复杂管路的模块化设计及其在供热系统中的应用

复杂管路的模块化设计及其在供热系统中的应用

集群技术是快速设计技术的重要组成部分之一，是系统科学技术在渗透标准化领域形成的标准化方法。模块化技术通过对产品结构进行模块化划分并用模块组合来构造新产品,实现用户化产品的批量生产,及大规模的生产条件下的个性化。管路设计在船舶、建筑物、汽车、化工以及大型发电机组等设计研究中是一重要的组成部分,尤其是在发电机组整个系统中,管路供油系统是重要的辅助系统。它的设计成功与否直接关系到整个发电机组能否安全的运行。在管路设计中,复杂管路的快速设计日益成为研究的重点。所谓的复杂管路具有以下特点:①管路系统由串联管路、并联管路、枝状管路以及网状管路通过约束关系连接而成,拓扑关系复杂,且要集约化;②为满足制造、安装的要求及其维护性,管路系统需分段后形成多管路、多约束的套装式管束;③管路为三维空间结构,跨度大。因此,针对复杂管路系统的设计特点,如何寻找一种改进型的模块化设计方法,对其进行快速设计,提高设计效率一直是管路设计的研究热点。本文将针对复杂管路的设计特点,对其快速设计的重要技术部分——模块化进行了相关的研究,并提出了一种改进型的模块化设计方法。1复杂管道的交付1.1新型管路设计及在一般机械产品设计中的应用一般机械产品运用模块化设计,可以按功能将产品明确划分成多个模块,并重新组合。对于模块化设计运用于多束复杂管路的快速设计,需要考虑对多管路、多约束的适应性。下面提出了复杂管路的广义模块化设计。所谓复杂管路广义模块化是以传统模块化设计为基础,对其进行功能分析,并考虑到了管路结构设计、制造及维护的特点,划分并构造更具有适应性的管路模块。这是考虑到了管路设计的特殊性而提出的不同于一般机械产品模块化设计的模块设计概念。这种模块划分方法是一种多角度、分级模块划分方法。文献提出了一般机械产品的广义模块化设计,但其主要以参数化为目标,建立柔性模块;以结构设计特征为基础,建立虚拟模块。但对于解决复杂管路的快速设计问题,简单的参数化无法实现管路空间结构最优。不同于一般机械设计,复杂管路初步设计可以以管束的空间走向为设计目标,所以复杂管路设计的广义模块化划分可以进一步的改进和深化,其结构图(图1)如下:1.1.1控制链的求解管路系统结构是由不同的模块通过约束关系构建而成。对于整个复杂管路系统,不同模块的空间关系以及相互之间的数据关系通过一个几何数据链控制,那么这条几何数据链就是控制链。根据初始已知数据和知识建立控制链,然后根据系统的功能和工程要求对控制链不断的优化,直至得到优化的控制链。其流程图(图2)如下:控制链要在管路的空间域以及功能域中求解,其结构是空间约束、几何约束和功能的函数,其表述如下:CC=f(S,G,F)其中:S(space)表示控制链的空间约束,控制链的几何形状要受到管路空间的限制约束;G(geometry)表示控制链的几何约束,由于控制链首先是一条几何链,因此其各部分之间存在一定的几何约束和数据关系;F(function)表示功能,管路系统的功能决定了控制链的末端拓扑关系。1.1.2柔性模块的参数化描述柔性模块具有相对固定拓扑关系的参数化模型,经过优化后,一组确定的参数决定其具体的结构。由于受到几何和工程约束,参数在一定范围内是可变的。其结构是功能、几何约束和工程约束的函数,表述如下:FM=f(F,G,E)其中,F(function)表示功能,结构是功能的载体,在复杂管路设计中,其功能决定柔性模块的拓扑关系。G(geometry)表示几何结构参数,柔性模块是参数化的,一组确定的参数决定其具体的结构。E(engineering)表示工程参数,如油管路中的油压强,压力损失,材料,应力,应变等,这些约束决定结构参数的取值。1.1.3柔性装配模块P装配模块是针对复杂管路模块化设计而提出的,它具有装配模块的一些特点,但又不同于一般的装配模块,其内部的柔性模块不仅是参数化的,而且各参数是通过优化得到的。1.1.4复杂管路设计中vm的体现复杂管路设计中的虚拟模块不同于一般机械模块化设计中的“虚拟模块”。一般机械设计中的虚拟模块不能独立形成具体的实体结构,仅具有CAD意义,而复杂管路设计中的VM可具有实际的实体结构。它是考虑到管路的功能依存性和其它约束而划分的假设模块。它由两个或多个P装配模块所组成,这些P装配模块作为一个整体,共同“存亡”。1.2功能独立模块在P装配模块级别的管路设计中,可应用控制论中的“黑箱原理”,在满足结构约束和路径最优的前提下,只管两头,不管中间。这就为P装配模块下层模块的设计提供了极大的灵活性。P装配模块级别的模块化分,根据公理化设计从功能域到物理域的映射化定义:{FR}=[A]{DP}其中:{FR}为功能域,{DP}为物理域,[A]为设计矩阵。若[A]为对角阵,{FR}之间不存在耦合关系,功能需求完全相互独立。在管路设计中,这也是最普遍的情况。把功能需求映射到设计参数,然后再实例化实际的物理构件,则是功能独立的模块。