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                        對稱性知識的機械CAD系統開發

                        添加時間:2019/01/04 來源:浙江大學 作者:劉永坤
                        課題是在國家自然科學基金(資助號:51175455)的資助下,對對稱性知.識在機械CAD系統中的應用進行了研究,開發了相應的機械CAD系統,主要取得了以下進展。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          對稱性在機械系統中得到了廣泛的應用。深入系統地研究機械對稱性知識,并開發相應的計算機輔助設計系統,有助于更好地運用對稱性知識進行機械產品的設計開發,提高機械產品的技術性、經濟性和社會性。本文主要研究應用對稱性知識的機械CAD系統的開發策略、方法和技術,取得了如下主要的進展:

                          1.基于對1000多個機械結構對稱性實例的分析,建立了機械產品的功能庫和設計需求體系,并從技術性、經濟性和社會性三個方面加以細化和展開。

                          2.設計了可擴展的機械結構對稱性存儲體系,相應建立了機械結構對稱性實例知識模型。

                          3.從設計需求體系出發,建立了系統的機械對稱性應用知識庫,從提高機械產品的技術性、經濟性和社會性三個方面進行了展開。

                          4.基于上述研究,開發了應用對稱性知識的機械CAD系統,構建了由基礎知識管理、實例及應用知識管理、知識挖掘及應用、系統設置與維護以及輔助工具五大摸塊組成的軟件框架體系。最后借助該系統對剪式千斤頂進行改進設計,生成的新方案正在申請專利。

                          關鍵詞:機械結構對稱性;機械對稱性應用知識;CAD系統

                        Abstract

                          Symmetry is widely used in mechanical systems. Deeply and systematically researching on mechanical symmetiy knowledge and the developing of corresponding CAD system are helpful to improve the efficiency and quality of the knowledge reuse of mechanical symmetry, and can make better use of symmetry knowledge to design mechanical products. This thesis mainly studies the theoretical knowledge required for the development of mechanical CAD system based on symmetry knowledge. The main research contents and results can be classified into the following four aspects:

                          Firstly, based on the analysis of more than 1,000 symmetric instances, the functional library and design requirement system of mechanical products are established, which are refined and developed from three aspects: technical, economic and social.

                          Secondly, an extensible mechanical structure symmetry storage system is established. Combined with the symmetry system, the mechanical symmetry instance knowledge storage model is put forward.

                          Thirdly, according to the design demand system, a systematic knowledge base for the application of mechanical symmetry is established and expanded from the technical, economic and social aspects of mechanical products.

                          Fourdily, on the basis of the above theory, a mechanical CAD system based on symmetry knowledge is developed. And the software framework consists of five basic modules: basic knowledge management, symmetric instances and application knowledge management, knowledge mining and application and so on. This CAD system can be used to mine mechanical symmetry association knowledge and guide the design of mechanical products. Finally, an improved design of the scissor jacks was put forward which increased stability,and proved the usefiil of the CAD system. And the new design is applying for a patent.

                          Key words: symmetry of mechanical structure; application knowledge of mechanical symmetry; CAD system

                          對稱性是自然界普遍存在的現象,比如人體外形呈現左右對稱,薔薇科植物的花萼和花瓣呈現旋轉對稱,海螺殼則具有螺旋對稱[1],建筑物[2]和各種機械設備[3]也都表現出了各種各樣的對稱性。對稱最初作為一個美學概念,在建筑和藝術領域中得到廣泛的應用。從地下出土的各種陶器和青銅器上的壁畫和圖案,到高大雄偉的宮殿、金字塔,都可見對稱的設計。隨著時代的變遷,人類對對稱性的研究在自然科學,工程技術,人文藝術乃至社科領域均取得了豐碩的成果。

                          雖然對稱性在機械領域的應用歷史久遠,但是關于對稱性的系統研究起步較晚。有關對稱性系統研究始見于1990年德國學者Barrens cheende的博士論并未深入。2006年以來,浙江大學機械設計研究所展開了對稱性及其在機械中應用的系統探究,取得了多方面的進展和成果。在機械對稱性理論研究的過程中,積累文[4],文中初步研究了機械結構對稱的概念分類體系及其在設計中的應用,后續了大量機械對稱性應用實例,從中提煉了大量的對稱性應用知識。如何在產品的設計中實現這些知識的重用,以提高利用對稱性進行產品設計的效率,開發應用對稱性知識的CAD系統是解決這一問題的關鍵。借助這一系統,把對稱性知識用于產品研發和創新,對縮短產品的研發周期,提高產品的技術性、經濟性和社會性具有重大意義。

                          物理學中的對稱性研究很早已經開始,但關于對稱比較嚴格的定義,普遍認為是1951年德國學者魏爾[51在其著作中提出的:一個操作使系統從一個狀態變到另一個狀態,若兩狀態相等或者狀態在此操作下不變,我們稱系統對于這一操作是對稱的,這個操作稱為系統的一個對稱操作。在物理學中對稱性是指:在某些變換操作下的不變性[6]。物理學中對稱主要分為.?宏觀對稱和微觀對稱。宏觀對稱又可分為空間對稱和時間對稱?臻g對稱主要包括空間平移對稱、空間反演對稱、空間轉動對稱三種。時間對稱分為時間反演對稱和時間平移對稱。宏觀對稱性與守恒定律具有一定的關系,在物理學中有重要意義的諾特定理指出:運動規律的對稱性可導致相應的守恒定律m。例如,運動規律的時間平移對稱、空間平移對稱和空間旋轉對稱,可分別導致動量守恒定律、能量守恒定律和角動量守恒定律。徵觀對稱主要體現在粒子物理和量子力學中,利用對稱原理和對稱分析方法研究霉觀粒子的運動規律和行為[8]。

