發(fā)射裝置基座自頂而下設計策略研究與應用

楊繼超，張旭耀，尚書聰

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所， 鄭州 450015)

發(fā)射裝置基座是武器發(fā)射系統(tǒng)配套部件，連接武器系統(tǒng)執(zhí)行端與作戰(zhàn)平臺。該裝置傳統(tǒng)設計方法是采用自底而上設計理念，即先零件造型，再組裝部件、最后完成總體裝配。對于成熟、穩(wěn)定的產(chǎn)品，該設計方法直接、簡便，易于被工程設計人員理解和接受。但對諸如發(fā)射裝置基座這類產(chǎn)品，由于涉及零部件眾多，相互之間存在一定的耦合關系，自底而上設計方法效率低、重復勞動量大[1]。發(fā)射裝置基座在設計過程需要經(jīng)歷頻繁更改，而任何細小的修改有可能導致一系列干涉問題。修改模型的代價或將高于重新設計代價，導致整個模型棄用，造成大量重復勞動。

為了解決上述問題，在發(fā)射裝置基座設計中引入自頂而下設計方法。自頂而下是一種設計理念，即在產(chǎn)品設計伊始便建立頂層控制機制、并逐級向下傳遞的設計方法[2-3]。從具體實施來說，就是在裝配環(huán)境中定義零部件之間相互關聯(lián)及參數(shù)權限控制，零部件的設計通過繼承、復制等手段實現(xiàn)零件內(nèi)部和零件之間參數(shù)與關系的傳遞。

1 自頂而下設計概念及定義

對于產(chǎn)品設計，通常有自底而上(Bottom-up Design)和自頂而下(Top-down Design)兩類設計方法[4-5]，如圖1所示。自底而上設計是以零件為中心，先確定底層零件的詳細信息，然后以此為基礎完成部件、總裝配體設計。自底而上設計方法在設計之初沒有全局控制概念，零部件相對獨立，不能完全體現(xiàn)總體設計意圖，存在相互沖突風險。自頂而下設計是從裝配體開始，首先開展頂層規(guī)劃，在總裝配體中制定上級控制層，其次分解零部件，在子零部件中制定下一級控制層，并受到上一層級控制，通過自上而下的層級控制，最終實現(xiàn)對底層零件的控制和設計約束，有效傳遞總體設計意圖[6-9]。

圖1 自頂而下和自底而上設計示意圖

以零件為中心的自底而上設計方法，省去了總體規(guī)劃環(huán)節(jié)，比較容易被初級設計人員接受，適合于成熟、穩(wěn)定的產(chǎn)品設計。但對于多系列、需要反復修改的新研產(chǎn)品，其設計是一個不斷完善、不斷修改的漸進過程。自底而上設計方法面臨如下問題[10-11]：

一是浪費不必要的時間和資源。項目總工程師的要求發(fā)生變更時，會牽動下級各分系統(tǒng)設計人員負責的子部件，需要組織大量溝通協(xié)調(diào)工作，消耗大量時間和資源。

二是降低產(chǎn)品設計效率。即使遇到細小的設計變動，都有可能影響到眾多圖形文檔及零件特征，造成一系列模型沖突，需要人工干預，逐一修改，設計效率低。

三是減弱設計模型可繼承性。長周期的設計工作，可能面臨設計成員變動，新舊人員交接，當模型缺乏頂層規(guī)劃，新角色需要花費大量精力理解設計模型，造成不必要的設計周期延長。

自頂而下設計方法是從全局和整體開始，規(guī)劃了產(chǎn)品整體結構關系，在總體規(guī)劃約束下開展零部件詳細設計，相比自下而上設計理念，優(yōu)點如下[12-13]：

一是符合工程設計人員思維習慣。產(chǎn)品開發(fā)是從抽象到具體的過程，先構建產(chǎn)品功能，再構建幾何要素，最后細化產(chǎn)品建模。自頂而下設計方法遵循這種思維模式。

二是自頂而下設計利于產(chǎn)品協(xié)同設計。自頂而下設計開始便確定產(chǎn)品主要功能、關鍵約束及裝配關系等重要信息，能在任務分發(fā)時，保證相關重要約束同時分配到各分系統(tǒng)，避免沖突。

三是容錯能力強。自頂而下設計已定義完整產(chǎn)品結構，每個零部件通過嚴密組織緊密結合在一起，并由程序控制，防止人為及非預期錯誤發(fā)生。

四是易于實現(xiàn)產(chǎn)品系列化。當完成產(chǎn)品基本型設計后，通過修改全局控制參數(shù)，能快速生成其他系列產(chǎn)品。

2 基于Creo平臺自頂而下設計方法

隨著CAD參數(shù)化建模技術的發(fā)展，即采用參數(shù)預定義技術建立圖形約束集、參數(shù)化尺寸驅動設計結果，使得數(shù)據(jù)在零部件之間的傳遞變得即時和唯一，這樣才有了真正意義上自頂而下設計[14]。

自頂而下是一種設計思想，不特指某一種設計方法?；贑reo平臺有多種實現(xiàn)自頂而下設計途徑，其中最常見的是Top-down骨架法和Top-down主控零件法。

