基于特征和参数化的设计导航在活塞设计中的应用*

张善辉，杨超英， 何海波

(1.山东大学 控制科学与工程学院，济南 250061；2.山东山大华天软件有限公司，济南 250101)

基于特征和参数化的设计导航在活塞设计中的应用*

张善辉1，杨超英2， 何海波2

(1.山东大学 控制科学与工程学院，济南 250061；2.山东山大华天软件有限公司，济南 250101)

为深化三维CAD系统的应用，使之成为专业技术最好的载体，讨论了参数化设计、基于特征的设计和基于特征的参数化设计方法的应用，并对基于特征和参数化的设计导航定制方法进行了研究，建立了一种产品设计可视化、流程化及工程师所熟悉的语言构成的设计导航，并在活塞设计中进行了应用。结果表明，导航将资深设计员工的设计经验以参数化驱动的特征、规范的设计流程、准确的规则判断和验证方法等形式沉淀于企业内部，可以提高模块化、系列化产品的设计效率和品质，加强企业设计知识和过程的积累。

参数化设计；设计导航；活塞设计；特征建模

0 引言

三维CAD系统具有可视化好、形象直观、易编辑修改、设计效率和质量高等特点[1]，可以为企业数字化的各类应用环节提供完整的设计、工艺、制造等信息，三维CAD系统取代传统的二维CAD系统成为必然。目前，三维CAD系统已经在国内外得到广泛应用，逐步取代传统的纯二维CAD系统成为大势所趋。但是，目前设计人员对三维CAD软件的使用水平仍然处于初级阶段，集中于使用通用的建模功能，完成产品的三维模型。要想使三维CAD系统成为专业技术最好的载体，必须将先进的设计思想和方法与三维CAD系统进行紧密融合，深化三维CAD系统的应用。

在三维CAD系统的深化应用过程中，逐步暴漏出三个典型问题：① 三维CAD系统的潜能没有得到充分发挥，CAD是计算机辅助设计，而不单纯是辅助绘图或建模[2]；②随着优秀的技术人员退休或者离职，产品技术诀窍也随之一起流失； ③ 企业老员工精通于行业设计，而新员工擅长三维CAD的应用，两者的优势缺少粘合剂。因此，大量研究人员对专业化的CAD平台进行了研究，并定制了面向各类产品的设计平台[3-5]。但是，它们大多存在以下不足：平台开发工作量大；适用范围比较局限；除去通用的CAD系统以外，员工要花费一定的时间去学习新平台的使用。因此，基于设计人员熟悉的CAD系统，方便快捷的建立用户所熟悉的语言构成的设计系统，企业对其具有迫切的需求。

为此，本文结合活塞产品的设计，研究了基于三维CAD的常用设计方法，并将基于特征的参数化设计方法应用于设计导航，把设计特征、设计参数、经验融入到设计过程中，建立与三维CAD系统建模过程的交互，使得企业设计经验和CAD操作技巧融合在一起，通过导航式的设计过程指导设计人员进行产品设计，达到提高设计效率和品质、实现知识积累的效果。

1 基于特征的参数化设计方法

1.1 参数化设计方法

随着客户需求的多样化，企业的产品逐步表现出模块化、系列化和变型化的设计特点。为此，产品设计中大量选用标准化、通用化和系列化的零件，这就为参数化设计提供了用武之地。

参数化设计的核心是基于对图形数据操作的参数驱动机制，通过修改图形参数或改变部分尺寸，自动实现相关部分的改动，完成几何尺寸满足约束条件的图形设计[6]。通用的CAD系统均具备参数化造型的功能，可以支持参数化设计方法。系统以线框模型、表面模型和实体模型为基础，从工程应用的更高层次来定义几何模型[7]。凭借强大的草图设计、尺寸驱动修改图形等功能，参数化造型技术可以大大提高拓扑结构基本不变、结构类似的产品的设计速度和质量[8]，成为设计自动化所采用的关键技术之一。参数化设计可以应用于企业产品模块、系列的梳理工作，是企业设计知识积累的有效手段。

