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山东大学硕士学位论文 拉深工艺软件工程分析与c a d 摘要 随着计算机应用的只益普及和深入，人们对软件的需求量急剧增加， 以软件的说明、开发、维护和管理为内容的软件工程学得到了广泛的应 用。其经典的结构化分析一结构化设计一结构化程序设计( s a s d s p ) 方法己被程序设计者所广泛应用。随着c a d 技术的不断发展，c a d 技术 被广泛应用于不同的科学领域，模具c a d 技术也得到了快速发展并建立 了许多模具c a d 系统，例如：冲裁模c a d 系统、挤压模c a d 系统等等。 但是在国内，就拉深工艺系统而言，虽然已有人建立了相关的c a d 系统， 但它往往只是涉及其中的一种或几种拉深件。也就是说，人们还尚未建立 一套完整的拉深工艺c a d 系统，这对于拉深工艺的设计者来说，无疑是 一个比较大的麻烦。因为设计者在设计时不但需要查阅大量的参考资料， 而且还需进行大量的工艺计算。因此，建立一套完整的拉深工艺c a d 系 统对于设计者来说是非常必要的。鉴于此，该系统遵循软件工程学的原理， 以v i s u a lb a s i c6 0 为开发工具，参照传统的拉深工艺设计过程，建立了 一套完整的拉深工艺c a d 系统。在该系统中主要包括以下几方面内容： ( 1 ) 旋转体零件筒形件( 无凸缘筒形件和带凸缘筒形件) 、阶梯形 件、锥形件、半球形件及抛物线形件。 ( 2 ) 非旋转体零件盒形零件( 矩形盒和方形盒) 和复杂形状零件。 其中，对于筒形件( 无凸缘筒形件和带凸缘筒形件) 及盒形件( 矩形盒和方 形盒) 的工艺设计通过参照传统的工艺设计方法，运用手册、资料中的公 式及计算方法来得以实现：而对于阶梯形件、锥形件、半球形件、抛物线 形件及复杂形状的零件，则根据零件的不同特征给出它的设计要点、设计 方法、设计准则及设计思路等等。 论文中以无凸缘筒形件的c a d 系统开发为例，运用软件工程学中的 结构化分析一结构化设计一结构化程序设计方法对整个系统进行了软件 工程分析，并以此为基础，开发了拉深工艺c a d 系统。实际应用表明， 该系统的用户界面友好、简捷、明了且具有良好的可视化功能，人机对话 相当方便。其功能符合基本的工艺设计要求，并充分考虑了今后系统的可 摘 要 扩展性。设计者借助于该系统的自动检索、自动查阅及自动计算功能可从 繁冗的查阅各种手册、工具书和进行大量的工艺计算等设计工作中摆脱出 来。使用该设计系统能显著地提高零件的设计速度和质量、降低生产成本： 并能大大提高设计效率、缩短设计周期。 i i 关键词：拉深工艺，软件工程学，c a d 系统 s o f t ，a r ee n g i n e e r i n ga n a i y s i sa n dc a d f o rd ra ，i n gp r o c e s s a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gp o p u l a r i t ya n dd e e p n e s so ft h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r , t h er e q u i r e m e n t so fs o f t w a r ei m p r o v es h a r p l y ；s o f t w a r ee n g i n e e r i n gt h a ti n c l u d e s s o f t w a r e si l l u m i n a t i o n ，d e v e l o p m e n t , m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n tg e t sw i d e a p p l i c a t i o n i t s c l a s s i c a ls t r u c t u r e d a n a l y s i s - - s t r u c t u r e dd e s i g n - 一s t r u c t u r e d p r o g r a m m i n g ( s a s d s p ) a l s ob e e nw i d e l ya p p l i e db yp r o g r a m m e r w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc a dt e c h n o l o g y , c a dt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n y s c i e n c ef i e l d s ，a n dp e o p l eh a v ee s t a b l i s h e dag r e a td e a lo fc a ds y s t e m s a tt h e s a n l et i m e ，m o u l da n dd i ec a da l s o g e t sq u i c kd