自頂向下設計方法在雷達結構設計中的應用

陳晶晶

（安徽四創電子股份有限公司，安徽合肥 ，230011）

1 概念和技術特點

1.1 概念

在現階段的通用設計理論體系中，將產品設計描述為“是一種從抽象逐步細化到具體的過程，是一種從頂層逐步向底層實現分解、細化、求解和具體化的過程[1]”。自頂向下設計方法指的是在產品設計的過程中，通過建立頂層的設計規劃，并將頂層設計規劃逐步向下級分解、傳遞作為設計準則的一種設計方法。

1.2 技術特點

1.2.1 符合設計師的思維過程

在采用自頂向下設計方法進行產品設計時，設計師首先要考慮設計產品所要實現的功能，然后再考慮要實現這些功能應當采用的幾何結構，使得整個產品結構的設計過程表現為從一個抽象過渡到具體的漸進過程，而這個過程符合設計師在設計時的思維過程。

1.2.2 能夠支持完整的產品功能結構描述

自頂向下設計方法以產品系統功能模型為立足點和基本出發點，因此對產品的功能行為可以做出全面、準確的描述，同時支持整個產品設計的全過程。通過對產品系統級設計規劃進行合理的定義和分解，不僅可以確保產品各個零部件之間的內在聯系，也實現了產品設計意圖的實時傳遞。

1.2.3 能夠支持產品多層次的抽象表達

自頂向下的產品設計方法是一個對設計對象逐步分層、細化和具體化的求解過程。在產品的設計過程中，設計規劃自頂層向下層逐步傳遞、細化，并以此為基礎加入該分系統內部的設計規劃和約束。按照此類繼承傳遞關系，最后形成了各個層級的設計規劃和約束。在頂層的設計規劃中包含了產品的總體的設計要求，而底層設計規劃則包含了產品具體、細微的設計要求。

1.2.4 能夠支持子系統間的并行設計

在采用自頂向下設計方法時，它可以保證產品各個子系統之間約束條件的一致性，避免了因約束條件而可能發生的沖突，為各個分系統的實時并行設計打下了有利的條件。這是因為在產品的工程設計階段，通過自頂向下設計方法能夠將產品的主要功能、設計約束和配合關系等重要的設計信息以顯性或者隱性的方式定義在裝配的規劃中。那么，設計師在進行設計任務分配時，這些關鍵的設計約束也可以同時分配到各個子系統之中；由于各個子系統的設計約束中已經包含了當前設計約束下的所需的臨界條件，因此，各個分系統便可以各自獨立地開展設計工作，并能夠按照統一的設計尺寸和接口形式定義、裝配部件。

2 在雷達結構設計中的典型應用

雷達結構設計的主要過程可以分為：概念設計、總體設計和工程設計等階段，不同設計階段所處理的信息內容、類型和處理方法也不盡相同。筆者采用自頂向下設計方法完成某型號雷達的結構總體設計，設主要設計過程可以分為以下6個環節。

2.1 定義雷達結構的總體布局

雷達結構總體布局設計建立在充分消化理解產品戰術指標要求、確定產品功能和原理的基礎之上，形成包含產品總體布局和設計規劃的產品雛形。依據該雷達的具體功能指標要求，深度結合以往同類型雷達結構設計的經驗基礎上，選擇采用平行四邊形結構來實現雷達天線陣面得升舉，采用曲柄滑塊機構來實現天線陣面的翻轉，采用成熟的機電支撐腿作為自動調平系統。

2.2 明確雷達產品結構

雷達產品結構從邏輯上分析應當包含其組成部分或者子系統之間的嵌套關系，在內容上包含了產品的層次與組成，同時包括設計團隊的人員構成與相應的權責，建立完整的產品結構是實現后續設計規劃的發布與設計任務的管理的基礎條件。

