一个CAD软件，其存在价值在于全程地辅助工程师的设计，也就是说，客观存在的设计需求，在这个CAD软件中能够被直接支持的比例要很大，是评价这个软件能力和价值的主要指标之一。可以肯定，100%的支持是CAD软件所追求的目标，但是真正做到几乎是不可能的，这是因为总是先有设计规则，后有CAD软件的支持功能；而新的设计规则是层出不穷的，这是人的创造性的主要特色。
    于是，能否尽可能更多地支持设计过程，就成为同类CAD软件之间性能比较的主要指标。
    设计过程最需要支持的是什么？是“配凑”。
    设计中无法做到一次性地解决所有相关零部设计方案的确定，而总是逐级推导、相互配凑。例如某轴的支撑轴承设计，在最后确认前，多次更换轴承规格甚至型号，并不罕见。在这种条件下，轴承模型的具体几何参数，并不决定于轴承本身，而是决定于轴承设计的约束条件，例如：载荷、工况、安装位置和关系等… 所以，用设计约束条件去创建相关零件，就成为“工程导向设计”而不仅是传统的“参数化的几何模型”。这就是Functional design的核心意图。对于同类的CAD软件，Inventor在这方面可谓独树一帜，率先开始了相关功能的研发，造成明确的“知识牵动”的发展态势。我们在InventorR10中，已经初见端倪。本文试举几个实例，说明其先进性和实用性。
    1.设计的本源过程
    零件设计的本源的过程是先有设计约束条件，然后产生模型创建需要的几何参数，最后才是创建完成结果几何模型。而这个结果模型，将在设计约束条件变更后，应当能直接关联改变。例如设计一组紧固件组成的螺纹连接结构：设计的客观过程是：在设计要求的条件下，能确定螺钉的数量、希望的连接组合、要求的紧固力大小；在此基础上选择合适的螺纹参数，之后得到相关的零件几何数据，然后创建螺纹连接相关件本身和被连接零件上的结构（光孔或螺纹孔）；最后完成装配。配凑的客观过程是：设计要求条件更变，将重选参数，自动完成相关模型的更新。可见，其中有三个要点：
    1）紧固件的型号和规格，是在根据设计条件的确定才确认的，而不是在此之前。
    2）紧固件应提供自身几何参数之外的其他相关设计数据，以完成连接结构。
    3）紧固件模型只能经过设计参数环节确定和修改，并可以在插入后调整设计条件。

    上图概略地表达了这种基本的逻辑关系和设计流程，上部是初选和插入，下部是设计参数调整后的过程。这样，就直接而紧密地把几何模型与工程设计专业知识联结在了一起，并由设计知识来牵动整个装配模型的结果，这当然不是仅仅处理几何模型。这种兼容工程设计知识和关系的优良性能，在Inventor中已经得到很好的体现，这也是Inventor相比同类软件的突出优点之一。在Functional design功能集合中，这种优良性能得到了进一步的扩展和表现。下面将罗列几个简明的设计过程，说明上述介绍的细节
    2.设计加速器(Design Acclerator)-螺纹连接
    螺纹连接是机械设计最普遍使用的设计过程，但是其专业知识含量并不因此而减少。从R10版本的表现看，这是历史上最为专业的一次更新了。
    2.1 螺纹尺寸设计计算
    螺纹连接设计的第一步，是根据工况计算并确定螺纹直径，参见图1。

   
      在界面中，输入设计要求的工况条件，即可分析计算得到需要的连接螺纹参数，图中的结果是4个M12的螺钉即可满足15000N紧固力的设计要求。可以反复修改参数配凑结果。
    2.2 螺纹连接结构设计
    之后可进入“几何参数”设置界面，进一步设计具体的连接结构，参见图2。