e v e l o p m e n t ，p e o p l eh a v e e s t a b l i s h e dal o to f m o u l dc a ds y s t e m sb yf a r , s u c h 嬲d i ec a d s y s t e m ，e x t r u s i o n m o u l dc a d s y s t e m ，e t c t h o u g hs o m ep e o p l eh a v ee s t a b l i s h e ds o m ec a ds y s t e m s o fd r a w i n gp r o c e s si no u rc o u n t r y , i to n l yi n c l u d e so n ed r a w i n gp a r to rs o m e d r a w i n gp a r t s t h a ti tt os a y , p e o p l eh a v en o te s t a b l i s h e da l li n t e g r a t e dc a ds y s t e m f o rd r a w i n g p r o c e s s i ti sd i f f i c u l tt od e s i g nad r a w i n gp a r tf o rd e s i g n e r b e c a u s e t h ed e s i g n e rn o to n l yn e e dr e f e r r i n gt oal o to fi n f o r m a t i o n , b u ta l s on e e dag r e a t d e a lo f p r o c e s sc a l c u l a t i o n a sar e s u l t , i ti sn e c e s s a r yt ob u i l da ni n t e g r a t e dc a d s y s t e mf o rd r a w i n gp r o c e s sf o rd e s i g n e r t h u st h i sc a ds y s t e mb a s e so nt h e p r i n c i p l eo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g u s e sv i s u a lb a s i c6 0 笛d e v e l o p m e n tt o o la n d s i m u l a t e sc l a s s i c a ld e s i g np r o c e s so fd r a w i n gp r o c e s st ob u i l da ni n t e g r a t e dc a d s y s t e mf o rd r a w i n gp r o c e s s t h em a i nr e s e a r c h i n gc o n t e n to ft h i sc a ds y s t e mi s f o l l o w i n g ： ( 1 ) w h i r lp a r t ：c y l i n d e rp a r t ( f l a n g e l e s sc y l i n d e rp a r ta n df l a n g ec y l i n d e rp a n ) ， t r a p e z o i d a lp a r t ，t a p e rp a n ，h a l f b a l lp a r ta n dp a r a b o l ap a n ， ( 2 ) w h i r l l e s sp a n ：b o x l i k ep a n ( r e c t a n g u l a rb o xp a na n dq u a & a t eb o xp a n ) ， c o m p l i c a t e dp a r t i nt h i sc a d s y s t e m , t h ed e s i g np r o c e s so f c y l i n d e rp a r ta n db o x l i k ep a r ta l e a c c o m p l i s h e db ys i m u l a t i n gc l a s s i c a lm e t h o do fd e s i g np r o c e s sa n du s i n gf o r m u l a a n dc a l c u l a t i n gm e t h o dw h i c he x i s tn o w ；f o ro t h e rp a r t st h eo u t l i n eo fd e s i g na n d t h et h o u g h to f d e s i g na r ep r o v i d e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ep