基于QFD的模糊MDO建模与优化方法研究

Aiming at employing MDO to the complex product concept design, four important interrelated components will be investigated in this project. Firstly, to embed MDO in the process of product concept design, how build an integrating framework by marrying QFD well known as a customer-driven product design philosophy and MDO characterized by its ability of simulation and computation? Secondly, to increase design flexibility by bringing design knowledge forward, how quantify designers' institutions and experiences by using fuzzy set theory? Thirdly, to conduct proudct concept design with felxibility and implement MDO analysis effectively and efficiently under fuzzy environment, how develop an optimizing strategy for fuzzy MDO problem? Finally, to help designers go deep insight to the design problem by obtaining more smoothly and evenly distributed Pareto optimal solutions, how develop an optimizing algorithm for fuzzy MDO problem? In this project, the solutions to aforementioned problems will be presented and a prototype system will be developed based on those research outputs,which will help designers use MDO to find and remedy design deficiencies in the early stages of product development. The purpose of this project is to improve the quality of complex product development by bridging the gaps among customer requirements analysis, scheme designing, design parameters optimization, and the computation and simulation throught the entire complex product development.

本项目将针对MDO技术用于产品概念设计所面临的、彼此相关的四个重要问题加以研究。首先，如何把QFD的顾客驱动的产品设计思想与MDO的基于计算与仿真的产品设计特点相结合，建立一个产品开发集成框架，确保MDO技术融入到产品概念设计的全过程？第二，如何通过系统模糊性建模对设计者的直觉和经验进行量化分析，从而把设计知识"前移"来增加设计柔性？第三，如何建立模糊MDO的优化策略，能够在模糊条件下实现产品概念的柔性设计、并对多学科间的耦合性进行有效分析？第四，如何设计模糊MDO的优化算法，旨在获得更具有稳态和均匀性的Pareto最优解的集合，使设计者对可能的设计方案有全面的认识？本项目将为上述问题提供解决方案并研制原型系统，帮助设计者在产品开发早期就运用MDO技术进行多学科间的耦合性分析、及早发现并改进产品设计方案的缺陷，跨越需求分析、方案设计、参数优化、仿真计算之间的鸿沟，提高复杂产品的设计质量。

本项目对QFD与MDO集成问题进行了研究。本项目的研究成果在众多行业，尤其是在复杂工程创新领域具有良好的应用前景，可以帮助设计人员增加产品概念设计的柔性，跨越需求分析、方案设计、参数设计、仿真分析之间的鸿沟，提高产品概念设计的质量。主要研究成果如下：. 第一，通过把QFD中质量屋的“瀑布式”展开模式与MDO中的“系统—子系统”的分析方法相结合，建立一个产品开发集成框架，增加在产品概念设计阶段运用MDO技术的可行性和有效性。. 第二，运用模糊拓展原理和随机仿真技术建立了系统模糊建模的步骤和近似算法。运用这些步骤和算法，可以在产品概念设计阶段对设计者的直觉和经验进行模糊表达，把系统模糊性由设计空间映射到评价空间,既能减轻模糊计算的复杂性，又能满足工程设计的需要。. 第三，建立了多学科的模糊优化策略和优化算法。首先，建立了基于不精确法（MOI）的系统模糊融合模型。该模型能够把多学科间的耦合性分析转化为补偿性分析，通过调整多学科间的补偿水平进行多学科设计目标的模糊融合，构建一系列系统级优化目标，从而实现产品概念的柔性设计；然后，建立了基于模糊博弈论多学科间补偿谈判机制。利用该机制，把产品设计中的每个相互耦合的学科作为博弈方，在产品开发预算约束下，每个学科进行合作博弈，确定最优补偿水平，进行产品总体优化；最后，对模糊多学科的优化算法进行了研究，提出了Pareto最优策略与进化算法（主要是遗传算法）相结合的优化思想，能产生具有稳态和均匀性的Pareto最优解的集合，使设计者对可能的设计方案有全面的认识。. 第四，结合当前科技发展的新形势，对大数据驱动下顾客参与的产品开发问题进行了预研，取得了初步的研究成果，建立了产品开发集成框架，提出了基于bi-cluster技术的产品痛点分析算法。