基于SolidWorks平台的迭代设计方法研究

在目前制造业竞争越来越激烈的环境下，企业对于新产品快速开发的需求也日益增加。本文阐述了如何通过SolidWorks三维数字化创新平台与迭代设计相结合，加速新产品开发，提升新产品质量并降低产品开发成本。结合在浙江三花集团的应用实例进行说明，为企业更好地融合设计工具与方法提供了借鉴。

一、引言为一种趋势。

随着经济全球化和市场竞争的不断加剧，制造业正发生着巨大的变化。日益缩短的产品生命周期、全球化的竞争、供应链的复杂性以及不断增长的客户个性化需求，使得新产品的研发与推广变得更困难、更具挑战性。如何快速开发创新产品、快速响应市场需求成为企业竞争能力的体现。通过实施先进的设计工具及平台来提升企业开发效率已经成为一种趋势。

中国企业经历了长期的积累，逐渐从追求生产规模生产成本的劳动力密集型产业模式向自主研发、自主创新以及提供高附加值产品的产业模式转变。越来越多的中国企业选择SolidWorks三维数字化创新平台，希望通过应用先进平台来提升企业研发及创新能力。但是在以往的实施案例中，不同企业的应用效果存在很大差异。如何结合企业自身特点更好地应用三维数字化创新平台，成为越来越多企业的研究方向。

三花控股集团有限公司（下简称三花集团），创立于1984年，是一家集科研、生产、经营和服务于一体的传统离散型制造企业。2009年，三花集团开始实施SolidWorks三维数字化平台。在实施过程中，三花集团注重将SolidWorks三维数字化平台与迭代设计方法相结合，实现企业敏捷开发，从而加速新产品投放市场速度，提升新产品开发质量并降低新产品开发成本。

二、迭代设计

迭代设计是一种广泛应用于软件工程、互联网设计等领域的开发方法之一，是指将新产品开发过程划分为多个循环周期，在每个周期中对产品进行不断的更新及优化，每一个循环周期都可称为一次迭代。

目前大多数制造业企业采用瀑布式产品开发模式，简单地说，就是先定义需求，形成初步设计方案，然后详细设计、多次测试，最后一个产品。瀑布式产品开发模式的缺点显而易见，假如我们前期对于客户需求判断不准确，就盲目地投入设计生产，则可能投入大量精力开发出客户不满意的产品。

而采用迭代设计的产品开发就有所不同。假如这个产品的开发周期为6个月，我们先拿出一个月来设计出一个产品，也许会很不完善，会有很多要求没有加进去，但客户看了之后会提出详细的修改意见。我们再拿出一个月做需求分析、方案设计、详细设计以及检验测试，通过改进拿出一个更完善的产品，给客户提出意见。通过这种不断改进的方式，使新产品不断逼近客户需求。避免出现花心血完成的工作无法得到客户的认同。总结下来与传统的瀑布式设计相比较，迭代设计具有以下优点。

①降低了在一个增量上的开支风险。如果开发人员重复某个迭代，那么损失只存在这一个迭代中，可以随时进行回溯。

②降低了产品无法按照既定进度进入市场的风险。通过在开发早期确定风险，可以尽早地解决问题，而不至于在开发后期匆匆忙忙。

③加快了整个开发工作的进度。因为开发人员清楚问题的焦点所在，他们的工作会更有效率。

④由于用户需求会在后续设计阶段不断改进、细化，很难从一开始就很好地界定用户需求。因此迭代设计这种模式使企业更容易适应客户不断变化的需求。

三、基于SolidWorks平台的迭代设计应用

1.离散型制造企业实现迭代设计的难点

三花集团不断加大在研发创新上的投入，希望通过创新产品占领蓝海市场。面向快速变化的市场需求，敏捷开发逐渐成为像三花集团这样的离散型制造企业首选的研发创新方法。三花集团通过实践敏捷开发中的迭代设计方法，加速产品开发速度，降低产品开发风险与成本，并提了升产品开发质量。

三花集团迭代设计采用如图1所示的生命周期模型，每一次经过所有工作流程的过程称为一次设计迭代。每次迭代过程都要至少经历收集需求、详细设计、分析验证以及产品评估。

区别于软件工程、互联网设计等行业，在离散型制造企业中实施迭代设计方法的主要难点在于以下几个方面。

①每一个新产品开发项目都会有多个部门、多个角色的人员参与，必须按照项目的方式进行产品数据管理，支持团队协作。

②能够按照企业实际情况，建立迭代设计工作流程。整体流程中包含子流程的嵌套、需求、设计、验证及评估等子流程都要进行活动细化。整体流程及子流程支持流程循环、设计迭代。

