機械設計工程數據管理技術分析

吳木強

（廈門金龍聯合汽車工業有限公司，福建 廈門 361021）

隨著科技的不斷發展，在信息化的當今時代，計算機已被廣泛用于諸多領域。由于以計算機為基礎開發的計算機輔助設計軟件和計算機輔助工程分析軟件所對應的數據格式各不相同，致使兩者無法進行數據共享。而機械設計過程中CAD和CAE之間的數據的關聯性較大，如客車設計過程中就需充分結合利用CAD與CAE之間的數據共享與交換，為實現兩者之間的數據共享與交換，國際標準化組織創建了產品模型數據交換標準。由于工程數據普遍種類繁多、組成結構復雜、模型動態修改頻率較高、聯系緊密以及數據量較大等特性，在一定程度上提高了對現有數據庫的要求。

1 機械工程數據的基本概念

機械工程設計的過程通常較為繁雜，一項機械工程設計需分多個階段設計完成，其中包含的工程數據種類較多、關系復雜且處理難度較大。機械工程數據即為產品設計與制造全程中包含的數據信息。機械制造的生命周期包括初始的市場調研，中期的設計、制造與使用，以及最終的報廢。在整個生命周期中與產品相關的數據有報表、材料類型、規格尺寸、標準零部件、各種參數以及使用說明等。與傳統的管理型數據相比，工程數據具備獨有的特性，因此需采用專門的管理方式。

2 機械工程數據的類型

由于機械工程數據存在種類繁雜、形態多樣以及處理難度較大等特性，需通過構建工程數據庫系統來便于對工程數據的存儲和管理。工程數據庫系統的構建需充分結合工程數據以及透過工程數據的自然屬性，綜合分析工程數據的性質。根據機械設計與分析工程數據的性質可將其分為以下幾類。

2.1 設計分析性數據

該類數據是由工程設計人員利用CAD/CAE系統過程中產生的數據，主要有產品的幾何模型數據、分析模型數據和分析結果模型數據，且該類數據具備一定的特性：（1）動態性。隨著設計的開展，其相應的類型、數值和存儲方式都會發生變化。（2）修改頻繁性。由于設計成果的得出需要進行反復的嘗試，在設計過程中一旦覺得設計結果不合適，則需即刻進行修改。（3）語義不一致性。一項設計通常由多位設計人員共同設計完成，在設計過程中，各個設計人員所設計的目標在語義上可有所不同，只要在最終能統一即可。

2.2 圖形數據

圖形數據是通過圖形的方式來顯示工程數據的，常見的有工程圖表、二維圖（如平面零件圖和平面裝配圖）和能直觀反映產品造型的三維圖。無論是哪類圖形數據都具備動態性，設計人員能根據需求進行合理的調整與修改。由于該類數據能體現出設計產品的幾何屬性和拓撲屬性，圖形數據又可被分為兩類，分別為：（1）幾何數據：包括設計產品點、線和面的尺寸數據，如客車設計中各類軸承的直徑和長度、齒輪的寬度等。（2）拓撲數據：分析產品設計中各個部件間相互關系的數據。此類數據能直觀的將產品的相互位置和裝配關系呈現出來。由于拓撲關系的存在，致使圖形數據的網狀結構較為復雜，導致其存儲難度較大。工程設計的中間結果和最終結果絕大部分都呈現為圖形，因此，工程數據庫中應重視對圖形數據的管理。

2.3 管理型數據

該類數據為產品設計過程中涉及到的數據資料文件，主要有各類技術手冊資料、國家標準與設計規范文件、產品目錄和圖紙資料等。此類數據的目的在于管理和控制設計過程，管理各類設計資料，其特性為：（1）數據關系明確。數據的穩定性較高，一旦類型確定則通常不會發生變更，但其值可變動。（2）語義一致性。由于該類數據的靜態特征，主要采用查詢或檢索的方式來獲取，極少部分值需要修改。

通過性質分類的方式能直接體現出機械工程數據的本質特點，便于理解機械工程數據，在需對設計產品進行調節時所需的數據查詢提供了便利。通過深入分析設計性數據和圖形數據，能在了解兩者特性的同時，將管理型數據區別開來，提高關系數據庫對管理型數據的管理效果，降低工程數據庫的設計難度。

