自頂向下的設(shè)計(jì)方法在機(jī)械建模教學(xué)中的應(yīng)用分析

胡文靜

（大連海洋大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 房店 116300）

1 認(rèn)識(shí)自頂向下的設(shè)計(jì)方法

（1）自頂向下設(shè)計(jì)方法的概念。所謂的自頂向下的設(shè)計(jì)方法可以通俗的理解為在設(shè)計(jì)中首先從整體和全局的設(shè)計(jì)人手，然后按照總體設(shè)計(jì)方案對(duì)各個(gè)具體的部分進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。說(shuō)的具體一點(diǎn)就是設(shè)計(jì)者首先從整體上規(guī)劃整個(gè)系統(tǒng)的功能架構(gòu)，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理劃分，將其分解為若干個(gè)功能較為簡(jiǎn)單的、規(guī)模較小的局部模塊，并確立它們之間的相互關(guān)系。

（2）自頂向下設(shè)計(jì)方法的理論模型。支持自頂向下的機(jī)械設(shè)計(jì)，一般從概念設(shè)計(jì)開(kāi)始，通過(guò)功能分解，將總功能分解成一系列的子功能，在確定每個(gè)子功能的相關(guān)參數(shù)后，開(kāi)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后有效結(jié)合總體功能及各個(gè)子功能的具體要求，明確總體結(jié)構(gòu)與各子部件之間的配合關(guān)系、連接關(guān)系以及位置關(guān)系等其他關(guān)系，而且相應(yīng)的關(guān)系要與每個(gè)子功能的相關(guān)參數(shù)想關(guān)聯(lián)。

（3）自頂向下的設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)認(rèn)為，自頂向下的設(shè)計(jì)方法具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn):①自頂向下的設(shè)計(jì)方法符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的思維過(guò)程。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，考慮最多的就是產(chǎn)品所要實(shí)現(xiàn)的功能。剛開(kāi)始的時(shí)候很少考慮實(shí)現(xiàn)這些功能的空間結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)從抽象到具體的過(guò)程，而自頂向下的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的就是這樣一個(gè)過(guò)程，所以說(shuō)它符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的思維過(guò)程。②自頂向下的設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的并行操作。由于整個(gè)設(shè)計(jì)是從系統(tǒng)頂層開(kāi)始的，結(jié)合模擬手段，可以從一開(kāi)始就掌握所實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能狀況，結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求，在此時(shí)就調(diào)整設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行性能優(yōu)化或折衷取舍，并通過(guò)協(xié)調(diào)各個(gè)子功能模塊之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)，從而提高設(shè)計(jì)效率。③自頂向下的設(shè)計(jì)方法可以有效縮短設(shè)計(jì)周期。隨著設(shè)計(jì)層次向下進(jìn)行，系統(tǒng)性能參數(shù)將得到進(jìn)一步的細(xì)化與確認(rèn)并隨時(shí)可以根據(jù)需要加以調(diào)整，從而不僅保證了設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，還可以大大縮短設(shè)計(jì)周期。

2 自頂向下的設(shè)計(jì)方法的具體應(yīng)用

自頂向下的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際機(jī)械建模設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用中的設(shè)計(jì)過(guò)程包括如下幾個(gè)環(huán)節(jié):產(chǎn)品、部件以及零件之間的依附關(guān)系、產(chǎn)品裝配樹(shù)的建立、產(chǎn)品級(jí)控制結(jié)構(gòu)的建立、產(chǎn)品級(jí)控制結(jié)構(gòu)的發(fā)布以及產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)。以下將分別給予詳細(xì)的說(shuō)明。

（1）明確產(chǎn)品、部件以及零件之間的依附關(guān)系。自頂向下設(shè)計(jì)中明確產(chǎn)品、部件以及零件之間的依附關(guān)系事自頂向下的建模方法中最為重要的一環(huán)。明確產(chǎn)品、部件以及零件之間的依附關(guān)系可以有效控制整個(gè)產(chǎn)品的變形設(shè)計(jì)，其中由于關(guān)聯(lián)到的相關(guān)部件和零件的特征是以鏈接特征的形式體現(xiàn)的，這樣就實(shí)現(xiàn)了大型產(chǎn)品的并行和協(xié)同設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

（2）產(chǎn)品裝配樹(shù)的構(gòu)建。產(chǎn)品裝配樹(shù)建立的過(guò)程并非是一次性完成的，需要根據(jù)實(shí)際的需要，充分結(jié)合自頂向下設(shè)計(jì)方法的要求，逐步地添加產(chǎn)品各層子所需要的部件或零件，來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配樹(shù)的構(gòu)建。其中產(chǎn)品裝配樹(shù)的建立過(guò)程如下:首先，要明確的問(wèn)題就是產(chǎn)品的功能問(wèn)題，以及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能所需要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其性能問(wèn)題。在搞清楚上述問(wèn)題的基礎(chǔ)上就可以大體上確定產(chǎn)品應(yīng)由哪些部件組成，即可以明確產(chǎn)品的組成部分以及各組成部件間的相互關(guān)系。這樣一來(lái)就可以建立產(chǎn)品裝配樹(shù)的第一層，即產(chǎn)品的部件組成；其次，要詳細(xì)分析第一層各部件的組成和功能，據(jù)此來(lái)有效構(gòu)建裝配樹(shù)的下一層；最后，明確各單個(gè)零件的功能，建立最終的產(chǎn)品裝配樹(shù)。