③流程活动的变换与迭代版本之间需要建立关联，按照企业实际情况，流程中活动的变换需要驱动开发状态及迭代版本的变化。

④所有相关的产品数据（例如：需求说明书、三维模型、分析数据及评估文档等）之间的各迭代版本需要建立关联关系，可以通过统一的产品视图，管理迭代版本的产品全局数据。

⑤通过仿真分析工具完成产品的测试和验证，从而降低产品测试及验证的成本和难度，缩短测试及验证周期。

⑥迭代版本的数据可以随时进行回溯，降低了某一次迭代失败所带来的风险。

⑦更为直观及多样的产品呈现方式，便于内部及外部评估，在外部评估时要求保证数据的安全性。

2.SolidWorks三维数字化创新平台组成

首先构建SolidWorks三维数字化创新平台，该平台包含以下子系统。

①三维设计系统：SolidWorks 3D CAD。

②有限元仿真系统：SolidWorks Simulation。③CFD流体仿真系统：SolidWorks Flow Simulation。

④产品数据管理系统：SolidWorks Enterprise PDM。

⑤ERP接口系统：通过SolidWorks平台下子系统覆盖迭代设计过程中的各个环节，平台特点如图2所示。

3.实现基于SolidWorks三维数字化创新平台的迭代设计

下面详细叙述了通过SolidWorks三维数字化创新平台实现迭代设计的方法，出于企业数据安全及保密考虑，以下描述采用通用数据进行描述。

主系统如图3所示，以SolidWorks Enterprise PDM为主平台，通过SolidWorks Enterprise PDM的工作流功能定义详细工作流程，覆盖需求、设计、验证到评估各个阶段。并且通过流程驱动数据状态及版本变化。该工作流支持循环与重复，每一个迭代版本都可以按照标准工作流程执行。每一个产品从最开始计划到产品正式，迭代版本的数量不受限制。

在SolidWorks Enterprise PDM上集成SolidWorks 3D CAD、SolidWorks Simulation、SolidWorks Flow Simulation及Office工具套件。工程师通过这些工具进行需求管理，产品详细设计，仿真分析验证及产品评估工作。并将整个过程数据在SolidWorks Enterprise PDM的库中进行集中管理。

整个迭代设计的实现主要包含以下几个部分。

（1）迭代设计的工作流程。

该流程如图4所示，包括需求导入、产品设计、产品验证及产品评估四个阶段，这四阶段组成了一次完整的产品设计迭代。完成单次产品设计迭代后，设计负责人可以根据设计要求选择进行下次产品设计迭代或者直接进行产品定型。如果选择下次产品设计迭代，将会产生新的迭代版本，完成需求导入、产品设计、产品验证及产品评估四个阶段。产品设计迭代次数不限，根据设计要求由设计负责人进行控制，各阶段负责人可以继承上一次迭代，也可以重新选择。如果设计负责人选择产品定型，则产品终止迭代，版本变更为状态。最后如果产品退市，可以由设计负责人终止其生命周期。

（2）虚拟样机技术。

在产品验证阶段，如何对物理产品进行测试和验证呢？依照传统的验证方法，我们需要制造物理样机来进行测试和验证，不但制造成本高难度大，而且周期较长。特别是在多次迭代的情况下，采用这种方式是非常困难的，所以需要在验证阶段采用虚拟样机技术。

虚拟样机技术是面向系统级设计的、基于仿真设计过程的技术，包含有数字化物理样机（Digital Mock-up）、功能虚拟样机（Functional Virtual Prototyping）和虚拟工厂仿真（Virtual Factory Simulation）三个方面内容。

通过虚拟样机技术，在如图5所示的产品设计中，基于数字化三维模型采用SolidWorks Flow Simulation进行压力值、流量及Cv值的记录与分析。同时SolidWorks Simulation可以利用SolidWorks Flow Simulation计算出的压力、温度场进行阀门强度、疲劳等计算。

得到分析验证结果后，SolidWorksSimulation和SolidWorks Flow Simulation还可以对数字化模型进行设计优化，提高产品的质量稳定性，降低设计及制造成本，提升产品市场竞争力。在迭代设计中的验证阶段采用虚拟样机技术后，大幅度缩短了验证时间，降低了验证难度，是迭代设计实现过程中至关重要的环节。

（3）版本控制与设计回溯。

在迭代设计过程中，最重要的就是迭代版本的控制并可随时进行产品回溯。产品在单次迭代中的需求、设计、验证及评估过程都要进行版本控制。如图6左图所示，单次迭代过程由不同的用户完成，从需求、设计、仿真及评估过程的版本信息可以进行完全记录，在备注栏显示用户详细定义的该版本备注信息。如图6右图所示可以由用户自定义迭代版本规则，完成单次迭代后，迭代版本会自动变迁。

设计负责人可以在如图7所示的SolidWorks环境下对有记录的版本进行设计回溯。当需求发生改变时，我们可以在最接近需求的迭代版本中进行重新设计，从而减少设计工作量，缩短设计时间。

四、结语

本文详细阐述了三花集团在研发方法上的改善及创新，通过SolidWorks三维数字化创新平台，实施基于三维数字化虚拟产品的迭代设计方法。将先进的设计平台与先进的设计方法进行结合，充分发挥了三维数字化平台的应用效果，真正实现了企业效益的提升。