3 機械工程數據的特性

3.1 數據類型多樣性

根據機械工程數據的性質將其劃分為設計分析性數據、圖形數據和管理型數據，充分體現了機械工程數據類型的多樣性，且由于該種特性，在一定程度上加大了機械工程數據的管理難度。

3.2 數據模型復雜性

機械工程數據的多樣性致使機械工程數據模型的描述較為復雜。為提高對機械工程數據的描述效果，需設計優質的數據模型，且與采用記錄方式表達數據和局限性較大的傳統的數據模型相比，該種模型更為復雜。

3.3 動態性

機械工程數據的動態性主要分為三類：（1）概念模式的動態性。設計人員在設計過程中對設計產品的整體結構和形狀進行調整，致使設計產品的概念模式發生變化。（2）存儲結構的動態性。數據的存儲結構隨著設計產品之間關系的改變而發生變化。（3）圖形數據的動態性。由于設計產品結構的改變，圖形數據會產生變化。

3.4 數據量龐大

由于機械工程設計包含的標準數據量較大以及其產生的較多圖形數據量，致使工程數據量大幅度增加。機械設計與分析過程中所涉及的標準規范資料較多，并產生各個階段所需的圖形和數據。該類數據信息的管理對CAD/CAE系統的應用水平有著直接的影響。現階段，如客車設計中的CAD/CAE系統，其信息管理模式已從早期的文件模式轉換為工程數據庫模式。

4 機械工程數據管理系統的設計

機械工程數據管理系統的設計主要包括兩方面。

4.1 數據管理系統設計

數據管理系統選用ASP.NET，結合ADONET數據庫訪問技術，C#。開發語言，以及Oracle 10g對象關系數據庫。通過數據管理系統的設計來提高數據使用的效率，為工程技術人員的數據管理與利用提供便利，在提高工程技術人員設計效率的同時，將設計、分析和仿真數據的效益最大化。該機械CAD/CAE數據管理系統設計采用對象關系數據庫Oracle 10g來存儲設計、分析和仿真數據，利用互聯網來有效管理設計文檔、工程設計數據和分析仿真數據的查閱和下載。網絡發布語言采用VRML系統，使其在沒有安裝CAD軟件的情況下，依舊可以查看產品零部件的三維虛擬模型，得到零部件的相關數據，實現以互聯網為基礎的設計資源共享。該機械CAD/CAE數據管理系統邏輯為常規的三層B/S數據庫應用結構，尤其適用于網絡，在網絡應用環境下，無需安裝任何軟件，通過瀏覽器即可獲取數據。客戶通過HTTP向互聯網服務器發出請求后，互聯網會自動對多個客戶端的請求進行處理。中間服務器的作用為更新數據以及處理數據集的細節和數據庫的交互。其邏輯結構如圖1所示。

圖1 機械CAD/CAE數據管理系統邏輯結構

4.2 系統的數據庫設計

針對機械產品結構的樹狀層次結構特性，利用對象模型將相關工程項目的信息關聯起來，構成一個工程信息集成框架。要實現存儲Oracle 10g數據庫中的集成對象模型，則需于Oracle 10g中構建與工程數據相關的對象模型。工程項目的數據模型均由Project類構成，其利用特有的存儲方式來降低數據的存儲的復雜度。Project類中的函數為getCADO和getCAEO，其中getCADO返至工程項目中Part類存儲的數據模型，getCAEO返至Analyse類存儲的分析數據。工程數據的添加為setProject O。工程數據的刪除為delProject。部件相關的子零件信息由Part類中的Spart類存儲。零部件的各項參數（如name、unit和value等）則由Parameters存儲。工程設計分析的結果（如report和video等）由Result存儲。

5 結語

對于機械設計工程數據存在的數據類型多樣性、數據模型復雜性、動態性以及數據量龐大的特性，傳統采用文件管理的模式早已無法滿足工程數據管理的需求，通過工程數據庫模式的利用，能有效緩解數據量龐大、類型多樣和結構繁雜等問題，極大程度上的降低了數據存儲與查閱的難度，推動了機械設計工程標準的規范化與標準化。