1.2 基于特征的设计方法

除去产品图形数据间的参数驱动，机械零件产品还通常按照一定特征进行设计制造。特征是具有工程含义的几何实体，为设计者提供了符合人们思维的设计环境，设计人员不必关注组成特征的几何细节，而是用熟悉的工程术语阐述设计意图的方式来进行设计。基于特征的设计方法已被公认为是解决产品开发与过程设计集成问题的有效手段。

在CAD系统中，特征建模技术是几何造型技术的自然延伸，它直接用特征来定义零件的几何结构，对形体的组成及信息的描述更具工程含义[9-10]。因此，特征建模技术将复杂的模型进行分类简化，满足了高层次抽象描述的需要，既可以提高几何建模的效率，又可以推动各行业实践经验的归纳和总结，从中提炼出更多的规律性知识。

1.3 基于特征的参数化设计方法

综合分析可以发现，基于特征的设计方法力求全面的表达零件或组件所携带的设计、制造或装配的信息，可以直接体现设计的意图，而参数化设计方法则利用参数驱动机制方便零件的快速变型和修改。因此，在实际的产品和零部件设计过程中，较多的是采用基于特征的参数化设计方法，将基于特征的建模与参数化有机结合起来，即对零件的特征采用参数化造型，用变量设计法定义特征并操作，从而实现零件的快速设计。这种方法使特征本身包含参数化设计所需的成员变量和成员函数，采用带有语义的特征描述方式，通过改变参数，随时调整产品的结构和尺寸，驱动特征随之变化[11]。在产品设计特别是系列化、模块化产品设计时，基于特征的参数化设计更显示出其方便、快捷、有利于知识积累的优势。

2 基于特征和参数化的设计导航

随着企业业务的不断发展，产品系列越来越多，员工更替频繁，如何有效利用已经积累的经验，快速融入企业产品设计过程中，成为下一代设计方法的必备功能。而建立典型产品的可视化、流程化及工程师所熟悉的语言构成的设计导航，指导设计人员轻松、高效、无误地完成设计任务，成为一种解决上述问题的有效方法。设计导航需要融合现有的基于特征的参数化设计方法，将产品的标准化设计流程、工程计算、设计规范、数据和CAD建模等复杂命令操作进行集成，实现企业设计知识和经验的积累和优化。由于设计过程是一个反复迭代的过程，存在设计问题的不可预见性，因此设计导航不能是单一的流程式的导航，它必须也具备与CAD建模操作的交互性，以此确保产品设计的质量。

目前，国内外CAD软件的种类很多，本文选取了国产三维CAD系统SINOVATION作为实现基于特征和参数化的设计导航的目标平台。SINOVATION软件的优势有：①具备所有源代码，包括几何造型内核，方便各类功能的开发和升级；②拥有强大的特征建模、参数化建模功能，可以满足通用机械零部件的产品设计；③可以支持3万件以上复杂产品的装配设计；④提供动态设计导航功能，可以管理企业的产品设计流程和各类数据；⑤ 可以提供丰富的数据交换功能，对流行软件、标准格式进行转换、交互和兼容；⑥具备功能完善的API应用开发平台，支持用户对平台的自定义与二次开发。

设计导航的形成是一个从无至有的过程，如果完全依靠设计人员编写程序开发，工作量将及其庞大，且周期长。因此，在SINOVATION基础功能的基础上，为简化设计人员对设计导航的定义过程，提高系统的定制效率，本文规划了一种方便快捷的设计导航定制流程，包括设计过程录制、命令编辑、信息调整、设计导航执行四个步骤，流程如图 1所示。

