发射装置基座自顶而下设计策略研究与应用

2020-05-18杨继超张旭耀尚书聪

兵器装备工程学报 2020年4期

杨继超，张旭耀，尚书聪

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州 450015)

发射装置基座是武器发射系统配套部件，连接武器系统执行端与作战平台。该装置传统设计方法是采用自底而上设计理念，即先零件造型，再组装部件、最后完成总体装配。对于成熟、稳定的产品，该设计方法直接、简便，易于被工程设计人员理解和接受。但对诸如发射装置基座这类产品，由于涉及零部件众多，相互之间存在一定的耦合关系，自底而上设计方法效率低、重复劳动量大[1]。发射装置基座在设计过程需要经历频繁更改，而任何细小的修改有可能导致一系列干涉问题。修改模型的代价或将高于重新设计代价，导致整个模型弃用，造成大量重复劳动。

为了解决上述问题，在发射装置基座设计中引入自顶而下设计方法。自顶而下是一种设计理念，即在产品设计伊始便建立顶层控制机制、并逐级向下传递的设计方法[2-3]。从具体实施来说，就是在装配环境中定义零部件之间相互关联及参数权限控制，零部件的设计通过继承、复制等手段实现零件内部和零件之间参数与关系的传递。

1 自顶而下设计概念及定义

对于产品设计，通常有自底而上(Bottom-up Design)和自顶而下(Top-down Design)两类设计方法[4-5]，如图1所示。自底而上设计是以零件为中心，先确定底层零件的详细信息，然后以此为基础完成部件、总装配体设计。自底而上设计方法在设计之初没有全局控制概念，零部件相对独立，不能完全体现总体设计意图，存在相互冲突风险。自顶而下设计是从装配体开始，首先开展顶层规划，在总装配体中制定上级控制层，其次分解零部件，在子零部件中制定下一级控制层，并受到上一层级控制，通过自上而下的层级控制，最终实现对底层零件的控制和设计约束，有效传递总体设计意图[6-9]。

图1 自顶而下和自底而上设计示意图

以零件为中心的自底而上设计方法，省去了总体规划环节，比较容易被初级设计人员接受，适合于成熟、稳定的产品设计。但对于多系列、需要反复修改的新研产品，其设计是一个不断完善、不断修改的渐进过程。自底而上设计方法面临如下问题[10-11]：

一是浪费不必要的时间和资源。项目总工程师的要求发生变更时，会牵动下级各分系统设计人员负责的子部件，需要组织大量沟通协调工作，消耗大量时间和资源。

二是降低产品设计效率。即使遇到细小的设计变动，都有可能影响到众多图形文档及零件特征，造成一系列模型冲突，需要人工干预，逐一修改，设计效率低。

三是减弱设计模型可继承性。长周期的设计工作，可能面临设计成员变动，新旧人员交接，当模型缺乏顶层规划，新角色需要花费大量精力理解设计模型，造成不必要的设计周期延长。

自顶而下设计方法是从全局和整体开始，规划了产品整体结构关系，在总体规划约束下开展零部件详细设计，相比自下而上设计理念，优点如下[12-13]：

一是符合工程设计人员思维习惯。产品开发是从抽象到具体的过程，先构建产品功能，再构建几何要素，最后细化产品建模。自顶而下设计方法遵循这种思维模式。

二是自顶而下设计利于产品协同设计。自顶而下设计开始便确定产品主要功能、关键约束及装配关系等重要信息，能在任务分发时，保证相关重要约束同时分配到各分系统，避免冲突。

三是容错能力强。自顶而下设计已定义完整产品结构，每个零部件通过严密组织紧密结合在一起，并由程序控制，防止人为及非预期错误发生。

四是易于实现产品系列化。当完成产品基本型设计后，通过修改全局控制参数，能快速生成其他系列产品。

2 基于Creo平台自顶而下设计方法

随着CAD参数化建模技术的发展，即采用参数预定义技术建立图形约束集、参数化尺寸驱动设计结果，使得数据在零部件之间的传递变得即时和唯一，这样才有了真正意义上自顶而下设计[14]。

