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第1章 现代设计：从优化走向自治1

1.1引言1

1.2设计研究的发展过程2

1.3设计研究方法3

1.3.1优化：从参数优化到多学科协同优化3

1.3.2功能结构匹配：从归纳工程实践到探究自然原理7

1.3.3生物激发的设计15

1.3.4设计模式18

1.3.5设计表述21

1.3.6设计代理23

1.3.7基于代理的多学科协同优化26

1.4研究对象：物理结构→虚拟→智能28

1.5技术工具30

1.6设计进化30

1.6.1系统进化理论30

1.6.2未来的设计需求：开放＋个性＋通信＋自治32

1.6.3设计系统进化32

1.7总结34

第2章 生物激发的设计36

2.1生物激发的设计36

2.2生物激发设计的基本方法37

2.3发育设计39

2.3.1发育设计起源和基本思想39

2.3.2基于细胞自动机的发育设计39

2.3.3发育设计研究内容和研究方法40

2.4总结41

第3章 宏设计框架42

3.1设计定义42

3.2设计的科学属性44

3.2.1设计是人工科学44

3.2.2设计作为创制科学44

3.2.3设计方法学与科学研究方法45

3.2.4设计过程与科学研究过程46

3.3设计的三重性47

3.3.1人工制品二重性47

3.3.2设计的三重性47

3.4设计作为创制科学的内涵48

3.5一般设计过程分析50

3.6作为创制科学的宏设计框架51

3.7概述和结论52

第4章 发育设计理论基础54

4.1协同学基本思想54

4.1.1系统相似性54

4.1.2序参量的概念54

4.1.3序参量的数学描述55

4.2物理系统和生物系统的相似性和序参量56

4.3生物胚胎发育的基本要素58

4.3.1胚胎发育过程58

4.3.2胚胎发育特点62

4.3.3胚胎发育机制63

4.4生物神经系统特点64

4.4.1神经系统简述64

4.4.2神经系统特点64

4.5设计早期阶段与胚胎发育过程相似性67

4.6生物胚胎发育对设计过程建模的启示69

4.6.1全能结构—多能结构—专能结构的演化69

4.6.2诱导70

4.6.3基因逐渐补充70

4.6.4创造性设计70

4.7生物神经系统对控制模型的启示71

4.8设计过程建模71

4.8.1设计过程建模原则72

4.8.2神经模型建模原则72

4.9生长型设计模型74

4.9.1生长过程74

4.9.2发育模式75

4.9.3结构级层76

4.9.4遗传和转决定76

4.9.5序参量77

4.10总结77

第5章 基于代理阶段的功能—特性映射79

5.1功能阶段79

5.1.1功能79

5.1.2功能分解和功能结构79

5.1.3基本功能结构80

5.1.4功能阶段表述和发育模式81

5.2代理阶段82

5.2.1代理阶段依据82

5.2.2代理阶段的概念82

5.2.3界面特性的提取82

5.2.4代理阶段表述85

5.3人工制品基因86

5.4诱导86

5.4.1产生式系统基本结构87

5.4.2基本术语87

5.4.3诱导基本原则88

5.4.4子结构诱导规则89

5.4.5计算机实现91

5.4.6神经诱导—控制设计92

5.5特性阶段94

5.5.1表述95

5.5.2原基分布图和自治程度95

5.5.3与一般功能—行为映射模式的比较95

5.6实例95

5.6.1支撑载荷96

5.6.2运动控制97

5.6.3振动控制100

5.6.4程序设计102

5.7总结103

第6章 特性—结构映射104

6.1定型阶段104

6.2部件特性108

6.3神经网络模型109

6.4反射运动110

6.4.1反射弧结构110

6.4.2神经反射弧神经网络数理模型110

6.4.3反射弧神经网络模型111

6.4.4学习算法112

6.5 4回路控制网络113

6.5.1神经元分类113

6.5.2神经网络114

6.5.3原型网络116

6.5.4变形网络116

6.5.5神经元数理模型116

6.5.6网络学习和训练117

6.5.7网络特点118

6.6特征阶段121

6.6.1子结构特征表述121

6.6.2建立映射关系122

6.6.3构型和材料设计方程122

6.6.4博弈论基本概念和模型123

6.6.5结构和材料博弈模型124

6.6.6连接特征126

6.7参数阶段126

6.8总结和讨论127

第7章 发育设计建模：数学表述和特点128

7.1图论基本概念128

7.2代理阶段和特性阶段表述128

7.3测试平面性129

7.4特征阶段—对偶图130

7.5子结构迁移132

7.6子结构特征表述133

7.7多功能结构表述133

7.7.1点边赋权图133

7.7.2点边面赋权图135

7.8参数化模型表述137

7.9发育设计特点138

7.10序参量分析140

7.11与其他设计模型的比较140

7.12总结142

第8章 小卫星结构系统发育设计143

8.1小卫星多学科设计特性143

8.1.1小卫星技术发展对多学科设计的需求143

8.1.2定义144

8.1.3基本组成145

8.1.4运行环境147

8.1.5小卫星主要失效形式149

8.1.6在支持技术方面150

8.1.7小卫星材料和Smart结构150

8.1.8多学科设计152

8.2发育设计过程153

8.3产品特性分析154

8.4功能阶段、代理阶段和特性阶段155

8.4.1运动控制155

8.4.2振动控制156

8.4.3特性阶段157

8.5定型160

8.5.1刚度特性计算160

8.5.2振动信号处理器转换系数计算161

8.5.3姿态信号处理器转换系数计算165

8.5.4效应器能量转换系数计算171

8.5.5感受器能量转换系数计算173

8.5.6传感结构和致动结构特性计算174

8.5.7连接刚度特性计算174

8.5.8驱动特性和能源特性计算174

8.6特征阶段175

8.6.1子结构和特性连接关系的消失和衍生175

8.6.2对偶图表征特征176

8.6.3子结构迁移形成初始布局179

8.7赋权图179

8.7.1面权179

8.7.2边权186

8.7.3面权187

8.7.4点权187

8.7.5布局图188

8.8参数化模型189

8.9总结190

第9章 发育设计系统框架191

9.1设计属性191

9.2设计空间192

9.3数学模型193

9.4发育过程194

9.5发育机制算法195

9.5.1基于规则的诱导196

9.5.2基于规则和推理的基因转录197

9.5.3仿生算法199

9.5.4基于对偶理论的基因转录206

9.5.5定型210

9.6设计过程宏观变量212

9.7设计过程控制216

9.8总结218

第10章 总结与展望219

10.1总结219

10.2研究概述220

10.3本书特点221

10.4展望222

参考文献226

附录A 博弈论基本概念和术语242

A.1效用242

A.2博弈论基本术语242

附录B 图论基本术语246

B.1图论基本术语246

B.2平面性算法247

附录C 单纯形法249

附录D 名词汉英对照251

附录E 名词英汉对照257