机械产品方案的现代设计方法及发展趋势

阎 文

（营口盼盼安居门业有限公司，辽宁 营口115000）

科学技术的迅猛发展使得现代社会各类产品表现为新的特征，如功能多元化、内容丰富化等。现代社会的机械产品设计在计算机的辅助下，呈现出分类方式多样、设计方法种类众多的特点。针对机械产品方案设计，国内外学者的研究成果丰硕。本文总结了主流方法，并讨论了其发展趋势。

1 基于系统理论设计

科学方法的系统论认为设计是由众多要素组成的，因素本身具有，因素之间层次性和系统性并存，综合各类因素而系统整合，则完成了设计的过程。基于系统理论的设计方法自二十世纪七十年代提出以来，国内外学者进行了大量的研究，具有代表性的设计思想主要有三类：以用户需求为核心，注重宏观设计过程，采用功能布置法实现系统化设计；以生命系统理论为主线来表达用户需求，分层次划分产品的设计过程，自上而下设计产品；以系统论方法为核心，将产品本身和设计过程本身均系统化，运用系统论方式完善产品设计和产品生产。

基于这三类主流设计思想，具有代表性的具体设计方法有以下几种：①基于系统元素设计：将总所周知的产品设计五元素看成是产品的全部，一旦五个元素完全确定，则认为产品设计已经完成；②基于图形模型设计：将设计元素层次化并明确元素之间的相互关系，利用系统论方法搭建基于元素的产品模型，产品模型包含了信息分析和计算机辅助设计两个层面。信息分析方法负责定义元素间的层次和相互关系，而计算机辅助模拟重现了整个设计过程中可能出现的活动或结果；③两阶段设计：将产品设计分为思维构建和具体设计两个阶段。其构思阶段从产品特定功能出发，衍生出结构要素，并导出功能载体。不同功能下的不同功能载体之间建立连接载体。在构思阶段完成之后再进行设计阶段；④基于矩阵理论设计：将用户需求和产品功能构建逻辑体系下的矩阵，通过求解关联矩阵实现用户需求和产品功能的关系而进行设计。可以利用矩阵知识，在母矩阵的基础上细化功能需求和用户需求而细化母矩阵形成矩阵子空间进行细化设计；⑤基于键合图设计：从功率流出发，将设计涉及的各类物理量分为势、流、动量和变位，同时利用若干元素构建物理量直接的交换和守恒，从而形成多种设计方案。

2 基于功能化模块设计

在设计任务初期将产品结构进行功能模块化，针对某一特定功能模块找寻符合要求的产品解。这种思想有利于消除部分功能模块的内在可能矛盾，有利于早期设计的产品预测和设计调整预测，具有高效性和可靠性特征，有效降低了设计成本。其设计过程自上而下分为产品、功能成分、功能模块和功能子模块。这种方法认为机械设计过程中，功能子模块通常有产品解而没有产品解的子模块较少。

在具体设计过程中，基于产品功能分析将产品分解为一定数量的功能模块和子模块，通过模块的选择和组合形成不同产品。功能模块之间通过具有多层特征的标准接口进行连接，接口特征表现为灵便经济、通用兼容、序列层次和相关集成。就我国而言，借助于软件架构技术和计算机辅助技术，已经形成了多层次多级别的功能模块产品，功能模块产品还可以相互组合形成新的功能模块产品。需要说明的是，功能模块或子模块的内涵和外延不是特定的，可以根据产品实际而发生变化，如功能模块或子模块均可以是元件或组件甚至系统。在功能分析和现有功能模块产品的基础上，基于产品设计目录即可对产品结构元素进行系统化的编排解集，最后形成产品设计方案。

3 基于特征内涵设计

基于特征内涵设计是运用计算机对产品的设别语言和设计专家的相关经验知识建立数据库，通过调用数据库知识和相关领域的数据库知识进行产品设计推理和C A E方案设计。就机械产品的设计而言，是基于机械产品的具体特征，结合设计专家的经验知识，通过综合推理决策，再实现C A E设计过程。

