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基于特性基础上的机械设计与分析过程间的互操作性
现今，不仅是产品本身，就连工业产品的设计也严重受到时间、质量、延期的限制。针对这些限制，有效的整合常用性的任务设计过程是很有必要的。对很大一部分的机械产品来说，将机械分析整合到设计过程中是一项明显和至关重要的需求，尤其是在设计的早期阶段。基于力学特性分析的概念和语义丰富的产品模型，这篇文章提出了一种原始的设计和分析过程的互操作性的模型。其目的是支持各种在机械设计过程需要的典型的分析任务。作者首先提出了一个简短的对CAD/分析集成方法的调查，目的是为了在这领域做出贡献。然后，分析特征的一般结构是能通过实验结果证明的。为了突出在设计和分析间的互操作性模型，作者以设计活动为基础，详细的描述了产品模型的主要特点。紧随这种描述之后的是一个正式的分析特征的说明和一个其组织在功能目录中的命题。之后作者考虑到这些模型的实施方面，提出了一个方案说明他们方法的好处和目前的局限性。对于这一方法的评估将于结论中讨论。
关键词： CAD， 机械设计， 设计过程， 特征技术， 设计分析一体化
1 引言
根据杰奎特在1998年所说,设计一种机械产品是个复杂的过程，其蕴含了多个产品造型域。在需求领域，客户的需求根据服务功能建模（AFAV，1998），这种功能受客户及产品所遵守的全球性约束条件期待。在功能领域，预期的产品功能将根据功能需求建模，这样才更可能满足客户的需求。在技术领域，设计者指定技术（或概念）的解决办法，由基本功能组成，以满足感知需要。在科技领域，设计者指定科技解决方案模型，这种模型定义产品的具体成分，以他们的物理形态（形状，尺寸，hellip;）和技术（公差，材料属性，hellip;）特征为特点。从机械角度来看，一个产品在技术领域（以概念解决方案为特征）可以描述成为一个基本机械功能的组织，比如说像是枢轴关节，滑动关节，万向节或球形关节。
图1 CAD/分析互操作性
然而，在科技领域（以物理解决方案为特征）产品被描述为一个标准机械解决方案组织和相应的功能表面（齿轮，轴承，槽，肋骨）。一份具体设计活动及其相关的产品模型的正式化描述已经由杰奎特广泛描写。机械分析需要分析或模拟产品的机械行为（Hicks 2002; Roy, 2002），并且它将运用于整个设计过程中，尤其是在机械工程概念变得越来越明确的技术和科技领域。这里能区分两种类型的交互设计分析。一种是，尺寸，包括机械问题的逆模型，其目的是为某些产品参数确定最适当的值（通常尺寸），并考虑产品限制。第二种，当没有逆模型可用的时候，评估是恰当的，并且会涉及到一个机械问题的直接模型。这种类型的相互作用一般用到反复试验的方法，以确定候选值的各种参数是否是尊重规格的。
无论哪种分析方法，分析过程涉及到设计模型之间的闭环（由设计师定义）和分析模型（由分析师操作），在这种模型中将会考虑到设计模型的后续验证和更新。设计和分析模型间的相互整合度（或者设计和分析间的互操作性）决定着用来设计和验证产品的时间。此外，由于设计过程是不确定的，一般在设计和分析任务间需要几个递归循环。考虑到国际上正在进行的对CAD和分析整合的研究项目的数量，在继续之前，关系到这一研究领域，我们需要清楚地知道自己的立场。
2 定位方法
鉴于CAD和分析任务的一般组织，CAD和分析过程的整合的整体目标能从三方面着手：
1）要实现从一个设计模型到一个与现有分析工具兼容的分析模型的自动化转变，方法需要集中于评估任务和工具的结合。（Cuillere, 1999; Sheffer, 1997）
2）控制分析过程的不准确，减少分析模型中的误差来源，这种方法可以配合两者尺寸(Kurowski, 1995)和评估(Vignjevic et al., 1998)任务的集成。
表1设计分析方法
3）正规化的系统分析程序，它可以被应用在相同的上下文中，或参数化以适应各种类似的但不同的上下文中。这种方法本质上讲，涉及了两者的尺寸(Troussier, 1999)和评估任务(Fischer, 2000)。
