典型的产品模块化设计需考虑多个知识视点(功能、结构、设计参数等)中、多个模块化角度(基于耦合性和基于相似性)下的模块化需求和架构约束条件,其设计求解过程是一个迭代过程。现有的模块化设计研究缺少有效的设计过程框架支持这种迭代过程;同时,大多数已有的基于设计结构矩阵(DSM)的模块识别方法不能有效地处理架构约束知识,多目标产品模块识别方法产生的解往往不符合特定构件局部成组的实际要求。这些方法上的不足往往导致不合理的产品模块划分方案。此外,现有的支持安全协同设计的参数模块识别方法存在着受保护参数分散在多个模块且共享参数选择范围减小等问题。针对上述问题,本文面向机电产品改型设计的概念设计和具体化设计阶段的模块化任务需求,开展了基于模块挖掘的设计方法、架构约束条件下基于耦合性的模块识别方法、支持安全协同设计的参数模块识别方法和包含构件成组约束的多目标产品模块识别方法的研究。主要研究内容如下:(1)提出了一种基于模块知识挖掘的产品设计方法。该方法首先构建了综合的产品知识模型,该模型包括:功能和结构视点下基于耦合性的DSM;设计参数视点下的设计功能-设计参数矩阵(FP矩阵);基本视点之间的映射矩阵;结构视点下基于相似性的DSM和产品特性矩阵/模块识别矩阵(DPM/MIM);以及各视点下的架构约束条件集合。其次构建了基于模块知识挖掘的集成式设计过程框架,该框架中包含了若干相对独立的模块识别单元;相关单元之间存在着知识集成机制,用于引导当前的模块挖掘过程。(2)发展了2种架构约束条件下基于耦合性的模块识别方法。其一,对于同时考虑2类架构约束条件的模块识别问题,提出一种基于可视化矩阵的方法。首先通过包含架构约束条件的遗传算法,自动挖掘出一组优化的模块划分方案;其次根据优化解集求解出对角化的成组可能性矩阵(DGLM);其特征在于采用颜色编码的DGLM有助于设计人员辨识出系统的典型结构和各种潜在的模块。其二,对于一类特定架构约束条件下的模块识别问题,提出一种通过对角化原始DSM进行模块识别的方法。为了处理架构约束条件,该方法构建了二维解编码方式和二维邻域搜索算子;采用人工蜂群算法对DSM排序聚类准则进行优化,生成对角化DSM。生成的对角化DSM和相应的模块结构矩阵直观地显示出潜在的粗粒度模块和模块交叠结构。(3)提出一种支持安全协同设计的设计参数模块识别方法。其目的在于降低产品协同设计过程中原始制造商机密设计参数的信息泄露风险,故而应将机密参数和与其紧密耦合的设计功能、参数配置在FP矩阵的同一受保护模块中。首先对FP矩阵进行特定架构约束条件下聚类;其次根据受保护功能在受保护模块中的相对参与度指标对初始模块划分方案进行调整。与传统方法相比,该方法减少了受保护模块的数目,扩大了共享参数的选择范围,并提供了进一步降低信息泄露风险的模块划分方案调整手段。(4)提出一种包含构件成组约束的多目标产品模块识别方法。首先,根据DSM和DPM/MIM的单独聚类结果以及先验模块化知识抽取出所期望的特定构件局部成组方案;其次,建立以DSM的模块度、DPM/MIM的正交度和模块内聚度为优化目标、以局部成组方案为约束条件的聚类优化模型;再次,采用改进型非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对该优化问题进行求解,得到一组Pareto解作为模块划分候选方案;最后利用逼近理想解排序法(TOPSIS)在Pareto解集中选择出合适的折衷解作为模块划分方案。该方法将有效地解决了传统的基于DSM和DPM/MIM的识别方法中优化解往往不符合特定构件局部成组的实际要求、粒度过大等问题。(5)以高速涡轮泵系统设计为应用案例,对提出的设计方法及其相关知识模块识别方法进行了演示和验证,其结果显示各知识模块划分结果较为合理,可有效支持企业工程师对产品更新与维护及其整机系统的协同设计。