基于AFV技術的變結構體參數化設計方法研究

劉 廣，米彩盈

(西南交通大學機械工程學院, 四川 成都 610031)

傳統CAD技術只是簡單組合幾何元素以構造產品，由于元素之間缺乏約束且不包含設計過程，設計者難以再次更改模型，無法滿足機械產品開發中大量重復設計的需求，成為企業提高設計效率的瓶頸。參數化設計技術[1]利用約束構造產品幾何輪廓，通過尺寸為變量驅動完成設計，旨在重用已有設計信息快速重構產品來提高設計效率，支持企業參數化庫的建立以方便當前設計的后續利用。據參數化庫內已有設計與當前設計的拓撲結構形式異同，可將參數化設計分為定結構體設計(尺寸變異)及變結構體設計(拓撲變異)[2]。

參數化設計技術可較好地適應尺寸變異，拓撲變異則一直是參數化設計中的難題。傳統的參數化設計方法有尺寸驅動[3]、模塊化設計[4]和程序驅動[5]，其中模塊化參數化設計方法在一定范圍內滿足了變結構體設計的需求，但靈活度不足，難以支持新型結構設計。并且，CAD應用平臺的多樣性也為參數化技術的應用帶來挑戰。由此，本文提出基于AFV(Abstract-Fuse-Verification)技術的變結構體參數化設計方法，并利用AFV技術對UG進行二次開發[6-7]以實現參數化。AFV技術能提高設計效率，適應變結構體設計且支持平臺切換。

1 傳統參數化設計方法

傳統的參數化設計方法有尺寸驅動、模塊化設計和程序驅動。

尺寸驅動是假設新舊設計之間的拓撲結構基本不變，變化的只是尺寸值，并將各個尺寸變量化，用戶只需賦予各個變量數值便可驅動新的設計。尺寸驅動完全依賴于手工建立的模板庫，只需輸入各尺寸變量值便可在現有模板基礎上快速更新尺寸驅動生成系列產品，使得設計者無需進行大量的重復設計。尺寸驅動只考慮尺寸值的變化忽略了拓撲結構的改變，決定了此方法不能適應在模板基礎上發生拓撲結構變化的設計，即無法完成變結構體零件設計。尺寸驅動只適用于模型標準化程度高或造型過程復雜、可變參量少的設計。

模塊化設計證實了新舊設計之間存在的結構變化。將結構形式沒有變化的部位提取出來，作為一個公有的部位，放在主函數中；將結構形式變化的部位分別提取出來，作為某一結構類型的私有部位，放在不同的子函數中；然后通過選擇語句來調用各個子函數，實現不同的組合[4]。較尺寸驅動具有一定的靈活性，可以在“私有部位”實現變結構體設計。同時，模塊化庫的可拓展性不足，軟件用戶無法自行添加“私有部位”至模板庫，仍需軟件開發人員進行后續維護以完成添加，增加了維護成本；模塊化分基于大量現有設計資源以提取公、私有部位定義，一旦新型設計不滿足此定義模塊化便不再適用，靈活性仍不足，難以滿足變結構體零件設計。

程序驅動法參數化，由程序實現建模過程，不依賴于任何模板。程序驅動法建模實質為調用一系列CAD API函數的過程，API函數的實參為用戶指定值或程序計算值。程序驅動法建模的靈活性強，理論上可以實現任何結構的參數化設計，支持變結構體零件設計；無需模型庫的支持，便于程序的移植，但程序設計工作量大，設計周期長。

2 AFV技術介紹

2.1 AFV技術的提出

為改善傳統參數化設計方法在變結構體設計中的不足，本文提出了兩種解決方案，一種是基于特征的組合；另一種是基于草圖的AFV技術。

基于特征的組合類似于裝配體的生成過程，由于特征包含了線、面和體的信息，幾何信息管理較為復雜。AFV技術只需管理線的信息，對于結構相對簡單的零件設計，基于草圖的AFV技術可以滿足設計要求，且具有簡單可靠的信息管理，可顯著減少編程工作量，降低設計成本。