（3）產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)處于產(chǎn)品裝配樹(shù)的頂層，由于自頂向下設(shè)計(jì)方法具有構(gòu)建相關(guān)的特點(diǎn)，即產(chǎn)品裝配樹(shù)的構(gòu)建與產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的構(gòu)建之間是相互關(guān)聯(lián)的，產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過(guò)程與產(chǎn)品裝配樹(shù)的構(gòu)建過(guò)程是一致的，不同的是產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的各種特征是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中抽象出來(lái)的，產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)能有效控制有效反應(yīng)整個(gè)自頂向下設(shè)計(jì)方法的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

（4）產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的發(fā)布。在完成產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的構(gòu)建工作后，需要根據(jù)產(chǎn)品中不同部件的需求，將構(gòu)建的產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)有選擇的發(fā)布到各部件中，這樣一來(lái)各部件中就具備了從上層繼承而來(lái)的一些特征，并在這些特征的基礎(chǔ)上來(lái)構(gòu)建新的特征，這樣的話各部件之間的特征就建立了關(guān)聯(lián)。以此類推，直至產(chǎn)品中所包含的各個(gè)零件，產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)就這樣會(huì)層層的繼承下去，完成產(chǎn)品控制結(jié)構(gòu)的完全發(fā)布。

（5）進(jìn)行產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在完成上述工作的基礎(chǔ)上，就可以充分掌握產(chǎn)品單個(gè)零件來(lái)自上層的關(guān)聯(lián)特征，就可以根據(jù)這些關(guān)聯(lián)特征來(lái)構(gòu)造零件，結(jié)合產(chǎn)品及其各個(gè)子模塊的功能需求來(lái)，按照自頂向下設(shè)計(jì)方法的具體要求來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3 自頂向下的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題

（1）設(shè)計(jì)時(shí)不能充分考慮零件與零件以及零件與部件之間的關(guān)系。自頂向下的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際機(jī)械建模應(yīng)用中是從零件的建模設(shè)計(jì)開(kāi)始的，以至于很多的機(jī)械建模設(shè)計(jì)人員考慮較多的往往是零件特征之間的關(guān)聯(lián)，而嚴(yán)重忽略了零件與零件以及零件與部件之間的相互關(guān)系，然而這種關(guān)系多是是在零件建模完成后，根據(jù)部件之間的幾何關(guān)系建立起來(lái)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(guān)系，勢(shì)必會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品建模的結(jié)果帶來(lái)嚴(yán)重的影響。

（2）對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)建模缺乏系統(tǒng)的分析。在復(fù)雜產(chǎn)品的建模中各零部件之間的關(guān)系往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的，其相互之間的關(guān)聯(lián)有的存在于多個(gè)零部件之間，有的則存在于整個(gè)產(chǎn)品中，自頂向下的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際機(jī)械建模中，不同的功能子模塊是由不同的人員來(lái)分工完成的，由于對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)建模缺乏系統(tǒng)的分析，以至于在產(chǎn)品建模過(guò)程中就難以建立各零部件之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而就不能實(shí)施有效的統(tǒng)一管理，這非常不利于機(jī)械產(chǎn)品建模的實(shí)施。

（3）缺少專業(yè)的技術(shù)人才。筆者作為一名職業(yè)學(xué)校的機(jī)械專業(yè)教師，結(jié)合自己的多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，個(gè)人認(rèn)為當(dāng)前多數(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)人員對(duì)基于現(xiàn)代技術(shù)的自頂向下的設(shè)計(jì)方法還沒(méi)有很好的適應(yīng)，而且不少機(jī)械設(shè)計(jì)人員過(guò)多的關(guān)注于工程實(shí)踐，沒(méi)有時(shí)間學(xué)習(xí)自頂向下的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于機(jī)械建模的相關(guān)知識(shí)，而且相應(yīng)的培訓(xùn)活動(dòng)也比較少，以至于專業(yè)的技術(shù)人才比較缺乏，致使自頂向下的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際機(jī)械建模中的應(yīng)用還不夠普及。

4 結(jié)語(yǔ)

自頂向下的設(shè)計(jì)方法在機(jī)械建模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有效的推動(dòng)了機(jī)械建模領(lǐng)域的發(fā)展，然而受限于自頂向下設(shè)計(jì)方法自身的缺陷以及機(jī)械建模設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，自頂向下設(shè)計(jì)方法在實(shí)際的機(jī)械建模設(shè)計(jì)中還存在一系列的問(wèn)題，只有從根本上解決這些問(wèn)題，才能更好的發(fā)揮自頂向下的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際機(jī)械建模設(shè)計(jì)中的作用。

[1]劉明亮.基于關(guān)聯(lián)技術(shù)的自頂向下設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2007，(9).

[2]楊洪春.自頂向下為基的CAD特征建模及其應(yīng)用[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2010，(1).

[3]林玉紅.自頂向下設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2010，(6).