机械对称性及其应用的若干关键问题研究

机械及其零部件充满对称性，但至今国内外只有对机械结构几何对称的零星研究。2007－2009年在国家自然科学基金资助下课题组研究了各种结构对称在机械中的作用机理，建立了机械对称概念体系，挖掘了各种对称与其效用的关联知识，并试用于产品创新实践。本申请深入和拓展下列关键问题研究：1.基于4000个实例，定义包括对称破缺和不对称等的机械非对称概念，提出包括对称与非对称，含功能、原理和结构等层次的机械对称性概念体系和模型。2.建立由对称特征数、对称维度和对称偏差组成的机械结构对称度模型，提出效率更高的对称性知识挖掘算法，用其获取结构对称度－技术经济性关联知识，进而提炼出对称性设计公理、准则和原理，建成多层次对称性设计知识库。3.提出基于对称度和上述知识库的对称性设计方法和进程。初步建成用于对称性关联知识挖掘及其应用的计算机辅助平台原型，并通过产品改进和创新设计的实践验证其成效。

对称性，包括对称、不对称和对称破缺等，普遍存在于自然界的生物与非生物中。对称性在生物学，物理学、化学、建筑学和美学等学科研究中受到广泛的重视，并取得丰富的理论和应用成果。对称性在各种机械中也起着重要的作用，但至今国内外只有对机械结构几何对称的零星研究。本课题以多种视角研究了机械对称性的概念、分类和度量模型，研究了各类对称性之间，对称性与通用设计需求和准则之间，对称性与通用设计原理之间的相关性，研究了基于产品实例的对称性及其应用知识的获取方法和技术，研究了应用对称性的机械产品创新设计技术及平台及其实践。本课题取得的国内外首创的主要成果是：1、提出由对称基准，对称主体和对称组元构成的对称三要素。基于产品生命周期提出由需求对称性，功能对称性，效应和原理对称性，结构对称性和制造工艺对称性等组成的对称性分类体系。基于对称主体种类和数量的不同提出了单对称和多对称，组合对称、复合对称和多层次对称等组成的对称分类体系。基于对称基准种类和数量的不同提出了由多种对称、多维对称和多个对称等组成的对称分类体系。基于对称主体的静、动态特性，提出了由静态对称和动态对称等组成的对称分类体系。2、建立了具有普适性的机械结构对称性度量和符号表达模型。3、鉴于对称实例具有小样本、多品种的特点，提出了一种改进的对称性设计知识挖掘算法。4、基于对4000余个机械设计实例知识的计算机辅助挖掘和人工提炼，提出了50多条有较好普适性的应用对称性的设计原理。5、提出了基于对称性设计原理和实例知识挖掘的机械对称性设计方法和流程，建立了相应的计算机辅助对称性设计应用软件平台。6、借助于上述理论研究成果和支持平台，开展产品创新实践，完成10项发明专利和4项实用新型专利。基于创新成果先后完成9篇学术论文，其中3篇英文论文入SCI收录期刊，6篇中文论文入EI收录期刊。至今6篇论文已发表，3篇论文已录用（附证）。其中一篇在《机械工程学报》上发表的论文在2014年被中信所评为“领跑者5000-中国精品科技期刊顶尖学术论文（F5000）”及《机械工程学报》创刊60周年优秀论文（附证）。2015年课题负责人在中国机械工程学会设计分会年会做大会特邀报告受欢迎和好评（附证）。课题已全面实现预定研究内容、计划和目标，研究成果在对称性设计方向具有系统性和开创性，开拓了机械设计学发展的新空间。