                          對稱性思想在整個物理學的發展中意義重大M。古希臘的畢達哥拉斯學派,在“萬物皆數”、“數的和諧”等理念的指導下,提出天體為球形且做句速圓周運動,正是對稱性思想的反映。托勒密的“地心說”和哥白尼的“日心說”均是球對稱性理念下的產物。牛頓力學體系中,作用與反作用定律、力的合成與分解、運動的可逆性及運動的相對性均是對稱性思維的產物。在電磁學中的法拉第電磁感應定律、麥克思維方程的得出都是對稱性研究的產物。在現代物理學中,愛因斯坦創造性地應用對稱性原理,提出了狹義相對論和廣義相對論。十九世紀二十年代,對稱性一度被重視為物理學中的第一原理。如今,對稱性依然是研究、探索和解決物理問題的一種重要思想。

                          在物理學中,對稱破缺的研究也取得了非常大的成就。對稱破缺是指在一定的條件下所表現的可變性或對稱程度的降低,作為量子場論中的重要概念,在理論物理模型中具有非常重要的作用[11]。楊振寧和李政道因發現弱相互作用過程中宇稱不守恒[12]獲得了 1957年的諾貝爾物理學獎。美國學者James Waston Cronin和ValLogsdonFitch因在中性K介子衰變中發現電荷與宇稱聯合的CP對稱性破缺,而獲得1980年的諾見爾物理學獎;美國科學家南部陽一郎和日本科學家小林、益川敏英三人[13,14]因在對稱破缺領域的突出貢獻共同獲得2008年諾貝爾物理學獎。居里夫人曾經指出“非對稱創造了世界”,對稱性往往需要以“對稱性破缺”的方式開辟道路,對稱性破缺是事物發展的內在動力[15]。正因為對稱破缺存在,世界才呈現出了如此豐富多彩。

                          對稱性知識的機械CAD系統演示:

                        系統主界面及各功能模塊詳細內容
                        系統主界面及各功能模塊詳細內容

                        設計需求管理模塊
                        設計需求管理模塊

                        導出數據
                        導出數據

                        實例綜合管理主界面
                        實例綜合管理主界面

                        實例信息添加
                        實例信息添加

                        實例運用設計原理添加窗口
                        實例運用設計原理添加窗口

                        實例對稱信息添加
                        實例對稱信息添加

                        對稱主體原理效用信息
                        對稱主體原理效用信息

                        實例關聯對稱性應用知識信息表
                        實例關聯對稱性應用知識信息表

                        目錄

                          摘要
                          ABSTRACT
                          插圖和列表清單
                          1 緒論
                            1.1 研究背景及意義
                            1.2 跨學科對稱性研究現狀
                              1.2.1 物理學領域中的對稱性研究
                              1.2.2 生物學領域中的對稱性研究
                              1.2.3 建筑中對稱性應用研究
                            1.3 機械對稱性研究現狀
                              1.3.1 機械對稱性的系統性研究
                              1.3.2 機械對稱性的應用性研究
                            1.4 基于實例知識的智能CAD系統
                            1.5 課題研究內容
                              1.5.1 存在問題和不足
                              1.5.2 研究重點
                            1.6 論文框架
                          2 機械設計需求體系
                            2.1 引言
                            2.2 技術性需求
                              2.2.1 功能需求
                              2.2.2 性能需求
                          2.3 經濟性需求
                            2.4 社會性需求
                            2.5 小結
                          3 機械結構對稱性體系及實例模型的建立
                            3.1 機械結構對稱性體系
                            3.2 機械結構對稱性實例模型
                              3.2.1 機械結構對稱性實例模型分析
                              3.2.2 機械結構對稱性實例數據庫建立
                            3.3 小結
                          4 機械對稱性應用知識
                            4.1 對稱類型與設計需求之間關聯知識總結
                            4.2 機械對稱性應用知識的提煉
                              4.2.1 提高機械技術性的對稱性應用知識
                              4.2.2 提高機械經濟性的對稱性應用知識
                              4.2.3 提高機械社會性的對稱性應用知識
                            4.3 小結
                          5 應用對稱性知識的機械CAD系統
                            5.1 系統開發環境和總體框架
                              5.1.1 系統開發環境
                              5.1.2 系統總體框架
                            5.2 主要模塊功能實現
                              5.2.1 基礎知識管理
                              5.2.2 對稱性實例管理
                              5.2.3 對稱性應用知識管理
                              5.2.4 系統設置維護及輔助工具
                            5.3 對稱性關聯知識挖掘
                              5.3.1 關聯規則
                              5.3.2 關聯知識挖掘
                            5.4 對稱性知識應用
                              5.4.1 對稱性應用知識查詢
                              5.4.2 基于設計需求的設計查詢
                              5.4.3 基于功能分解樹的對稱性設計方案自動查詢
                            5.5 應用對稱性知識的產品設計進程及實例應用
                              5.5.1 應用對稱性知識的產品設計進程
                              5.5.2 實例應用
                            5.6 小結
                          6 總結與展望
                            6.1 總結
                            6.2 展望
                          參考文獻
                          附錄(實例集說明)
                          在校期間參與項目

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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