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基于虚拟模型的大型装置零件反求设计方法

刘常乐1郁杰1武松涛1王建军2

1中国科学院等离子体物理研究所230031
2上海同济同捷科技股份有限公司201206
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摘要：针对大型装置的无实物模型零件系统设计，介绍了一种新型的产品零件反求设
计方法，阐述了其基本设计过程。提出了零件虚拟模型的概念，重点描述了虚拟模型
的创建和数字化方法，并对零件CAD模型的优化设计方法进行了研究。最后利用设计
实例说明了产品零件的反求设计过程。
关键词：反求设计；设计方法；虚拟模型；大型装置
1．引言

反求设计(ReverseEngineering)主要是基于产品零件的实物或者实物模型，利用现代设计理论、方
法、技术和相关专业知识进行产品仿制和设计的重要工程设计方法，其基本过程包括原型数字化和CAD模
型重建两个主要阶段，它的本质是基于测量的工程设计。反求设计方法已经广泛地被认为是一种重要的产
品设计方法，成为工程界不可缺少的技术手段，对于提高我国科技创新能力也有着十分重要的意义。
在机械设计领域中，反求设计主要应用在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况
下，按照现有零件的模型，利用各种数字化技术重新构造零件CAD模型的过程。另外，反求设计还可以应
用在当设计工作必须通过实验或者测试分析才能定型的零件设计时。比如在大型装置的设计领域，为了满
足装置的设计要求，在装置概念设计提供的设计框架基础上需经过各种相关的分析和性能测试才能建立相
应的产品零件模型，而且没有零件实物或者实物模型可供利用。这类没有现成零件或者实物模型的大型装
置零件设计，本质上也属于反求设计。
2．大型装置零件反求设计系统

大型装置的工程设计是一个庞大的系统工程，其零件的设计一般滞后于总体框架的设计。零件的设计
需要根据总体结构框架以及相关设计准则进行反求设计。反求设计的基本过程首先根据零件设计概念并基
于装置的结构框架确定零件在总体结构中的空间位置，构造零件的设计空间，确定零件模型的基本特征，
完成零件模型的虚拟化。然后基于零件的虚拟设计模型进行零件特征信息的采集，建立数字化零件模型库，
并利用CAD技术进行零件模型的重建。初步的零件CAD模型必须结合装置的物理与工程设计原则进行相关
的分析和优化设计才能最终符合设计要求。图1所示为大型装置零件的反求设计基本过程。

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图1大型装置的零件反求过程图2虚拟模型构建
在反求设计过程中，零件虚拟模型的数字化集中体现了基于结构空间的分析和测量方式，它实现了产
品零件的无实物模型数据采集。CAD模型重建可以借助如曲面建模、实体建模、参数化设计、虚拟装配等
各种计算机辅助设计方法和技术手段完成零件模型的初步设计。在零件CAD模型的优化设计过程中，CAE
分析是必不可少的。对于大型装置的零件设计，要根据其特定的工况条件进行相关的分析研究，对不合理
的结构模型进行重新设计和修改，完成零件的CAD模型构建。另外，对于虚拟模型所包含信息的不足可
以依据设计准则通过装配仿真设计进行弥补。因此，这种基于已知设计框架的零件设计方法虽然不是基于
实物模型的设计，但从本质上讲是基于测量的特殊的反求设计。
2．零件虚拟模型的构建和数字化过程
2．1零件的虚拟模型概念及创建
零件虚拟模型是指不用制作和提供实物模型，根据设计任务所提供的设计框架结构以及零件的设计概
念构建的虚拟设计空间。虚拟设计空间提供了设计零件结构特征的平台，它相当于一个真实存在的假想模
型，零件特征的数字化将基于这个虚拟模型。
一般的反求设计过程是基于已经存在的零件或者零件的实物模型进行数据信息采集，然后再进行CAD
模型重建[1]。与之相比，基于虚拟模型的反求设计并不需要零件的真实模型。这对那些没有实物或者实物
模型的零件反求设计十分重要。如前所述，在一些大型装置的设计工作中，可能不会提供零件的实物模型，
一是因为装置的零件数目太多，二是时间和成本不允许。虚拟模型的创建解决了既不需要实物模型，又能
提供可供数据采集的零件信息平台，为大型装置的零件反求设计提供了方便。
虚拟模型建立的关键在于零件结构空间的构建。在大型装置设计中，概念设计所产生的结构框架提供
了不同零件设计的空间区域，它所处的结构模块的空间结构决定了零件的基本设计空间，因此需要对装置
结构框架进行分析和解剖，包括根据设计要求设计一些相关的辅助结构来创建零件设计的基本结构空间
等。零件的设计概念则是建立虚拟模型的重要指导原则。在这个原则指导下，在结构模块中创建零件设计
空间，实现零件模型的虚拟化，从而初步确定了零件设计区域的空间位置、几何形状、基