可重构天线

可重构天线（精选四篇）

可重构天线 篇1

可重构天线在认知无线电技术和多输入多输出(MIMO)无线通信技术中具有重要的发展前景[1]。对可重构天线的设计需要高效的电磁分析手段,它不等同于多个传统天线的简单叠加。天线的可重构实现的手段就是通过某种方式改变天线的结构,导致表面电流分布的改变,从而改变天线的辐射特性。

目前,在天线优化设计方面,国内外文献大部分采用了遗传算法,因为该算法已经很成熟并且对于待优化函数没有可微性等条件的限制,使得它非常适合于优化高度非线性的天线参数。文献[3,4]分别提出一种基于微遗传算法的微带可重构天线,通过对天线开关状态的微遗传算法优化,文献[4]实现了天线在6.5GHz处的45°、90°和135°三个方向的可重构。文献[5]采用遗传算法对阵列优化获得可重构。文献[6]设计了频率和方向图双可重构天线,文中用12个MEMS开关控制尺寸不同的贴片之间的连接与断开,通过不同的天线结构实现了在4GHz到6GHz频段方向图覆盖120度。分析方法采用的是遗传算法与全波仿真的结合。在文献[7]设计的天线中,用220位染色体表示贴片、地板、贴片和接地板之间的连接部分和馈电部分以及调谐部分,通过遗传算法得到1.7GHz到2.7GHz的任意谐振点,对天线的小型化极具意义。

遗传免疫算法是遗传算法的延续和改进,它将遗传群体分成了抗体和记忆库细胞,将优秀个体储存在记忆库中,避免了在下一次遗传操作中优秀个体的丢失,因此它在收敛速度、全局性、优化精度方面都优于遗传算法,可以提高算法精度,节省迭代次数,因此免疫算法在天线领域的应用前景更加广阔。

本文在Matlab[8]中,利用遗传免疫算法在天线结构中加入MEMS开关进行仿真分析,设计出两种既可以在固定频率点上进行方向图的扫描变化又可以在特定的方向上实现频率的灵活变化的微带天线双重可重构方案。

1 免疫算法

免疫算法是基于生物免疫系统的基本机制开发形成的。它模仿免疫系统抗体与抗原识别、结合及抗体产生的过程,并利用免疫系统的多样性和记忆机理抽象得到。免疫算法采用类似遗传算法的搜索策略,借用遗传算法的选择、交叉和变异算子,但是在搜索策略和记忆单元设置等方面又与遗传算法不同。遗传算法采用适应度函数来指导搜索过程,免疫算法则同时利用亲和度和浓度来指导搜索过程。遗传算法在优化过程中没有明显的记忆单元,但是免疫算法则利用记忆机制加强局部收敛或者抑制早熟现象,从而使算法快速收敛到最优解。它分为三种:免疫遗传算法、免疫规划和免疫策略,其中免疫遗传算法出现较早,研究也相对成熟[9,10]。本文所研究的就是遗传免疫算法(以下简称免疫算法)。

1.1 适应度函数选取

适应度函数是免疫算法中很重要的一个方面,如果适应度函数选取不当将无法得到问题的正确解。本文的设计目标是频率和方向图双重可重构的天线,因此把s11(回波损耗)和方向增益参数Polar作为适应度函数的选取指标,记适应度函数为F(cf,phi),s表示的是实际求得的s11参数值,p表示的是实际求得的Polar参数值,于是得到如下适应度函数:

首先计算s11的适应度函数如下:

其中:

这里cf代表所要求解的天线的中心频率,Δf代表偏移中心频率的量值。phi代表所要求解天线的目标辐射中心方向。0.15、0.7代表的是权重,频带(方向图)有一定的宽度(旁瓣),在目标优化频点(方向)的权重值大一些,在边值小一些。

其次计算方向性增益的适应度函数如下:

其中:

这里phi意义同上,Δp代表偏移中心方向的量值。

最后得到总的适应度函数,即在仿真程序中应用的函数为:

F(cf,phi)=0.4×S11(cf,phi)+0.6×Polar(cf,phi) (3)