a r t i nt h i sp a p e r ，t h ec a ds y s t e md e v e l o p m e n to ff l a n g e l e s sc y l i n d e rp a ni s 1 1 1 a b s t r a c t p r e s e n t e da sa l le x a m p l e ，s a - s d s pi su s e dt o t h ep a r t ss o f t w a r ee n g i n e e r i n g a n a l y s i s ，a n dd e v e l o p tc a ds y s t e mf o rd r a w i n gp r o c e s so nt h eb a s i c t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h ev i s u a li n t e r f a c eo ft h i sc a ds y s t e mi sf r i e n d l ya n d c o n c i s e ，w h i c hs u c c e s s f u lr e a l i z e sm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o n t h ef u n c t i o no ft h i s c a d s y s t e ma c c o r dw i t ht h ed e m a n do fd e s i g np r o c e s s ，a n dt h ee x p a n s i b i l i t ya l s o i sf u l l yc o n s i d e r a t e d t h ed e s i g n e rc a nb ef r e ef r o mr e f e r r i n gt oal o to fi n f o r m a t i o n a n dc o m p u t i n gm a n yd a t ab yu s i n ga u t o s e a r c ha n da u t o - c o m p u t e t h ed e s i g n e rn o t o n l yc a ni m p r o v et h eq u a l i t ya n ds p e e do fad e s i g n ，b u ta l s oc a ns u c c e s s f u l l y r e d u c ec o s ta n di m r o v ed e s i g ne f f i c i e n c y k e y w o r d s ：d r a w i n gp r o c e s s ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，c a ds y s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的科研成果。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法 律责任由本人承担。 论文作者签名： 量墨日期：型堕，2 ：! 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解i 东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：互兰导师签名：童丝! 望日 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 设计自动化是制造业自动化的重要组成部分，重点研究敏捷制造、绿 色制造、智能制造等先进制造模式下的产品需求定义、创新设计、工程设 计( 包括工艺设计，工装设计等) 及开发过程中的理论方法、体系结构、 关键技术、支持工具及系统实现，使设计开发过程达到并行、敏捷、高效、 优化与集成。 实现设计自动化的手段是多样的，而且各种手段相互依存和补充，如 并行工程技术、产品工程技术、c i m s 技术等。无论采用哪一种技术，都 是以信息技术为基础、以c a d 技术为基本手段，c a d 技术是实现设计自 动化的必不可少的手段【l 3 1 。设计自动化中的c a d 技术的主要研究范围 有： ( 1 ) 利用c a d 实现产品的虚拟制造、敏捷制造及并行工程等先进的设 计和制造技术。 ( 2 ) 研究在创新设计、快速设计和复杂设计中的设计过程和设计数据 管理技术。 c a d i g , 9 i ( 计算机辅助设计) 是二十世纪六十年代以来迅速发展起来 的- f l 新兴的综合性计算机应用技术，是以计算机作为主要技术手段，处 理各种数字信息与图形信息，辅助完成产品设计中的各项活动。 计算机辅助设计是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。从 思维的角度看，设计过程包括分析和综合两个方面的内容。人可以进行创 造性的思维活动，将设计方法经过综合、分析，转换成计算机可以处理的 数学模型和解析这些模型的程序。