Aifaoui(2003)提出了一个详细的关于这三种CAD/分析集成方法的原理的讨论，表1显示 了每种方法的优缺点以及局限性。我们的方法属于这一分类的第三类，它目的是实现有效的设计和分析过程间的互操作性，以方便和加快创建个人分析循环，同时也允许分析序列重复使用。我们的方法也需要考虑到分析建模过程的所有阶段---从分析设计问题（循环的开始）到解释结果（循环的结束）。因此，我们的目标是定义一个通用的模型，允许多领域的产品设计模型和各种机械分析模型之间的双向关系，我们偏好的通用性需要一个原始的研究方法，这种方法将在下面的部分呈现。
3研究方法
为了让我们的方法能普遍适用，很有必要去分析和比较几种不同的实际情况下的设计分析问题，并涉及到“固体力学”领域中使用具有代表性的分析方法。有了这个想法，我们对包括机械产品在内的实际设计案例进行了实验研究，在这个研究里设计的时间和战术组织以及分析任务和各自的实用性都经过了确认。作为对这项研究的提炼，每一个分析任务都从功能角度进行了单独的分析，使用的是共同的形式主义：IDEFO
图2显示的是一个分析任务的一般IDEFO模型。在这个IDEFO模型中，分析任务是由一个盒子表示，这个盒子接受输入（产品数据和假设：力学模型），生产输出（从某一角度分析结果），尊重约束条件（观察模型）并需要支持（仿真模型）。
4综合案例研究
审议了四种非常不同的产品（完整的设计案例），对其各自设计的过程性和一致性进行了分析。一种对各分析任务的基于矩阵的比较表明，无论在设计过程中还是分析任务的类型（尺寸或评估），可以将三种不同的模型定义并使用后进先出政策进行随后的定义。
图2 一个分析任务IDEF0模型
图3 设计和分析过程的推广
我们的研究的通用性是令人满意的，因为这项研究表明，存在一个高层次的递归过程， 循环特征是在设计问题和任务分析产生的相应之间（图3）可以将这种循环看做一个过程的实现(Yannou, 2002)，其中包括三款模型：
- 机械模型（MM）直接连接到设计产品模型，基于力学的假设，它代表的结构，简化的形状及机械结构每个元素的行为与已知分布的匹配。
2） 模拟模型（SM）的特点是规则，公式和可能产生出的产品机械行为的评价程序，其特征在于预先构建的机械模型。
3） 观测模型（OM）表示一组相关的观测变量，产品的行为能被评估。这些变量对应于产品机械行为的具体观点。它们来自于挑选的模拟模型的补充。
这种表述似乎足够通用于不同的设计背景，它允许三种模型（MM,SM,OM）能根据不同问题进行配置。尽管我们假设这个框架能为存在于设计和分析间的每种可能的闭环提供最一般的模型，但也有必要进一步完善该模型使得特定类别的问题以最传统的方式得到解决。这种细化或专业化产生出一种由通用概念和模型组成的本体论。“特性”的概念，广泛应用于信息技术的应用范围。技术（IT）自20世纪80年代以来，对这种本体论来说是典型的管理，并一直被认为是一个很好的手段去将我们实验研究中的通用模型聚集起来。
5分析特性的概念
最初，“特性”概念被用于形态语义的增强，特别在相关产品几何形状产品的制造意义上(Joshi, 1991)，之后，这种特征概念在不同的CAE应用中被开发，包括功能特性(Zhang,2001)装配特征（Deneux, 1998）和啮合特点(Cuillegrave;re, 1999; Razadan, 2003).大多数这些应用与Shah(1991)提出的通用定义想吻合，他将特性的概念定义为一个有些意义取决于环境的抽象的实体。分析功能（AF）可以定义为“一个参数化的机械分析类的通用实体”。
一个AF可用代数方法描述为AF={MM,SM,OM,R(MM,SM),R(SM,OM),R(OM,MM)},一个六元组涉及到引入到前一部分的三个数据模型，和接下来这些模型间的三种关系，所有这些都支持AF模型的整体一致性。
- R（MM,RM）是一个连续性的关系，允许数据从机械模型转移到模拟模型。
- R（SM,OM）是一个从模仿中萃取的观测关系，观测变量来分析结构的行为，由设计师按照特定角度选择。
- R（OM,MM）是一个验证关系，它使建立于机械模拟中的最初假设根据结构的行为的说明得到验证。
AF需要与几个产品模型领域进行互动，特别是技术领域（在该技术领域可以对运动学和静力努力进行分析）和科技领域（在该技术领域专家选择标准组织，并分析动态的努力和阻力 的压力）。每一次执行分析任务，会采用如下的一般过程，如图4所示。首先，会根据一定的假设指定机械模型，然后，为新构造的机械模型选择合适的模拟模型。最后，根据模拟结果，选择一个观测模型能使产品的机械性能得到分析。观测模型的演绎可能会被验证也可能无效，观测模型自身，模拟模型甚至是机械模型都可能会这样。在接下来的部分中，将会提供一些有代表性分析功能的详细的模型，以及数据支持的可互操作性得到设计和分析过程。