    其中将继承前边设计计算的结果，结构设计选定了螺钉、垫圈、光孔和螺纹孔。
    2.3 连接实际结果的创建
    事先已经选有了相关零件、装配关系，并在装入螺钉的零件上准备好了阵列成4个的空位置表达底孔（小孔，仅为了确认位置和关系）。
    在图2的界面中点击“完成”，即可借助图3的界面指定其他安装条件，完成结构模型…

  
     结果参见01.IAM。
    2.4 设计参数修改并关联模型更新
    结构模型的完成，是设计表达的基本步骤，在后面的设计过程中，会多次进行参数或者结构的配凑，能否顺利完成这些，是对CAD软件性能的严峻考验。以变量化设计为特色之一的Inventor，这方面的表现是令人满意的。
    例如，将载荷减少到10000N，并将螺钉头部改成带十字槽形式，过程是：
    1）选定螺钉，在右键菜单中“编辑螺栓连接”，Inventor自动回到螺纹连接设计界面；
    2）切换到“计算”选项卡，修改载荷，重新计算；
    3）切换到“几何参数”选项卡，修改螺钉类型成ISO 7045(H)；
    4）点击“完成”，结果将完全造成新的设计意图的正确模型。
    另一个类似的例子，参见02.IAM：总载荷80000N，12个螺钉… 在装配模型创建之后，不仅仅可以调整螺纹连接相关参数和零件选择，而且因为原始零件的尺寸（例如板厚度）造成的螺钉长度的改变，也可以实现自动调整。也就是，当桶体连接部厚度增加后，选定螺钉，并要求“更新螺栓连接”，然后之后螺钉相关件也能在这个型号的现有螺钉长度范围内，自动完成新的螺钉长度选择和模型更新，参见图4。

   
3. 联合设计-齿轮和轴
    一个简单的初步设计实例：一对动力传动齿轮，速比1.6、主动轴扭矩100牛.米、轴支撑跨距300mm、悬伸60mm，转速500转/分，要设计齿轮和主动轴；轴在工作载荷下，最大变形不大于0.02mm。
    3.1 齿轮设计模式设置
    进入设计加速器的齿轮设计，确定设计模式，参见图5。

    其中“几何结构计算”栏目选定“全部根据强度校核”模式，是比较符合我国机械行业设计新方案齿轮啮合计算方法的规则的，在创建新的传动付时，首先使用这个模式。而在“变位系数分配”栏目中选定“用户”，将默认为两个齿轮都不变位。
    此后，将进入详细设计参数输入和计算求解阶段。
    3.2 载荷设置和求解
    切换到“载荷”选项卡，输入设计条件，按下“计算”按钮，结果如图6。

    其中，结果中“力”栏目下的内容，对后边的设计与分析是很有用的，并可以输出成数据文件供继续使用。
    3.3 几何参数设置和求解
    切换到“几何参数”选项卡，输入期望的速比，可见图7中的局部结果。

    其中箭头所指处有一个蓝色的警告标记，这是提醒用户，由于齿数呈倍数的关系，会造成误差不易均化、磨损不利的结果。这也是“知识”足够专业和充足的例证。将速比1.7，将明确解决这个问题。结果参见图8。这1/10的速比误差，对动力传动时可以容忍的，因此带来齿数比得更为合理，也是值得的。

    至于模数，就按现在的2.75，这是在载荷计算之后，合理的较小值。
    3.4 强度与齿面接触校核
    按下图8界面中的“强度”按钮，进入强度校核界面，把材料设置好，参见图9。

    可见，这里的材料就比较专业和完整了… 按下“计算”按钮，所有的参数结果将显示出来，一般说来，我们关心是否通得过。参见图10左的局部界面，可见合格。

    如果没有通过校核，将是图10 右面的结果了。
    3.5 创建零件模型
    可以创建全部齿轮，也可以只创建其中之一。当然，如果用户认为软件计算得到的模数与自己经验中的不一致，也可以在此基础上，将“指南”选项卡中的“几何结构计算”模式改成为“m、z1、z2…”，输入期望的模数、齿宽或者调整齿数。