在程序运行过程中，人可以评价设计结 果，控制设计过程：计算机可以发挥其分析计算和存储信息的能力，完成 信息管理、绘图、模拟、优化和其它数值分析任务人和计算机相结合， 在设计过程中两者发挥各自的优势，有利于获得最优设计结果，缩短设计 周期。“1 羽。 c a d 技术可以应用在许多领域，机械制造是最早也是最广泛应用 c a d 技术的领域【1 3 t 1 4 1 随着c a d 技术的发展，建筑、电子、化工等领域 第一章绪论 也开始应用该技术，在这些新的应用领域中，国外软件的优势并不明显。 我国c a d 软件在这些方面还是可以与发达国家竞争的，并且随着c a d 技术应用的深入，越来越多的领域将会使用该技术，所以，如果能够紧跟 时代潮流，不断应用于新的领域，那么国产c a d 软件还是很有前途的 9 , 1 s - 1 8 1 。 1 2 模具c a d 技术的发展状况 随着工业技术的发展，产品对模具的要求越来越高。传统的模具设计 和制造方法不能适应工业产品及时更新换代和提高质量的要求。因此，先 进工业化国家对工艺与模具c a d 技术的开发非常重视。早在2 0 世纪6 0 年代初期，国外一些飞机和汽车制造公司就开始了c a d 的研究工作，并 投入了大量的人力和物力c a d 的研究工作开始于飞机机身和汽车车身 的设计，在此基础上复杂曲面的设计方法得到了发展。各大公司都先后建 立了自己的c a d 系统，并将其应用于模具的设计与制造。 模具c a d 技术发展很快，应用范围日益扩大。在冲模、锻模、挤压 模、注塑模和压铸模等方面都有比较成功的c a d 系统。采用c a d 技术 是模具生产革命化的措施，是模具技术发展的一个显著特点【1 9 2 4 】。 工业化国家较大的模具生产厂家在c a d 上进行了较大的投资，大力 发展这一技术。例如，日本丰田汽车公司早在1 9 6 5 年就将数控用于模具 加工。从二十世纪8 0 年代开始采用覆盖件冲模c a d 系统，该系统包括 设计覆盖件的n t d f b 和c a d e t t 软件，加工凸、凹模的t i n c a 软件f 2 5 】。 自从美国d i ec o m p 公司于1 9 7 1 年首先将c a d c a m 技术引入到冲 模设计与制造以来，冲模c a d c a m 技术已成为冲压工艺与模具的主要 发展方向之一。1 9 7 8 年日本机械工程实验室开发了m e l 系统，采用了图 形显示设备和交互图形设计技术，使c a d 开始走向实用化。2 0 世纪8 0 年 代中期，人工智能技术在模具设计与制造中获得应用，美国p u r d u e 大学 的g e s h e i 等于1 9 8 4 年开发了轴对称拉深件冲压工艺设计的专家系统。 1 9 9 2 年印度学者y k d v p r a s a d 等在a o t o c a d 基础上开发了普通冲裁模 的c a d c a m 系统时，针对简单铰链件的冲压加工开发了一个利用特征 ( f e a t u r e ) 作为表达知识单元的系统。该系统将模具的表达分为几何实体、 山东大学硕士学位论文 特征、零件、装配等四个层次条料排样采用基于规则的推理方法及自动 设计，模具结构及零件的设计分为标准件自动设计和凸、凹模等非标准件 交互设计两个部分，使模具设计走向智能化方向【2 “。 我国模具c a d 技术的开发开始于2 0 世纪7 0 年代，发展也很迅速。 到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定的有精冲模、普通冲裁模、辊锻 模、锤模、和注塑模等c a d 系统。但是这些系统尚未在生产中推广应用。 近几年来，我国的冲压模具在c a d c a m 方面取得了重大进展。上海交 通大学在2 0 世纪8 0 年代初期开展了大规模的c a d c a m 研究开发工 作，采用交互设计方法进行条料排样，模具结构及零件设计方面采用了典 型结构及标准零件的自动调用和交互设计相结合的方法，开发了智能化数 据库，储存了各种冲模的典型结构、标准零件、设计经验、设计方法和步 骤，并向用户开放。华中科技大学于1 9 8 1 年首先开始了精冲模的 c a d c a m 工作【3 2 】。近年来，在冲压件的特征建模、专家系统以及 c a d c a m 系统柔性化方面取得了卓越的成就。国内其他高校、研究所和 大型企业在冲模c a d c a m 方面也进行了许多的探索和实践，并获得了 众多的可喜成果【3 3 3 7 1 。 c a d c a m 技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作 站、微机时代，每个时代都有当时流行的c a d c a m 软件。现在，工作 站和微机平台c a d c a m 软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较 优秀、比较流行的商品化软件。