机械产品设计缺陷的形成及传播

基于设计活动分析的机械产品设计缺陷形成及评估建模?

郑慧萌1,2,刘卫东1,肖承地1,胡伟立1

（1.南昌大学机电工程学院，江西 南昌 330031； 2.湖州师范学院信息与工程学院，浙江 湖州 313000）

摘 要：以机械产品设计过程的设计活动分析为基础，通过分析产品设计活动类型以及设计活动时序关联模型，研究了设计缺陷的形成和发展，并构建了以设计活动为贝叶斯网络节点的设计缺陷评估模型。案例研究表明：通过该方法可以定量估算设计活动产生产品设计缺陷的可能性，识别设计缺陷发生概率高的关键设计活动，从而为产品设计缺陷的预防控制提供依据。

关键词：设计活动；设计缺陷；缺陷评估；贝叶斯网络 中图分类号：TP182；TH122 文献标识码：A

Formation and Assessment Modeling of Mechanical Product

Design Defect Based on Analyzing Design Activity

Zheng Hui-meng1,2，Liu Wei-dong1，Xiao Cheng-di1，Hu Wei-li1

（1. College of Mechanical Engineering and Electrical Engineering, Nanchang

University, Nanchang 330031, China 2. School of Information Engineering, Huzhou Teachers College, Huzhou 313000, China)

Abstract: From the perspective of the design activity involved in the mechanical product design processes, an assessment model of defect is constructed using design activities as Bayesian network nodes on the study of the formation and development processes of design defect, which is based on analyzing the types of design activity and temporal association models between activities. A case study shows that the proposed model can estimate quantitatively the probability of the product design defect caused by design activities. Moreover, the critical design activities with high probability of defect occurrences could be identified by the proposed model. The study provides a criterion to prevent and control design defect, occurring in the product development processes. Key words: design activity; design defect; defect assessment; Bayesian network O 引言

随着科技的进步和顾客要求的提高，产品功能的日益多样化和越来越高的技术集成度必然增加产品设计过程及相关设计活动的复杂化程度，而日益严格的成本控制和研发周期的限制则要求尽可能地简化设计活动，从而使得产品设计缺陷产生的风险程度不断增加。如果将 ?

基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.71161018)；江西省教育厅资助项目（No.12717）。Foundation

item(s)：Project supported by the National Natural Science Foundation, China, (No. 71161018)；Jiang’xi Educational Committee（No.12717）.

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存在设计缺陷的产品投放市场，既可能给使用者带来危害，更可能给生产企业造成巨大的经营风险。由于设计缺陷形成于产品的设计过程，并随设计活动而发展，因此研究产品设计过程、设计活动和设计缺陷之间的相互关系，认清并把握设计缺陷形成的一般规律，对有效预防和控制设计缺陷具有重要的意义。

近年来，国内学者对设计缺陷的研究已由针对特定产品的具体设计缺陷问题转向对设计缺陷识别、形成机理等一般性问题的研究。在设计缺陷识别方面，吕刚等将机械产品中零部件几何约束关系规约为设计缺陷判别函数，在对零部件几何约束编码的基础上建立了机械产品的装配约束关系矩阵，并采用有向图和免疫方法实现对产品设计缺陷的动态辨识。邱健等采用设计缺陷注入来辨识机械产品设计缺陷，利用复杂零件与其它零件的虚拟装配约束关系将设计信度应用于评价节点设计参数可靠性，依据约束树建立设计缺陷推理模型。此外，在描述设计缺陷、分析设计缺陷形成影响因素方面，刘卫东等从系统的角度，分析了设计过程对设计缺陷形成的影响，研究建立了基于设计过程的设计缺陷与设计缺陷因素之间的关系网模型及其回归分析模型，并应用数据挖掘的方法对电子产品设计缺陷进行评估与预测

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国外的研究主要面向某一类或者某种具体产品的设计缺陷，如通过收集风速、风向的突然变化等各种气候条件的数据，来分析台风活动区域风轮机的设计缺陷。Byoung-Ju等建立了基于模糊C聚类的神经网络模型，并将该模型应用于软件设计缺陷的预测。Van Moll等提出通过调查大量的不同环境下使用产品的信息建立面向产品全生命周期的缺陷预防模型；以及研究如何通过顾客在用户网站对产品虚拟使用的体验过程，实现对高端产品设计缺陷的识别。上述工作有效推进了设计缺陷的研究进展，丰富了设计缺陷的研究成果，但要在产品设计阶段有效预防和控制设计缺陷，还需进一步从设计缺陷形成机理的角度，系统地研究设计缺陷的产生及其随设计活动的发展过程，并定量评估其风险。

