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1.引言
自90年代初我国实施CAD应用工程以来,在水泵行业开展CAD设计虽普遍受到重视,但基本仍处于初级的CAD绘图阶段,主要是应用于整个设计过程中的“中下游”设计阶段,即设计方案的具体实现阶段,其本质上属于面向零件的细节设计。CAD的发展趋势是不仅支持面向零件的细节设计,更重要的是支持概念设计与方案设计等“上游”设计,即是设计过程中最主要的创造性阶段。在产品设计过程中,创新性表现最为集中、最为突出的阶段是产品的原理方案设计阶段。为适应泵的设计创新需要,有必要对水泵原理方案设计机理进行研究,建立一个满足水泵设计实际需要的建模方法。在对泵的设计过程进行总体分析,针对泵的产品特点,总结设计过程中的设计规律,探讨其设计创新机理,并适应计算机辅助设计的需要,建立反映泵的设计经验知识、设计方法以及设计规范的原理方案设计模型,并将其与已有的“中下游”设计模型耦合,以做到真正支撑和辅助设计全过程。
2.模型设计方法
方案设计是设计过程中,在阐明任务要求后,通过抽象化认识本质问题,建立功能结构,通过寻求合适的作用原理并将其组合成作用结构,从面确定原理解(原理方案)。
方案设计是在原理上确定一个解。其工作步聚如图1所示。
图1方案设计的工作步聚
在建立泵原理方案设计模型中主要涉及两方面的知识:(1)设计方法学知识,即解决产品设计进程的一般性理论、研究进程模式、战略与各步骤相应的战术。其中包括面向全过程的设计方法和对于方案设计过程中特定的设计方法。(2)设计对象领域的专业知识,即关于泵这种具体的流体通用机械中所涉及的专业领域的知识。
2.1设计方法
面向全过程的设计方法及模型基本可以分成三种:(1)面向对象设计模型,它代表着设计方法学的组装创新设计阶段;(2)GDT(General Design Theory)模型,它能体现创新设计方法学的创新思维过程(分解、映射、综合),代表着开环创新设计阶段;(3)逐步求精模型,它充分体现了人的创新思维模式:继承中创新、反复迭代,代表着工程设计方法学的闭环控制创新设计阶段。这种方法认为设计过程是一个逐步求精过程。它的最大优点是存在解的评价层,允许对解进行反馈控制,进行产品优化。因此它是一个闭环设计方法,比较符合工程设计人员的思维模式。
方案设计中关键性的一步就是如何进行产品设计要求的功能分解。因为产品的设计要求是最精炼的产品功能描述,而形成产品的却是许许多多完成一定功能的零部件的组合,如何将抽象的产品设计要求转换为具体的、现实的功能要求充分体现了人的创造活动。对这方面的研究,焦点主要集中在功能分解的依据上,有两种方法比较典型:一种以Robert Hsturges为代表,以价值工程理论(VE)为背景,采用功能分解,称为功能逻辑分解方法;另一种以Yasushi Umeda为代表,以人的认知模型为背景,采用行为分解,称为Fuction Behavior State(FBS)方法。虽然两者都处于发展之中,但是文献认为后者的分解依据更贴近工程设计的思维模式。
2.2泵设计领域的专业知识(泵设计的特点)
泵设计是一项复杂的过程,在设计中各种因素互相影响,使满足给定要求的水泵有不同的设计方案或结果,因此必须找到其中最优的一个。这是一个不断探索,多次循环,逐步深化的判断求解过程。从流体机械的角度看,流体机械的反问题是当今流体力学领域的难题之一。因此现有的设计基本采用流体力学的正问题设计,即先由工程设计得到流道结构,确定流动的初始条件和边界条件,再对流场进行校核。根据校核结果对流道结构进行调整后再次校核,如此循环直到得到较优的结果。这表明所建立的模型应是一个循环迭代逐步求精的闭环系统。
随着成组技术的广泛应用,泵设计制造正趋向于模块化,以提高零件(组件)通用性和重用性,从而降低设计制造成本,保证产品质量。而面向对象的建模思想正好符合模块化的需要。这表明所建立的模型应是一个面向对象的系统。
3 .原理方案设计模型
