产品关联设计及变更影响分析*

刘彦臣， 刘玉斌， 石亦琨， 唐家鹏， 李战芬

(1. 中北大学 机电工程学院， 山西 太原 030051； 2. 首都航天机械公司， 北京 100076；3. 太原工业学院 网络与信息中心， 山西 太原 030008)

产品关联设计及变更影响分析*

刘彦臣1， 刘玉斌1， 石亦琨2， 唐家鹏1， 李战芬3

(1. 中北大学 机电工程学院， 山西 太原 030051； 2. 首都航天机械公司， 北京 100076；3. 太原工业学院 网络与信息中心， 山西 太原 030008)

针对产品关联设计技术及关联信息的管理策略， 建立了关联信息的计算机表示模型. 提出了面向产品关联设计的广度优先遍历算法， 实现了模型关联传播范围的求解， 获得了需要关联协调解决的零部件间的关联关系和参数. 开发了基于CATIA平台的产品关联设计工具集， 并进行实时自动更新， 从而实现对产品结构模型的快速重建以及设计的快速迭代， 提高了工作效率和结构设计质量， 加速了产品的研制进程. 最后以飞机垂尾结构为例， 验证了关联设计工具集及算法的可行性和有效性.

基准引用； 参数关联； 变更； 关联传播范围

0 引 言

复杂产品的设计往往是一个不断迭代的过程， 设计中结构的变更和修改是不可避免的[1]. 由于产品零部件模型之间普遍存在着各种关联关系， 因此， 设计变更往往会产生关联传播现象[2]， 如在设计过程中， 当某个模型的参数或元素发生变更后， 引用了该模型参数或元素的其它模型可能会受到影响[3]. 虽然数据管理平台提供了产品设计变更的管理， 但是由于产品结构模型间关联关系的复杂性及受设计人员知识的限制， 实际中仍然采用经验判断的方式来确定受影响模型， 而导致可能漏掉某些模型， 使得在最后接近完成设计时发现模型间的冲突， 此时进行修改或返工必然会造成设计的延误和时间的浪费[4]. 因此需要进行产品结构设计变更影响分析和控制， 搜索并求解受当前模型影响的全部关联模型， 并进行模型的快速修改和更新.

目前， 产品变更的影响受到了广泛的关注和重视， 很多国内外研究人员对设计更改导致的变更传播进行了研究， 但这些研究更多偏重于理论方法的介绍和分析[5-8]. 如Reddie等[9]提出了复杂产品分析网络处理的方法， 用于表达产品中模块之间的关联性， 并根据模块和系统的依赖关系进行设计变更影响的分析. 何睿等[10]基于设计结构矩阵和有向图理论， 在产品设计过程中针对产品变更及传播的特点， 分析了工程变更中不同变更传播的类型及其传播的内在原因， 提出了通过核心模块聚类进行变更传播影响的预测方法. 方泳泽等[11]对工程变更中零件变更的传播问题进行了研究， 提出了基于有向图的变更传播方法， 通过“传播实图”来引导和记录零件变更的传播范围， 并进行变更的影响评估. Eckert等[12]在直升机设计过程中通过建立不同的链接关系， 对设计变更进行分析、 评估和预测， 并引入了“传播可能性”的概念来定量地预测直升机设计中变更传播影响的可能性.

上述研究分别从不同角度对变更影响做了分析， 并对工程及设计变更影响的模型进行了预测， 为工程及设计中预测和控制变更的影响提供了理论基础. 然而， 这些对变更的影响分析无法具体确定出产品变更影响的模型传播范围， 即没有通过一种有效的方法或算法求得受影响的模型， 更无法细化到具体特征和参数级别. 在实际产品设计中， 设计人员需要确定某个模型进行了变更操作后会影响到哪些下游模型， 并关心影响的模型内具体的元素， 因此以上研究难以对解决实际产品设计变更影响给予有效指导.