自顶而下是一种设计思想，不特指某一种设计方法。基于Creo平台有多种实现自顶而下设计途径，其中最常见的是Top-down骨架法和Top-down主控零件法。

Top-down骨架法：在装配体中，根据各零部件位置及参数关系建立骨架模型，如图2所示。骨架模型是一种总揽全局的抽象模型，承载产品三维布局、形状要素、装配关系等信息。每层装配可以创建对应的骨架模型，零件围绕本层骨架开展细节设计。下层骨架模型继承上层的骨架模型信息，通过修改对应的骨架模型对零部件的尺寸和装配关系进行系统性修改。

图2 Top-down骨架模型框图

Top-down主控零件法：主控零件法是创建一个主控零件，如图3所示，将所有装配体中几何要素集中放置于主控零件中，通过几何参考复制的方法将数据传递到具体零件，最后细化完善整个结构模型。装配体中各零件均参照主控零件，可避免数据冲突与几何干涉。

Top-down骨架法与Top-down主控零件法本质上非常相似性，都是通过创建中心控制文件的方式，集中管理装配体中相关数据，装配体中具体零件参数跟随中心控制文件数据修改而协同变化。某种程度上，可以认为骨架模型是主控零件的抽象简化，主控零件是骨架模型的具体表征。在操作细节上，骨架模型是Creo中一类特殊模型，存在于装配体的顶层，专门服务于Top-down设计，不占模型文档的装配权限。主控零件是Creo的普通零件模型，需要占用装配权限。上述两种自顶而下设计理念各有优势，在实际设计中应根据产品结构特点制定适宜的方法。

图3 Top-down主控零件创建框图

3 发射装置基座设计原则

发射装置基座连接武器平台与发射装置，基座设计原则如下：在满足功能要求情况下，尽可采用标准型材以便于组织生产。大型结构件，尽可能采用模块化设计以便于运输与现场安装。结构设计需要考虑到电气安装要求，具体到基座设计，需要预留发射装置与武器平台之间管线及电气设备布置空间。根据发射装置基座结构预期功能，需提供倾斜发射角，在概念设计阶段暂定为80°。为了保证设计的灵活，需考虑发射角变更可能。由于电气与机械结构同步设计，电气预留安装空间待定，且随技术需求进行调整。

该发射装置基座，如果采用常见的自底而上设计方法，以零部件为中心进行设计，先零件建模，再逐一装配，当遇到设计要求变更或个别零件调整时，可能导致整个文件模型崩溃，不利于协同、并行设计。因此，通过采用自顶而下设计方法开展发射装置基座设计，将设计意图贯穿整个设计过程，增强模型的稳健性，并考虑设计过程中模型动态调整，以提高设计效率。

4 制定发射装置设计准则

发射装置基座的零部件规模与几何造型难度中等，重点在于制定零件之间的依赖、参照关系，保证整个结构模型的灵活与稳健性。为了更直观便捷传递出工程师设计意图，以Top-down骨架法为基础，结合主控零件法思想，制定符合发射装置结构特点的自顶而下设计准则。

为了贴近实际操作与管理，将自顶而下设计方法的操作流程逐一细化：

1) 命名规则。为更好管理模型，见名思义，即通过零部件名称便可推断出零件功能、位置等相关信息。同时文件名也应保持简洁，避免庸长。推荐采用三级命名规则。

2) 图层管理，采用装配体、零件体两级管理方式。在几何建模过程中，基准参考通常多而杂乱，将其按照装配体和零件分类管理。开展某个零件建模时，仅使用本模型内参考以及上一级依赖关系(中心零件参考或骨架)的参考，其余参考均隐藏，避免干扰视线，选择错误依赖关系。

3) 自顶而下设计方法中，以Creo骨架作为信息承载主体向下层层传递。为了保持信息传递简洁可控，遵循最短信息链原则，即保持骨架模型数量尽可能少，将控制参数尽可能集中在最少数量的骨架模型上。

