自頂向下的設計方法在機械建模教學中的應用分析

胡文靜

（大連海洋大學職業技術學院，遼寧 房店 116300）

1 認識自頂向下的設計方法

（1）自頂向下設計方法的概念。所謂的自頂向下的設計方法可以通俗的理解為在設計中首先從整體和全局的設計人手，然后按照總體設計方案對各個具體的部分進行詳細的設計。說的具體一點就是設計者首先從整體上規劃整個系統的功能架構，然后對系統進行合理劃分，將其分解為若干個功能較為簡單的、規模較小的局部模塊，并確立它們之間的相互關系。

（2）自頂向下設計方法的理論模型。支持自頂向下的機械設計，一般從概念設計開始，通過功能分解，將總功能分解成一系列的子功能，在確定每個子功能的相關參數后，開展系統結構設計，然后有效結合總體功能及各個子功能的具體要求，明確總體結構與各子部件之間的配合關系、連接關系以及位置關系等其他關系，而且相應的關系要與每個子功能的相關參數想關聯。

（3）自頂向下的設計方法的特點筆者查閱相關文獻，總結認為，自頂向下的設計方法具有如下幾個方面的特點:①自頂向下的設計方法符合產品設計人員的思維過程。設計人員在設計產品時，考慮最多的就是產品所要實現的功能。剛開始的時候很少考慮實現這些功能的空間結構，也就是說產品的設計過程是一個從抽象到具體的過程，而自頂向下的設計方法實現的就是這樣一個過程，所以說它符合產品設計人員的思維過程。②自頂向下的設計方法可以實現設計的并行操作。由于整個設計是從系統頂層開始的，結合模擬手段，可以從一開始就掌握所實現系統的性能狀況，結合應用領域的具體要求，在此時就調整設計方案，進行性能優化或折衷取舍，并通過協調各個子功能模塊之間的關系，實現并行設計，從而提高設計效率。③自頂向下的設計方法可以有效縮短設計周期。隨著設計層次向下進行，系統性能參數將得到進一步的細化與確認并隨時可以根據需要加以調整，從而不僅保證了設計結果的正確性，還可以大大縮短設計周期。

2 自頂向下的設計方法的具體應用

自頂向下的設計方法在實際機械建模設計中的具體應用中的設計過程包括如下幾個環節:產品、部件以及零件之間的依附關系、產品裝配樹的建立、產品級控制結構的建立、產品級控制結構的發布以及產品的詳細設計。以下將分別給予詳細的說明。

（1）明確產品、部件以及零件之間的依附關系。自頂向下設計中明確產品、部件以及零件之間的依附關系事自頂向下的建模方法中最為重要的一環。明確產品、部件以及零件之間的依附關系可以有效控制整個產品的變形設計，其中由于關聯到的相關部件和零件的特征是以鏈接特征的形式體現的，這樣就實現了大型產品的并行和協同設計，提高了產品的設計效率。

（2）產品裝配樹的構建。產品裝配樹建立的過程并非是一次性完成的，需要根據實際的需要，充分結合自頂向下設計方法的要求，逐步地添加產品各層子所需要的部件或零件，來實現產品裝配樹的構建。其中產品裝配樹的建立過程如下:首先，要明確的問題就是產品的功能問題，以及實現相應的功能所需要的系統結構及其性能問題。在搞清楚上述問題的基礎上就可以大體上確定產品應由哪些部件組成，即可以明確產品的組成部分以及各組成部件間的相互關系。這樣一來就可以建立產品裝配樹的第一層，即產品的部件組成；其次，要詳細分析第一層各部件的組成和功能，據此來有效構建裝配樹的下一層；最后，明確各單個零件的功能，建立最終的產品裝配樹。

（3）產品控制結構的構建。產品控制結構處于產品裝配樹的頂層，由于自頂向下設計方法具有構建相關的特點，即產品裝配樹的構建與產品控制結構的構建之間是相互關聯的，產品控制結構的構建過程與產品裝配樹的構建過程是一致的，不同的是產品控制結構的各種特征是從產品設計過程中抽象出來的，產品控制結構能有效控制有效反應整個自頂向下設計方法的整個設計流程。

（4）產品控制結構的發布。在完成產品控制結構的構建工作后，需要根據產品中不同部件的需求，將構建的產品控制結構有選擇的發布到各部件中，這樣一來各部件中就具備了從上層繼承而來的一些特征，并在這些特征的基礎上來構建新的特征，這樣的話各部件之間的特征就建立了關聯。以此類推，直至產品中所包含的各個零件，產品控制結構就這樣會層層的繼承下去，完成產品控制結構的完全發布。

（5）進行產品的詳細設計。在完成上述工作的基礎上，就可以充分掌握產品單個零件來自上層的關聯特征，就可以根據這些關聯特征來構造零件，結合產品及其各個子模塊的功能需求來，按照自頂向下設計方法的具體要求來進行產品的詳細設計。

3 自頂向下的設計方法在實際應用中存在的問題

（1）設計時不能充分考慮零件與零件以及零件與部件之間的關系。自頂向下的設計方法在實際機械建模應用中是從零件的建模設計開始的，以至于很多的機械建模設計人員考慮較多的往往是零件特征之間的關聯，而嚴重忽略了零件與零件以及零件與部件之間的相互關系，然而這種關系多是是在零件建模完成后，根據部件之間的幾何關系建立起來的，如果不能充分考慮零件與零件以及零件與部件之間的關系，勢必會對最終產品建模的結果帶來嚴重的影響。

（2）對產品的設計建模缺乏系統的分析。在復雜產品的建模中各零部件之間的關系往往是錯綜復雜的，其相互之間的關聯有的存在于多個零部件之間，有的則存在于整個產品中，自頂向下的設計方法在實際機械建模中，不同的功能子模塊是由不同的人員來分工完成的，由于對產品的設計建模缺乏系統的分析，以至于在產品建模過程中就難以建立各零部件之間的關聯，進而就不能實施有效的統一管理，這非常不利于機械產品建模的實施。

（3）缺少專業的技術人才。筆者作為一名職業學校的機械專業教師，結合自己的多年教學經驗，個人認為當前多數的機械設計人員對基于現代技術的自頂向下的設計方法還沒有很好的適應，而且不少機械設計人員過多的關注于工程實踐，沒有時間學習自頂向下的設計方法應用于機械建模的相關知識，而且相應的培訓活動也比較少，以至于專業的技術人才比較缺乏，致使自頂向下的設計方法在實際機械建模中的應用還不夠普及。

4 結語

自頂向下的設計方法在機械建模設計中的應用，有效的推動了機械建模領域的發展，然而受限于自頂向下設計方法自身的缺陷以及機械建模設計的復雜性，自頂向下設計方法在實際的機械建模設計中還存在一系列的問題，只有從根本上解決這些問題，才能更好的發揮自頂向下的設計方法在實際機械建模設計中的作用。

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[2]楊洪春.自頂向下為基的CAD特征建模及其應用[J].機械管理開發，2010，(1).

[3]林玉紅.自頂向下設計方法在機械設計中的應用[J].浙江大學學報,2010，(6).