Top-down骨架法：在裝配體中，根據(jù)各零部件位置及參數(shù)關系建立骨架模型，如圖2所示。骨架模型是一種總攬全局的抽象模型，承載產(chǎn)品三維布局、形狀要素、裝配關系等信息。每層裝配可以創(chuàng)建對應的骨架模型，零件圍繞本層骨架開展細節(jié)設計。下層骨架模型繼承上層的骨架模型信息，通過修改對應的骨架模型對零部件的尺寸和裝配關系進行系統(tǒng)性修改。

圖2 Top-down骨架模型框圖

Top-down主控零件法：主控零件法是創(chuàng)建一個主控零件，如圖3所示，將所有裝配體中幾何要素集中放置于主控零件中，通過幾何參考復制的方法將數(shù)據(jù)傳遞到具體零件，最后細化完善整個結構模型。裝配體中各零件均參照主控零件，可避免數(shù)據(jù)沖突與幾何干涉。

Top-down骨架法與Top-down主控零件法本質上非常相似性，都是通過創(chuàng)建中心控制文件的方式，集中管理裝配體中相關數(shù)據(jù)，裝配體中具體零件參數(shù)跟隨中心控制文件數(shù)據(jù)修改而協(xié)同變化。某種程度上，可以認為骨架模型是主控零件的抽象簡化，主控零件是骨架模型的具體表征。在操作細節(jié)上，骨架模型是Creo中一類特殊模型，存在于裝配體的頂層，專門服務于Top-down設計，不占模型文檔的裝配權限。主控零件是Creo的普通零件模型，需要占用裝配權限。上述兩種自頂而下設計理念各有優(yōu)勢，在實際設計中應根據(jù)產(chǎn)品結構特點制定適宜的方法。

圖3 Top-down主控零件創(chuàng)建框圖

3 發(fā)射裝置基座設計原則

發(fā)射裝置基座連接武器平臺與發(fā)射裝置，基座設計原則如下：在滿足功能要求情況下，盡可采用標準型材以便于組織生產(chǎn)。大型結構件，盡可能采用模塊化設計以便于運輸與現(xiàn)場安裝。結構設計需要考慮到電氣安裝要求，具體到基座設計，需要預留發(fā)射裝置與武器平臺之間管線及電氣設備布置空間。根據(jù)發(fā)射裝置基座結構預期功能，需提供傾斜發(fā)射角，在概念設計階段暫定為80°。為了保證設計的靈活，需考慮發(fā)射角變更可能。由于電氣與機械結構同步設計，電氣預留安裝空間待定，且隨技術需求進行調(diào)整。

該發(fā)射裝置基座，如果采用常見的自底而上設計方法，以零部件為中心進行設計，先零件建模，再逐一裝配，當遇到設計要求變更或個別零件調(diào)整時，可能導致整個文件模型崩潰，不利于協(xié)同、并行設計。因此，通過采用自頂而下設計方法開展發(fā)射裝置基座設計，將設計意圖貫穿整個設計過程，增強模型的穩(wěn)健性，并考慮設計過程中模型動態(tài)調(diào)整，以提高設計效率。

4 制定發(fā)射裝置設計準則

發(fā)射裝置基座的零部件規(guī)模與幾何造型難度中等，重點在于制定零件之間的依賴、參照關系，保證整個結構模型的靈活與穩(wěn)健性。為了更直觀便捷傳遞出工程師設計意圖，以Top-down骨架法為基礎，結合主控零件法思想，制定符合發(fā)射裝置結構特點的自頂而下設計準則。

為了貼近實際操作與管理，將自頂而下設計方法的操作流程逐一細化：

1) 命名規(guī)則。為更好管理模型，見名思義，即通過零部件名稱便可推斷出零件功能、位置等相關信息。同時文件名也應保持簡潔，避免庸長。推薦采用三級命名規(guī)則。

2) 圖層管理，采用裝配體、零件體兩級管理方式。在幾何建模過程中，基準參考通常多而雜亂，將其按照裝配體和零件分類管理。開展某個零件建模時，僅使用本模型內(nèi)參考以及上一級依賴關系(中心零件參考或骨架)的參考，其余參考均隱藏，避免干擾視線，選擇錯誤依賴關系。

3) 自頂而下設計方法中，以Creo骨架作為信息承載主體向下層層傳遞。為了保持信息傳遞簡潔可控，遵循最短信息鏈原則，即保持骨架模型數(shù)量盡可能少，將控制參數(shù)盡可能集中在最少數(shù)量的骨架模型上。

4) 在子裝配體設計中，借鑒Top-down主控零件法的思想，在需要情況下選定子裝配體中某個零件作為中心零件，承擔主控零件部分職能，即在該零件上建立完善的基準參考，以供其他零件定位、造型，其他零件可圍繞該零件為中心開展設計。

5) 對于具體零件設計，既可參考中心零件信息開展詳細設計，也可采用骨架模型信息。但盡量避免交叉使用兩種信息，即要么僅使用骨架參考，要么僅使用主控零件參考。當交叉采用兩種信息時，容易混淆設計者的建模思路，發(fā)生模型修改失敗時，不利于問題的排查。