(1)录制用户设计过程，生成CSV命令记录文件。对于企业来讲，资深设计人员的设计经验尤为可贵，其设计过程的操作将是设计导航定制的基础。在此设计过程中，采用基于特征的参数化设计方法将为后续的设计导航定制提供方便。

(2)将存储用户操作命令的CSV文件转换为JavaScript文件、HTML文件、参数文件。便于设计导航以网页的形式显示，并为下一步的控件设置、参数修改提供方便。

(3)设置设计导航中的各个步骤、参数和交互操作，并生成设计导航的XML文件。这一步骤是定制设计导航的关键，将对录制的设计过程进行筛选和调整，明确每一操作步骤的顺序(包括特征的选取、特征的定位、装配顺序等)、导航与设计人员的交互方式、设计参数的类型(CAD输入、设计导航默认、参数化公式或几何约束)等。

(4)读入设计导航XML文件，并提供给设计人员执行。

图1 设计导航的定制流程

在设计导航的制作与使用过程中，需要不断调用CAD系统的建模、工程图、装配等模块，并进行交互；还可能使用内部或外部数据源中的各类参数、规则、函数等。同时，设计导航可以支持各种复杂的二次开发。因此，设计导航并不是一个独立的模块，它需要与多个模块和功能进行协作，交互关系如图2所示。

图2 设计导航与各功能模块的交互

3 设计导航在活塞设计中的应用

活塞是发动机的重要组成部件，具有结构复杂、工作状况恶劣、设计困难的特点。用传统的设计方法需反复试验、试制，不断修改才能定型，这对设计人员掌握完整的活塞设计带来了挑战。对于设计和生产活塞产品的企业而言，经过几十年的研发积累，企业已经形成了系列化的产品，在活塞的设计需求、结构组成、特征筛选、性能分析等方面已经积累了丰富的经验和流程，且存在设计困难的活塞群部、燃烧室、内腔等结构已经积累了丰富的成功实例。因此，选取活塞设计作为基于特征和参数化的设计导航的应用目标具有代表性，且拥有重要的经济价值。

在定制基于特征和参数化的设计导航之前，必须将活塞结构中的典型特征抽取出来，分析各种特征的不同结构形式，并建立参数化的约束关系，确保设计的联动，例如活塞的燃烧室特征、冷却油腔特征、销孔特征等均具有多类结构。然后，按照约定的位置或根据实际需要，依据先后次序进行拓扑运算，得到基于特征的活塞参数化三维实体模型。这一过程的录制是进行后续设计导航编辑和执行的基础。基于此，在信息设置阶段，将各类参数化特征、设计计算过程、经验和规则等定义于设计导航中，并调整产品设计过程的步骤。这一过程是逐步添加、丰富的过程，也是设计知识积累和设计过程沉淀的过程。通过上述方法，以某企业的活塞产品为例，建立了如图3所示的活塞设计导航流程。

图3 活塞设计导航的流程

(1)新建设计项目：每一次活塞设计导航的执行都对应一个设计项目，活塞的后续设计取决于输入的客户需求。

(2)选择结构：根据用户需求，选择活塞的结构类型。在此设计导航中，根据企业活塞产品的系列化程度，建立了面向高速大功率活塞、中速机活塞、中小型高速活塞、特殊用途活塞等几类活塞的主要结构及其对应的气环数量、可选冷却油腔结构等，如图4所示。导航中各类结构的建立均集合了基于特征的参数和设计方法，既保证了结构的稳定性，又确保了结构可以根据客户需求进行调整。

图4 可选冷却油腔结构

(3)确定主要参数：根据活塞的结构类型，可以人工输入结构各部分的参数，也可以根据以往的经验，由导航提供推荐值。参数确定之后，需要验算参数的取值范围是否满足设计要求，并确定活塞环岸的强度。最后，生成满足要求的活塞外形。

