復(fù)雜管路的模塊化設(shè)計及其在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

復(fù)雜管路的模塊化設(shè)計及其在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

集群技術(shù)是快速設(shè)計技術(shù)的重要組成部分之一，是系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)在滲透標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域形成的標(biāo)準(zhǔn)化方法。模塊化技術(shù)通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化劃分并用模塊組合來構(gòu)造新產(chǎn)品,實現(xiàn)用戶化產(chǎn)品的批量生產(chǎn),及大規(guī)模的生產(chǎn)條件下的個性化。管路設(shè)計在船舶、建筑物、汽車、化工以及大型發(fā)電機(jī)組等設(shè)計研究中是一重要的組成部分,尤其是在發(fā)電機(jī)組整個系統(tǒng)中,管路供油系統(tǒng)是重要的輔助系統(tǒng)。它的設(shè)計成功與否直接關(guān)系到整個發(fā)電機(jī)組能否安全的運(yùn)行。在管路設(shè)計中,復(fù)雜管路的快速設(shè)計日益成為研究的重點(diǎn)。所謂的復(fù)雜管路具有以下特點(diǎn):①管路系統(tǒng)由串聯(lián)管路、并聯(lián)管路、枝狀管路以及網(wǎng)狀管路通過約束關(guān)系連接而成,拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜,且要集約化;②為滿足制造、安裝的要求及其維護(hù)性,管路系統(tǒng)需分段后形成多管路、多約束的套裝式管束;③管路為三維空間結(jié)構(gòu),跨度大。因此,針對復(fù)雜管路系統(tǒng)的設(shè)計特點(diǎn),如何尋找一種改進(jìn)型的模塊化設(shè)計方法,對其進(jìn)行快速設(shè)計,提高設(shè)計效率一直是管路設(shè)計的研究熱點(diǎn)。本文將針對復(fù)雜管路的設(shè)計特點(diǎn),對其快速設(shè)計的重要技術(shù)部分——模塊化進(jìn)行了相關(guān)的研究,并提出了一種改進(jìn)型的模塊化設(shè)計方法。1復(fù)雜管道的交付1.1新型管路設(shè)計及在一般機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用一般機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)用模塊化設(shè)計,可以按功能將產(chǎn)品明確劃分成多個模塊,并重新組合。對于模塊化設(shè)計運(yùn)用于多束復(fù)雜管路的快速設(shè)計,需要考慮對多管路、多約束的適應(yīng)性。下面提出了復(fù)雜管路的廣義模塊化設(shè)計。所謂復(fù)雜管路廣義模塊化是以傳統(tǒng)模塊化設(shè)計為基礎(chǔ),對其進(jìn)行功能分析,并考慮到了管路結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造及維護(hù)的特點(diǎn),劃分并構(gòu)造更具有適應(yīng)性的管路模塊。這是考慮到了管路設(shè)計的特殊性而提出的不同于一般機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計的模塊設(shè)計概念。這種模塊劃分方法是一種多角度、分級模塊劃分方法。文獻(xiàn)提出了一般機(jī)械產(chǎn)品的廣義模塊化設(shè)計,但其主要以參數(shù)化為目標(biāo),建立柔性模塊;以結(jié)構(gòu)設(shè)計特征為基礎(chǔ),建立虛擬模塊。但對于解決復(fù)雜管路的快速設(shè)計問題,簡單的參數(shù)化無法實現(xiàn)管路空間結(jié)構(gòu)最優(yōu)。不同于一般機(jī)械設(shè)計,復(fù)雜管路初步設(shè)計可以以管束的空間走向為設(shè)計目標(biāo),所以復(fù)雜管路設(shè)計的廣義模塊化劃分可以進(jìn)一步的改進(jìn)和深化,其結(jié)構(gòu)圖(圖1)如下:1.1.1控制鏈的求解管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由不同的模塊通過約束關(guān)系構(gòu)建而成。對于整個復(fù)雜管路系統(tǒng),不同模塊的空間關(guān)系以及相互之間的數(shù)據(jù)關(guān)系通過一個幾何數(shù)據(jù)鏈控制,那么這條幾何數(shù)據(jù)鏈就是控制鏈。