其中回波损耗和方向图增益为式(1)和式(2)所示。

1.2 免疫算法流程图及计算过程

免疫算法的计算过程大致可以分为以下六步。

第一步:抗原识别。待求解问题的数据输入实际就是函数的定义过程,即将待求问题以数学表达式表示出来,并作为优化算法中的适应度函数来指导算法的搜寻过程。比如在优化频率渐变天线时,目标函数就是相应频点S11较小值所对应的天线结构。

第二步:初始抗体产生。本文由于天线结构的不确定性,随机产生初始抗体种群。但是根据以往设计天线的经验,我们设置初始抗体中0(表示贴片存在)出现的概率为0.7,1(表示贴片不存在)出现的概率为0.3。并且随机产生初始种群。

第三步:抗体度量。计算抗体亲和度及浓度。

第四步:记忆细胞产生。将与抗原具有最高亲和度的抗体作为记忆细胞保留在记忆库细胞库中。

第五步:抗体产生的促进和抑制。对于抗原有较高亲和度的抗体进行促进,对浓度较高的抗体进行抑制。这对保持抗体种群多样性,避免过早收敛具有重要意义。

第六步:抗体产生。这个阶段,对此时的抗体利用遗传算法的选择、交叉、变异产生新的抗体。

最后,把此时的抗体作为下一代的初始抗体,再进入抗体度量阶段。如此往复循环,直到找到有效解。

在免疫系统中,抗原代表待求解的问题,抗体代表问题的解,亲和度和浓度用来评估解的结果,抗原识别也就是对问题的解的识别过程。另外,免疫算法的结束条件与遗传算法一样可以大致分为两种,即通过设定终止条件或终止循环次数来终止算法[11,12,13]。

本文将代表天线结构的个体作为免疫算法的输入个体,优化得到目标天线结构,使得复杂的可重构天线设计简单明了,在充分考虑各种结构的情况下能迅速地找到最优的解。

2 方向图和频率双重可重构天线

本文设置天线介质板的介电系数为2.2,通过矩量法中RWG边元对天线结构进行划分并解析。

2.1 方向图和频率双重可重构微带天线方案一

本文设计的第一个双重可重构天线是以十字形偶极子为基本单元,在各个十字形偶极子之间加MEMS开关,将各个开关通断情况用二进制序列表示出来,作为免疫算法中的遗传群体,然后用免疫算法搜寻优秀个体,从而实现天线结构和性能的优化。另外,因为每一个十字偶极子都可以有一个独立的同轴馈点,同样可以通过控制各个十字偶极子馈点是否馈电来实现天线特性的可重构优化。天线基础结构如图1所示。

基本参数为:交叉概率0.6、变异概率0.4、免疫门限(判别个体多样性的概率标准)0.3、遗传群体大小8、抗原群体大小4、染色体长度40、迭代次数30、频率偏移100M、相位偏移10°、介电系数εr=2.2、介质板厚度h=2mm、每个十字微元的宽度为1mm,长度为4mm,MEMS开关的大小为1mm×1mm。整个天线由16个基本的十字形贴片组成。优化中的40个染色体长度包括该结构天线24个十字偶极子之间的MEMS开关的数量和16个偶极子的馈电点。 以8GHz为中心频率,分别设定目标方向phi为45°和135°。经过优化,实现了目标,得到如图2的结果:方向图增益最高点分别在45°和135°方向。图3为中心频率8GHz,目标方向phi为45°的最终天线结构,显示了最终的馈电点位置和十字贴片之间的连接情况。

图4为优化同一方向上频率可重构仿真结果,设定最大辐射方向为90°。经过优化得最大辐射方向基本上都是在90°方向上,但谐振频率点却不同。

2.2 频率和方向图可重构天线方案二

第二个双重可重构的天线是以矩形贴片为基本单元,然后在各个矩形贴片之间加MEMS开关,通过免疫算法优化MEMS开关的通断状态实现天线的可重构。天线基础结构如图5所示。相应参数和适应度函数也如式(1)和式(2),只是染色体长度和迭代次数有所改变,该结构天线优化时染色体长度为28,包括24个MEMS开关和四个馈电点,由于该结构相对结构一的染色体序列少一些,因而权衡时间和精度,根据实际的优化时间,选择迭代次数为10。