4) 在子装配体设计中，借鉴Top-down主控零件法的思想，在需要情况下选定子装配体中某个零件作为中心零件，承担主控零件部分职能，即在该零件上建立完善的基准参考，以供其他零件定位、造型，其他零件可围绕该零件为中心开展设计。

5) 对于具体零件设计，既可参考中心零件信息开展详细设计，也可采用骨架模型信息。但尽量避免交叉使用两种信息，即要么仅使用骨架参考，要么仅使用主控零件参考。当交叉采用两种信息时，容易混淆设计者的建模思路，发生模型修改失败时，不利于问题的排查。

6) 零件设计，尽量优化零件的父子关系，最大限度上减少零件间不必要的依赖。具体到操作上，将重要的骨架、参考等信息复制到零件内部，在独立而不是装配体环境内创建零件特征。在创建零件过程中，当装配关系暂时不确定时，可使用Creo软件中“不放置元件”选项，等完成零件详细设计后再进行准确装配。

5 基座设计实例分析

基于Creo平台实现发射装置基座自顶而下设计。初步将其结构划分为底座部件，垂直部件，倾斜部件和若干连接横梁部件。其中底座部件与发射平台相连接，倾斜部件与发射装置相连接。按照第4节1)制定的设计准则，进行总体结构规划，采用规范的命名，具体规划框图如图4所示。

图4 基座总体结构规划

参照第4节2)中图层管理准则，建立相应图层。其中使用频率最高图层有：参考面图层(DATUM)，复制几何图层(COPY_GEOM)，参考轴图层(AXIS)，参考坐标系图层(CSYS)和实体图层(SOLID)。各类型参考以装配体、零件为条目进行组织。装配体、零件对应各自的参考面、轴和坐标系等。如图5所示，AXIS图层下对应JC2019_BASE_180、JC2019_BLOCK_160等零部件的参考轴。同理，DATUM图层包含各零部件的参考平面。

图5 基座设计图层管理

由于该模型结构相对简单，规模不大，在规划骨架模型时，遵循第4节3)中最短信息链准则，仅在总装配体中设计一个顶层骨架足以。骨架模型规划示意图如图6所示。

为了保持控制信息传递简洁性和灵活性，按照第4节5)中准则，零件设计参照既可来自顶层骨架模型，也可来自中心零件，可根据情况应对。如果在子装配中选定中心零件，参照第4节4)中准则，其他零件关键参数及相对装配关系将依附于中心零件。现以发射装置基座横梁组件1(JC2019_Link1_04)设计为例进行阐述，该组件详情分解如表1所示。

图6 基座骨架模型

表1 横梁组件1(JC2019_Link1_04)分解

选取序号3为中心零件，在该中心零件中定义如图7所示的参考面DTM1、DTM2、DTM3、DTM4，该子装配上其他零件将参照上述定义的参考面进行装配定位。

参照第4节6)中准则，通过几何复制的方法，将骨架信息传递到各个零件内部，在相对独利环境中进行零件单独设计，减少不必要外部依赖关系。将骨架模型JC2019_MISSILE_00_SKEL0001中的关键参考，通过几何复制的方式传递到JC2019_WING_30、JC2019_WING_40等下级零件中，具体实施过程如图8所示。

图7 中心零件定位参考

图8 参考的复制过程

采用上述设计准则开展发射装置基座设计，在设计过程中，当需要在总装配体中增加零件，或需要将一体成型单个加工零件调整为拼焊成型多个零件时，由于零件命名规则中考虑了冗余，可以在不改变总装配体零件顺序情况下插入新的零件序号。如在JC2019_VerticalPln_130与JC2019_OrthRib_ 140之间，可以插入从编号131至139的9个零件。当需要改变发射装置基座的发射角时，仅需改变倾斜组件位置参考面参数，整个模型中关联零件自动更新。同理，当需要调整电气安装空间时，调整相应控制参考面参数即可实现。该设计模型参照关系明确，条理清楚，防止循环参照。