機械產品布局設計特征建模探討

金敬女

摘 要：主要探討了機械產品布局設計特征建模的六個步驟，分別是設計約束，基本概念，求解方法，設計要求，布局設計模型，產品多層次表達。

關鍵詞：機械產品；布局設計；建模

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2009）03-0264-02

1 設計約束

產品設計是一個有限約束的綜合過程，其中一系列相關約束共同構成設計環境的約束系統，是支撐產品生命周期中各個視圖的問題解空間。約束C是表示設計變量和設計域的一種關系。它作用于設計過程，并最終影響設計結果。設計約束可以表示為C={X，A}，其中X是與設計相關聯的約束變量，具有和設計參數相同的屬性和功效，是約束系統和設計之間聯系的橋梁；A表示約束的屬性，包括約束范圍、作用、大小和類型等。約束可分為系統約束與環境約束兩類，其中系統約束分為功能約束和結構約束，是貫穿整個設計過程的主要約束路線，而環境約束是指在產品設計過程中所采用的設計手段，方法與設計規則。根據約束所起的作用及其內部屬性，又可將約束分為：功能約束、結構約束、關系約束和選擇約束。將其形式化表達為如下四元組：C=［Cf_n，C_s，C_rs，C_o］T，其中，C_f表示功能約束類的變量及其約束；C_s表示結構類的變量及其約束；C_r表示關系類的變量及其約束；C_o表示選擇類的變量及其約束。在設計信息和約束的抽象中，由于設計信息的多樣性和復雜性，需要將約束進一步細化。

C_f={A_f，F_f}；C_s={E_s,S_s};C_r={F_r,S_r};C_o={L_o,S_o}。

其中，A璮表示與功能屬性相關的約束，表明產品實現的功能；F_f表示與功能行為相關的約束，表明產品具體能實現的行為。E_s表示與產品相關配套設施構成的環境結構形式；S_s表示產品本身的詳細形狀結構約束形式。F_r表示從功能到結構的關系約束；S_r表示從結構到功能變量之間的約束關系。L_o表示邏輯類約束；S_o表示選擇類型約束。具有多種約束變量的約束系統較為復雜，為了便于約束管理和約束運算，將其進行層次劃分，約束分層表達將約束分為上層、中間層和下層，這是一種自頂向下的設計思想。其中，上層約束由產品設計過程的前兩個階段需求分析和概念設計中相關信息導出；下層約束表示的是后續定位在零件結構的詳細設計視圖中的相關信息；而中間層約束主要表達布局設計信息。

2 基本概念

根據布局設計過程中聯接與定位的先后關系，將布局方法歸納為如下三種：（1）先定位后聯接。先布置各個設計單元，即先將參與布局的設計單元大致位置固定。然后，再根據產品需求分析視圖和概念設計視圖中所得到的要求，進一步細化定出較為具體的設計單元之間的聯接方式，例如，圓柱旋轉副、棱柱移動副、球體旋轉副等。（2）先聯接后定位。先確定設計單元之間的聯接方式，然后再考慮其相互位置關系。（3）聯接定位。這種方式將定位和聯接先后順序模糊化，即介于上述兩種方法之間。聯接方式先不嚴格固定，同時兼顧設計單元之間的相互位置關系，繼而最終確定出布局聯接定位關系，得到設計單元的布置方式。

3 求解方法

傳統的優化求解方法，如罰函數法、復合形法、約束變尺度法、隨機方向法、簡約梯度法、可行方向法等，都有較為廣泛的應用。然而，隨著問題規模和復雜程度的逐漸增大，傳統優化方法易出現局部最優解等的局限性，為此許多研究人員提出了新的算法。目前研究較多的有專家系統技術，人工神經網絡方法以及各種智能啟發式算法，例如遺傳算法、模擬退火算法和禁忌搜索法等。

4 設計要求

通常布局設計有一定的布局目標和要求，用DR表示。布局設計要求屬于產品設計約束中的環境約束，它包括產品空間體積最小，布局密度盡可能大，產品的重心盡可能低，產品裝配性好，裝配路徑的花費經濟以及布局設計中的其它限定要求和描述等。

5 布局設計模型

在詳盡分析了布局設計所涉及的各種因素的基礎上，本文用布局設計模型來描述裝配設計階段的布局設計過程，簡稱布局模型，并將其形式化表示為如下的四元組：LDM=［DU，LC，LS，DR］^T。其中，DU為設計單元；LC為布局約束；LS為求解方法；DR為設計要求。

6 產品多層次表達

從產品發展的全生命周期過程來看，可以得到產品的多層次表達。如下圖所示，產品從需求分析階段到后期行為階段是一個特征演化過程。同時，諸多特征在各階段相應視圖的層次變化中都具有繼承性和不完備性，并且將隨著設計過程的細化和推進而逐步趨于完備。其中，由于產品的形態結構可塑性強，用戶消費心理、產品的美觀性、宜人性等因素在設計中擺在相當突出的地位，因而需求分析階段的相關特征不容忽視。而功能特征、設計要求則是設計過程進化的動力所在。設計過程的特征演化主要表現在概念設計、布局設計和詳細設計階段特征的產生、繼承、變異、抽象、派生、映射以及后期行為階段的消亡等幾個方面。設計方案的選擇和循環往復主要發生在這些特征之間。

概括起來，多視圖特征在設計過程中主要表現出下列特點：

①分類層次性。設計過程中的特征多視角性主要涉及三個方面，即功能需求、結構特性和制造特點。每類特征又可根據設計過程不同環節的需求進一步細化，形成分類層次結構，最底層即為實際工程應用中面向不同環節的基本元素。

②相互依賴性。在產品的概念設計階段基本確定產品的功能需求；在具體化設計階段，根據產品的功能要求，確定產品的結構特性；在詳細設計（工藝設計或可制造性分析）階段則根據產品的結構及功能，產品的批量、技術經濟要求及現有的生產條件、包括人員素質，管理方式，制造環境和經驗習慣等，確定產品的制造特點。同時，結構設計必須顧及產品的功能性和工藝性，這表現為特征間的反饋性。設計過程的循環反復，正是因果性和反饋性之間協調和統一的具體表現。

③關聯多重性。同一功能可以由不同的結構來實現。同一結構又可以表現為不同的功能。如—個外回轉面，既可能是一個支承面，也可能是一個導向面，同樣，—個導向功能既可由圓柱結構，也可以用槽結構來實現。此外，同一結構特征可以用不同的工藝加工方法來形成；反之，不同的工藝方法可以實現相同的產品功能和結構。這一特點要求設計，制造過程中不斷對功能、結構和制造間進行協調和優化。

④表達同一性。盡管特征有功能、結構和制造的多方面含義。其屬性類型及其值域也多種多樣，但其基本的作用對象都是構成特定形狀結構的幾何形體，任何的特性歸根到底都可具體化為形狀的特性以及相應的幾何生成方法。

參考文獻

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