AFV技術與模塊化設計較相似，但二者存在差異。模塊化設計將結構形式無變化的部位提取出來，作為公有的部位，將結構形式變化的部位分別提取出來，作為某一結構類型的私有部位，然后通過選擇調用實現不同的組合[4]。在新設計中，公有部位可能會發生變化，這種主觀地劃分公有和私有部位有礙于新型零件的設計。AFV技術未區分公有和私有部位，將所有部位的設計都視為可變的，極大地提高了設計的靈活性。此外，傳統的模塊化設計未能很好地支持私有部分數據庫的拓展，即模塊化設計的結果只是在軟件設計之初已有設計庫中模板的組合；AFV技術Fuse(融合)過程的設計是抽象的，不依賴于任何現有模板，可識別用戶添加的任何新模板，模板庫有良好的可拓展性。

2.2 AFV技術的原理

AFV技術的工作過程主要分為3個步驟：Abstract(抽象)，Fuse(融合)，Verification (校核)，如圖1所示。

(1) Abstract：完成了零件基本結構的提取，可按外形或功能抽象為不同的部位，再以草圖(或者Sketch Group)形式表達，最終形成模板庫。

對于同系列不同型號的零件，其結構存在相似性。將只存在細微差異的零件保存為獨立模板，模板數據庫便會顯得過于龐大。但若按照功能和外形從零件提取出結構模板，可減少模板數量，簡化數據庫維護。

圖1 AFV技術原理

(2) Fuse：在Abstract建立的模板數據庫基礎之上，Fuse完成兩部分的工作：組合和修改。Fuse的工作過程如圖2。

組合完成了用戶意愿下零件抽象結構的組合，可根據設計需求按任意方式組合抽象結構；修改則使得軟件輔助設計過程變得更人性化，可以刪除已有結構或者插入新結構，還能以顏色區分不同結構以方便用戶觀察。

圖2 Fuse的工作過程

對模板的組合和修改針對的是所有模板，不依賴于任何具體模板，可以適應新模板的添加，滿足了對模板庫的實時擴充需求。Fuse的關鍵代碼如下：

插入模板：

刪除模板：

(3) Verification：各行業對其零件提出了相應的設計規范，Verification利用相關規范的準則來判斷當前設計是否合理。Verification建立了相應標準的規則庫。例如：在鐵道車輛車軸結構設計中，根據文獻[8-9]要求，在軸箱軸承內端面處對應的軸頸處需設計一個非常平緩的應力釋放槽(深度為0.1~0.2 mm)。Verification的過程：首先為抽象結構指定功能(軸頸)，再從規則庫調用與軸頸相關函數判斷當前尺寸設計是否合理。

另外，尺寸的大幅變化也可能導致拓撲變異的產生，Verification從工程應用的角度判別當前設計的合法性。

AFV技術不僅可以充分利用已有設計資源，而且可以很好地適應新結構設計的需求，進而提高設計效率和設計的靈活度。

2.3 AFV技術的類設計

一個軟件項目在其生命周期之內，其維護所消耗的費用是原始開發的兩倍左右[10]。任何一個系統在開發完成之后都需要進行相應的維護，以修復原有設計漏洞及適應新的需求。

可插入性有利于軟件維護，可插入性是指不同類擁有相同接口，從類之間的轉換不會導致系統發生故障，提高系統的適應性。

圖3 類結構設計

為提高鐵道車輛車軸插件的可維護性，應在設計之初對系統的可變因素加以封裝。企業應用的CAD平臺各不相同，插件需提供常用三維設計平臺下的功能拓展，如Pro/E，AutoCAD以及SolidWorks等。

圖3為插件的類結構，抽象類CADCapsule是常見CAD平臺(UG，Pro/E及SolidWorks)的抽象接口，AxleDesign類對任何CAD API的調用都是通過抽象類CADCapsule完成的。類CADCapsule為其他類對象調用常見CAD平臺API提供了統一的接口，用戶可方便切換CAD平臺以及添加其他CAD平臺，從而滿足本系統可插入性的要求。

