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  自90年代初我国实施CAD应用工程以来,在水泵行业开展CAD设计虽普遍受到重视,但基本仍处于初级的CAD绘图阶段,主要是应用于整个设计过程中的“中下游”设计阶段,即设计方案的具体实现阶段,其本质上属于面向零件的细节设计。CAD的发展趋势是不仅支持面向零件的细节设计,更重要的是支持概念设计与方案设计等“上游”设计,即是设计过程中最主要的创造性阶段[1]。在产品设计过程中,创新性表现最为集中、最为突出的阶段是产品的原理方案设计阶段。为适应泵的设计创新需要,有必要对水泵原理方案设计机理进行研究,建立一个满足水泵设计实际需要的建模方法。在对泵的设计过程进行总体分析,针对泵的产品特点,总结设计过程中的设计规律,探讨其设计创新机理,并适应计算机辅助设计的需要,建立反映泵的设计经验知识、设计方法以及设计规范的原理方案设计模型,并将其与已有的“中下游”设计模型耦合,以做到真正支撑和辅助设计全过程。
  面向全过程的设计方法及模型基本可以分成三种[4]:(1)面向对象设计模型,它代表着设计方法学的组装创新设计阶段;(2)GDT(General Design Theory)模型,它能体现创新设计方法学的创新思维过程(分解、映射、综合),代表着开环创新设计阶段;(3)逐步求精模型,它充分体现了人的创新思维模式:继承中创新、反复迭代,代表着工程设计方法学的闭环控制创新设计阶段。这种方法认为设计过程是一个逐步求精过程。它的最大优点是存在解的评价层,允许对解进行反馈控制,进行产品优化。因此它是一个闭环设计方法,比较符合工程设计人员的思维模式。

  方案设计中关键性的一步就是如何进行产品设计要求的功能分解。因为产品的设计要求是最精炼的产品功能描述,而形成产品的却是许许多多完成一定功能的零部件的组合,如何将抽象的产品设计要求转换为具体的、现实的功能要求充分体现了人的创造活动。对这方面的研究,焦点主要集中在功能分解的依据上,有两种方法比较典型:一种以Robert Hsturges为代表,以价值工程理论(VE)为背景,采用功能分解,称为功能逻辑分解方法;另一种以Yasushi Umeda为代表,以人的认知模型为背景,采用行为分解,称为Fuction Behavior State(FBS)方法[5]。虽然两者都处于发展之中,但是文献[4]认为后者的分解依据更贴近工程设计的思维模式。

  2.2 泵设计领域的专业知识(泵设计的特点)

  泵设计是一项复杂的过程,在设计中各种因素互相影响,使满足给定要求的水泵有不同的设计方案或结果,因此必须找到其中最优的一个。这是一个不断探索,多次循环,逐步深化的判断求解过程[6]。从流体机械的角度看,流体机械的反问题是当今流体力学领域的难题之一。因此现有的设计基本采用流体力学的正问题设计,即先由工程设计得到流道结构,确定流动的初始条件和边界条件,再对流场进行校核。根据校核结果对流道结构进行调整后再次校核,如此循环直到得到较优的结果。这表明所建立的模型应是一个循环迭代逐步求精的闭环系统。

  随着成组技术的广泛应用,泵设计制造正趋向于模块化,以提高零件(组件)通用性和重用性,从而降低设计制造成本,保证产品质量。而面向对象的建模思想正好符合模块化的需要。这表明所建立的模型应是一个面向对象的系统。

 


在详细分析泵行业中CAD状况的基础上,阐述了建立水泵原理方案设计模型的必要性。考虑现有的设计方法模型的特点以及水泵原理设计的自身规律,在面向对象设计模型的基础上融合了逐步求精模型的闭环设计思想,在功能分解中采用了Function-Behavior-State(FBS)方法,提出了一个原理方案设计模型。并进一步将该模型应用于泵的原理方案设计的一实例中,得到了一个较为完整的水泵原理设计流程,表明此模型具有可操作性、可重用性、可交换性等特点。
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