

共性的零部件找出来

作为模块或分级规模块

这个主要是指

我们模块划分的时候

要考虑整个产品的系统

也就是说整个产品组

进行模块划分

我们划分出来模块

尽可能在各个产品

多个产品两边都可以进行重用

找出这些通用模块

模块划分数量的多少

按照生产的批量

我们知道模块划分的数量越多

模块的成本得越低

但是如果模块越多

生产和管理的成本就越高

所以说这里面

我们模块数量和成本

根据我们可以确定一个

最佳的模块数量

这个里面举了一个例子

就是加工中心它的功能

结构的一个表

根据他的功能

我们可以进行一阶级进行分解

最后到不能再分解位置

一些独立的功能部件为止

根据这些子功能之间的相互关系

我们可以对它进行一些具体分析

和模块划分

比如说我们可以得到

以下一些模块

比如说它的刀库模块

主轴箱模块

工作台 模块

或者窗参或者立柱模块等等

再比如说这些动车组

高速动车组它的典型的通用部件

我们可以以这些通用部件为基础

划分出一系列的模块

每个模块完成相应的一些功能

对于一些中超阻力里面转向架来说

它具有明显的分级特性

比如说转向架它的形式

它可以适用不同的类型的车辆的

一些要求

比如说高速的或者中速的

或者 低速的

在不同的用途

它有具体有不同的结构类型

那么在眼下可以分解成

一些子系统

比如说一级子系统

二级子系统

到最底层的零部件

这是它的一个分级特性

下面我们来看一下

模块划分的 方法

模块划分的常用的方法

有以下几 个方面

比如说基于功能结构的启发式 方法

基于设计结构矩阵的模块化方法

还有基于模块

只是矩阵的模块划分方法

这些划分方法它的前提和基础

都是在功能分析的基础上进行的

除了以上几种方法之外

另外还有基于复杂网络的

模块度的这种识别方法

还有基于信息上的

模块划分方法 等等

我们下面主要是介绍上面三种

模块划分方法

首先我们来看一下模块划分的

功能结构启发式方法

那么这种化验方法它实际上是

建立在产品的功能分析的基础上

首先要根据产品的物质流

能量流

信息流这些之间的关系

来建立产品的功能系统图

在功能系统出的基础上

我们进行模块划分

他首先的第1步是要确定产品的

总功能

什么是功能呢

那么功能是指的是产品的

输入和输出之间的一个因果关系

也就是说什么应当转变为什么

这种定义

我们根据定义了12种的基本功能

比如说放出和吸收功能

传导和绝缘

集合或者扩散

引导或者不引导等等

技术系统一切过程都可以归结为

这种12种功能对

也就是说它们可以构成

一切的复杂系统

那么产品的总功能的确定

可以采用任务抽象化的方法

或者采用黑箱的方法进行

来确定产品的一个总功能

在总功能的基础上

我们可以对产品的功能进行分解

比如说我们可以采用功能树的办法

可以采用功能结构图的办法

或者是建立产品的

功能系统处理办法

来对产品的功能

进行一级级的分解

功能分解的基本原则是什么呢

由于产品的模块是完成某一功能

或者子功能

它的标准接口单元

所以产品总功能

它的抽象模式

以及总功能的分解方案

以及分解程度将直接影响到

模块的划分

分解程度到

分解确定的原则有哪些

就是说一个是能够实现功能到

结构单位的一一对应位置

二是分解到

所处理的产品的结构单元

有对应的物理实现为止

我们就不再进行往下去分解了

在功能分解的基础上

我们可以建立产品的功能结构

关系的图

如下所示

就说产品的功能

相互之间的一个功能

物质流

能量流

信息流之间的这么一个连接关系

我们可以建立一个物的形式来

进行表达出来

那么根据这些图之间

我们可以总结出来

这个功能系统图

它的这功能之间的连接关系

比较常见的有以下几种

比如说有串联结构

就一个功能的输入

是另外一个功能的输出

他们依次相连接这种

串联结构的关系

还有一种是并联的关系

比如说两个功能之间是并列关系

比如说功能一和功能二

功能三和功能四

那么是一个并列关系

还有一种是叫还行的结果

比如说类似一种反馈的结构的形式

功能一功能二的输出

通过功能三

再反馈到功能一的输入端

所以这种构成了

功能结构图的三种的

典型的一个基本结构

任何复杂的工程系统中

可以认为就这三种

基本的结构来构成的

根据功能结构图

我们就可以利用启发式规则来

识别出一些功能模块出来

常见的功能结构启发式规则主要

是有以下三个方面

比如说主流规则

那么滞流规则

还有转化输出规则

主流规则是指的是如果图A所示

当某种流输入系统功能结构图中

的串联结构中的多个分功能后

最终退出系统

或者说转变为其他形式

和这些分功能

可以划分为一个模块

并且在该模块与其他功能的

连接处形成一个接口边界

那么其他流入是需要接口

滞留规则如图B所示

那么系统的功能结构图中

并联结构中的每个分支可以

确定为一个模块

如果其中仍有分子

可以继续进行划分

那么流到分支处形成接口的边界

转化和输出规则

如图C所示

那么一个分工能在接头的物料

能量之后

把它转换成另外一种形式

那么这个分功能可以确定为有

可以把该功能和转化功能

合并为一个模块

同时考虑考察下游是否有传递

或者输出输送的分功能

这种功能结构的三条启发式规则

详细的内容

我们可以看有关的参考文献

从中我们可以识别出一些产品的

一些功能模块出来

这是三个功能结构启发式规则的

