基于美学、人体工学及性能的多因素融合设计
发布时间：2021-06-12 22:25
传统设计方法主要考虑产品功能及性能,较少考虑美学等其他因素,难以满足综合要求的提升。为解决这一问题,提出多因素的融合设计方法,实现基于美学、人体工学及性能的智能化融合设计。首先确定多个因素的评价方法,包括依据美学计算原理的多个美学维度的计算公式,以及人体工学和性能的评价公式。结合粗糙层次分析法确定的各因素权重系数,得到多因素的综合评价,建立寻优模型。采用自适应边界的遗传算法求解模型,实现优化设计和创新设计两种模式的设计,最后由NX10.0的参数接口生成设计模型,实现智能化的融合设计。通过自行车整体结构的设计案例对所提方法进行检验,得到了明显优化的和具有创新性的设计方案。结果表明,该方法可快速生成满足多因素综合要求的优化方案或若干优质的创新方案,有效解决设计因素单一的问题。
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(21)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【图文】：
多因素融合设计方法流程确定设计参数
徊娌僮髦饕?促进优势个体在种群中的扩散，在保留精英个体后，直接交换部分参数，提高算法收敛性。变异操作主要增强算法的广域搜索能力，容易产生非可行解，因此采用自适应边界的方式，保证算法高效运行。2.4设计模型生成与检验根据设计方案，在CAD平台如SiemensNX10.0下快速生成三维模型。建立设计对象模型模板后，由平台的集成化参数更新接口导入参数值，自动生成三维结果，便于后续检验和分析。3自行车整体结构设计案例3.1自行车整体结构设计参数自行车整体结构设计参数共25个，见图4。参数定义见表1。图4自行车整体结构设计参数表1自行车结构设计参数定义取值范围坐垫高度H1/mm[100,1000]车把高度H2/mm[100,1000]车轮直径D1/mm[400,800]轮毂内径D2/mm[400,800]曲柄长度L1/mm[100,400]车轮中心距L2/mm[200,1200]前叉长度L3/mm[100,1000]前通管长度L4/mm[0,400]前轮曲柄距离L5/mm[100,1000]立管长度L6/mm[100,1000]后叉长度L7/mm[100,500]车把长度L8/mm[100,400]车头长度L9/mm[0,400]上叉位置L10/mm[0,500]下叉位置L11/mm[0,500]前叉倾角/(°)[10,90]立管倾角/(°)[10,90]上叉截面直径d1/mm[10,80]下叉截面直径d2/mm[10,80]立管截面直径d3/mm[10,80]后叉截面直径d4/mm[10,80]前叉截面直径d5/mm[10,80]车把截面直径d6/mm[10,80]轮胎宽d/mm[10,30]车架类型T{0,1,2,3}，有无上叉、下叉四种组合3.2自行车整体结构综合评价美学上,考虑比例、平衡、规律3个维度。其中,比例?