该结构中天线贴片元的大小为5mm×5mm,天线高度是2mm,T形部分的微带馈电线的宽度都是1.25mm,MEMS开关尺寸为1.25mm×1.25mm,整个天线由9个贴片元和相互之间连接的MEMS构成。设计该结构天线的理论基础是, MEMS开关的中断代表了馈电位置的变化,不同的馈电位置对应不同的贴片结构,从而产生不同的频率和方向图特性。

以5.8GHz为中心频率,经过优化得到图6所示的结果。图中每个天线的最大方向性增益基本都在6dB-8dB之间。可以看出天线在谐振频率为5.8GHz的点上实现了60°和120°三个方向上的方向图的可重构。图7(a)为中心频率5.8GHz,目标方向为60°的最终天线结构。

下面对同一方向上频率可重构天线进行优化,设定目标最大辐射方向为120°,经过优化得到图8所示的结果,分别谐振在5.3GHz、6.8GHz三个频点上。

图9是设定目标方向为60°时在5.8GHz、6.8GHz的频率可重构。

以上只对有限几个频率点和两个方向上的天线结构做了优化,实际上可以优化得出在理论支撑范围内的任意频率点上任意方向的天线结构。而且,在优化过程中也得到了许多其它谐振频率点上其它方向的天线结构,在这里不一一列出。

3 结 语

通过严密的理论分析和实际的仿真分析可以看出,免疫算法是一种很好的天线优化算法。本文的设计通过对贴片结构和馈电点加入MEMS开关,并采用免疫算法进行仿真求解,实现了频率和方向图的双重可重构。所提出的天线优化方案无论是为MIMO多天线系统还是为认知无线电系统,都提供了一种天线小型化设计的思路。无论是频率捷变的天线还是频率方向图双重可重构的天线都在很大意义上减少了天线的体积。

此外,天线计算过程中采用矩量法,优化过程是在Intel(R)Pentium T3400 的处理器下完成的,因为对于不同的贴片结构,都有与之对应的阻抗矩阵,在优化过程中随着结构的改变,会有相应的矩阵填充,这会耗费一定的时间,这个时间与采用什么样的算法没有关系,这是属于天线求解问题,所以只由天线结构的大小决定。天线结构越复杂,分成的矩形单元越多,矩阵填充时间就越大。在实际使用时,可以根据周围情况接入外部电路,即为天线配置一个存储芯片和简单的智能处理单片机,以保存优化结果。单片机内部只需要设定最简单的搜索代码就可以找到存储库中与之相对应的参数。

可重构天线 篇2

随着当前无线通信系统特别是移动通信系统的高速发展, 现代的无线通信系统要求通信速率高、通信质量高并且要求各个系统之间能够相互兼容。这些都对无线通信系统中的天线提出了更高的要求, 需要天线系统能够完成多个频段下的收发和传输, 而且天线能够根据环境的变化有一定的适应能力, 比如可以根据环境来改变天线的工作频率、工作方向图和极化特性等。传统天线固定的工作频率、辐射方向图和极化方式大大限制了整个通信系统的性能提升。可重构天线可以通过机械或者电控制等手段来改变天线的工作频率或者辐射方向图, 能够改变天线的工作特性从而适应环境或者通信系统的需求。可重构天线工作十分灵活, 一副天线能够完成两幅甚至多幅天线的工作, 因此可以大大的减小天线的体积和质量, 适应目前移动通信系统小型化的要求。