然而，它是第一个需要详述的产品模型，只有这时该产品装配特性操作才会被执行。
图4通过分析特征的一般分析过程
6产品模型
产品模型实际上是一组相互关联的模型，它描述产品设计过程的不同阶段，从表达需要到它的完整定义（EL mahalawi,2003a,b）.根据杰奎特（1998）所说，有五个主要的产品建模领域：需求，功能，技术，公众科技（对所有设计人员来说是科技解决共同方案的表达），和私人科技（对个人或者设计受限群体来说是特定的技术解决方案的表达）。我们的研究主要集中在技术和公众领域，因为相应的产品建模实体是受力学分析任务影响最大的(Aifaoui, 2003)。接下来的2个子段，技术和科模拟域的实体将会受到详细的的检查，图5说明同一产品的技术和科技表现。
6.1技术模型实体
在技术领域，该产品由一个技术解决方案表示，该方案由机械接口连接组成的技术解决方案。这种解决方案会受到各种约束，其中包括空间和流动性。技术模型的基本概念包括技术组件，接口，技术方案和约束。
- 技术组件：技术组件是一种不可分解的实体，依赖于技术。它的本地参考和自主行为都与其技术解决方案的功能相关。
- 接口：从机械角度来看，一个接口代表在两个技术组件间的一个的技术部件（即一个支点接头）。它既有本地的参考和类型，也有不同程度的自由度（旋转和平移）
- 技术解决方案：一种技术解决方案描述着一种能量/或运动的转换，它意味着一个技术组件的组织由机械接口连接，并可以用图形结构来表示。
- 约束：主要有2个类型的约束：空间限制（有关空间中的组件允许被移动），和流动性约束（与接口自由度有关）。这些约束可以是本地的（适用于一个接口或一个组件）也可以是全球的（适用于几个组件或几个接口）
图5一种石材破碎机的技术和技术解决方案
6.2 公共科技领域的实体
在技术领域，设计师具体化那些被技术解决方案定义的技术组件和机械接口。他们成功的定义几何形状，尺寸和材料这些非标准的技术组件，或者他们为标准组件定义类型和参数值，如齿轮，轴承，或固定元素。技术模型的基本概念包括技术组件（标准或非标准），和能确定技术组件组织以及约束的技术解决方案。
- 技术组件：技术组件是一个由一些可识别材料组成的实体，具有一个几何结构，包括功能和互补的形状，以及自主的行为。标准技术组件不需要被设计，并且可以从参数化组件的目录中选择。这些组件用于大多数的机械系统，构造机械接口，每个特征都是一个类型和一组功能组件。非标准技术部件必须是专门为工作设计的，它们是为了执行并且不能从目录中订购，然而，像标准组件，他们的特征也是一个类型和一组功能尺寸。
- 技术方案：根据杰奎特（1998），技术解决方案是一套物理解决方案（即所有形状和材料）和依靠技术特定组织和标准部件具体化的技术解决方案。
- 约束：约束决定着用于验证技术解决方案的标准，这有许多类型的技术限制，包括但不限于电阻，定位和可访问性。
图5代表了同一个产品的技术解决方案和科技解决方案（碎石机）部分构成实体已被识别。
我们对若干设计案例的实验研究应允了技术领域中两种分析特性类的识别（运动学特性（KF），运动分析和静态特征（SF）的界面应力分析）以及在科技领域的一种分析特性类（电阻特性（RF），对于科技组件分析易遭受压力）这三种特性分类已经完全在Aidaoui（2003）得到描述，在接下来的部分中，只有KF是我们方法的代表，并得到详细说明。
7“运动学特性”的描述
KF定义为一个通用实体，设计师可以用它来研究机械产品的运动（位移，速度，加速度），以确定或验证一个特定的技术解决方案。下面将介绍和证明此模型和KF特征的一致性关系。
7.1运动学特性的机械模型
机械模型的目标是完全或部分的代表一种技术解决办法，考虑到一些机械零件形状的假设（梁，壳hellip;）和预期行为（刚性，变形hellip;）以及被元素抗拒的恳求。这些假设有助于生产出一个真实的来自设计师产品模型的机械模型。
7.1.1与结构有关的假设
一种技术解决结构的技术组件和接口系列。为了更方便本地分析，根据分析的目标，将初始结构分裂为子结构是可取的。另一方面，全球化结构（结合几个子结构）可以提供有着更广泛的关注的分析。在任何情况下，每个确定(子)集可以通过图形
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