/211/2121/321B1(31)1CR0.02870.1（满足一致性）(32)结合上述各因素的评价结果和权重系数，由式(25)计算综合评价值。表3各因素权重系数因素"iw"iiPM[0.556,0.845]0.7000.196BM[0.475,0.966]0.7210.202RM[0.452,0.972]0.7120.199EM[0.509,0.918]0.7130.200CM[0.451,1.000]0.7260.2034案例结果分析与检验4.1优化设计取交叉概率0.6，变异概率0.08，种群大小20，进行遗传算法求解。初始方案及优化后方案的三维模型见图5，各因素评价值见表4。图5优化设计模型表4优化方案评价结果方案PMBMRMEMCMOM初始0.730.780.470.390.840.64优化0.980.9310.890.840.93与初始方案相比，优化方案具有明显优势，尤其在美学和人体工学上有较大提升。分析两方案美学上的差异。优化方案的整体长宽比为1.618，整体长高比为2.236，后叉三角形近似为等腰，底边与腰的比为0.618，均为特殊比例。前叉和立管、下叉和后叉平行。各构件间或具有特殊比例、或相互平行，故呈现出良好的美感。而初始方案没有接近特殊值的比例，下叉和后叉、上叉和下叉不平行，两后叉长度不一致，故美感较差。分析两方案人体工学的差异。标准骑行姿势建议上臂与躯干夹角为55，躯干与下肢夹角为130。初始方案中，上臂与躯干夹角为130，躯干与下肢夹角为120.61。而优化方案中，上臂与躯干夹角为58.07，躯干与下肢夹角为130。优化方案明显更加符合标准骑行姿势的要求。通过专家问卷法检验优化设计结果。试验参与者均为交互设计、工业设计等领域的研究人员，共20人，其中男女各10人。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于体压数据映射的定制坐垫接触面设计方法[J]. 张志飞,李春雨,梁玲,徐中明,贺岩松. 机械工程学报. 2019(17)
[2]基于属性映射的产品绿色设计方案优化方法[J]. 张雷,杨凯,张城,秦旭,赵希坤. 机械工程学报. 2019(17)
[3]自行车座椅高度对事故中骑车人动力学响应的影响[J]. 胡林,程启寅,黄晶,陈强. 机械工程学报. 2018(21)
[4]基于形态美度的产品多意象预测模型[J]. 周爱民,苏建宁,阎树田,欧阳晋焱,张书涛. 图学学报. 2018(04)
[5]基于熵权TOPSIS方法的整车动力学性能多目标优化[J]. 蒋荣超,刘大维,王登峰. 机械工程学报. 2018(02)
[6]基于神经网络的车灯副反射器注塑工艺参数优化[J]. 范克健,刘苏俊,马晓东,王安宁. 塑料科技. 2017(04)
[7]基于改进非支配排序遗传算法的正铲挖掘机工作装置优化设计[J]. 徐弓岳,丁华锋,孙玉玉. 机械工程学报. 2016(21)
[8]遗传算法和粒子群优化算法的性能对比分析[J]. 张鑫源,胡晓敏,林盈. 计算机科学与探索. 2014(01)
博士论文
[1]遗传算法搜索能力和编码方式研究[D]. 莫鸿强.华南理工大学 2001
硕士论文
[1]数控机床操作动作分析及工效学评价研究[D]. 于泽洋.哈尔滨工业大学 2019
[2]起重机操纵动作分析与人机工效评价研究[D]. 王涛.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3226403
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(21)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【图文】：
多因素融合设计方法流程确定设计参数
徊娌僮髦饕?促进优势个体在种群中的扩散，在保留精英个体后，直接交换部分参数，提高算法收敛性。变异操作主要增强算法的广域搜索能力，容易产生非可行解，因此采用自适应边界的方式，保证算法高效运行。2.4设计模型生成与检验根据设计方案，在CAD平台如SiemensNX10.0下快速生成三维模型。建立设计对象模型模板后，由平台的集成化参数更新接口导入参数值，自动生成三维结果，便于后续检验和分析。3自行车整体结构设计案例3.1自行车整体结构设计参数自行车整体结构设计参数共25个，见图4。参数定义见表1。图4自行车整体结构设计参数表1自行车结构设计参数定义取值范围坐垫高度H1/mm[100,1000]车把高度H2/mm[100,1000]车轮直径D1/mm[400,800]轮毂内径D2/mm[400,800]曲柄长度L1/mm[100,400]车轮中心距L2/mm[200,1200]前叉长度L3/mm[100,1000]前通管长度L4/mm[0,400]前轮曲柄距离L5/mm[100,1000]立管长度L6/mm[100,1000]后叉长度L7/mm[100,500]车把长度L8/mm[100,400]车头长度L9/mm[0,400]上叉位置L10/mm[0,500]下叉位置L11/mm[0,500]前叉倾角/(°)[10,90]立管倾角/(°)[10,90]上叉截面直径d1/mm[10,80]下叉截面直径d2/mm[10,80]立管截面直径d3/mm[10,80]后叉截面直径d4/mm[10,80]前叉截面直径d5/mm[10,80]车把截面直径d6/mm[10,80]轮胎宽d/mm[10,30]车架类型T{0,1,2,3}，有无上叉、下叉四种组合3.2自行车整体结构综合评价美学上,考虑比例、平衡、规律3个维度。其中,比例?