本文提出面向产品关联设计的广度优先遍历算法， 开发了关联设计工具集， 基于飞机垂尾结构实现了设计变更的搜索， 自动判断受影响的下游模型， 并能够准确定位到模型内部的具体元素， 为飞机翼面结构设计等工程中变更传播分析问题的解决提供了新思路.

1 关联设计

传统的参数化设计一般是在单个零件内通过几何及尺寸约束的定义建立特征的相关性， 或在零件间通过简单表达式实现公式或参数的关联[13]， 是一种零件级的参数化设计技术. 在面对复杂的产品设计或无法简单用表达式表述的关系时， 以往的参数化设计技术不能够满足设计需求. 关联设计把零件的参数化设计上升到零件与零件之间的关联， 表现为零件中几何元素或参数间的驱动[14]， 是面向产品和部件级的参数化设计技术.

1.1 基本概念

关联设计是指产品设计过程中， 在产品数据管理和CAD技术支持下， 通过参数化设计技术建立零件或模型之间的驱动关系[15].

模型关联是指通过几何元素或参数的外部引用， 在产品零部件之间建立的链接关系. CATIA通过发布机制、 带链接的粘贴、 外部引用等功能在一定程度上支持了产品的关联设计， 并保证了这种链接.

对象是指产品关联设计中模型内部的特征及参数， 本文将基准点、 基准线、 基准面等特征元素及参数统一定义为“对象”.

根据产品模型间关联的特点， 关联关系主要包括两种类型： 基准引用和参数关联. 基准引用通常是在产品装配的环境下， 零件设计时直接选取其它零件模型中的基准点、 线、 面等特征作为参考而建立起来的外部引用关联方式； 参数关联是零件设计时通过零件模型之间的几何或非几何参数建立起来的外部关联方式， 其中产品结构的重量、 材料、 热处理、 表面处理等非几何文本信息采用字符串形式， 可以转化为参数关联类型.

1.2 关联关系管理策略

为记录和管理产品零件(或称模型)间的关联关系， 实现关联设计信息的有效管理， 建立零件间关联信息的计算机表示模型， 如图 1 所示.

关联信息由两个层次构成：

1) 关联关系的上层为模型间关联， 如模型M0和模型M3关联， 可用以模型为结点、 模型关联关系为边的有向无循环图表示， 且图中不存在回路.

图 1 关联信息计算机表示模型Fig.1 Associated information model of computer

2) 关联关系的底层为模型间包括特征和参数的具体对象的关联， 如模型M6基于特征obj0引用模型M3， 参数M6_obj2=M3_obj1+M3_obj3， 模型M6所用材料与模型M3相同等. 这种关联可用从驱动对象到被驱动对象的映射表来表示. 产品模型关联的本质是模型中对象的关联， 存在对象关联的产品模型之间必然存在关联关系.

为进一步便于计算机理解和处理模型关联关系， 可以使用BNF范式对关联信息计算机表示模型进行形式化表达：

〈关联信息〉∷=〈模型〉〈模型关联关系〉，

〈模型〉∷=〈模型ID〉〈模型所在路径〉〈模型对象集〉，

〈模型对象集〉∷={〈模型特征〉}{〈模型参数〉}，

〈模型关联关系〉∷={〈对象关联关系〉}〈对象关联关系个数〉，

〈对象关联关系〉∷={〈驱动参数〉}{〈被驱动参数〉}〈关联类型〉〈关联关系表达式〉.

2 产品变更影响分析

本文以产品关联信息计算机表示模型为基础， 首先在产品结构树中自顶向下地进行关联建模， 然后通过分析模型对象变更的传递路径， 进行关联传播范围求解方法的研究， 最后获得需要关联协调解决的零部件模型以及关联关系和参数, 如图 2 所示， 从而支持设计人员快速、 准确地定位这些模型以及模型内部具体对象， 并进行自动更新.