其中，在国外较为流行的软件有： u n i g r a p h i c s s o l u t i o n s 公司开发的u n i g r a p h i c s ( u g ) ，s o l i d e d g e ，a u t o d e s k 公司开发的a u t o c a d ，m d t ，生信国际有限公司开发的s o l i d w o r k s ，以 色列c i m a t r o n 公司开发的c i m a t r o n c a d c a m ，美国参数技术公司 ( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n 开发的p r o e n g i n e e r ，美国s d r c 公司 丌发的i d e a s ，法国著名飞机制造公司d a s s a u l t 开发的c a t i a 等等。在 国内较为流行的软件有：北京高华计算机有限公司开发的高华c a d 、北 京北航海尔软件有限公司开发的c a x a 系列软件，浙江大天电子信息工 程有限公司开发的g s c a d 9 8 ，广州红地技术有限公司开发的金银花 ( l o n i c e r a ) 系统，华中科技大学机械学院开发的开目c a d 等等【3 8 1 。 第一章绪论 1 3 本课题研究的意义及内容 1 3 1 本课题研究的意义 目前，人们对一些常见的拉深件已有了比较完善的设计方法。例如： 筒形件，盒形件等等：而对于一些形状比较复杂或不规则的拉深件，可以 采用类比或对照的方法进行计算。随着c a d 系统的不断发展，人们已建 立了许多c a d 系统，例如冲裁模c a d 系统、挤压模c a d 系统等等。但 是在国内还尚未建立一个完整的拉深工艺c a d 系统，这对于拉深工艺的 设计者来说，无疑是一个比较大的麻烦，因为他在设计时不但需要查阅大 量的参考资料，而且还需进行大量的工艺计算。因此，建立一套完整的拉 深工艺c a d 系统对于设计者来说是非常必要的。完成该系统的设计之后， 设计者就可以直接根据该软件进行拉深件的工艺设计。由于其具有良好的 可视化功能及十分友好的用户界面，从而使用户不需具有计算机方面的专 业知识便可以轻而易举的对其进行操作。举例来说，如果拉深零件图是带 凸缘的筒形件，用户只需按照系统提示输入相应的数据并按要求进行相应 的操作，便可通过该软件得到该零件拉深工艺设计的全部结果。如果用户 对设计结果不满意，还可以对该设计结果进行必要的修改。由此可见，该 软件不但大大缩短了零件的设计周期，而且还大大提高了设计效率和设计 质量，减轻了设计者的工作负担。 1 3 2 本课题研究的内容 遵循软件工程学的原理，以v i s u a lb a s i c6 0 为开发工具，参照传统 的拉深工艺设计过程，建立一套完整的拉深工艺c a d 系统。在该系统中 主要包括以下几方面内容： ( 1 ) 旋转体零件筒形件( 无凸缘筒形件和带凸缘筒形件) 、阶梯形件、 锥形件、半球形件及抛物线形件。 ( 2 ) 非旋转体零件盒形零件( 矩形盒和方形盒) 和复杂形状零件 其中，对于简形件( 无凸缘筒形件和带凸缘筒形件) 及盒形件( 矩形盒和方形 盒) 的工艺设计可以通过参照传统的工艺设计方法，运用手册、资料中的 公式及计算方法来得以实现；而对于阶梯形件、锥形件、半球形件、抛物 线形件及复杂形状的零件，则根据零件的不同特征给出它的设计要点、设 计方法、设计准则及设计思路等等。 4 山东大学硕士学位论文 第二章拉深工艺c a d 系统软件开发的基本理论 2 1 拉深成形工艺 拉深是利用具有一定圆角半径的拉深模，将平板毛坯或开口的空心毛 坯冲压成容器状零件的过程。用拉深工艺可以制成筒形、阶梯形、球形、 锥形、抛物面形、盒形和其他不规则形状的薄壁零件。如果与其他冲压成 形工艺配合，还可以制造出形状更为复杂的零件。因此在汽车、飞机、拖 拉机、电器、仪表、电子、轻工等工业生产中，拉深工艺均占有相当重要 的地位【3 9 4 2 1 。 在冲压生产中，拉深件的种类很多，形状各异，大体可以分为三类： 旋转体( 轴对称) 零件：直臂旋转体( 筒形件，阶梯形件) 及曲面旋 转体( 锥形件、半球形件、抛物线形件) ； 盒形零件：方形，矩形、椭圆形、多角形等； 复杂曲面零件。 按有、无凸缘来分，又可分为无凸缘拉深件和带凸缘拉深件( 包括平 凸缘和曲面凸缘) 一 按壁厚变化情况分，又可分为普通拉深件( 平均厚度接近毛坯原始厚 度) 和变薄拉深件【4 3 , 4 4 1 。 就拉深方法而言。除了普通的拉深方法外，还有其他一些拉深方法 例如：变薄拉深、温差拉深、软模拉深、脉动拉深、充液拉深等。变薄拉 深主要是在拉深过程中改变拉深件筒臂的厚度，而毛坯直径变化很小。通 常用于制造弹壳、雷管套、高压容器、高压锅等，或用于制备薄壁管状毛 坯。温差拉深是拉深过程当中有效的强化方法。它的实质是借变形区( 一 般指毛坯凸缘区) 局部加热和传力区危险断面( 侧壁与底部过渡区) 局部 冷却的办法，一方面减小变形区材料的变形抗力，另一方面又不致于减小、 甚至提高传力区的承载能力，亦即造成两方面的温差而获得大的强度差， 以最大的限度提高一次拉深变形的变形程度，大大降低材料的极限拉深系 数。软模拉深是指用橡胶( 包括聚氨酯橡胶) 、液体或气体的压力代替刚 性凸模或凹模对板料进行拉深。它又分为软凸模拉深和软凹模拉深，由于 模具简单，特别是在成批及小批量生产中，获得较为广泛的应用f 4 1 棚l 。 