/211/2121/321B1(31)1CR0.02870.1（满足一致性）(32)结合上述各因素的评价结果和权重系数，由式(25)计算综合评价值。表3各因素权重系数因素"iw"iiPM[0.556,0.845]0.7000.196BM[0.475,0.966]0.7210.202RM[0.452,0.972]0.7120.199EM[0.509,0.918]0.7130.200CM[0.451,1.000]0.7260.2034案例结果分析与检验4.1优化设计取交叉概率0.6，变异概率0.08，种群大小20，进行遗传算法求解。初始方案及优化后方案的三维模型见图5，各因素评价值见表4。图5优化设计模型表4优化方案评价结果方案PMBMRMEMCMOM初始0.730.780.470.390.840.64优化0.980.9310.890.840.93与初始方案相比，优化方案具有明显优势，尤其在美学和人体工学上有较大提升。分析两方案美学上的差异。优化方案的整体长宽比为1.618，整体长高比为2.236，后叉三角形近似为等腰，底边与腰的比为0.618，均为特殊比例。前叉和立管、下叉和后叉平行。各构件间或具有特殊比例、或相互平行，故呈现出良好的美感。而初始方案没有接近特殊值的比例，下叉和后叉、上叉和下叉不平行，两后叉长度不一致，故美感较差。分析两方案人体工学的差异。标准骑行姿势建议上臂与躯干夹角为55，躯干与下肢夹角为130。初始方案中，上臂与躯干夹角为130，躯干与下肢夹角为120.61。而优化方案中，上臂与躯干夹角为58.07，躯干与下肢夹角为130。优化方案明显更加符合标准骑行姿势的要求。通过专家问卷法检验优化设计结果。试验参与者均为交互设计、工业设计等领域的研究人员，共20人，其中男女各10人。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于体压数据映射的定制坐垫接触面设计方法[J]. 张志飞,李春雨,梁玲,徐中明,贺岩松. 机械工程学报. 2019(17)
[2]基于属性映射的产品绿色设计方案优化方法[J]. 张雷,杨凯,张城,秦旭,赵希坤. 机械工程学报. 2019(17)
[3]自行车座椅高度对事故中骑车人动力学响应的影响[J]. 胡林,程启寅,黄晶,陈强. 机械工程学报. 2018(21)
[4]基于形态美度的产品多意象预测模型[J]. 周爱民,苏建宁,阎树田,欧阳晋焱,张书涛. 图学学报. 2018(04)
[5]基于熵权TOPSIS方法的整车动力学性能多目标优化[J]. 蒋荣超,刘大维,王登峰. 机械工程学报. 2018(02)
[6]基于神经网络的车灯副反射器注塑工艺参数优化[J]. 范克健,刘苏俊,马晓东,王安宁. 塑料科技. 2017(04)
[7]基于改进非支配排序遗传算法的正铲挖掘机工作装置优化设计[J]. 徐弓岳,丁华锋,孙玉玉. 机械工程学报. 2016(21)
[8]遗传算法和粒子群优化算法的性能对比分析[J]. 张鑫源,胡晓敏,林盈. 计算机科学与探索. 2014(01)
博士论文
[1]遗传算法搜索能力和编码方式研究[D]. 莫鸿强.华南理工大学 2001
硕士论文
[1]数控机床操作动作分析及工效学评价研究[D]. 于泽洋.哈尔滨工业大学 2019
[2]起重机操纵动作分析与人机工效评价研究[D]. 王涛.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3226403
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