图 2 产品结构变更影响分析Fig.2 Analysis of product structure change

2.1 产品关联建模

关联设计中， 首先要进行模型内对象的发布. 发布(Publication)是进行产品结构协同设计时为更好地控制所创建的外部参考特征而进行的操作， 是一个用特定的标签进行元素命名的过程[16]. 如果模型中创建的对象被其他模型引用， 需要通过“发布”机制将该对象进行发布. 图 3 所示为机翼盒段骨架模型构件的站位面及上下蒙皮发布的情形.

图 3 机翼盒段结构元素发布Fig.3 Release of wing box elements

通常用于发布的对象包括线框元素如点、 线、 面等， 也可以是构造实体几何中的长方体、 圆柱体以及参数等. 协同设计过程中， 发布的对象更方便被所有设计人员识别并引用， 也更容易实现零部件之间的替换， 同时， 具有相同名字的发布对象能够自动链接. 虽然模型创建时引用普通对象同样能够实现模型的关联， 但是引用未发布的特征或参数时， 关联链接容易断开或出现错误， 难于实现模型的自动更新， 因此产品结构关联设计中禁止引用未经发布的对象.

产品模型关联关系的建立是根据产品结构树， 自顶向下依次建立组件模型之间的关联. 先建立产品与部件之间的关联， 然后向下一层进行分解， 直到产品最低层的零件级别， 从而形成所有零部件的关联模型网络. 产品结构树中零组件之间存在大量关联关系， 各关联关系相互联系在一起形成特征对象关联网络， 如图 4 所示.

图 4 产品对象关联网络Fig.4 Associated network of product object

该网络以结构树为框架， 包含了产品族、 产品层、 部件层、 零件层及对象特征等多维度的产品关联设计信息.

2.2 关联传播路径分析

关联传播路径分析以产品的结构树为基础定义路径， 采用遍历的方法进行搜索. 按照给定的产品结构树中的单向路径来查找建立关联关系的组件及零件模型， 从关联传播的角度遍历组件或零件模型之间所有的可能路径， 从而获取关联传播路径的集合. 研究和讨论关联传播路径是进行结构变更影响分析及确定模型关联传播范围的基础和前提.

路径是指产品结构树中两个模型或结点之间依次连接形成的不封闭的路线.

路径包括横向路径和纵向路径： 结构树中由具有横向关联关系的模型或结点连接而成的路径， 称为横向路径， 如图 5 所示的模型④-⑤和-等形成的横向路径； 结构树中具有从属关联关系的模型或结点之间连接而成的路径， 称为纵向路径， 如模型①-④-⑨形成的纵向路径.

图 5 关联传播路径及可能的受影响模型Fig.5 Associated propagation path and affected models

在产品关联设计中， 横向路径和纵向路径都具有单向性， 即只能上游模型影响下游模型， 而下游模型特征或参数的变化不会引起上游相关模型的任何变更， 即在图5中模型④的变更不能影响到模型①.

如模型④发生变更， 则出现的路径为：

2.3 关联传播范围求解

1) 定义

在产品设计更改过程中， 当模型中某对象发生变更时， 受到影响的模型的集合称为模型变更的关联传播范围或变更影响范围. 关联传播范围可以表示为

D(ci)={c|c∈Cp∪c∈Cc},

式中：Cp为横向路径集合；Cc为纵向路径集合.

关联传播范围的确定是通过统计变更传递路径上的结点， 获取所有关联传播影响的零部件模型. 为了评估或确定关联传播的范围， 有必要分析模型间的直接影响和间接影响. 直接影响通常发生在两个具有直接关联的模型间， 不需要经过其他模型或第三方系统. 而一个模型对另外模型的间接影响往往需要经过一个或多个模型的传递才可以实现. 在图5中， 模型④中某对象发生更改时， 模型⑤, ⑨,,,都可能发生变更， 其中模型⑤和⑨为受直接影响的模型， 而模型,和为模型④的间接影响模型； 模型是模型⑩的直接影响模型， 同时是模型⑤的间接影响模型. 讨论和确定关联传播范围， 不仅要考虑受变更模型的直接影响， 同时还要考虑间接影响.