    对于这个设计，笔者在软件推荐的参数基础上，调整了一些设计数据，然后让软件重新作各个项目的校核计算，结果是合格的，参见03a.IAM。
    其中，需要记住重新计算之后的载荷校核结果，参见图11。这些数据与初步设计的结果有些不同了，这些数据在后期轴的设计校核中，是原始的设计条件之一。结果模型，同样可以在选定后返回设计加速器，调整原始设计条件后更新。
    3.6 创建齿轮上的孔和键槽
    孔和键槽，是根据齿轮受力条件而定。
    例如对于小齿轮，在图11的结果中已经有了原始条件，剩下的事情就是依据这些条件，利用软件相关专业知识，完成选型的设计及过程。在设计加速器中启用“平键连接”设计功能，进行孔和键槽的设计计算。“载荷计算方法”选定“T、n-->P”。
    参见图12，按n=500 T=100输入原始条件，结果如图。
    虽然这个结果可用，考虑到图11箭头所指的两个参数的关系，应适当加大键槽和轴的尺寸，于是调整轴径到30mm，以留出足够的安全系数。最后，可创建各种相关的模型，我们现在创建轮孔和键槽，这需要先作草图，之后是插入一个iFeature。

    同样，将大齿轮的孔设置成40mm，并创建相关的结构，结果参见图13。

    3.7 设计大齿支持轴承
    在设计加速器中启用“轴承”设计功能，并将“载荷状态”中按齿轮设计结果输入工况。软件将会推荐最小型号和规格，参见图14。
    这只是软件认为能够满足工况条件的最小可能的轴承，因为轴承内孔需要与现有轴配合，而目前齿轮轴最小直径是40mm，这就需要将轴承内控直径重新按需要设置，但必须保证已经输入的工况能被满足。
    参见图15，对于当前选定轴承的前一个，软件不允许选定，说明这种轴承不能满足现有工况的需要。可见，如果自选轴承的承载能力参数不符合设定要求，将不可能被选定，这就确保不会出错。

    之后切换“结果”选项卡，参见图16，可见全部装配设计需要的其他参数均已一一列出。现安全系数是10，可以插入轴承到装配之中了。

    3.8 校验轴的受力和变形
    在齿轮和轴承已经基本上设计出来的条件下，需要进一步作轴的校验，以最后确认整个设计的合理性。
    对于变形不大于0.02mm的要求，需要校核径向力引起的弯曲变形；而对于安全性校核，则需要联合作弯扭组合分析。
    在Inventor中，已经集成了ANSYS的零件级有限元和模态分析模块，并能与模型的几何参数变化或者材料的变化关联；具有多种约束和载荷添加方式，可以相当真实地模拟零件的工框；而ANAYAS分析结果的权威性，是大家公认的。
    为了使载荷或约束能够准确地添加到零件模型上，需要将模型表面按工况的实际需要，使用草图或者面进行“分割”的方法，精确地准备出添加的区域和位置。这个轴零件的准备，使用了工作面切割的方法，确定了齿轮、轴承与轴的接触环带，以便准确添加工况。
    弯曲变形的分析结果如图17，最大值为0.00685mm，符合设计需要。

