自顶向下设计方法在雷达结构设计中的应用

陈晶晶

（安徽四创电子股份有限公司，安徽合肥 ，230011）

1 概念和技术特点

1.1 概念

在现阶段的通用设计理论体系中，将产品设计描述为“是一种从抽象逐步细化到具体的过程，是一种从顶层逐步向底层实现分解、细化、求解和具体化的过程[1]”。自顶向下设计方法指的是在产品设计的过程中，通过建立顶层的设计规划，并将顶层设计规划逐步向下级分解、传递作为设计准则的一种设计方法。

1.2 技术特点

1.2.1 符合设计师的思维过程

在采用自顶向下设计方法进行产品设计时，设计师首先要考虑设计产品所要实现的功能，然后再考虑要实现这些功能应当采用的几何结构，使得整个产品结构的设计过程表现为从一个抽象过渡到具体的渐进过程，而这个过程符合设计师在设计时的思维过程。

1.2.2 能够支持完整的产品功能结构描述

自顶向下设计方法以产品系统功能模型为立足点和基本出发点，因此对产品的功能行为可以做出全面、准确的描述，同时支持整个产品设计的全过程。通过对产品系统级设计规划进行合理的定义和分解，不仅可以确保产品各个零部件之间的内在联系，也实现了产品设计意图的实时传递。

1.2.3 能够支持产品多层次的抽象表达

自顶向下的产品设计方法是一个对设计对象逐步分层、细化和具体化的求解过程。在产品的设计过程中，设计规划自顶层向下层逐步传递、细化，并以此为基础加入该分系统内部的设计规划和约束。按照此类继承传递关系，最后形成了各个层级的设计规划和约束。在顶层的设计规划中包含了产品的总体的设计要求，而底层设计规划则包含了产品具体、细微的设计要求。

1.2.4 能够支持子系统间的并行设计

在采用自顶向下设计方法时，它可以保证产品各个子系统之间约束条件的一致性，避免了因约束条件而可能发生的冲突，为各个分系统的实时并行设计打下了有利的条件。这是因为在产品的工程设计阶段，通过自顶向下设计方法能够将产品的主要功能、设计约束和配合关系等重要的设计信息以显性或者隐性的方式定义在装配的规划中。那么，设计师在进行设计任务分配时，这些关键的设计约束也可以同时分配到各个子系统之中；由于各个子系统的设计约束中已经包含了当前设计约束下的所需的临界条件，因此，各个分系统便可以各自独立地开展设计工作，并能够按照统一的设计尺寸和接口形式定义、装配部件。

2 在雷达结构设计中的典型应用

雷达结构设计的主要过程可以分为：概念设计、总体设计和工程设计等阶段，不同设计阶段所处理的信息内容、类型和处理方法也不尽相同。笔者采用自顶向下设计方法完成某型号雷达的结构总体设计，设主要设计过程可以分为以下6个环节。

2.1 定义雷达结构的总体布局

雷达结构总体布局设计建立在充分消化理解产品战术指标要求、确定产品功能和原理的基础之上，形成包含产品总体布局和设计规划的产品雏形。依据该雷达的具体功能指标要求，深度结合以往同类型雷达结构设计的经验基础上，选择采用平行四边形结构来实现雷达天线阵面得升举，采用曲柄滑块机构来实现天线阵面的翻转，采用成熟的机电支撑腿作为自动调平系统。

2.2 明确雷达产品结构

雷达产品结构从逻辑上分析应当包含其组成部分或者子系统之间的嵌套关系，在内容上包含了产品的层次与组成，同时包括设计团队的人员构成与相应的权责，建立完整的产品结构是实现后续设计规划的发布与设计任务的管理的基础条件。