基于以上分析,在本文所提出的原理方案设计模型中,整个设计进程是在面向对象的设计模型的基础上融合了逐步求精模型闭环设计思想而建立的,在功能分解中采用了FBS方法。具体模型描述如图2所示:
图2原理方案设计模型结构图
在模型中各个模块的具体功能为:
3.1设计模型S
设计模型S表示要设计的目标对象,它可以由一个或几个设计对象组成,其中包括设计实体对象(E0)和设计关系对象(R0),其中实体对象可以是功能实体或结构实体。即:
S={[E01,E02,…,E0n],[E01,E02,…,E0m]}
因为每个设计要求一般有若干个可选择的模型与之相匹配,并在设计过程中不断迭代更新,这里用SKG来表示设计模型K的第G代模型,则有:
SKG={[E01K,E02K,…,E0nK]G,[R01K,R02K,…,E0mK]G}
3.2设计算法A
设计算法A为针对某一设计模型SKG,根据要求和约束(R&C)以及知识库中与本领域的专家知识,在模型库中搜索与其匹配的设计对象,创建该设计对象的一个实例Oi并将其添加到设计模型SKG中,若无匹配的设计对象,则基于知识推理创建一个新的满足要求的对象。评价算法还对设计模型进行评价测试,对不满足要求和约束部分进行修改。
3.3要求和约束R & C
在产品需求建模辅助工具系统的辅助下,通过对当前设计模型需求信息的获取、拓展和分析所得到的要求和约束R&C;对设计模型的要求、存在的条件以及其重要性的权重。最后形成一系列的功能需求{Ro.p},Ro.p为功能需求O的属性P。
3.4设计实体对象E0
设计实体对象E0i与要求与约束中的Ri相匹配。它包括功能实体对象或结构实体对象。
对于功能实体对象,其本身是一设计模型S,该模型的构成将递归调用图3的模型算法。递归结束的条件是当所得的实体对象是结构对象,隐含其中的功能分解算法为FBS方法。功能实体对象的递归求解可以并行。
3.5设计关系对象R0
设计关系对象R0的构成为:构成该关系的设计实体对象中的相关属性为设计关系对象的属性,它的方法为属性间相互约束关系,包括
(1)等式约束:工程中大量的计算公式,如:
H+V2/2g+p/r=C
(2)限制约束:对一些设主变量的某种限制,如噪声级的限定范围。
(3)函数约束:面向对象的工程数据库中的操作函数,如标准件库中选型函数。
(4)规则约束:用于表达工程设计中的一些经验性知识。
对于设计关系对象则不进行递归求解调用,其本身构成评判层,主要作用为在递归回溯时,对解进行测试和评判。在其中某一层得到存在设计关系对象的两个或几个设计实体对象的解后,由该设计关系对象出发,测试各个设计实体对象的解是否满足设计关系对象中的约束关系,如不满足则对各个设计对象的解进行调整。
设计关系对象构成的评判层与评价规划(E)及要求与约束(R&C)构成的评判层不同,后者的作用是对设计模型的整体性能的评价,设计关系对象的作用则是设计模型内部各个组成模块间协调性、一致性的评价。
3.6与后续设计的接口
原理方案设计的后续步骤为详细设计,即确定各个零件或组件的形状、尺寸、材料要素,进而得到各个零件的详细描述,同时还需确定各个组件(零件)间的关系,当某一组件(零件)的涉及其他组件(零件)的要素变动时,能将此变动扩展到各个零件。与原理方案设计层相对应,详细设计层的产品可由装配实体对象和装配关系对象来描述。从本文所给出的原理方案模型出发,可建立设计实体对象与装配实体对象、设计关系对象和装配关系对象的对应转换关系。因此本文所给出的原理方案模型具有较好的扩展性。
从以上分析可见,本原理方案设计模型考虑了设计中各种因素互相影响和相互独立的特点,以及工程设计中大量存在的问题求解策略的调整概念,即先产生一个不费事的有错误的解,然后再修改它,使它逐步与精确解逼近(实践证明这种做法一般比坚持要求第一个解就完全没有缺陷的做法有效得多),融合了面向对象的设计思想和逐步求精模型闭环设计思想,使泵设计的自身特点对其原理方案设计模型所提出的两个要求得到满足。同时利用本模型进行设计时可以进行并行求解,提高求解效率,并可与后续设计环节较好地衔接。