2) 关联传播范围对象分析

关联传播范围的求解是从要分析的变更的模型结点开始， 在关联信息计算机表示模型关系图中按照关联传播路径进行遍历， 搜索出受影响的模型并将其更新， 以保持上下游模型数据的一致性. 但与通常的遍历搜索不同， 关联传播范围的搜索是基于模型内部对象， 而不仅仅是模型本身， 如图 6 所示. 当模型中某个对象发生更改时， 与该模型直接关联的模型是否会更改与模型中具有关联关系的对象有关.

图 6 中对象A和B为模型①中的发布元素， 对象D, F, K与对象A之间存在映射关系， 模型②, ③和⑥在建模时均引用了发布对象A， 因此模型①与模型②, ③和⑥之间存在关联关系， 其中模型①为上游驱动模型， 其余为下游被驱动模型. 对象H与B之间存在映射关系， 模型④在建模时引用了发布对象B， 模型①与④之间存在关联关系， 其中模型①为上游驱动模型， 模型④为下游被驱动模型. 对象DD为模型②中的对象D经过操作得到的对象再进行发布后的元素， 模型⑤在建模时引用了该元素， 模型②与⑤之间存在关联关系， 其中模型②为上游驱动模型， 模型⑤为下游被驱动模型. 现假设模型①中的A对象发生更改， 由于存在直接的关联和映射关系， 模型②, ③和⑥受到影响随之变更， 为直接受影响模型， 而D的变更可能触发DD的变更， 从而促使模型⑤变更， 因此模型⑤成为可能的间接受影响模型. 如果模型①中的B对象发生更改， 则仅会引起模型④变更， 而不会引起模型②, ③和⑥的变更.

图 6 基于对象的模型设计变更Fig.6 Design changes based on object model

因此， 模型的变更不一定会对与其相关联的其他模型产生影响， 只有当改变被关联模型引用的对象时， 相关联的模型才受到影响.

3) 求解算法

广度优先遍历算法的基本思想是： 首先在有向图中从初始结点p0开始， 依次搜索p0的所有相关联的结点p1，p2…， 然后按照顺序选中一个已经搜索的结点， 继续搜索其所有相关结点， 当所有结点都被搜索， 则遍历搜索结束.

本文提出面向产品关联设计的广度优先遍历算法， 根据图 4 所示的产品对象关联网络及模型对象间的关联关系， 产品对象关联网络为一有向图， 图中的每个结点对应一个变量， 变量的取值为1或0. 当一个结点发生变更后， 搜索与该结点相连接的所有结点， 然后判断结点是否变更， 如果结点需要变更， 则该结点取值为1， 需从此结点向下继续遍历搜索， 否则该结点取值为0， 具体算法如下：

1) 假设p0结点处初始模型M0内的某一对象发生变更， 则搜索从初始模型M0开始， 沿着模型M0的横向和纵向传播路径， 依次访问所有与初始模型有关联的下游受影响模型M1,M2,….

2) 根据模型关联的对象进行判断， 与初始模型内对象具有关联关系的模型所在的结点记为1， 否则记为0. 继续遍历搜索取值为1的模型所在结点， 而取值为0的结点不再继续搜索. 当所有相关结点均取值为0或无下游结点， 搜索结束.

3) 去除传播路径中重复的结点， 只保留1个， 计算所有取值为1的结点对应的模型， 即可获得最终的初始影响模型变更的关联传播范围D(ci).

结合图 7 的模型变更过程， 该算法可描述为：

图 7 模型的变更Fig.7 Change of model

1)p0结点处模型中某一已发布对象A(如某平面位置)发生变更， 首先沿纵向传播路径进行搜索， 由于下游模型①和②中的对象与A具有关联关系， 因此， 该模型的变更必然会引起模型①和②的变更， 则p1结点和p2结点记为1， 如图 7 所示； 而发布对象A没有被模型③所引用， 因此， 模型③不会被影响， 则p3结点记为0， 同时模型③下游所有模型结点均记为0.