2.3 建立雷達骨架模型

雷達骨架模型也被稱為主體模型，是一種用以描述和驅動整個產品基本結構特征和組成的三維立體設計規劃，同時也是發布、傳遞設計信息的載體。雷達骨架模型主要包括兩個部分：雷達頂層結構骨架模型以及各分系統骨架模型。雷達頂層骨架建立模型后，各個分系統的骨架模型可以以復制幾何的方法直接或間接從頂層的骨架中通過繼承獲取，并在此基礎上建立父子關聯關系，確保數據自頂向下的一致性和實時更新。

2.4 發布設計意圖和詳細設計

各個分系統與底層系統可以通過數據共享或者數據發布等途徑從上層的設計規劃中獲取設計意圖，可將其作為該分系統的設計邊界條件，分系統的設計人員可以獨立根據各自的設計要求開展自身的設計工作。在進行詳細設計時，設計人員應當盡可能將骨架零件中已經設定的設計信息基準依附在骨架模型的點、線、面上。對于分系統間的裝配接口，不同分系統的設計人員在建立模型時均要將建模基準定義在模型中的接口部分基準線之上，這樣做不僅可以保證分系統模型間裝配的準確性，同時頂層主設計師一旦需要改變此裝配接口的位置和尺寸大小時，也只需要改變頂層骨架零件，而子系統的模型可以實現同步更新。

2.5 完善頂層的裝配

各個子系統在詳細設計完成后重新提交給頂層的裝配環境中，并形成總裝配模型。由于各個分系統的位置均對應同一個骨架模型，因此它們具有相同的參照體系，使得各個分系統之間不需要定義裝配關系便可以實現零部件之間的精確定位。頂層的總設計師可以通過調整骨架模型的參數、位置等因素來控制或者調整產品的外形和姿態。

2.6 調整零件父子關系

在自頂向下設計過程中的骨架模型不僅可以實現姿態控制和設計意圖的傳遞，同時也可以根據實際需要調整各個分系統之間父子關系。通過調整零件之間的依存關系，能減少模型在會見不必要的關聯關系，使得整個產品邏輯關系更加簡潔。

3 雷達結構自頂向下設計采用的關鍵技術

3.1 骨架模型

在自頂向下設計中，骨架模型的作用包括：設計空間說明、組件接口定義和運動姿態控制等。在自頂向下設計方法中骨架模型時必需的模型之一，其中包含了零部件特征、基準面、曲面、關系式、圖層和視角等重要設計信息；在產品裝配環境下，骨架模型是可以進行獨立修改的，而這會直接造成產品總裝模型的修改。為了實現對骨架零件和設計零件的設計意圖進行有效的管理，在構建骨架模型時需要注意以下四點：一、骨架模型的基本信息最好采用曲線或者曲面特征進行描述；二、骨架模型實質是一個虛擬的零件，不能用于實際的加工或裝配，也不能出現在工程圖中；三、在一個裝配層中，只能有一個骨架零件，不允許出現多個骨架零件；四、裝配環境下建立的裝配特征只對普通的零部件產生效力，對骨架模型不產生效力。

3.2 裝配結構

在進行工程設計之前，構建合理的產品結構關系有利于各設計師之間的任務分配和角色設定。利用產品結構可以將每個分系統的設計任務合理的分配給相應的設計人員，底層的設計人員只需要將設計的精力集中于某個具體的局部設計即可，而分系統的負責人員僅僅需要關注本系統內部的詳細設計。通過產品結構的定義，各個零部件之間便具有了穩定的裝配關系和裝配層次。

3.3 復制幾何技術

復制幾何技術包括內部、外部復制幾何兩個方面。所謂的內部復制幾何是由當前裝配模型中的骨架模型向其他零部件之間的幾何復制；外部復制幾何是由外部骨架模型或裝配模型向本層零部件復制幾何數據。在自頂向下設計方法中，采用復制幾何的方法可將頂層設計信息逐漸 向下級傳遞，直到每個子裝配或者零部件都獲得必要的設計參照，這種設計方法實質上是一種柔性、可靠和可更新的設計信息傳遞方法。根據設計需要，可以調整復制幾何特征與父參照的關聯關系，實現數據的同異步更新。

[1]咸斌.基于關聯技術的自頂向下設計技術的應用研究[J].機械設計與制造，2005，（7）：P29-31.