機械產品方案的現代設計方法及發展趨勢

閻 文

（營口盼盼安居門業有限公司，遼寧 營口115000）

科學技術的迅猛發展使得現代社會各類產品表現為新的特征，如功能多元化、內容豐富化等。現代社會的機械產品設計在計算機的輔助下，呈現出分類方式多樣、設計方法種類眾多的特點。針對機械產品方案設計，國內外學者的研究成果豐碩。本文總結了主流方法，并討論了其發展趨勢。

1 基于系統理論設計

科學方法的系統論認為設計是由眾多要素組成的，因素本身具有，因素之間層次性和系統性并存，綜合各類因素而系統整合，則完成了設計的過程?；谙到y理論的設計方法自二十世紀七十年代提出以來，國內外學者進行了大量的研究，具有代表性的設計思想主要有三類：以用戶需求為核心，注重宏觀設計過程，采用功能布置法實現系統化設計；以生命系統理論為主線來表達用戶需求，分層次劃分產品的設計過程，自上而下設計產品；以系統論方法為核心，將產品本身和設計過程本身均系統化，運用系統論方式完善產品設計和產品生產。

基于這三類主流設計思想，具有代表性的具體設計方法有以下幾種：①基于系統元素設計：將總所周知的產品設計五元素看成是產品的全部，一旦五個元素完全確定，則認為產品設計已經完成；②基于圖形模型設計：將設計元素層次化并明確元素之間的相互關系，利用系統論方法搭建基于元素的產品模型，產品模型包含了信息分析和計算機輔助設計兩個層面。信息分析方法負責定義元素間的層次和相互關系，而計算機輔助模擬重現了整個設計過程中可能出現的活動或結果；③兩階段設計：將產品設計分為思維構建和具體設計兩個階段。其構思階段從產品特定功能出發，衍生出結構要素，并導出功能載體。不同功能下的不同功能載體之間建立連接載體。在構思階段完成之后再進行設計階段；④基于矩陣理論設計：將用戶需求和產品功能構建邏輯體系下的矩陣，通過求解關聯矩陣實現用戶需求和產品功能的關系而進行設計?？梢岳镁仃囍R，在母矩陣的基礎上細化功能需求和用戶需求而細化母矩陣形成矩陣子空間進行細化設計；⑤基于鍵合圖設計：從功率流出發，將設計涉及的各類物理量分為勢、流、動量和變位，同時利用若干元素構建物理量直接的交換和守恒，從而形成多種設計方案。

2 基于功能化模塊設計

在設計任務初期將產品結構進行功能模塊化，針對某一特定功能模塊找尋符合要求的產品解。這種思想有利于消除部分功能模塊的內在可能矛盾，有利于早期設計的產品預測和設計調整預測，具有高效性和可靠性特征，有效降低了設計成本。其設計過程自上而下分為產品、功能成分、功能模塊和功能子模塊。這種方法認為機械設計過程中，功能子模塊通常有產品解而沒有產品解的子模塊較少。

在具體設計過程中，基于產品功能分析將產品分解為一定數量的功能模塊和子模塊，通過模塊的選擇和組合形成不同產品。功能模塊之間通過具有多層特征的標準接口進行連接，接口特征表現為靈便經濟、通用兼容、序列層次和相關集成。就我國而言，借助于軟件架構技術和計算機輔助技術，已經形成了多層次多級別的功能模塊產品，功能模塊產品還可以相互組合形成新的功能模塊產品。需要說明的是，功能模塊或子模塊的內涵和外延不是特定的，可以根據產品實際而發生變化，如功能模塊或子模塊均可以是元件或組件甚至系統。在功能分析和現有功能模塊產品的基礎上，基于產品設計目錄即可對產品結構元素進行系統化的編排解集，最后形成產品設計方案。

3 基于特征內涵設計

基于特征內涵設計是運用計算機對產品的設別語言和設計專家的相關經驗知識建立數據庫，通過調用數據庫知識和相關領域的數據庫知識進行產品設計推理和C A E方案設計。就機械產品的設計而言，是基于機械產品的具體特征，結合設計專家的經驗知識，通過綜合推理決策，再實現C A E設計過程。