2) 模型①和②中引用A的对象经过模型内部操作后进行发布， 分别为B和C. 然后以p1和p2结点为起点继续向下并沿纵向传播路径和横向路径进行遍历搜索， 搜索方法同步骤1). 根据遍历搜索结果， 模型⑤被影响， 则p5结点记为1， 模型④， ⑥和⑦没有受到影响， 则模型结点记为0， 下游结点也均记为0.

3) 同步骤1)和2)， 继续以p5结点为起点向下进行遍历搜索， 模型⑥被影响， 则p6结点记为1， 模型没有受到影响， 则p11结点记为0， 其下游结点也均记为0.

4) 再以结点p6为起点向下进行遍历搜索， 模型被影响， 则结点p12记为1， 模型没有受到影响， 则p13结点记为0， 其下游结点也均记为0.

图 7 反映了p0结点处模型变更的情形， 去除重复结点处模型， 计算所有取值为1的结点处模型， 其精确的关联传播范围为:D(c0)={c1,c2,c5,c6,c12}.

根据上述分析， 面向产品关联设计的广度优先遍历算法具有以下特点：

1) 有向图中结点取值为0还是1， 由计算机根据模型关联对象关系自动判别， 而继续向下遍历搜索的前提条件是模型结点取值必须为1.

2) 模型的结点可能被重复遍历， 如模型⑥结点， 以该结点向下遍历时应将结点的取值进行叠加， 并且在求解关联传播范围时只应统计1次.

3) 基于该算法进行的相关修改常常在一个有限的范围内， 即更改一个模型引起所有模型的改变是不可能的， 这与实际产品设计是吻合的.

该实例发生了多级变更， 除了模型①和②外， 还产生了⑤, ⑥和3个间接受影响模型， 而在实际的产品结构变更过程中， 这种情形会经常出现.

3 关联设计数据流

关联设计把单个模型的参数化设计上升为两个甚至多个模型之间的关联， 其外部表现为模型和模型之间的关联和驱动关系， 而实质的关联关系存在于模型内具体对象之间， 即对象间的驱动， 如图 8 所示， 其本质是数据在模型内对象间的流动或传递， 即数据流. 形成数据流的数据可以是几何参数或非几何参数(如材料)， 也可以是点、 线和面等基准特征元素.

在产品关联设计中， 上下游模型间数据流具有以下特点：

1) 模型间数据的映射用于记录和表达模型之间的数据流向关系， 通过数据流可以查看模型间的关联关系， 从而实现向上进行来源分析， 向下进行变更影响分析.

2) 数据的引用功能支持模型引用父级节点和同级节点的数据.

3) 上游模型对象发生变更， 通过模型间数据流的映射和传递， 下游模型发现不匹配， 则模型自动变红.

图 8 模型间数据映射关系Fig.8 Data mapping relationship between models

4 飞机翼面结构设计实例

飞机翼面结构设计变更主要包括以下两种情形： ① 模型创建基准线或基准面的变化引起引用该基准的模型的更新； ② 模型结构发生尺寸的修改， 如飞机翼面结构件模型参数的更改， 导致与该参数有关联关系的模型的尺寸发生更改. 对于这两种设计变更， 前一种情形在目前的飞机翼面结构设计中应用较多， 相关技术较为成熟， 而对模型几何或非几何参数的更改导致的设计变更所进行的研究还相对较少. 下面以某飞机翼面结构(垂尾)为例说明上述变更情形， 如图 9 所示. 由于垂尾结构设计中模型间的关联关系及变更对象较多， 表 1 中列出其中一部分的变更情形， 并在关联设计工具集的传播范围求解中进行验证.

图 9 垂尾结构Fig.9 Structure of vertical tail

表 1 垂尾结构模型及关联关系

5 关联设计工具集开发及验证

为提高飞机翼面结构模型更新速度及数字化设计的效率和质量， 在上述研究和分析的基础上， 基于CATIA V5平台开发快速设计软件——关联设计工具集， 界面如图10所示. 关联设计工具集的开发采用CAA来实现， 因为CAA的可定制程度最高， 由CAA C++ API提供的界面最优， 并且能够与CATIA更好地兼容， 也更容易访问VPM系统.

