參數化設計

參數化設計是將工程本身編寫為函式與過程，通過修改初始條件並經計算機計算得到工程結果的設計過程，實現設計過程的自動化。

基本介紹

• 中文名：參數化設計
• 分類：參數化圖元和參數化修改引擎
• 屬性：思想
• 使用範圍：CAD、CAE

概述

參數化設計是Revit Building的一個，它分為兩個部分：參數化圖元和參數化修改引擎。Revit Building中的圖元都是以構件的形式出現，這些構件之間的不同，是通過參數的調整反映出來的，參數保存了圖元作為數位化建築構件的所有信息。參數化修改引擎提供的參數更改技術使用戶對建築設計或文檔部分作的任何改動都可以自動的在其它相關聯的部分反映出來，採用智慧型建築構件、視圖和注釋符號，使每一個構件都通過一個變更傳播引擎互相關聯。構件的移動、刪除和尺寸的改動所引起的參數變化會引起相關構件的參數產生關聯的變化，任一視圖下所發生的變更都能參數化的、雙向的傳播到所有視圖，以保證所有圖紙的一致性，毋須逐一對所有視圖進行修改。從而提高了工作效率和工作質量。

套用

用方法開發產品時，零件設計模型的建立速度是決定整個產品開發效率的關鍵。產品開發初期，零件形狀和尺寸有一定模糊性，要在裝配驗證、性能分析和數控編程之後才能確定。這就希望零件模型具有易於修改的柔性。參數化設計方法就是將模型中的定量信息變數化，使之成為任意調整的參數。對於變數化參數賦予不同數值，就可得到不同大小和形狀的零件模型。

在CAD中要實現參數化設計，參數化模型的建立是關鍵。參數化模型表示了零件圖形的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結構約束和尺寸約束。結構約束是指幾何元素之間的拓撲約束關係，如平行、垂直、相切、對稱等；尺寸約束則是通過尺寸標註表示的約束，如距離尺寸、角度尺寸、半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關係，通過定義尺寸變數及它們之間在數值上和邏輯上的關係來表示。

本質意義

在參數化設計系統中，設計人員根據工程關係和幾何關係來指定設計要求。要滿足這些設計要求，不僅需要考慮尺寸或工程參數的初值，而且要在每次改變這些設計參數時來維護這些基本關係，即將參數分為兩類：其一為各種尺寸值，稱為可變參數；其二為幾何元素間的各種連續幾何信息，稱為不變參數。參數化設計的本質是在可變參數的作用下，系統能夠自動維護所有的不變參數。因此，參數化模型中建立的各種約束關係，正是體現了設計人員的設計意圖。

參數化設計可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產品的系列設計、相似設計及專用CAD系統開發方面都具有較大的套用價值。參數化設計中的參數化建模方法主要有變數幾何法和基於結構生成歷程的方法，前者主要用於平面模型的建立，而後者更適合於三維實體或曲面模型。

歷史現狀

參數化設計是在變數化設計思想產生以後出現的，要了解參數化設計的歷史必須追溯變數化設計的由來。變數化設計一詞是美國麻省理工學院Gossard教授提出的，他採用非線性約束方程組的聯立求解，設定初值後用牛頓疊代法精化，這種方法的最大優點在於通用性強，約束方程的內容不限，除了幾何約束以外還可以引入力學、運動學、動力學等關係，但其存在一個不可逾越的障礙:非線性方程組的行秩有可能不等於列秩，從而導致方程組無解(需要說明的是:在將來這個障礙可能隨著數學方法的改進而消失)。這種方法過早地把幾何約束映射為代數方程組，使問題求解的規模和速度難以得到有效控制。英國劍橋大學Johnson從1990年起著手研究機械結構的功能建模時同樣聯立求解一組線性方程組，從多個可行解中尋求最優解。所不同的是，他嘗試了遺傳算法和模擬退火算法，認為後者的效果更好。

Gossard的倡導在當時CAD界並未引起重視，直到1987年底PARAMETRIC-TECHNOLOGY公司推出了以參數化、變數化、特徵設計為基礎的新一代實體造型軟體PRO/ENGINEER後，CAD界才真正認識到變數化設計的真正威力，紛紛仿效。變數設計成了新的CAD標準。同年，從麻省理工學院畢業的幾位博士創辦了Premise公司，認真實現Gossard的理論思想，形成了微機和Windows環境下的商品軟體，稱作DesignView。1989年秋進入市場，隨後CV公司吸收了DesignView，成為CV的系列產品。80年代初，針對CAD/CAM集成的需要，人們開始了對特徵和特徵造型的研究。由於各種特徵是從具體套用中抽象、總結出來的，有先天的家族性，所以參數化設計是特徵套用的一個重要前提。80年代中後期，PARAMETRICTECHNOLOGY和SDRC等公司都開發出了以特徵為對象的特徵造型系統(PRO/ENGINEER和I-DEAS)。這些系統都能在一定範圍內實現對特徵的參數設計。

SDRC公司在1991年，其I-DEAS第六版的DRAFT模組中提出了一項新的互動作用技術：“動態導航技術”，該技術利用從工程製圖標準抽象出來的規則預測下一步操作的可能，大大方便了操作。動態導航技術和參數化技術己成為大多數CAD系統的主要功能和目標。在現有的三維CAD系統中，他們大致是這樣實現的:利用動態導航技術或其它草圖技術迅速生成用以構造三維特徵的二維輪廓(PROFILE)，這個輪廓準確的位置和尺寸都不必在草圖輸入時給出，而可以在以後的參數設計過程中得到。再利用系統的拉深或迴轉等其它手段來生成三維特徵。有了這個基礎，再加上一棵記錄造型過程的CSG樹，就可完成對最後模型的“參數”設計。但值得強調的是，這裡的參數並不是最後模型的設計參數，而是完成造型過程的造型參數。

正是由於三維參數化特徵造型系統的設計參數和造型參數有很大的不同，雖然很多系統都聲稱是全雙向可逆(FULLYBIDIRECTION)的，但實際上它們通過投影直接生成的二維圖距離最終的工程圖紙要求還差得很遠。特別是尺寸標註，它可以通過投影控制特徵參數在二維圖形上的投影，但卻無法對最終工程圖的尺寸進行真正的參數設計。在三維CAD系統中，動態導航僅被用來生成二維輪廓。這裡論述的參數設計也主要是針對這個二維輪廓進行的。由於這個二維輪廓只是用來生成三維特徵，它遠比我們在二維CAD系統中要處理的工程圖簡單得多。

顯然，要實現對二維工程圖的參數化設計/繪圖工作從一定意義上講比在三維環境下更為困難。許多CAD工作者圍繞如何將概念設計和參數設計引進傳統的二維CAD系統進行了大量的研究。

設計軟體

常用的參數化設計CAD軟體中，主流的套用軟體有Pro/Engineer、UGNX、CATIA和Solidworks四大軟體，四大軟體各有特點並在不同的領域分別占據一定的市場份額。Pro/Engineer是參數化設計的鼻祖，參數化設計的實現最先就是由Pro/Engineer實現，而Pro/Engineer也因為參數化的特點在橫空出世後迅速搶占了傳統CAD軟體巨頭UG和CATIA的部分市場份額，主要套用於消費電子、小家電和日用品、發動機設計等行業；UG和CATIA兩個傳統的軟體巨頭也不甘落後，緊隨Pro/Engineer之後加入了參數化設計的功能，在傳統的製造行業比如汽車、航空航天等行業上兩個軟體占據絕對的市場份額。