5 第二章拉深工艺c a d 系统软件开发的基本理论 在脉动拉深过程中，凸模将毛坯拉入凹模不是连续进行的，而是逐次进行 的( 脉动的) ，其实质在于把压边圈的防皱作用改为消皱的作用。拉深时， 控制凸模每次的行程量，容许凸模产生不大的皱纹，并用压边圈压平皱纹 后，凸模再继续下行将毛坯拉入凹模，如此交替进行，直至把整个零件拉 成。为了消皱，压边力要比普通拉深时大得多；而且拉深过程动作较复杂， 需要专用设备等；这些都是脉动拉深的缺点f 2 卯。所谓充液拉深，即在凹 模兼液压室的型腔内充满液体( 水或油) ，利用凸模( 带动板料) 进入凹 模后建立的反向液压而使板料成型的方法( 4 3 1 。 不同形状各种拉深件的拉深工序的计算方法往往是不同的。下面就简 单介绍一下几种典型拉深件的工艺设计计算方法： 1 ) 对于圆筒形件的拉深工序计算可分为以下几步：首先，要确定修 边余量。在拉深过程当中，常因材料机械性能的方向性、模具间隙不均、 板厚变化、摩擦阻力不等及定位不准等，而使拉深件口部或凸缘周边不齐， 必须进行修边。因而，在计算毛坯尺寸时，应按加上修边余量后的零件尺 寸进行展开计算。修边余量的数值一般可通过查表来获得。其次，要进行 毛坯尺寸的计算，根据毛坯的形状特点可分别采用不同的计算公式进行计 算。然后再确定拉深件的拉深系数和拉深次数。拉深系数是指每次拉深后 圆筒件直径与拉深前毛坯( 或半成品) 直径的比值。拉深次数可通过查阅 相关的表格或计算等方法来获取得到了拉深的次数及拉深系数后就可 以计算出各道工序的半成品直径以及凸、凹模的圆角半径和拉深高度。 2 ) 对于盒形拉深件的拉深工序计算，也要先确定修边余量，根据不 同的情况进行毛坯尺寸计算、确定拉深次数，拉深系数，再确定各个工序 半成品的形状及尺寸m 1 2 2 软件工程简介 2 2 1 软件工程概述 随着时代的发展、科学技术的不断进步，计算机硬件随之不断发展， 它在各个科学领域的应用得到了日益的普及和深化，计算机软件的规模也 越来越大，其复杂程度也越来越高。计算机硬件性能价格比提高很快， 软件成本逐年上升，因此，软件成为限制计算机系统发展的关键因素。与 6 山东大学硕士学位论文 此同时，在计算机系统发展的早期时代所形成的一些错误概念和做法，也 严重地阻碍了计算机软件的开发。例如：忽视软件需求分析的重要性；认 为软件开发就是写程序并设法使之运行；轻视软件维护等等。 “软件工程”一词是由北大西洋公约组织在1 9 6 8 年召开的一次软件 会议上首次提出来的。产生软件工程这门学科的时代背景是“软件危机”。 所谓“软件危机”是指软件开发和维护过程中遇到的一系列严重问题例 如：软件十分复杂，价格昂贵，供需差日益增大，软件开发时又常常受挫， 质量差，制定的进度表和完成日期很少能按时实现，研制过程很难管理， 即软件的研制往往失去控制等等。在2 0 世纪6 0 年代后期科学家们开始认 真研究解决软件危机的方法，逐步形成了计算机科学技术领域中的- - f - j 新 兴的学科计算机软件工程学( 简称为软件工程) ( 4 5 - 4 7 1 。 软件工程( 学) 主要研究软件设计方法论、软件工具、软件工程标准 和规范、软件工程管理以及软件工程的有关理论。软件工程学这一学科的 发展已经经历了三个阶段：认识阶段( 1 9 6 9 年以前) 、试验阶段( 1 9 6 9 1 9 7 6 年) 和使用阶段( 1 9 7 6 年后) ，他先后经历了程序设计、软件和软件工程 学三个时代。 2 0 世纪6 0 年代末到7 0 年代初，软件工程学还处在幼年时期，但它 对软件研制的实践已经产生了巨大的影响。在这期间，b o e h mi n i ， j a c o p d i j k s t r a ，m i l l s ，b a c k e r 等人先后提出了用三种结构编程序，即顺序、 选择( 条件) 和重复( 循环) 三种基本结构编程序，由顶向下( t o p d o w n ) 设计方法和逐步细化方法等。从而一种争论得最激烈，应用得最广泛的“结 构化设计”技术产生了1 9 7 3 年i b m 公司运用这些技术，成功的研制了 纽约时报记事在线信息检索系统和美国国家航空和宇航局空间实验 室飞行模拟系统 4 扣5 0 1 。 软件工程有三“多”的特点：多学科、多目标和多阶段。所谓多学科， 是指软件工程不仅包含与软件有关的论题，还涉及其他许多学科，如管理 科学、人类工程学、系统科学、经济学、法律学、标准化、语言学、数学、 图形学和心理学等学科；所谓多目标，指软件工程不仅关心项目产品或产 品的功能问题，还必须注意成本，进度、可靠性、安全性、通用性，可维 第二章拉深工艺c a d 系统软件开发的基本理论 护性、有效性以及用户界面等；所谓多阶段，是指软件开发不仅仅做编码 工作，而是由可行性研究、计划和组织、要求定义、总体设计、详细设计、 编码、调试( 测试) ，试运行及维护等阶段构成的完整过程。各阶段既有 区别，又相互衔接如t 5 ”。 2 2 2 软件生命周期及各阶段的任务 一个软件项目从问题的提出、定义、开发、使用、维护，直至被抛弃， 要经历一个漫长的时期，通常把这个时期称为软件生命周期。 目前。划分软件生命周期的方法有很多种，软件规模、种类、开发方 式、开发环境以及开发时使用的方法论都影响软件生命周期的划分。