基于多色集合理论的参数化设计知识集成方法研究

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参数化设计是用-组参数来约束尺寸关系，通过尺寸驱动或特征驱动得到设计的修改结果。

参数化设计首先要获取设计知识的载体，并对其实现参数驱动。文献[1作者将特征作为设计知识的载体，在设计过程中特征和相关的设计知识关联实现参数化设计。文献2把特征用来封装设计意图，以便于计算、传输和共享。文献[31通过对于汽轮发电机转子本体的几何结构分解为-系列的造型特征，将特征建模技术与参数化设计技术相结合形成设计知识的载体。文献[4]作者将车身承载构件复杂的端面形状简化成规则的矩形断面作为设计知识的载体，并对矩形断面实现参数 。

综合上述研究现状，本文以产品参数化设计过程中提高设计工作效率为 目的，针对于复杂产品的参数化设计问题，依据功能需求和装配关联关系将每个子设计问题划分成若干个可直接进行参数驱动的设计单元作为设计知识的载体，并构建层次结构模型和参数化设计信息模型，将产品结构信息与设计知识进行映射形成集成知识模型，实现参数化设计知识集成。

1 多色集合理论概述多色集合理论 (Theory ofpolychromatic Sets，TPS) 是俄罗斯著名飞行器设计与制造专家巴甫洛夫教授 (V.V.Pavlov)在航空工业领域中发展出的-种新型的系统数学建模理论。采用多色集合理论建立了PS层次结构模型，对传统的层次结构进行改进和扩展：1)增加了节点颜色～节点及其颜色以有序对的形式表示为 ( (Ji，i ，Jk1)，A (尼，fk，jk. ))>(最底层除外)，其中， ( ，i ， )表示第k层、第f 个节点，其父节点为尼-1层的第jk-。个节点，F ( ( ，i ，J -。))表示对应节点( ，fk，，k-1)的颜色。

为同-层节点颜色之间的间接约束关系； 为相邻层节点颜色之间的间接约束关系。

2 设计知识集成基于多色集合理论，对参数化过程中产品的结构信息、关键技术参数、设计功能信息和设计单元之间的关系规则建立信息模型实现知识集成。

根据多色集合理论中的集合 与统-颜色F( )建立设计产品的结构模型L4×F ( )]，如式 (1)所示：收稿日期：2012-06-26作者简介：刘晓阳 (1985-)，男，山东乳山人，助教，研究生，主要从事计算机辅助工艺设计、参数化设计等研究工作。

第35卷 第1期 2013-01(下) 95l务l 訇 似Icf( 删 [ ×F( )]式中， 是Ps层次结构模型中第k层第，个节点对应的颜色， 不包括最底层， 是PS层次结构模型中最底层的节点集合 中第i个元素，C 1表示PS层次结构模型中最底层的节点a 是PS层次结构模型非底层节点 的组成部分。

建立功能信息模型 ×尸 ( )]，如式 (2)所示：I ( l ， [ ×P( )] clm： ： ： ： (2)式中，P，代表着功能需求，c㈨)1表示PS层次结构模型中最底层的节点a 是功能需求P，的实现方法。

集合 ( XA)与统-颜色， ( )建立关系规则模型存储成布尔矩阵( XA)×F ( )，如式 (3)所示：) [( × )×F( )c1l cl2： ： Cil cf2： ： l 2式中统-颜色F1(口i，aj)、 (口i，aj)、(ai，ai)、 (ai，ai)、 ( ， )依次为连接虎与分、与合、或分和或合，简记为F 、 、、 、 ， 集合 ( XA)是Ps层次结构模型中最底层的节点集合 与自身的笛卡儿积。

96 第35卷 第1期 2013-01(下)3 参数化设计过程基于建立的参数化设计信息模型，产品参数化设计步骤如下：1)进行产品参数化的设计输入和校核计算，进行关键设计参数的确认。