设计缺陷源于产品的设计过程及其具体设计活动。因此，本文围绕设计活动对机械产品（以下简称产品）的设计缺陷进行研究，在分析设计活动类型以及设计活动间的时序关联关系的基础上，建立以设计活动为节点的机械产品设计缺陷贝叶斯网络动态评估模型，并将该模型应用于设计缺陷的形成、发展和风险定量评估研究，以识别影响产品设计缺陷的关键设计活动，为设计缺陷的预防和控制提供决策依据。

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1 设计缺陷形成和发展

1.1 设计过程描述

产品设计过程是指设计人员将产品市场需求映射为具备一定功能和性能特性的产品技

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术规范的一组相互关联、相互作用的活动[10]。产品设计过程一般分为顾客需求分析、概念设计、详细设计、工艺设计、样机制造与测验等设计子过程，这些设计子过程又由一系列相互联系的设计子子过程或具体设计活动、步骤组成。产品设计过程可表示为：

PDP=(Ai,Rij) (1)

式中PDP表示产品设计过程（Product Design Process，PDP），进一步细分的产品设计子过程或具体设计活动（Activity），计子过程或具体设计活动间的关系(Relation)。 1.2 设计活动的分类及与产品设计缺陷的关系

设计活动是指设计人员利用各种资源、工具、方法按照规定约束条件完成设计任务的过程，其实质是将无序的、简单的信息转化为复杂的、有序的信息。产品的设计活动很多，有机械设计学方面的研究整理出204项设计活动，一些复杂产品的设计活动甚至更多[11]。根据产品设计活动的属性，可将设计活动分为功能活动和控制活动两类。

功能活动是直接或间接赋予所设计产品的特定功能或性能而进行的设计活动，如顾客需求调查分析、零部件的功能设计、参数及其公差设计等。功能活动的开展直接将推进产品设计的进程。而控制活动则是依据预先确定的规则，对功能活动所实现的产品功能或性能的符合性、适宜性适时进行管理和控制的活动，主要有设计评审、设计验证和设计确认等活动。

控制活动通过评定检查前一功能设计活动输出的技术方案、文档等设计成果，通过试验验证产品的功能和性能，以及从顾客角度确认产品功能是否满足使用要求来评判该功能设计活动是否达到设计要求，是则进行下一设计活动，否则从以往某一活动开始重新进行。因此，控制活动导致产品功能活动的迭代。控制活动发现的问题、识别设计缺陷控制活动中识别的设计缺陷，通过功能活动的迭代进行问题的纠正，消除和控制产品设计缺陷，从而保证产品设计质量。如图1所示，产品设计缺陷形成于功能活动的过程，而控制活动则有利于抑制设计缺陷的形成和发展。

Ai(i?1,,2...,n)表示可

表示设

Rij(i,j?1,,2...,n;i?j)3

设计活动功能活动控制活动顾客需求调查顾客需求分析设计方案分析设计任务书制定设计方案构思材料选择结构设计设计参数选择分析功能模块工试艺制设…样计机设计任务书评审功能设计方案评审功能设计方案验证技术设计评审技术设…计验证设计确认形成设计缺陷识别、控制和消除设计缺陷 图1 设计活动的分类及其与产品设计缺陷的关系

1.3 设计活动时序关系与产品设计缺陷的发展

设计过程是设计活动的集合，设计活动是设计过程的基本构成要素。产品的设计过程是由若干个在空间、时间或逻辑上存在一定联系的活动按照一定的顺序组成的。根据不同活动间的信息传递关系，可对设计活动相互间的关联性进行分类，即将设计活动分为分耦合、耦合与准耦合[12]，或分为独立型、串联型、交互型、条件型等几种形式[13]以及按照活动间的逻辑关系分为串行依赖关系、并行关系、循环迭代关系、重叠并行关系和上下嵌套关系[14]。表1描述了两个活动的时序关联模型对产品设计缺陷传递的影响。

表1 设计活动时序关联模型及对设计缺陷影响

类型 独立型 串联型

描述 活动彼此独立 前一活动的输出为后一活动的输入

交互型

活动存在互为输入输出关系

AjAi图示关系

AiAj活动信息传递

无

活动之间存在前后的

信息传递关系

活动间存在信息双向

耦合作用

影响产品设计缺陷传递

否

是

是 是

AiAj条件型 前一活动结束后，后一活动必须在一定的条件才能进行

AiAj有

由表1可知，独立型活动不存在信息传递关系，所以不会影响设计缺陷的发展，而串联型、交互型、条件型由于存在活动间的信息传递，能传导产品的设计缺陷。独立型、串联型交互型等时序关联模型都有可能存在功能活动中，而根据控制活动的定义分析，控制活动间

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