在划 分软件生命周期的阶段时应遵循一条基本的原则，就是使各阶段的任务彼 此之间尽可能的相对独立，同一阶段各项任务的性质尽可能相同，从而降 低各个阶段任务的复杂程度，简化不同阶段之间的联系，有利于软件开发 工程的组织管理。 通常软件生命周期可划分为以下几个部分：软件的定义一软件开发 一软件维护。 软件定义( 系统分析) 时期的任务： 。 ( 1 ) 确定软件开发工程必须完成的总目标，确定工程的可行性； ( 2 ) 导出实现工程目标应该采用的策略及系统必须完成的功能； ( 3 ) 估计完成该项工程需要的资源和成本，并且制定工程进度表 软件定义时期通常进一步划分成三个阶段，即问题定义、可行性研究 和需求分析。 开发时期具体设计和实现在前一个时期定义的软件，它通常由以下四 个阶段组成：总体设计一详细设计一编码和单元测试一综合测试。 维护时期的主要任务是使软件持久地满足用户的需要。具体的说包 括以下几个方面的内容： ( 1 ) 当软件在使用过程中发现错误时应该及时纠正； ( 2 ) 当环境改变时，应该修改软件使之与新的环境相适应： ( 3 ) 当用户有新要求时，应该及时改进软件，满足用户的新需型5 2 5 5 1 。 软件生命周期每一个阶段的基本任务如下： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 问题的定义 问题定义阶段必须回答的关键问题是：“要解决的问题是什么? ”通 过问题定义阶段的工作，系统分析员应该提出关于问题的性质、工程目标 和规模的书面报告。 ( 2 ) 可行性研究 这个阶段要回答的关键问题是：“对于上一个阶段所确定的问题有行 得通的方法吗? ”可行性研究的任务不是具体的解决问题，而是研究问题 的范围，确定问题是否值得去解，是否有可行的解决办法。可行性研究的 目的就是用最小的代价在尽可能短的时间内确定问题是否能够解决。 ( 3 ) 需求分析 这个阶段的任务仍然不是具体的解决问题，而是准确地确定“为了解 决这个问题，目标系统必须做什么”，主要是确定目标系统必须具备哪些 功能。 ( 4 ) 总体设计 这个阶段必须回答的关键问题是：“应该如何解决这个问题? ”首先， 应该考虑几种可能的解决方案。例如：低成本解决方案、中等成本解决方 案、高成本的“十全十美”的系统。其次，就要设计软件的结构，也就是 确定程序山那些模块组成以及模块问的关系。 ( 5 ) 详细设计 详细设计阶段的任务是把解法具体化，要回答的关键问题是：“应该 怎样具体地实现这个系统? ” ( 6 ) 编码和单元测试 这一阶段的关键任务是写出正确的容易理解、容易维护的程序模块。 ( 7 ) 综合测试 这个阶段的关键任务是通过各种类型的测试( 及相应的调试) ，使软 件达到预定的要求。最基本的测试包括： 集成测试：根掘设计的软件结构，把经过单元测试检验的模块按某种 选定的策略装配起来，在装配过程中对程序进行必要的测试。 验收测试：按照规格说明书的规定( 通常在需求分析阶段确定) ，由 9 第二章拉深工艺c a d 系统软件开发的基本理论 用户( 或在用户的积极参加下) 对目标系统进行验收【5 6 , 5 7 】。 ( 8 ) 软件维护 这一阶段的关键任务是通过各种必要的维护活动使系统持久地满足 用户的需要。 通常有四类维护活动： 1 ) 改正性维护：也就是诊断和改正在使用过程中发现的软件错误； 2 ) 适应性维护：修改软件以适应环境的变化： 3 ) 完善性维护：根据用户的要求改进或扩充软件使它完善； 4 ) 预防性维护：修改软件为将来的维护活动预先做准掣5 8 , 5 9 1 。 山东大学硕士学位论文 第三章拉深工艺的结构化分析 3 1 结构化分析( s a ) 方法的基本思想 结构化分析( s t r u c t u r e da n a l y s i s 。简称s a ) 是面向数据流进行需求 分析的方法。2 0 世纪7 0 年代末，由y o u r d o ne ，c o n s t a n t i n el ，d e m a r c ot 等人提出，至今已得到广泛应用。结构化分析方法的一些重要概念也广泛 渗透在其它分析方法中，例如，结构化分析与设计技术( s t r u c t u r e d a n a l y s i s a n dd e s i g nt e c h n i q u e ，s a d t ) 、面向对象技术( o b j e c t o r e i n t e dt e c h n i q u e ， o o t ) 、i d e f 方法等【”】。由于利用图形来表达需求，显得清晰、简明， 结构化分析方法适合于数据处理类型软件的需求分析。具体来说，结构化 分析方法就是用抽象模型的概念，按照软件内部数据传递、变换的关系， 自顶向下逐层分解，直到找到满足功能要求的所有可实现的软件为止 唧6 1 】。 图3 1 表达了这一思想。顶层的系统x 很复杂，为了理解它，可以 将它分解成为l 、2 、3 和4 几个子系统如果子系统l 和子系统2 仍很复 杂，可以再将它分解成1 1 、1 2 等子系统。如此分下去，直至子系统足 够简单明了，没有任何理解上的困难或混乱为止。 图3 - 1 系统分解示意图 第三章拉深工艺的结构化分析 分完之后，要为每一个不可再分了的子系统写下说明，称作“小说明”， 把全部小说明组编起来，作为系统说明书的一个重要内容。