(4)活塞外形组成：对于活塞的外形设计，需要完成外回转面、窗口、燃烧室三个部分的设计，每一部分都根据需要建立了多个可选结构供设计人员选择，并提供了相应的结构选择依据和条件作为参考。需要注意的是，由于活塞燃烧室的结构比较复杂，在设计导航中将燃烧室的设计拆分为顶部燃烧室模和燃烧室修形模两部分，方便设计人员的操作。因此，活塞外形=外回转面-窗口模-顶部燃烧室模-燃烧室修形模，是四个模型之家的布尔运算，如图5所示。

图5 活塞外形的组成过程

(5)活塞内芯组成：同活塞外形组成类似，活塞内芯的设计也需要完成内回转面、内芯修形、销座、倒角四部分的结构选择和设计。最终，活塞内芯=内回转面 -内型腔修形模-销座，如图6所示，并完成倒角。

图6 内芯组合成形的过程

(6)活塞组成：在活塞外形、内芯设计完成后，完成止口、销孔的结构选择和设计。最终，活塞=外形-内芯-止口-销孔，如图7所示。

图7 活塞组合成形的过程

(7)有限元分析验算：活塞模型完成之后，需要进行应力分析、疲劳分析、温度分布、变形分布的计算，SINOVATION既提供了满足通用结构分析的CAE功能，也可以集成第三方的CAE软件，输出和输入结果，如图8所示。

图8 活塞有限元分析操作

(8)输出结果：根据最终的设计结果，可以输出二维图纸、三维模型和设计计算书，如图9所示。

图9 计算书的输出

在设计导航执行的过程中，需要注意的是各类特征、结构的组合既可以采用导航中默认的建立方法，也可以根据实际情况进行参数调整、结构修形等操作。而且，设计导航与CAD建模窗口之间是不断交互的过程，并不是完全脱离CAD建模，例如燃烧室建模过程中，边界线和约束线的选取、面的拟合等。这种方式更加灵活，确保了设计人员能够随时了解产品的设计过程，又可以根据设计结果不断修正设计过程。

4 结束语

本文将基于特征的参数化设计方法应用于产品设计过程，并基于国产三维CAD软件SINOVATION规划了一种方便快捷的设计导航定制流程，该流程简化了设计人员对设计导航的定义过程，提高了系统的定制效率。通过在活塞产品设计过程中的应用，验证了方法的可行性和实用性。它既可以将企业已有知识融入到产品设计过程之中，又可以借助特征和参数驱动机制的优势，梳理企业产品设计模式，同时缓解新旧员工更替带来的知识断层的弊端。

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[11] 白贺斌, 徐燕申, 曹克伟. 基于特征的CAD参数化建模技术及其应用[J]. 机械设计, 2005, 22(2): 14-15, 21.

(编辑 李秀敏)

The Application of Design Navigation Based on Features and Parameterization in Piston Design

ZHANG Shan-hui1, YANG Chao-ying2, HE Hai-bo2

(1.School of Control Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;2.Shandong Shanda Hoteam Software Co., Ltd, Jinan 250101, China)

To deepen the application of 3D CAD system and make it the best carrier of professional technologies, parametric design, feature-based design and feature-based parametric design were discussed, and a customizing method of design navigation based on features and parameterization was researched. Design navigation was established with language engineers were familiar with, and can make product design visualized and processed. This method was applied in piston design, and was approved to be effective in design knowledge accumulation. In this navigation, design experiences of senior staff can be accumulated within the enterprise in forms of parameterized features, standardized design process, precise rules and verified methods. Design efficiency and quality of modularized and serialized products were improved, and the accumulation of design knowledge and design process was strengthened.

parametric design; design navigation; piston design; feature modeling

1001-2265(2014)05-0005-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.002

2013-09-11

国家高技术研究发展计划(2012AA040903)；山东省自然科学基金(ZR2011EEQ017)

张善辉(1982—)，女，济南人，山东大学讲师，博士，研究方向为CAD/CAM、协同设计、知识管理，(E-mail)happy7054@163.com。

H166;TG65

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