2)从功能信息模型中获腮本的需求功能P尸人 a ，口 表示实现功能 的设计单元，m表示实现功能P 的设计单元的个数。

4)从产品结构模型和设计参数模型中设计单元的参数设计信息。根据获取关键技术参数信息进行设计单元a 的参数化设计，完成后保存a ，并令ai1。

5)判断功能是否实现。如果P产0，表示功能设计未实现，转为2)；如果Pf1，进行下-功能的实现。

5)判断总功能P是否实现，P产人m- 尸j。如果PO，总功能设计未完成，转为Step1；如果PI，设计单元的参数化设计完成。

4 工程实例双偏心蝶阀产品设计开发工作主要集中在阀门主体结构上，如图1所示。

1-阀体 2-蝶板 3-阀杆 4-连接支架 5-驱动装置6-上支承填料组件 7-下支承填料组件图1双偏心蝶阀产品结构4.1 PS层次结构模型的建立在双偏心蝶阀产品的PS层次结构模型中 (如q ； q ；] J l . - ... ... ； ； - - - -， ， - ， 、! I 匐 化图2所示)，第0层是蝶阀产品。第1层：将双偏心蝶阀产品整体按功能分解成两个设计子问题，即驱动装置和主体结构 (部件)。第2层：将双偏心蝶阀产品主体结构 (部件)按功能分解成启闭功能P ，连接功能P2，密封功能P3对应的设计子部件分别为：F ( (2，1，2))-阀体 (子部件)，， ( (2，2，2))-蝶板 (子部件)，，， ((2，6，2))-下支承填料组件。第3层：将每个设计子问题划分成设计单元，即个人颜色： ((3，l，1) ) ，F ( (3，2， 1)) ， ，F ((3，13，6))分别表示：筒身组件，上支承组件，，下支承填料组件。划分的设计单元形成集合 ( (3，1，1)，A (3，1，2)，，(3，13，6))，其中：A (3，1，1)：筒身组件口；A (3，2，1)：上支撑组件 ； A (3，l3，6)：下支承填料组件a 。。

图2双偏心蝶阀的Ps层次结构模型4.2产品设计知识建模对设计产品建立结构信息模型，如图3所示。

层数结构 巷 芒 星 暑 量 量 鲁 量 毒 量 重 星 星 叠 圣 鲁兽 ； ； 0 兰 莹 兰 窖 墨- 兰 兰 暑 兰 g g 善信息 i 0I 矩辟 三 芒 耄- 口l 2 dl m 毋 m dI O l1 li d” l L， 1 6 dIT LI 1' 图3产品的结构模型根据多色集合模型对零件的构成信息进行01编码 (图中 ”表示此处的逻辑值为1)，如果是， ( (i，i ，Jk-1))所属的结构，则信息编码第f位为1，否则为O。通过编码，将零件结构信息描述为-组二进制的代码，以方便计算机保存与处理。

根据功能和设计单元的之间的关系建立功能信息矩阵，如图4所示：功能信 息矩阵P P 图4功能信息矩阵根据图2的 PS层次结构模型相关设计单元之间约束关系厂2，建立如图5所示的关系规则模型( × )×F ( )。

弛系规 0 0 霄 e -9 P 目 划钮阵 8 P 3 e - 0 0 0- -，1(m， ) F3(a 只 -， ，5 aj) 图5蝶阀产品的关系规则模型双偏心蝶阀产品的总体设计的关键技术参数：DN，ADN，，轴距I1分别对应的统-颜色为 ， ，，Fl ，建立设计参数信息模型：参数信息 F FI F3 F1 Fl 0 Fl 2 F1 3 F1矩阵 h 8 a9 aI O (1I1 n1 2 dl 3 (t14 aI 5 d1 6 7 tl[8 c/1 9 口 图6双偏心蝶阀产品的技术参数模型4.3双偏心蝶阀产品的参数化设计根据蝶阀产品的关系规则模型，获得设计单第35卷 第1期 2013-01(下) 97