2 可重构天线的分类和设计

2.1 可重构天线的分类和特点

一般可重构天线可以分为频率可重构天线、方向图可重构天线、极化可重构天线和多种电磁特性可重构天线。频率可重构天线是可重构天线中研究成果最多的一种天线, 其研究目的是天线能够在不同的工作频率下工作, 同时在各个工作频率上的辐射方向图以及极化方式没有明显的变化。频率可重构天线一般是通过在天线上加载射频开关或者微机械开关从而动态改变天线的物理结构, 从而影响天线上的电流分布, 从而改变天线的工作频率。方向图可重构天线的研究大多数仍是基于相控阵天线理论的, 但是该技术有一定的缺陷, 比如馈电系统十分复杂, 天线阵阵元间的间隔较大而且整个系统加工制作成本随着工作频率的增大而迅速增加, 这些缺点对于系统的提升有很大的限制作用。极化可重构天线可以有助于提高系统在变化的环境中对干扰信号的免疫能力, 这种天线的实现难点是在极化方式改变的情况下要保持天线的频率特性和辐射特性不改变。极化可重构天线的应用拥有很大的灵活性和自由度, 在无线通信系统中合理使用极化可重构天线可以实现信号的发射或者接收分集从而消除多径效应, 使得无线通信系统的性能得到较大的提高。

2.2 可重构天线的主要设计步骤

一般可重构天线的设计大概分为以下几步: (1) 首先根据无线通信系统的需求确定天线的工作参数, 例如天线的工作频率、辐射方向图、极化特性和增益等。 (2) 根据天线的工作参数确定天线的基本模型的尺寸, 因为可重构天线需要工作在多种模式下, 所以需要考虑天线的物理结构能够通过开关控制, 这就对天线的模型设计提出较高的要求, 设计好天线模型后用的电磁仿真软件建模。 (3) 使用电磁仿真软件对天线进行仿真和优化。 (4) 加工制作。

3 可重构天线在无线通信系统中的应用前景

可重构天线的应用十分广泛, 目前在无线通信系统中主要应用场景有: (1) 军用的电子侦察和电子对抗中, 目前国内最先进的预警机中关键设备相控阵雷达中就有可重构天线技术的应用, 预警机是用于搜索和监视空中或者海上目标的军用飞机, 是现代信息化战争中不可替代的, 对于空军具有很高的战略意义。在军事通信上, 要求通信系统中的天线能够迅速有效的进行工作频率的跳变, 从而保障通信的畅通性避免来自外界的电磁干扰和监听, 可重构天线在军事通信上有着十分重要的意义。 (2) 随着移动互联网的发展, 要求移动设备的体积小质量轻并且能够有大的无线通信效率, 可重构天线能满足这要的要求, 目前的移动终端例如手机、PDA、笔记本电脑等, 可重构天线都能够应用在这些设备之中。 (3) 目前运营商的竞争越来越激烈, 以尽可能小的成本来提供高质量、低延时的服务成为运营商需要考虑的首要问题。由于用户的流动性, 可能会出现用户大规模聚集的情况, 基站往往需要根据当时的用户的密度来调整基站天线的工作特性, 可重构天线能够满足基站的这种需求, 根据当时外界的工作环境来做出工作状态的改变。

除了上面所提到的领域之外, 随着技术的逐步提升, 可重构天线的应用将会更加广泛, 像目前的室内分布系统、无线局域网系统等, 可重构天线的应用将进一步提高这些系统的性能, 满足用户的需求。

4 结束语

综上所述, 随着现代无线通信系统的快速发展, 为了满足用户的需求, 无线通信系统会对天线性能要求更加严格, 而可重构天线作为一种灵活的、能够改变天线工作特性的天线, 将来会广泛的应用于各种无线通信系统中, 尤其是更重移动通信的终端。这种技术对于运营商和设备商都展现出了巨大的潜力。

参考文献

[1]殷际杰.微波技术与天线[M].北京:电子工业出版社, 2006.[1]殷际杰.微波技术与天线[M].北京:电子工业出版社, 2006.