國內外已對基于特征內容的設法方法做了廣泛研究，具有代表性的方法有多種：①編碼設計：將產品分解為功能元件并分類后對其進行編碼，編碼過程是功能分類和功能特征賦予的過程。通過分類功能元件，運用專家經驗知識，建立系統數據庫，在基于邏輯理論和模糊理論建立推理決策機制。進化理論描述設計演化并形成拓撲結構，再次編碼并利用生物繁殖理論完成多種設計方案；②內涵綜合表達設計：在研制復雜產品過程時，往往采用多種特征內涵綜合表達的方式來進行設計。如將準則、架構、流程和關系網等多方面內容統一綜合在一起，以滿足不同設計類型的描述：③基于開發工具設計：在聯軸器的計算機輔助設計系統中，采用基于對象的開發工具，形成設計方法數據庫，為設計人員提供有效的可靠設計選擇，從而開發設計新產品；④基于設計目錄設計：人為構造設計人員需要的多級設計目錄，在特定設計中，根據目錄遞進式進行推理決策和設計開發；⑤基于樣例設計：在機械產品設計過程中，參考已有產品樣例或概念實體的特征進行推理決策而設計開發的方法。

4 基于智能理論設計

基于智能理論設計其智能特征表征為借助于智能化軟件、虛擬技術、媒體及超媒體工具等進行產品描述、產品構思決策和產品開發。一般而言，可將整個產品開發設計過程分為三個階段：①規劃階段：主要確定產品的特征表象，如顏色、尺寸、輪廓外形等，并將這些表征通過計算機輔助立體表示，形成產品的初步模型。這種模型一般采用虛擬技術建立，用戶可以很方便地根據自身需要確定具有不同類型特征表象的模型，模型是后續過程的設計依據和基礎；②開發階段：根據系統理論，將模型進行分解成各種元素并進行元素內涵及外延的賦值過程，之后進行元素之間的關聯，實現產品的虛擬配置分析。需要指出的是，這些元素可以根據設計目標的不同而產生不同的內涵和外延，既可以是基本元素如螺母，也可以是復合元素如傳動系統，還可以是用戶需求如形狀等；③生產階段：運用計算機輔助設計技術等虛擬技術，依據前述階段的工作內容，提出產品的虛擬裝配過程，凸顯裝配流程和裝配間關系，指出設計中的疑難問題及相應解決方案。具體產品設計過程中，由于設計疑難問題的提出，三個階段是不斷循環的，直至產品的開發過程已細化完善之規定需求。快速成型技術是指將產品元素、標準模塊及制造工序協調擬定。隨著計算機技術的蓬勃發展和硬件系統的逐步升級，基于智能理論的設計方法將越來越多的利用快速成型技術、虛擬表達技術等綜合運用，如利用立體方式代替拆卸和連接等內容。

我國在基于智能理論的設計還處于初步階段。針對OBJECT-ORIENTAL技術，主要側重在綜合時序組合的專家設計系統，并采用依據表征未圖形高性能和交換能力高性能的Open Graphics Library技術,實現專家設計系統能夠經受三維層次的多角度考驗。

5 設計方法的發展趨勢

基于上述分析可知，基于系統理論的設計方法再現了抽象到具體的層次化過程，其任意層次的目標和方法均體現了有機結合及逐步深入的系統理論思想。基于功能化模塊的設計方法表征為模塊的分解和單個模塊的設計，對于功能化模塊穩定且易于劃分的特定機械產品設計，可以優先選擇基于功能化模塊的設計方法。當機械產品的設計難以用數理方法推理驗算或描述時，則需要根據其特征內涵并借助于專家的經驗知識進行推理決策，在計算機輔助設計與推理決策良好融合之后，可有效進行產品的方案設計。基于智能理論的設計方法主要借助了三維軟件和虛擬技術等現代化工具，雖然其直觀性優異，但對設計人員的多領域知識要求較高，在沒有高智能化工具的情況下，一般適用于經驗豐富的設計者參與。

需要指出的是，四種主流設計方法并不是完全孤立的，它們之間存在特定的關系。實際上，其中的任意一種設計方法都蘊含一定程度上的系統化理念。此外，基于特征內涵的設計在推理決策過程中需要用到功能化模塊知識，而其本身又是基于智能理論設計的基礎內容。

隨著計算機網絡技術的不斷發展和硬件技術的逐步進步，異地同步設計制造將會成為可能。但其重要前提是能夠實現產品方案設計的立體可視化。因此，除了立體圖形智能化軟件技術外，媒體技術甚至超媒體技術及虛擬工具會愈來愈多地運用到機械產品的方案設計中。如處理機械產品方案設計前列的德國對超媒體工具已經進行了深入的研究。

整體來看，機械產品的方案設計越來越多的傾向于C A E設計和智能化設計的方向發展，其目標是實現異地同步設計和生產制造。雖然單一的設計方法很難實現這一目標，但綜合運用四類設計方法并結合多領域知識仍然可能是一個有效的途徑。

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