根據(jù)初始已知數(shù)據(jù)和知識建立控制鏈,然后根據(jù)系統(tǒng)的功能和工程要求對控制鏈不斷的優(yōu)化,直至得到優(yōu)化的控制鏈。其流程圖(圖2)如下:控制鏈要在管路的空間域以及功能域中求解,其結(jié)構(gòu)是空間約束、幾何約束和功能的函數(shù),其表述如下:CC=f(S,G,F)其中:S(space)表示控制鏈的空間約束,控制鏈的幾何形狀要受到管路空間的限制約束;G(geometry)表示控制鏈的幾何約束,由于控制鏈?zhǔn)紫仁且粭l幾何鏈,因此其各部分之間存在一定的幾何約束和數(shù)據(jù)關(guān)系;F(function)表示功能,管路系統(tǒng)的功能決定了控制鏈的末端拓?fù)潢P(guān)系。1.1.2柔性模塊的參數(shù)化描述柔性模塊具有相對固定拓?fù)潢P(guān)系的參數(shù)化模型,經(jīng)過優(yōu)化后,一組確定的參數(shù)決定其具體的結(jié)構(gòu)。由于受到幾何和工程約束,參數(shù)在一定范圍內(nèi)是可變的。其結(jié)構(gòu)是功能、幾何約束和工程約束的函數(shù),表述如下:FM=f(F,G,E)其中,F(function)表示功能,結(jié)構(gòu)是功能的載體,在復(fù)雜管路設(shè)計中,其功能決定柔性模塊的拓?fù)潢P(guān)系。G(geometry)表示幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),柔性模塊是參數(shù)化的,一組確定的參數(shù)決定其具體的結(jié)構(gòu)。E(engineering)表示工程參數(shù),如油管路中的油壓強(qiáng),壓力損失,材料,應(yīng)力,應(yīng)變等,這些約束決定結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值。1.1.3柔性裝配模塊P裝配模塊是針對復(fù)雜管路模塊化設(shè)計而提出的,它具有裝配模塊的一些特點(diǎn),但又不同于一般的裝配模塊,其內(nèi)部的柔性模塊不僅是參數(shù)化的,而且各參數(shù)是通過優(yōu)化得到的。1.1.4復(fù)雜管路設(shè)計中vm的體現(xiàn)復(fù)雜管路設(shè)計中的虛擬模塊不同于一般機(jī)械模塊化設(shè)計中的“虛擬模塊”。一般機(jī)械設(shè)計中的虛擬模塊不能獨(dú)立形成具體的實體結(jié)構(gòu),僅具有CAD意義,而復(fù)雜管路設(shè)計中的VM可具有實際的實體結(jié)構(gòu)。它是考慮到管路的功能依存性和其它約束而劃分的假設(shè)模塊。它由兩個或多個P裝配模塊所組成,這些P裝配模塊作為一個整體,共同“存亡”。1.2功能獨(dú)立模塊在P裝配模塊級別的管路設(shè)計中,可應(yīng)用控制論中的“黑箱原理”,在滿足結(jié)構(gòu)約束和路徑最優(yōu)的前提下,只管兩頭,不管中間。這就為P裝配模塊下層模塊的設(shè)計提供了極大的靈活性。P裝配模塊級別的模塊化分,根據(jù)公理化設(shè)計從功能域到物理域的映射化定義:{FR}=[A]{DP}其中:{FR}為功能域,{DP}為物理域,[A]為設(shè)計矩陣。若[A]為對角陣,{FR}之間不存在耦合關(guān)系,功能需求完全相互獨(dú)立。在管路設(shè)計中,這也是最普遍的情況。把功能需求映射到設(shè)計參數(shù),然后再實例化實際的物理構(gòu)件,則是功能獨(dú)立的模塊。如果用Mi(1<i<n)(n為部套內(nèi)最大的模塊數(shù))表示由功能映射得到的模塊,由公式得知,此時Aij=0(i≠j)所以FRi=∑AijDPj(i=j)即:即:Mi=DPi=(1/aii)FRi(0<i≤n)此時整個部套就可以表示為:其結(jié)構(gòu)分解樹(圖3)如下:若[A]為三角形矩陣,則功能需求間存在耦合關(guān)系,需要通過解耦,把耦合性較大的功能需求分解成特定模塊的子功能,保證FR的獨(dú)立性。假設(shè)設(shè)計矩陣如下:A=?????????????a11a21?an10a22?an2????00?ann?????????????A={a110?0a21a22?0????an1an2?ann}則設(shè)計方程如下:???????????FR1FR2?FRn???????????=?????????????a11a21?an10a22?an2????00?ann?????????????×???????????DP1DP2?DPn???????????{FR1FR2?FRn}={a110?0a21a22?0????an1an2?ann}×{DΡ1DΡ2?DΡn}對其解耦得:???????????FR1FR2?FRn???????????