AxleDesign類對實現類(UGCapsule，ProECapsule和 SolidWorksCapsule)的調用是通過CADCapsule間接完成的，可去除AxleDesign類和實現類的直接聯系，降低了模塊之間的耦合，保證了本系統的靈活性。

3 車軸參數化設計

車軸作為鐵道車輛的關鍵承載部件之一，文獻[8-9]對其結構和強度提出了明確要求，在設計方案達標之前存在著大量的重復設計。為提高設計效率，開發了鐵道車輛車軸設計插件。

車軸的種類繁多，若為各型號車軸提供設計界面及模板，加大了界面設計的工作量，且不能提高數據庫的利用率；其最大的缺陷為僅能尺寸驅動生成現有結構形式的車軸，且難以適應新結構的車軸設計。采用AFV技術，可以避免上述缺陷。

3.1 設計方法

本文車軸設計的基本思路是概念設計-細節設計-尺寸校核。概念設計完成車軸功能性的結構設計，設計車軸結構的拓撲關系。細節設計完成車軸上安裝零部件區域的局部結構設計，采用函數CADCapsule.UpdateSize()驅動尺寸參數化模型技術，實現尺寸驅動概念設計模型。尺寸校核用以判斷當前車軸是否滿足文獻[8-9]對非動力車軸和動力車軸的設計要求。

傳統的參數化設計難以適應新產品的更新設計，由AFV技術引入概念設計可改善參數化設計拓撲結構的可變性，提高了插件的靈活性。

3.2 插件的工作流程

在UG平臺下，獲取用戶的設計要求，讀取模板庫模板并加以組合完成概念設計。在概念設計(拓撲結構設計)和細節設計(尺寸驅動)的過程中，調用UG API接口函數完成UG交互界面下的相應功能，如拉伸，旋轉等。在模型確定之前調用基于文獻[8-9]的尺寸校核函數判斷車軸各局部結構是否合理。模型生成之后，用戶可以將當前設計存入模板庫，以便后續設計和強度分析使用。

3.3 設計過程

基于各類車軸結構，用戶提取公共典型結構存儲于模板庫；如圖4界面，圖形列表控件讀取模板庫信息，以圖形方式方便用戶選擇并插入模板至當前設計的車軸中，以充分應用Abstract得到的模板庫，提高設計效率。

Fuse：如圖4界面，“插入模塊”可實現模板的從左至右堆疊，在如圖5界面，可以修改當前零件中模板的組合方式，完成概念(結構)設計；如圖6界面，可修改各個模板的結構尺寸以實現細節(尺寸)設計。在Fuse過程中，程序以顏色區分不同模塊(如圖7)，可視化Fuse過程。

圖4 Concept Design

圖5 Modify Design

Verification：用戶在確認如圖6界面尺寸數值后，程序將校核各尺寸值，判斷是否產生非法拓撲變異，及是否滿足文獻要求，若滿足要求，則生成車軸實體模型，如圖8。

圖6 Detail Design

圖7 草圖融合結果

圖8 車軸實體

4 結論

綜合本文的分析，可以得出以下結論：

(1) AFV技術不僅克服了現有參數化設計方法在變結構設計中的不足，且具有傳統技術高效的優點。

(2) 抽象模板庫的建立使得AFV技術可以充分利用已有的設計資源，基于現有資源快速完成產品設計；模板庫良好的可拓展性支持用戶自行添加新型模板且無需修改代碼，降低了維護成本，且為AFV技術的高效靈活應用提供了基礎。

(3) AFV技術摒棄了傳統模塊化設計中“公有部位”、“私有部位”的定義，將結構的任何部位設計均視為可變，為用戶自定義模塊的劃分提供了基礎，提高了設計的靈活性，可較好地適應變結構體設計。

(4) 基于類的設計，在設計之初對系統的可變因素加以封裝，便于實現本插件在不同CAD平臺間切換。

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