6) 零件設計，盡量優(yōu)化零件的父子關系，最大限度上減少零件間不必要的依賴。具體到操作上，將重要的骨架、參考等信息復制到零件內(nèi)部，在獨立而不是裝配體環(huán)境內(nèi)創(chuàng)建零件特征。在創(chuàng)建零件過程中，當裝配關系暫時不確定時，可使用Creo軟件中“不放置元件”選項，等完成零件詳細設計后再進行準確裝配。

5 基座設計實例分析

基于Creo平臺實現(xiàn)發(fā)射裝置基座自頂而下設計。初步將其結構劃分為底座部件，垂直部件，傾斜部件和若干連接橫梁部件。其中底座部件與發(fā)射平臺相連接，傾斜部件與發(fā)射裝置相連接。按照第4節(jié)1)制定的設計準則，進行總體結構規(guī)劃，采用規(guī)范的命名，具體規(guī)劃框圖如圖4所示。

圖4 基座總體結構規(guī)劃

參照第4節(jié)2)中圖層管理準則，建立相應圖層。其中使用頻率最高圖層有：參考面圖層(DATUM)，復制幾何圖層(COPY_GEOM)，參考軸圖層(AXIS)，參考坐標系圖層(CSYS)和實體圖層(SOLID)。各類型參考以裝配體、零件為條目進行組織。裝配體、零件對應各自的參考面、軸和坐標系等。如圖5所示，AXIS圖層下對應JC2019_BASE_180、JC2019_BLOCK_160等零部件的參考軸。同理，DATUM圖層包含各零部件的參考平面。

圖5 基座設計圖層管理

由于該模型結構相對簡單，規(guī)模不大，在規(guī)劃骨架模型時，遵循第4節(jié)3)中最短信息鏈準則，僅在總裝配體中設計一個頂層骨架足以。骨架模型規(guī)劃示意圖如圖6所示。

為了保持控制信息傳遞簡潔性和靈活性，按照第4節(jié)5)中準則，零件設計參照既可來自頂層骨架模型，也可來自中心零件，可根據(jù)情況應對。如果在子裝配中選定中心零件，參照第4節(jié)4)中準則，其他零件關鍵參數(shù)及相對裝配關系將依附于中心零件?，F(xiàn)以發(fā)射裝置基座橫梁組件1(JC2019_Link1_04)設計為例進行闡述，該組件詳情分解如表1所示。

圖6 基座骨架模型

表1 橫梁組件1(JC2019_Link1_04)分解

選取序號3為中心零件，在該中心零件中定義如圖7所示的參考面DTM1、DTM2、DTM3、DTM4，該子裝配上其他零件將參照上述定義的參考面進行裝配定位。

參照第4節(jié)6)中準則，通過幾何復制的方法，將骨架信息傳遞到各個零件內(nèi)部，在相對獨利環(huán)境中進行零件單獨設計，減少不必要外部依賴關系。將骨架模型JC2019_MISSILE_00_SKEL0001中的關鍵參考，通過幾何復制的方式傳遞到JC2019_WING_30、JC2019_WING_40等下級零件中，具體實施過程如圖8所示。

圖7 中心零件定位參考

圖8 參考的復制過程

采用上述設計準則開展發(fā)射裝置基座設計，在設計過程中，當需要在總裝配體中增加零件，或需要將一體成型單個加工零件調(diào)整為拼焊成型多個零件時，由于零件命名規(guī)則中考慮了冗余，可以在不改變總裝配體零件順序情況下插入新的零件序號。如在JC2019_VerticalPln_130與JC2019_OrthRib_ 140之間，可以插入從編號131至139的9個零件。當需要改變發(fā)射裝置基座的發(fā)射角時，僅需改變傾斜組件位置參考面參數(shù)，整個模型中關聯(lián)零件自動更新。同理，當需要調(diào)整電氣安裝空間時，調(diào)整相應控制參考面參數(shù)即可實現(xiàn)。該設計模型參照關系明確，條理清楚，防止循環(huán)參照。

6 結論

1) 發(fā)射裝置基座自頂而下設計，分析其結構特點，通過對命名規(guī)則制定，做到見名思義，且充分考慮了編碼冗余，保證圖形文檔中模型順序相對穩(wěn)定；

2) 結合top-down骨架法和top-down主控模型法，制定頂層控制層和模型參考的使用準則，整個模型文檔結構清晰整潔，零部間依賴關系單一，避免在建模過程中循環(huán)引用。該自頂而下設計策略，增強了模型穩(wěn)健性，提高產(chǎn)品設計效率同時，為協(xié)同、系列化設計提供技術支持。

3) 自頂而下設計理念，尤其適用于結構復雜、需要考慮設計輸入變更的產(chǎn)品。發(fā)射基座具有多零件、多耦合關系的設計模型，通過引入自頂而下設計理念，能通過修改頂層控制參數(shù)，實現(xiàn)相關零部件協(xié)同、自主修改，從機制上解決模型之間沖突，快速響應設計者要求，縮短發(fā)射裝置基座的研制周期。