国内外已对基于特征内容的设法方法做了广泛研究，具有代表性的方法有多种：①编码设计：将产品分解为功能元件并分类后对其进行编码，编码过程是功能分类和功能特征赋予的过程。通过分类功能元件，运用专家经验知识，建立系统数据库，在基于逻辑理论和模糊理论建立推理决策机制。进化理论描述设计演化并形成拓扑结构，再次编码并利用生物繁殖理论完成多种设计方案；②内涵综合表达设计：在研制复杂产品过程时，往往采用多种特征内涵综合表达的方式来进行设计。如将准则、架构、流程和关系网等多方面内容统一综合在一起，以满足不同设计类型的描述：③基于开发工具设计：在联轴器的计算机辅助设计系统中，采用基于对象的开发工具，形成设计方法数据库，为设计人员提供有效的可靠设计选择，从而开发设计新产品；④基于设计目录设计：人为构造设计人员需要的多级设计目录，在特定设计中，根据目录递进式进行推理决策和设计开发；⑤基于样例设计：在机械产品设计过程中，参考已有产品样例或概念实体的特征进行推理决策而设计开发的方法。

4 基于智能理论设计

基于智能理论设计其智能特征表征为借助于智能化软件、虚拟技术、媒体及超媒体工具等进行产品描述、产品构思决策和产品开发。一般而言，可将整个产品开发设计过程分为三个阶段：①规划阶段：主要确定产品的特征表象，如颜色、尺寸、轮廓外形等，并将这些表征通过计算机辅助立体表示，形成产品的初步模型。这种模型一般采用虚拟技术建立，用户可以很方便地根据自身需要确定具有不同类型特征表象的模型，模型是后续过程的设计依据和基础；②开发阶段：根据系统理论，将模型进行分解成各种元素并进行元素内涵及外延的赋值过程，之后进行元素之间的关联，实现产品的虚拟配置分析。需要指出的是，这些元素可以根据设计目标的不同而产生不同的内涵和外延，既可以是基本元素如螺母，也可以是复合元素如传动系统，还可以是用户需求如形状等；③生产阶段：运用计算机辅助设计技术等虚拟技术，依据前述阶段的工作内容，提出产品的虚拟装配过程，凸显装配流程和装配间关系，指出设计中的疑难问题及相应解决方案。具体产品设计过程中，由于设计疑难问题的提出，三个阶段是不断循环的，直至产品的开发过程已细化完善之规定需求。快速成型技术是指将产品元素、标准模块及制造工序协调拟定。随着计算机技术的蓬勃发展和硬件系统的逐步升级，基于智能理论的设计方法将越来越多的利用快速成型技术、虚拟表达技术等综合运用，如利用立体方式代替拆卸和连接等内容。

我国在基于智能理论的设计还处于初步阶段。针对OBJECT-ORIENTAL技术，主要侧重在综合时序组合的专家设计系统，并采用依据表征未图形高性能和交换能力高性能的Open Graphics Library技术,实现专家设计系统能够经受三维层次的多角度考验。

5 设计方法的发展趋势

基于上述分析可知，基于系统理论的设计方法再现了抽象到具体的层次化过程，其任意层次的目标和方法均体现了有机结合及逐步深入的系统理论思想。基于功能化模块的设计方法表征为模块的分解和单个模块的设计，对于功能化模块稳定且易于划分的特定机械产品设计，可以优先选择基于功能化模块的设计方法。当机械产品的设计难以用数理方法推理验算或描述时，则需要根据其特征内涵并借助于专家的经验知识进行推理决策，在计算机辅助设计与推理决策良好融合之后，可有效进行产品的方案设计。基于智能理论的设计方法主要借助了三维软件和虚拟技术等现代化工具，虽然其直观性优异，但对设计人员的多领域知识要求较高，在没有高智能化工具的情况下，一般适用于经验丰富的设计者参与。

需要指出的是，四种主流设计方法并不是完全孤立的，它们之间存在特定的关系。实际上，其中的任意一种设计方法都蕴含一定程度上的系统化理念。此外，基于特征内涵的设计在推理决策过程中需要用到功能化模块知识，而其本身又是基于智能理论设计的基础内容。

随着计算机网络技术的不断发展和硬件技术的逐步进步，异地同步设计制造将会成为可能。但其重要前提是能够实现产品方案设计的立体可视化。因此，除了立体图形智能化软件技术外，媒体技术甚至超媒体技术及虚拟工具会愈来愈多地运用到机械产品的方案设计中。如处理机械产品方案设计前列的德国对超媒体工具已经进行了深入的研究。

整体来看，机械产品的方案设计越来越多的倾向于C A E设计和智能化设计的方向发展，其目标是实现异地同步设计和生产制造。虽然单一的设计方法很难实现这一目标，但综合运用四类设计方法并结合多领域知识仍然可能是一个有效的途径。

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