按照这样的方 式，无论系统多么复杂，分析工作都可以有计划、有步骤、有条不紊地进 行。s a 方法能有效地控制住分析工作的复杂性。 s a 方法的文档就是系统说明书。它的组成包括以卞几部分： ( 1 ) 一套分层的数据流图； ( 2 ) 一本数据词典； ( 3 ) 一组小说明： ( 4 ) 一些补充材料。 在这套文档中，“数据流图”描述系统的分解，即系统由哪些部分组 成，各部分之间有什么联系等。“数据词典”定义系统中的每一个数据。 “小说明”详细解释系统的每一个细部。“补充材料”则对一些疑点、难 点、省略或遗漏等内容加以注释 6 2 , 6 3 1 。 3 1 1 系统分析的数据流图 数据流图( d f d ，d a t af l o wd i a g r a m ) 也称为b u b b l ec h a r t 或d a t a f l o wg r a g h ，是描述数据处理过程的工具。数据流图从数据传递和加工的 角度，以图形的方式刻画数据流从输入到输出的移动变换过程。 ( 一) 数据流图的基本组成要素 数据流图有四种基本成分，分别以不同的几何图形表示1 3 9 1 。如图3 2 所示。 o加工。输入数据在此进行变换产生输出数据，其中要注明加工 的名字 口 数据输入的源点或数据输出的终点其中要注明源点或终点的 名字。 数据流。被加工的数据与流向，箭头边应给出数据流名字，可 用名词或名词性短语命名。 夕 数据存储文件。也必须加以命名，用名词或名词性短语命名。 图3 2 数掘流图的基本图形符号 山东大学硕士学位论文 数据流由一组内容固定的数据组成。它可以从加工流向加工，也可以 从加工流向文件或从文件流向加工，也可以从源点流出或流向终点。加工 是对数掘进行的操作处理。这种操作处理不仅包括数值计算，还包括比较、 判断、分析、取舍等各项工作。文件是存储在计算机内的数据。一个数据 系统的内部，用数据、文件和加工三种成分表示，一般已经够了，而为了 便于理解，有时还可以画出数据流的最初源点和最后终点，以说明它的来 龙去脉。 ( 二) 数据流图的构造技术 为了构造一张正确、准确而又详细的数据流图，需要遵循一些原则和 方法。主要原则有两条，由外往里画和由顶向下分层画。 ( 1 ) “由外往里”画数据流图 它的技术要点如下： 1 ) 适当命名 无论是数据流，加工，还是文件都要起名字。名字除了要适当准确， 还应避免引起错觉、发生重复以及用词空洞令人难以捉摸。如果发现某处 命名困难，或有以上缺陷，那么往往是数据流图分解不当的征兆，此时应 考虑重新分解。 2 ) 画数据流而非控制流 数据流图强调的是数据的流动。而不强调数据流动的先后顺序或某些 加工执行的先后顺序。 3 ) 先考虑系统运行的稳定状态 画数掘流图时，暂不考虑系统是怎样开始工作的，又是怎样才能结束 工作的，只认为它已经开始正常运行了。至于系统“开始”，“结束”等非 稳态问题推迟到适当的时候再去考虑，不会影响大局。 4 ) 忽略枝节问题 画数据流图时，应集中精力使数据流动起来，不要一上来就考虑“最 一般的情况”或考虑使系统具有“最广泛的适应范围，应从一些虽有一 定局限性但又不失典型性的情况做起，以便使系统尽快成形。从一个成形 了的系统去扩展，要比从无形的思考中去建立一个系统要有把握得多。 第三章拉深工艺的结构化分析 5 ) 随时准备重画 理解一段数据系统总要经过一段过程，其中必然充满了错误和失误。 因此画数据流图一次成功的可能性很小，应随时准备抛弃旧的数据流图， 以更好的构思来重新构造新的数据流图【6 们。 ( 2 ) “由顶向下”画分层数据流图 逐层分解的要点是，有控制的逐步增加细节描述，具体做起来包括： i ) 编号方法：2 ) 父图与子图的平衡；3 ) 局部文件的生成：4 ) 分解程度 的掌握 1 ) 编号方法 为了便于管理，特规定以下编号规则。上一层图中的某个加工如需分 解，形成下一层内容不同的图，则下一层图称为子图，上一层图称为父图。 子图的编号就是附图中相应加工的编号为了书写方便，每张图的图号可 以写在左上角。在每张图中分解出来的各个加工只写它们在这张图中的局 部编号。这样子图中加工的编号就是由子图号，小数点，局部号连接而成。 最顶层的图一般不必编号或者编为零号，其中的加工编号依次为l ；2 ： 这是最顶层的父图。 2 ) 父图和子图的平衡 子图的输入数据流和输出数据流应同父图中被他所分解的那部分加 工完全一致。这不包括因分解子图而产生的各加工之间传递的数据流，而 是指当把子图作为一个独立的整体系统时，它与外界发生联系时的那些数 据流。这种要求称之为平衡，它是分层数据流图的一个重要特点所谓“平 衡”是指子图系统初始的输入数据流必须是父图中相应加工的输入，而子 图系统最终的输出数据流必须是父图中相应加工的输出 3 ) 局部文件的生成 在一般情况下，当数据流图中的某些加工用到某文件时，这个文件就 必须画出来，而一旦文件画出来了，它与加工的关系( 读或写) 则应表达 出来。如果文件是逐层分解的，那么借助“数据词典”应能看到它的平衡 关系。 4 ) 分解程度的掌握 山东大学硕士学位论文 分解应顺乎现实系统的自然，概念上合理清晰；使用分层数据流图技 术，只要不影响数据流图的易理解性，可适当的多分解出几部分加工来， 以减少分层的次数一般说来，在上层可分解的快些，而在下层则分解