图 10 关联设计工具集Fig.10 Toolset of associated design

图 11 关联传播范围Fig.11 Associated propagation range

针对本文所提出的算法及关联设计工具集最核心的功能， 以飞机垂尾结构为验证对象， 以表 1 的变更情形进行飞机翼面结构设计变更影响分析， 实现模型关联传播范围的求解. 首先选择关联设计工具集界面“装配模型”文本框， 拾取CATIA中装配模型， 然后点击“关联范围”按钮， 工具集会弹出“关联传播范围”对话框， 展示所拾取的装配模型结构树下的所有装配体及模型， 点击其中任何模型的某一对象， 其上游模型和下游受影响的模型以及内部具体对象以不同颜色呈高亮显示， 如图 11 所示. 其中深色表示上游模型及其内部发布的对象， 浅色表示下游受影响模型及其内部对象. 基于验证实例及工具集功能， 需要说明：

1) 通过垂尾结构模型间的数据流， 关联设计工具集不仅能够实现产品变更影响分析， 同时支持设计变更来源分析， 即实现模型变更来源追溯. 点击模型中某对象， 工具集能够快速查询到上游模型及内部对象， 具体为与选择对象相对应的上游模型内发布的对象， 并呈高亮显示， 如图11(3)所示；

2) 在飞机翼面结构设计中， 往往形成二级或多级关联， 如图11(3)和(4)所示. 选择上游模型中某发布的对象， 不仅与其具有直接关联的模型及内部对象呈高亮显示， 其下游所有间接影响的模型及模型内具体对象也均呈高亮显示.

6 结 论

本文进行关联设计及变更影响分析， 研究内容具有普遍通用性， 不仅适用于飞机翼面结构， 同样适用于其他复杂产品的快速设计和变型设计.

建立了产品零件关联关系的计算机表示模型， 实现了关联信息的有效管理， 提出了面向产品关联设计的广度优先遍历求解方法， 在关联信息计算机表示模型关系图中， 按照关联传播路径自上而下地遍历搜索， 进行产品结构变更影响分析， 实现了关联传播范围的求解.

开发了关联设计工具集， 以飞机翼面结构为例， 验证了关联设计技术及求解方法的可行性和有效性. 工具集支持向前进行来源分析， 向后进行影响分析. 通过分析确定模型关联传播范围， 并及时通知下游设计人员， 让其知道更新操作影响哪些下游模型， 本模型需要更新是由上游哪个模型引发， 以便出错回溯并有针对性地更改设计， 并对其进行同步更新， 提高设计的效率， 保证上下游模型数据的一致， 实现设计的并行和协同.

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ProductAssociatedDesignandChangeImpactAnalysis

LIU Yan-chen1, LIU Yu-bin1, SHI Yi-kun2， TANG Jia-peng1, LI Zhan-fen3

(1. College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China；2. China Capital Aerospace Machinery Company， Beijing 100076, China；3. Network Information Center, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China)

According to associated design technology and management strategy of product associated design information, computer representation model of associated information is built. Breadth first search algorithm oriented product associated design is proposed to achieve the solution for the associated propagation range of models and the parts, association and parameters need to be addressed are obtained. Associated design toolset based on CATIA platform is developed to support designers to quickly and automatically update in real time, so as to realize achieve rapid reconstruction of product models and fast design iteration, improve work efficiency and design quality, accelerate the development process of the product. An aircraft vertical tail structure instance is presented to demonstrate that the associated design toolset and algorithm are feasible and effective.

datum reference; parameter association; change; associated propagation range

1673-3193(2017)03-0282-09

2016-11-12

刘彦臣(1974-)， 男， 副教授， 博士， 主要从事先进制造技术的研究.

V221

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.007