=?????????????A10?00A2?0????00?An?????????????×???????????DP1DP2?DPn???????????{FR1FR2?FRn}={A10?00A2?0????00?An}×{DΡ1DΡ2?DΡn}則有:其結(jié)構(gòu)分解樹如(圖4)下:1.3基于遺傳算法的管路布置方法對于三維管路的優(yōu)化設(shè)計,前人已經(jīng)做了大量的工作,提出了很多研究方法,比如深度優(yōu)先搜索法、加權(quán)圖法、鄰接節(jié)點(diǎn)算法、最短路徑快速算法、帶評價函數(shù)的Dijkstra算法,遺傳算法等等,其中,基于遺傳算法(GA)的管路布置方法是常應(yīng)用的管路優(yōu)化方法,其能夠解決多管路,多約束的管路優(yōu)化問題。下面將采用遺傳算法對柔性模塊的管路路徑進(jìn)行優(yōu)化求解。1.3.1變量編碼特性編碼是設(shè)計遺傳算法的首要問題,也是應(yīng)用遺傳算法時所解決的首要問題?？紤]到該問題是三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),且數(shù)據(jù)偏大,為了降低搜索空間,提高精度,因此每個坐標(biāo)參數(shù)因子采用浮點(diǎn)數(shù)編碼,而彎管數(shù)采用整數(shù)編碼,整個變量采用多參數(shù)級聯(lián)編碼,并且每個參數(shù)的編碼長度隨著N(彎管數(shù))的變化而變化。式中,xi,jyi,jzi,j-1為每管的坐標(biāo)系;k為管數(shù);j=1～m;zi,j+1≥zi,j;Nk為每根管的彎管數(shù);m為直管數(shù),m=N+1。1.3.2目標(biāo)函數(shù)的建立根據(jù)管道流體中的壓力損失,主要分為沿程壓力損失和局部壓力損失。考慮到對于粘度較大的平滑油,流動狀態(tài)為層流,所以其沿程壓力損失為:Δp=64Re×ld×pv22Δp=64Re×ld×pv22,其與管道的長度成正比。局部壓力損失主要是指彎管處等流速急劇發(fā)生變化的地方。因此主要以最短管長和最少彎管數(shù)為評價指標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)f:f=w1×????1?Si∑j=1mdj????+w2×[Ni?NminNmax?Nmin]f=w1×[1-Si∑j=1mdj]+w2×[Νi-ΝminΝmax-Νmin]把其轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度函數(shù)為:Fi=w1×????1?Si∑j=1mdj????+w2×(Nmax?NiNmax?Nmin)+RpFi=w1×(1-Si∑j=1mdj)+w2×(Νmax-ΝiΝmax-Νmin)+Rp式中,Si為油管各進(jìn)出油口的不考慮限制條件下的絕對直線距離;wi為管長分量在適應(yīng)度函數(shù)中的權(quán)重;w2為彎管數(shù)分量在適應(yīng)度函數(shù)中的權(quán)重;dj為單直管的長度;m為直管數(shù),滿足公式:m=N+1;Nmin為最少彎管數(shù);Nmax為最大彎管數(shù);R為懲罰函數(shù),該懲罰函數(shù)是考慮到套管內(nèi)各內(nèi)管的相互干涉,以及彎管的角度問題而定的。2開發(fā)社區(qū)快速設(shè)計系統(tǒng)汽輪機(jī)的供油系統(tǒng)是汽輪機(jī)的重要組成部分,它的作用是向機(jī)組各軸承提供潤滑油和向調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供壓力,在機(jī)組盤車時還向盤車裝置和頂油裝置供油。它在電站建筑空間中占有的空間域廣,與汽輪機(jī)本體及發(fā)電機(jī)等都有接口關(guān)系。不同容量的汽輪機(jī)供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化大,位置各異,零件繁多,變一處結(jié)構(gòu),會引起很多處結(jié)構(gòu)的變化,但類同性高,這就大大的延長了設(shè)計周期,增加了開發(fā)成本。針對這些特點(diǎn),開發(fā)了一套專門針對汽輪機(jī)供油系統(tǒng)的套裝油管路(Encapsulatedoilpipes)快速設(shè)計系統(tǒng)。其中,該系統(tǒng)中的模塊化設(shè)計采用了復(fù)雜管路的廣義模塊化設(shè)計理論。2.1管道管道的安裝過程eop2.2油擠出的全球結(jié)構(gòu)模型圖2.3各種涂層p安裝模塊的分類和圖紙設(shè)計3遺傳算法在模塊化設(shè)計中的應(yīng)用在分析復(fù)雜管路的設(shè)計特點(diǎn)基礎(chǔ)上,對