一个典型的它的示意图了

比如说主流规则

滞留规则和转换规则

它的三个规则的图形表示

下面举一个例子

就是咖啡壶的例子

比较典型的一个咖啡壶的例子

这是首先要建立它的功能的结构图

比如说它的输入是由有水

还有是有咖啡

这是他的输出的一个物质流

要对它水进行加热

它有它的一个能量流

比如说需要输入电流

它的最终输出是加热

之后的一个咖啡

根据功能结构图

我们可以得到

它的一些共性的功能

比如说以下几种咖啡壶

他的各种基本形式

比如说它的一个基本形式的

一个带水过滤型的

或者是带加热型的

还有一些可以自动关断型的

还有一些其他形式的

可以调整温度的这么加热

带加热器的这种形式的

我们分别画出它的功能图

可以知道它的一些共性的功能

可以表示出来

那么这些共性的功能

我们可以识别出来它的一个

共性的功能模块出来

那么下面我们介绍一下模块划分的

第2种方法

基于设计结构矩阵的这种方法

那么至于设构设计

结构决定的方法

它比较常见的

也是比较常用的一种模块化的方法

它可以利用模块的相关度矩阵来

进行作为目标函数进行具体分析

那么这种方法它是比较定量的

一种划分方法

我们可以通过一定的建立目标

函数和约束条件

在一定的利用一定的优化算法

比如说遗传算法或者模拟退化算法

进行模块的划分

最后得到出来一个最优的模块

那么这里面最关键的是要确定

产品的功能分解之后

它的零部件之间的相关度

那么这是它划分的一个基本思路

我们首先通过功能分析确定

功能结构和基本功能

那么通过功能阶段输入输出关系

我们确定功能间的相关程度

那么第3步

我们通过模块聚类分析来确定

模块划分的一个结构

最后我们可以通过复杂性的计算

来确定模块划分的一个数目

到底是多少

那么怎么来确定模块之间的一个

相关度呢

实际上这个模块的相关度

我们共同之间的相关度

我们表示一个功能与另外一个

功能之间它的相关的程度

我们可以用RN阶来表示

那么它是0~1之间的一个数

当然我们也可以认为相关度可以

定义其他的之间的一个数

比如说在0~10之间

或者是0~5之间

我们可以自己根据需要来进行定义

那么如何来确定功能之间的

相关程度

一般来讲机械产品它的输入和

输出的参数主要包括两大类

一类是静态参数

二是动态参数

那么静态参数又可以分为

几何约束和机械特性

那么动态参数又可以分为

动力参数或者信号参数

那么几何约束指的特征间的几何关系

包括尺寸

形状和公差之间的关系

那么机械特性指的是以材料的

力学特性

相关的参数

包括载荷

重量

材料特性

应力分布等

那么动力参数只是与动力学特性

有关的参数

比如说位移速度

加速度和转动惯量等等

还有一个信号参数

比如说接收信号

发送信号

这个信号的稳定性

灵敏度等

可以从以上4类参数中分别确定

功能间

它的输入输出线的相关程度

比如说我们可以得到这么一个

相关度矩阵

那么根据功能键的相关度的计算

方法

我们可以计算各功能间两两之间

的相关程度

得到这块相关度

矩阵这么一个表所示了

那么相关度矩阵

我们可以从哪几个方面进行分类

我们可以认为除了功能相关之外

我们还有其他的

比如说装备相关

可以分为空间相关或者信息相关

根据功能之间

它是否存在信息流

物质流

能量流之间的关系

我们可以分别乘不同的一个相关

相关类型

当然这里面

这只是其中的一种定义

我们其实相关还可以有其他的

相关定义

比如说这里面我们把相关分成

功能相关 几何关和物理相关

那么每一种相关之间

我们可以定一些

它的一个取值范围

取值的系数

比如说功能相关

如果是0

我们认为是零部件之间的功能

没有功能关系

如果在0.1~0.4之间

零部件机的功能相关性较弱

那么仍然如果在0.5和0.9之间

零部件的之间的相关的性较强

如果是1

那么零部件之间缺一不可

所以功能相关度最强

那么几何相关类似

我们也可以按照相关的

几何连接关系的强弱

我们来定义成来确定不同的数字

那么物理相关也一样

那么可以之间有物理管理

物理关系的相关的弱和强

我们来定义

从不同的素质

那么

从三个方面功能相关

几何相关和物理相关

这个相关程度不同

我们可以得到三个矩阵

那么每个矩阵我们最后怎么叠加

出来得到一个矩阵

我们可以把相关每一种相关我们

定一个权重系数

比如说我们定义的功能相关的

权重是0.5

那么几何相关是0.3

物理相关是0.2

这样一些我们就可以得到一个加

三个矩阵进行加权求和

得到一个总的相关度矩阵

这是相关度矩阵的它的求解的办法

我们分过三个矩阵

我们可以得到一个它之间等的

一个相关度

这本里面举了一个例子

比如说有一个7个子功能

他两两之间的一个相关

我们可以在这个基础上

得到这个相关度矩阵

因为这个矩阵它基本上是一个

对称矩阵了

我们设立所以这个矩阵里面

它史写了一个对角矩阵就可以了

那么根据相关度矩阵

我们可以对7个子功能

进行模块划分

比如说经过聚类算法或者遗传算法

或者其他的方法

我们可以得到

它的模块划分的一个结果

比如说这里面我们把

它可以划分成4个模块

比如说模块一

包括子功能一

那么模块二包括子功能二

六和七

那么模块三包括子功能三

模块四

包括子功能和五

这个之间根据它的之间的功能的强弱

连接功能关系的相关的强弱程度

我们可以视为矩裂成4个模块