周边桁架式可展开天线的接触分析 篇3

接触现象在自然界中是普遍存在的, 机械领域中一大类问题可以概括为是接触/碰撞的动力学问题。接触问题成为了各个机械领域重要的研究课题之一。1904年whittaker最早提出了一种可以处理摩擦碰撞问题的方法, 认为物体碰撞结束后的法向速度与碰撞前的法向速度之间成比例, 也即速度恢复系数法, 并且最终建立了牛顿恢复系数模型[1]。文献[4]对石油开采领域的油管摆动系统中的油管与扶正机械手的接触碰撞问题进行了研究, 以便保证整个修井作业机械化系统能够快速、安全及准确地运行[4]。

随着航空航天事业的发展, 接触和碰撞在该领域的应用越来越多。如航天飞机、人造卫星的太阳能帆板和天线展开时关节处的碰撞;飞机着落时, 起落架与地面的冲击;受约束的弹性机构系统, 空间站的对接等等[3]。当碰撞发生时, 结构发生局部变形, 并随着波的传递使其附近区域受到影响, 在这个过程中会产生应力最大值。预测接触碰撞期间的动力学响应非常重要。但到目前为止, 还没有很好的方法。主要难点在于确定碰撞力峰值的大小、确定碰撞接触面和确定碰撞分离时间等。在这个领域的研究中, 主要以两个经典理论为St.Venant理论和Hertz碰撞模型, St.Venant理论解决了碰撞期间构件中波的传播问题;Hertz碰撞模型是根据接触碰撞处局部变形的情况提出的模型, 他认为碰撞阶段构件仅在接触区的附近有变形, 将该区域等效为弹簧和与弹簧平行的阻尼器。但是该方法对于刚度的取值很难把握[4]。

本文研究周边桁架结构天线的展开过程中的锁定时的接触和碰撞问题, 设计了一种简单的锁定结构, 研究天线在展开过程中锁定位置时的接触问题, 采用adams软件并对其进了仿真。

2 可展开天线展开时接触碰撞的数学模型

2.1 接触碰撞数学模型

对接触/碰撞现象进行如下定义:系统在碰撞的瞬间构型不变, 在接触力的作用下, 发生碰撞的两个物体的动量发生改变。通常处理接触/碰撞现象主要有两种方法:一种是恢复系数方法, 另一种是等效弹簧阻尼方法。恢复系数方法不能处理复杂多柔体系统的接触碰撞, 且不能获得接触碰撞力的大小, 对处理多柔体系统的接触碰撞现象分析并获得接触碰撞力大小, 可采用等效弹簧阻尼方法。等效弹簧阻尼方法将接触碰撞现象处理为连续的动力学问题, 将碰撞过程中的接触力等效成一个弹簧阻尼模型, 如图1所示。

如图1中所示I、J两个物体之间发生了碰撞, 它们的整个接触过程可描述为:

式中:FN为法向接触力;K为刚度系数;准为碰撞物体变形量;C为阻尼系数;准觶为两个物体的相对速度;e为渗透深度指数。ADAMS软件中提供了一种用step函数表示的黏性阻尼模型。其阻尼系数的计算公式为:

x为两物体间碰撞过程中的实际距离;cmax为最大阻尼系数;d为穿透深度;x1为碰撞过程中的临界距离;d为穿透深度。

在ADAMS仿真软件中, 用IMPACT函数实现等效弹簧阻尼模型。IMPACT函数模型的计算公式为

e为渗透深度指数, k为刚度系数, x觶为两物体的相对速度。

当x≥x1时表示物体不发生接触, 此时碰撞力为零。当x<x1时, 表示两物体发生碰撞, 其碰撞力的大小与刚度系数k, 变形量x-x1, 渗透深度指数e, 最大阻尼系数cmax, 穿透深度d有关。

2.2 展开过程中碰撞接触时的动力学分析

如图2所示, 天线在展开的过程处于完全展开状态时, 通过双头弹簧销, 使天线能够锁定在展开状态。

周边桁架天线中的双头弹簧销N, 在参考坐标系0-xyz中的动力学方程为

其中

为总体的广义加速度列阵M, Q, QC, 分别为总体广义质量阵, 广义力矩阵和约束反力阵。由于双头弹簧销的拓扑约束方程为:

N的A点和M的B点发生碰撞时, 其接触碰撞的约束约束方程为

则双头弹簧销N在碰撞阶段的动力学方程为

其中, λ, λL分别为与约束方程 (5) 、 (6) 对应的Lagrange乘子列阵, Ψq, ΨqL分别为与约束方程 (5) 、 (6) 对应的Jacobi矩阵, 这样, 方程 (7) 与 (5) 、 (6) 构成双头弹簧销在碰撞阶段的动力学方程, 它是微分-代数混合方程。

双头弹簧销在不计重力时, 可根据质心运动定理计算碰撞力:

其中c軃1为A位置变形后的质心, F、FL为F位置处的约束力和对B处的撞击力, 将上述方程和式 (7) 进行比较得

其中ΨTr1为约束方程 (6) 对r1的Jacobi矩阵, FnL为撞击力在撞击方向n上的投影, B2受到的撞击力为FL的反作用力。

碰撞阶段的结束条件判断:设ε为很小的正数, 当物体在t*时刻满足条件时,

物体在该时间间隔内的某一时刻FnL为0, 可以近似地认为t*时刻物体碰撞结束。

3 仿真分析

周边桁架式可展开天线在展开的过程中, 当其达到完全展开时, 双头弹簧销刚好运动到相应的销孔位置, 在弹簧弹力的作用下, 弹簧销头伸出卡在销孔的位置, 使天线的展开得以锁定。

天线的虚拟仿真模型是通过proe软件建立。将建立好的模型导入到adams仿真软件中。如图3所示为周边桁架是可展开天线的三维模型, a为可展开天线的装配图, b为天线的一个五支杆铰链局部放大图, 图中红色圆圈位置为双头弹簧销的位置, c为双头弹簧销的线框放大图。在adams中, 首先要对于机构零件赋予其材料属性, 选取材料为steel。为了使机构能够按照一样的规律运动, 还要对其添加约束, 驱动和接触, 添加完成后就可以进行仿真。

图4、5、6所示分别为双头弹簧销的销头在周边桁架式可展开天线展开过程中的运动位移曲线, 受力曲线和扭矩曲线。整个仿真的时间为100秒。通过图4可以看出, 在天线展开到90秒左右的时间, 弹簧销运动到了五支杆铰链的销孔位置, 销头在很短的时间内弹出, 伸长长度大概是0.003m左右。图5为双头弹簧销的销头垂直于轴向方向的受力曲线, 从曲线中可以看出, 在90秒以前销头垂直于轴向方向上的受力几乎为0, 在90秒后, 弹簧销的销头弹出, 和销孔发生几次碰撞接触, 在垂直于轴向方向产生了一定的碰撞力, 力最大时的大小为7 000N到9 500N, 同时在天线展开的带动下产生了扭矩 (图6所示) , 这是由于双头弹簧销的销头和销孔之间有一定的间隙产生的。

4 结论

本文根据周边桁架天线的结构特点, 对天线在展开过程中的自我锁定状态进行接触和碰撞的运动学分析, 建立周边桁架天线的虚拟仿真模型, 通过仿真得出天线在展开过程中, 达到展开天线的目标位置时, 双头弹簧销的动力学曲线 (受力、扭矩) 以及双头弹簧销弹出的位置曲线, 并对曲线进行了分析, 为周边桁架式可展开卫星天线的实际展开提供了一定的数据参考。

参考文献

[1]安雪斌, 潘尚峰.多体系统动力学仿真中的接触碰撞模型分析[J].计算机仿真, 2008, 10:97-101.

[2]罗小明.多体系统中铰内摩擦接触分析[M].大连理工大学, 2011, 9.

[3]胡国伟.可展开天线展开动力学分析与仿真研究[M].西安电子科技大学.2011, 1.

