产品竞争力的关键在于创新性产品设计,而产品设计的关键又在于方案设计,因此研究计算机辅助方案设计理论与方法已成为现今设计技术发展的必然。然而,作为产品设计的重要环节——方案设计(包括原理运动方案设计与结构方案设计)所遇到的困难以及方案设计的结果难以与下游细节设计融合阻碍了计算机集成技术的实现。本论文是在国家自然科学基金(No.50075012,50275016)和辽宁省教育厅科研项目(No.20060719)的资助下,结合工程设计实际,以机械系统为研究对象,围绕产品的运动方案设计和结构方案设计集成展开了一系列深入细致的研究,提出了一些新的思想、理论、模型和方法。本文重点进行了以下几方面的研究:(1)提出表达产品整个生命期内设计需求的统一模型,从运动变换的角度定义了机械运动基本变换单元,建立了状态方程来描述基本变换单元输入、输出特征矢量及状态变换矩阵之间的相互关系,归纳总结了机械运动基本变换单元的知识库,建立基于状态空间理论的运动方案的求解技术。针对原理运动方案设计阶段解的语义表达难以向结构方案设计传递完整设计知识和进一步完成结构方案设计计算机求解的困难,又提出了基本变换单元的符号表达方法,制定了基本变换单元间符号运算规则,简化了设计方案解的表达,同时避免了符号方案解的疏漏,为下一阶段设计奠定了基础,获得了符合工程实际的原理运动符号方案可行解集。(2)分析了计算机辅助结构方案设计阶段对产品信息模型的要求,提出并建立了集功能与结构于一身的抽象表达——强连接集合元,并将它们作为结构方案设计阶段产品建模的基本单元,借此实现自顶向下、逐步求精的产品设计理念与求解模式。(3)在详细分析原理运动方案解的组成结构基础上,首次提出用运动副的结构方案来描述机械系统的骨架结构的方案设计方法,将运动副用与其形神相似的轴系来表达,建立了轴系的结构方程,实现了运动副结构的通用数学表达。(4)探讨了运动副轴系结构布置设计的有关理论和方法。针对运动副轴系的结构特点,定义了表达运动副轴系抽象功能结构的强连接集合元的符号,建立了运动副轴系的强连接集合元符号布置运算方法;为了使运动副轴系的结构方案显式化,提出了强连接集合元的装配单元——强连接零件集概念,定义了强连接零件集自身和其组成元件的符号,以及组成元件间装配关系的表达方法,并制定了运动副轴系的装配结构布置方案的运算规则,实现了各种运动副轴系的结构方案设计。(5)建立了基本变换单元及机械系统结构方案设计知识库以及结构方案设计的状态方程,获得机械系统结构方案设计的数学表达,制定了相应结构方案的运算规则,通过该方程传递函数变化完成了机械系统抽象符号和装配符号结构方案设计;提出了结构方案表达的数据结构——二维双向链表,完成结构方案设计过程中布置信息的传递,实现了定、变速机械系统布置结构多方案设计。(6)将面向对象技术用于产品强连接集合元和强连接零件集的表示,实现了产品设计各个阶段信息互通和不断充实完善的目标,实现了向下游细节设计提供丰富充足的设计信息的目标,为解决CAx数据孤岛探索了一条新路。该方法对于解决方案设计与细节设计数据难以融合这一瓶颈问题具有一定的理论意义和实用价值。(7)在上述研究的基础上,应用VC++6.0技术开发了基于状态空间的机械传动系统结构方案辅助设计软件,并将其应用于生产实际中,设计实例说明该方法是可行、有效的。