泵CAD中的原理方案设计模型 - 文章

泵CAD中的原理方案设计模型

作者：上海理工大学李春程新广周昕

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论文摘要：在详细分析泵行业中CAD状况的基础上，阐述了建立水泵原理方案设计模型的必要性。考虑现有的设计方法模型的特点以及水泵原理设计的自身规律，在面向对象设计模型的基础上融合了逐步求精模型的闭环设计思想，在功能分解中采用了Function-Behavior-State(FBS)方法，提出了一个原理方案设计模型。并进一步将该模型应用于泵的原理方案设计的一实例中，得到了一个较为完整的水泵原理设计流程，表明此模型具有可操作性、可重用性、可交换性等特点。

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［1］。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)［2］。

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［3］：(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［4］：(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［5］。虽然两者都处于发展之中，但是文献［4］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［6］。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［7］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［8］

(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［9］。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。

4泵原理方案设计应用实例

基于上述的原理方案设计模型，将该模型应用于具体的水泵原理方案设计，得到其部分设计流程如图3、4所示。

图3泵原理方案设计流程(部分)

图4泵原理方案设计流程(部分)

设计流程说明如下：

(1)确定设计要求并将其抽象化，得到泵设计的本质：通过一定的手段增加流体的机械能(动能、势能)或压力能［10］。

(2)以泵的设计模型为当前设计模型S。确定其第一层的设计对象组成。即各个功能实体对象组成及功能关系对象。设不存在已有对象，则需创建一系列新的对象。用FBS方法对功能进行分解。从物料流的观点出发，泵的物料流为流体(液体)，由泵的设计要求可得到其核心功能为流体接收能量，此功能的完成可由几个子行为来完成：导入流体，提供流体接收能量的空间(容纳)，流体接收能量(能量传递)，导出流体(导出)。从能量流的观点出发，泵的核心功能将能量传递给流体，其可由调节输入能量的大小、将输入能量转换为能量传递中所需的能量形式和能量传递给流体及能量随流体导出四个子行为来完成。从信息流的观点出发，主要功能为调节和控制设定的要求与得到的结果的一致性。测量输出量、比较设定值与测量值、调节和控制等行为可完成信息流所需功能。最后还需一个辅助功能模块即连结与支撑。各功能对象之间的关系如图5所示。

图5泵功能分解及结构

(3)以各个设计功能对象为设计模S，进行第二层设计，在条件满足的情况下(如“能量转换”的求解需要“能量传递”求解结果)可以并行进行设计。以“能量传递”为例，针对该功能，从模型库中搜寻可能的作用原理对象。如果模型库中存在相应的作用原理对象，则生成该原理对象的一个实例加入到当前的设计模型S中。否则由知识库中的专家知识推理得到可能的作用原理对象。由此可得张力、离心力、升力、电磁力等原理对象。设计者根据各个原理对象的特性，从自身的经验出发选择比较适合的一个到几个原理对象进入下一层设计。

(4)假设所选择的作用原理对象为升力，则以升力原理为当前设计模型S，搜索模型库得到与其对应的原理结构模型：轴流式叶轮原型。

(5)对所得的轴流式叶轮原型进行技术、经济评价。并根据评价结果逐层修改求精。

(6)对其它功能实体进行类似的求解。

(7)协调各个功能的原理结构解之间的关系，如图4所示中为能量转换的原理解与能量传递的原理解之间的制约关系，通过协同求精确定各个功能实体的结构解。

(8)总体评价。从总的要求和约束R&C，以及评价规划出发，最终确定原理解。

很明显，以上给出例子所得出的原理解不是唯一的，根据模型库和知识库中等构成的不同，设计者给出的判断不同，得到的解是不一样的。本应用实例说明，利用前面给出的模型进行泵的原理方案设计是可行的，基本满足了泵设计的要求和特点。同时从模型本身框架和从实际应用中可以发现模型具有以下特点：

(1)可操作性。本模型泵设计的本身特点出发，并与现有的设计方法模型相结合而成。该模型有效地应用于实例中，表明本模型具有相当的可操作性。

(2)可重用性。面向对象的建模思想使得到的各个设计对象可以在不同的产品中应用。如实例中得到的能量转换的功能对象实现后，其结果列入模型库，在下一个产品设计时，它将作为已有对象被检索，实现重用性。

(3)可交换性。各个设计对象不是独一无二的，每一个设计目标可以有不同的设计模型来完成。如能量传递的解就可能有张力、离心力、升力、电磁力等几种通过做功实现能量传递的原理对象，为设计提供了多种选择。

5结论

泵的原理方案设计模型涉及到设计方法学和泵本身的许多专业知识和经验。以原理方案设计本身来说，现正处于起步和发展阶段，是计算机辅助设计(CAD)中的热点和前沿问题。原理方案设计是产品设计过程中创新设计的关键，已成为国内外专家学者的共识。本文只是在这一方面进行了初步研究，并得到以下结论：

(1)为了提高泵产品的设计创新能力，有必要利用先进的CAD产品开发设计方法，建立泵原理设计方案模型。

(2)泵设计的自身特点要求泵原理方案设计模型满足两个要求：

(a)是一个逐步求精的闭环系统；

(b)是一个满足模块化的面向对象的模型。

(3)本文提出的模型基本满足了泵原理方案设计模型中两个要求并具有可操作性、可重用性、可交换性等特点。

作者简介：李春，博士学位，副教授，副院长，主要研究方向：叶轮机械气动热力学、计算流体力学、叶轮机械CAD/CAPP、数值理论和计算方法等，已在国内外期刊上发表论文40余篇。通讯地址：200093上海市军工路516号上海理工大学动力工程学院。

李春（上海理工大学）
程新广（上海理工大学）
周昕（上海理工大学）

参考文献
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［4］俞杰，耿卫东，潘云鹤.面向产品创新设计的CAD方法综述.计算机辅助设计与图形学学报，1999；11(2)：185～188
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Computer-aided Design，1998；30(5)：377～389
［10］［日］草间秀俊，酒井俊道著，韩冰译.流体机械.北京：机械工业出版社，1985(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/21/2006)


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