2.3 建立雷达骨架模型

雷达骨架模型也被称为主体模型，是一种用以描述和驱动整个产品基本结构特征和组成的三维立体设计规划，同时也是发布、传递设计信息的载体。雷达骨架模型主要包括两个部分：雷达顶层结构骨架模型以及各分系统骨架模型。雷达顶层骨架建立模型后，各个分系统的骨架模型可以以复制几何的方法直接或间接从顶层的骨架中通过继承获取，并在此基础上建立父子关联关系，确保数据自顶向下的一致性和实时更新。

2.4 发布设计意图和详细设计

各个分系统与底层系统可以通过数据共享或者数据发布等途径从上层的设计规划中获取设计意图，可将其作为该分系统的设计边界条件，分系统的设计人员可以独立根据各自的设计要求开展自身的设计工作。在进行详细设计时，设计人员应当尽可能将骨架零件中已经设定的设计信息基准依附在骨架模型的点、线、面上。对于分系统间的装配接口，不同分系统的设计人员在建立模型时均要将建模基准定义在模型中的接口部分基准线之上，这样做不仅可以保证分系统模型间装配的准确性，同时顶层主设计师一旦需要改变此装配接口的位置和尺寸大小时，也只需要改变顶层骨架零件，而子系统的模型可以实现同步更新。

2.5 完善顶层的装配

各个子系统在详细设计完成后重新提交给顶层的装配环境中，并形成总装配模型。由于各个分系统的位置均对应同一个骨架模型，因此它们具有相同的参照体系，使得各个分系统之间不需要定义装配关系便可以实现零部件之间的精确定位。顶层的总设计师可以通过调整骨架模型的参数、位置等因素来控制或者调整产品的外形和姿态。

2.6 调整零件父子关系

在自顶向下设计过程中的骨架模型不仅可以实现姿态控制和设计意图的传递，同时也可以根据实际需要调整各个分系统之间父子关系。通过调整零件之间的依存关系，能减少模型在会见不必要的关联关系，使得整个产品逻辑关系更加简洁。

3 雷达结构自顶向下设计采用的关键技术

3.1 骨架模型

在自顶向下设计中，骨架模型的作用包括：设计空间说明、组件接口定义和运动姿态控制等。在自顶向下设计方法中骨架模型时必需的模型之一，其中包含了零部件特征、基准面、曲面、关系式、图层和视角等重要设计信息；在产品装配环境下，骨架模型是可以进行独立修改的，而这会直接造成产品总装模型的修改。为了实现对骨架零件和设计零件的设计意图进行有效的管理，在构建骨架模型时需要注意以下四点：一、骨架模型的基本信息最好采用曲线或者曲面特征进行描述；二、骨架模型实质是一个虚拟的零件，不能用于实际的加工或装配，也不能出现在工程图中；三、在一个装配层中，只能有一个骨架零件，不允许出现多个骨架零件；四、装配环境下建立的装配特征只对普通的零部件产生效力，对骨架模型不产生效力。

3.2 装配结构

在进行工程设计之前，构建合理的产品结构关系有利于各设计师之间的任务分配和角色设定。利用产品结构可以将每个分系统的设计任务合理的分配给相应的设计人员，底层的设计人员只需要将设计的精力集中于某个具体的局部设计即可，而分系统的负责人员仅仅需要关注本系统内部的详细设计。通过产品结构的定义，各个零部件之间便具有了稳定的装配关系和装配层次。

3.3 复制几何技术

复制几何技术包括内部、外部复制几何两个方面。所谓的内部复制几何是由当前装配模型中的骨架模型向其他零部件之间的几何复制；外部复制几何是由外部骨架模型或装配模型向本层零部件复制几何数据。在自顶向下设计方法中，采用复制几何的方法可将顶层设计信息逐渐 向下级传递，直到每个子装配或者零部件都获得必要的设计参照，这种设计方法实质上是一种柔性、可靠和可更新的设计信息传递方法。根据设计需要，可以调整复制几何特征与父参照的关联关系，实现数据的同异步更新。

[1]咸斌.基于关联技术的自顶向下设计技术的应用研究[J].机械设计与制造，2005，（7）：P29-31.