机械系统可重构设计技术研究 篇4

关键词：FPBS,可重构设计,产品设计

1 引言

可重构性的概念是上个世纪90年代被逐渐提出来。1998年, 美国国家研究委员会 (NRC) 在《2020年制造挑战的设想》的报告中肯定了可重构性及可重构制造系统 (Reconfigurable Manufacturing System, RMS) 的重要性, 明确地将可重构技术的研究列入21世纪的6大挑战与10大关键技术中, 而且名列10大关键技术之首。可见, 可重构性与可重构设计研究的必要性和迫切性。

2 基于FPBS的产品设计过程

产品设计本质上就是对设计问题进行求解的过程, 目的是设计出符合客户需求、实现特定功能的执行构件。整个过程从需求分析出发, 逐层分解映射, 最终得到满足市场需求的新产品。设计过程的核心在于映射分解方法的选择, 采用不同的映射分解方法将建立不同的产品模型。

本文在分析已有迭代层次映射方法的基础上, 选择功能-原理 (行为) -结构 (FPBS-Function-Principle-Behavior-Structure) 的映射方法, 建立功能-原理 (行为) -结构的产品设计建模方法, 使得在产品设计过程中能充分考虑到功能、原理、行为、结构等因素, 以及它们之间的映射关系, 符合产品的设计规律。

2.1.1 FPBS映射过程

产品设计是在设计条件与设计约束的作用下, 寻求一条物理结构与功能需求之间的复杂映射的过程, 通过设计问题求解, 使产品每个子功能都依附于具有一定拓扑结构的物理结构。简言之, 设计过程就是一个由客户需求 (CRs) 驱动的功能到结构的求解过程。这样, 功能与结构之间存在着一定的映射关系。但是, 功能与结构往往不可能一一对应, 直接从功能映射到结构而设计出来的产品柔性较差, 支持产品变型设计、可重构设计的程度较低。因此, 本文在功能到结构的映射过程中加入了原理和行为。

2.1.2 功能、原理、行为、结构代表产品不同方而的信息, 分别描述了产品的不同类型特征。

功能描述产品完成的任务, 是设计的目的;原理描述实现产品功能的工作机理;行为描述实现产品功能需要执行的动作, 是功能实现的原因;结构描述产品的组成要素及其联接关系, 是实现功能的最终实物载体。功能、原理、行为、结构之间存在因果关系链。

功能-原理 (行为) -结构映射是一个以功能为出发点, 经由功能原理求解、原理行为分析、原理 (行为) 结构映射, 最终得到能够实现功能的结构为止的求解过程。

(1) 功能-原理求解表示在原理层而对功能进行求解, 获得能够实现该功能的一种或多种原理解。通常有以下几种映射形式: (1) 一对一关系, 一个功能正好被一个原理解实现; (2) 一对多关系, 一个功能需要多个原理解共同实现; (3) 多对一关系, 一个原理解被用于实现多个功能; (4) 多对多关系, 多个功能同时需要多个原理解共同实现。

(2) 原理-行为分析表示把能实现功能的抽象原理具体化为运动及运动关系, 获得符合原理的行为。原理表现为组成产品各原理构件的基本运动行为, 行为可以通过运动学参数来描述, 是原理的形式化展现。功能的实现原理包括运动行为, 原理需要多个行为协调运作来实现。实现功能的原理不同时, 对应的运动行为也必定不同。原理与行为互相依存, 脱离行为, 原理无法直接映射为结构;脱离原理, 行为缺乏抽象化的原理表征, 不能反映其本质因素, 使得设计的创新空间变得狭窄。所以, 通常将原理与行为作为一个整体进行分析, 二者之间是一个反复修正协调的分析过程。

(3) 原理 (行为) -结构映射表示根据实现功能的原理解的行为展现, 获得能够完成该行为的实物载体。结构有可能是具有特定功能的部件或零件, 或者为承载一定功能的结构特征。原理 (行为) -结构映射和功能-原理求解一样, 同样存在多种映射形式。

分别对其进行形式化的描述, Γ (F, P) 表示功能原理求解, Φ (P, B) 表示原理行为分析, Ω (P, B, S) 表示原理 (行为) 结构映射。其中, Γ (F, P) 分别为映射求解过程的操作算子。功能为始点, 构为终点, 因此, 可以将功能-原理 (行为) -结构映射过程可以表述为。

式中, M表示映射求解过程, 结构S表示功能F映射求解之后得到的结构或结构集, ∑△={Γ, Φ, Ω}表示过程的所有操作算子。显然, 功能-原理 (行为) -结构映射过程以功能F和操作集∑△为求解条件。