    之后添加扭矩，再次分析，得到安全系数（13最小），结果参见图18，符合设计需要。

    至此，设计的模型创建过程基本结束，可以进入更详细的装配设计和工程图表达了…
    4. CAD软件在设计数据处理上的三个台阶的讨论
    作为CAD软件，主要目标就是完全支持人的设计过程，但是完全支持谈何容易。不容易是一方面，软件能力在大步前进也是事实。在软件的技术进步过程中，大体有下面几个阶段，说明CAD软件越来越像人的思维。
    4.1 参数驱动(Parameter drive)
    这是从实体建模进展到特征建模，在模型控制能力上的一个进展。
    模型是用有限个特征组合而成、特征之间由可调整的参数进行位置控制、特征自己也具有可控制的参数、特征的基础轮廓也同样被有限个参数所约束。
    这样的数据结构，就造成了从基础轮廓到模型整体，全部是由可有限级的、有限数量的参数进行控制的。其中，参数与被控制对象之间的关系，一般是一对一的关系；而一个参数也可以引用另一个参数，并使用表达式定义他们之间的关系。这就是“驱动”。在设计构思改变，需要对模型进行修改的情况下，需要从参数的值或者计算表达式入手，然后造成被驱动的特征的改变，最后完成模型改变。
    4.2 关系牵动(Nexus driven)
    参数驱动实现了模型结构能被方便地改变，但是，造成这些修改的原因是什么？这个原因可能能造成哪个结构的改变？这些事情可就不能利落地被参数驱动模式解决。参数驱动虽然也可能用表达式来表现“关系”，但需要用户自己维护这个表达式，而且也不方便。
    关系，包括装配关系、位置关系、数据关系、形状关系…
    牵动，是说能够完全突破一对一的模式，可以顺利造成多层次的关联，真正做到“牵一发而动全局”… 对于Inventor现有功能，主要表现在：
    1）利用跨零件投影，实现基于形状关系的牵动效果；
    2）利用装配约束，实现基于装配关系的尺寸牵动效果；
    3）利用衍生模型的继续建模，实现基于继承关系的形状与尺寸牵动效果；
    4）利用衍生曲面并作为新模型的基础条件，实现基于主模型的牵动效果；
    5）利用草图和草图装配，实现基于概念结构的牵动效果；
    6） ……
    而上述方法，实际上在很早的Inventor版本中就已经实现了。可见，Inventor早已真正突破了参数驱动的技术模式，进入到了关系牵动的级别。
    4.3 知识牵动(Knowledge driven)
    关系牵动实现了一连串的、基于装配关系和结构关系的改变控制，但是，到底需要改变多少才是合适的？怎样符合标准和结构规则？这就不是参数驱动、甚至关系牵动所能解决的问题了。这里边必须有“知识”的内容。
    常规条件下，相关知识存在于设计手册、标准手册、专业课书，或者有经验的工程师的脑子中。如果将这些能够放在软件中，并且与实际模型结构造成牵动关联的关系，就可能实现知识牵动这种更为接近人的、更高层次的结果了。
    对于前述螺纹连接的例子，是典型的处理过程。在全部设计过程中：
    1）我们并没有接触几何模型的参数；
    2）我们并没有直接进行装配和添加装配约束；
    3）我们仅是输入自己的设计约束条件，然后按软件的结果进行确认。
    在全部的设计修改过程中：
    1）我们并没有直接修改几何模型的参数；
    2）我们仅是输入新的的设计约束条件，然后按软件的结果进行确认。
    可见，从设计要求、到工程计算校核、到标准件选用、到连接结构设置、到确定连接位置、到插入标准件、到创建相关零件上需要的孔、到添加装配约束… 在这一整套过程中，我们只做了只有我们才可能做的事情，其余全部由软件接过去了、自动化了。
    这样，工程师将专注于设计条件的建立和结果的确认；工程条件的调整以及结果的确认，而中间的一系列繁杂的过程，因为软件具有足够专业的相关“知识”，而且能借用Inventor的能力实现“牵动”，因此就圆满地解决了螺纹连接设计全程支持的基本逻辑关系和能力。
    5. 展望
    作为Inventor的组成部分，Functional design表现出了明确的“知识牵动”的特色，这只是巨轮之桅杆的顶部，但已经可见巨轮之大。在任何设计过程中，总是“突破一点、连点成线、组线成网、结网成面、围面成体”这样种由浅入深逐渐完善的过程。CAD软件的发证过程也同样是如此。作为更像人的思维的知识驱动模式，必将在所有的三维CAD软件中得到重视和普及，而作为率先开始做出这类功能的Autodesk Inventor，也必将在这个方向上表现出带领的作用。