3 可重构设计

3.1 可重构设计的概念

产品可重构设计是指为实现产品的总体功能及其功能目标值, 在已有设计资源的基础上, 对组成产品的部件、零件, 甚至结构特征进行重新组态, 最终建立产品设计方案的过程。

产品FPBS映射分解模型中, 经由功能-原理 (行为) -结构的循环往复映射过程来进行产品的设计活动。每一个产品都有其自身的FPBS映射分解模型, 甚至承载特定功能的部件、零件和结构特征也有其FPBS映射分解模型, 区别在于模型的复杂程度不同而已。将可重构设计的含义拓展到产品FPBS映射分解模型的功能、原理、行为、结构层次, 定义为:通过对已有设计资源 (包括产品、部件、零件或特征等成熟案例) 的功能、原理、行为、结构进行一系列操作, 实现产品功能、原理、行为、结构的重新组态, 以便快速建立新产品的FPBS映射分解模型和横向动态模型, 进而实现快速响应设计。

可重构设计可以实现产品设计的继承性与创新性的协调统一。

3.2 产品可重构设计过程模型

基于FPBS的产品可重构设计总体思路是:按照新产品的设计要求, 采用QFD质量屋方法获取产品的总体功能及其功能目标值;对新产品的总体功能及性能参数, 进行FPBS映射分解, 建立其基于FPBS映射的概念设计分解模型;通过功能重构、原理 (行为) 重构和结构重构, 建立满足需求的新产品的横向动态模型, 最终得到新产品的重构设计方案, 通过FPBS映射分解模型底层结构的聚合, 完成新产品的重构设计过程。

这个过程中, 依据获取的产品总体功能建立的FPBS映射分解模型是一个概念模型, 模型的生成依赖于已有的成熟设计案例和设计经验, 因此要充分重用已有设计资源, 以保证分解模型的合理性和可行性。可以以功能和性能参数为匹配条件, 在库中进行定性定量检索, 首先从顶层功能及性能参数开始, 采用广度优先算法搜索依次往下遍历, 获得库中存在的以功能节点开始的FPBS映射分解模型。接着通过功能重构、原理 (行为) 重构以及结构重构过程, 建立新产品的横向动态模型。基于FPBS的产品可重构设计的过程模型如图1所示。

依据设计总体思路, 得出基于FPBS的产品可重构设计的一般步骤:

Stepl:根据客户需求, 采用QFD需求功能分析方法, 确定期望产品的总体功能及其功能目标值。

Step2:对期望产品的总体功能及其功能目标值进行FPBS映射分解, 建立其FPBS映射分解模型, 分解过程中, 按照功能和性能参数在库中进行检索匹配, 充分重用已有的设计资源。

Step3:根据得到的纵向FPBS映射分解模型, 经过功能重构、原理 (行为) 重构以及结构重构, 建立期望产品的横向动态模型。

Step4:通过底层结构的聚合, 设计出符合客户需求的新产品, 完成期望产品的可重构设计过程。

可以将设计好的新产品及其FPBS映射分解模型再次存入数据库中, 作为成功的案例以供今后其它设计活动进行参照重用。

图1中, 客户需求是模型的输入, 模型的输出是产品的可重构设计方案, 模型的处理过程就是基于FPBS的产品可重构设计方法, 整个模型的实现基础是已有的设计资源库和FPBS映射分解库。

基于FPBS的产品可重构设计可依次经由功能重构、原理 (行为) 重构、结构重构, 最终完成产品的可重构设计过程。

4 结束语

可重构设计相对传统的设计方式有着不可比拟的优越性, 能够同时解决设计的继承性和创新性两个问题, 在充分地重用已有的各种设计资源和设计知识的基础上, 提供可创新设计的空间, 能够快速响应个性化和多样化的市场, 符合未来发展的需求。

参考文献

[1]Koren Y, heisel U, et al.Reconfigurable system[J].Annals of CIRP, 1999, 48 (2) :1-14.