如果用Mi(1<i<n)(n为部套内最大的模块数)表示由功能映射得到的模块,由公式得知,此时Aij=0(i≠j)所以FRi=∑AijDPj(i=j)即:即:Mi=DPi=(1/aii)FRi(0<i≤n)此时整个部套就可以表示为:其结构分解树(图3)如下:若[A]为三角形矩阵,则功能需求间存在耦合关系,需要通过解耦,把耦合性较大的功能需求分解成特定模块的子功能,保证FR的独立性。假设设计矩阵如下:A=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪a11a21⋮an10a22⋮an2⋯⋯⋱⋯00⋮ann⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪A={a110⋯0a21a22⋯0⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann}则设计方程如下:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪FR1FR2⋮FRn⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪a11a21⋮an10a22⋮an2⋯⋯⋱⋯00⋮ann⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪×⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪DP1DP2⋮DPn⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪{FR1FR2⋮FRn}={a110⋯0a21a22⋯0⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann}×{DΡ1DΡ2⋮DΡn}对其解耦得:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪FR1FR2⋮FRn⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪A10⋮00A2⋮0⋯⋯⋱⋯00⋮An⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪×⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪DP1DP2⋮DPn⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪{FR1FR2⋮FRn}={A10⋯00A2⋯0⋮⋮⋱⋮00⋯An}×{DΡ1DΡ2⋮DΡn}则有:其结构分解树如(图4)下:1.3基于遗传算法的管路布置方法对于三维管路的优化设计,前人已经做了大量的工作,提出了很多研究方法,比如深度优先搜索法、加权图法、邻接节点算法、最短路径快速算法、带评价函数的Dijkstra算法,遗传算法等等,其中,基于遗传算法(GA)的管路布置方法是常应用的管路优化方法,其能够解决多管路,多约束的管路优化问题。下面将采用遗传算法对柔性模块的管路路径进行优化求解。1.3.1变量编码特性编码是设计遗传算法的首要问题,也是应用遗传算法时所解决的首要问题。考虑到该问题是三维坐标数据,且数据偏大,为了降低搜索空间,提高精度,因此每个坐标参数因子采用浮点数编码,而弯管数采用整数编码,整个变量采用多参数级联编码,并且每个参数的编码长度随着N(弯管数)的变化而变化。式中,xi,jyi,jzi,j-1为每管的坐标系;k为管数;j=1～m;zi,j+1≥zi,j;Nk为每根管的弯管数;m为直管数,m=N+1。1.3.2目标函数的建立根据管道流体中的压力损失,主要分为沿程压力损失和局部压力损失。考虑到对于粘度较大的平滑油,流动状态为层流,所以其沿程压力损失为:Δp=64Re×ld×pv22Δp=64Re×ld×pv22,其与管道的长度成正比。局部压力损失主要是指弯管处等流速急剧发生变化的地方。因此主要以最短管长和最少弯管数为评价指标建立目标函数f:f=w1×⎡⎣⎢⎢1−Si∑j=1mdj⎤⎦⎥⎥+w2×[Ni−NminNmax−Nmin]f=w1×[1-Si∑j=1mdj]+w2×[Νi-ΝminΝmax-Νmin]把其转化为适应度函数为:Fi=w1×⎛⎝⎜⎜1−Si∑j=1mdj⎞⎠⎟⎟+w2×(Nmax−NiNmax−Nmin)+RpFi=w1×(1-Si∑j=1mdj)+w2×(Νmax-ΝiΝmax-Νmin)+Rp式中,Si为油管各进出油口的不考虑限制条件下的绝对直线距离;wi为管长分量在适应度函数中的权重;w2为弯管数分量在适应度函数中的权重;dj为单直管的长度;m为直管数,满足公式:m=N+1;Nmin为最少弯管数;Nmax为最大弯管数;R为惩罚函数,该惩罚函数是考虑到套管内各内管的相互干涉,以及弯管的角度问题而定的。2开发社区快速设计系统汽轮机的供油系统是汽轮机的重要组成部分,它的作用是向机组各轴承提供润滑油和向调节系统提供压力,在机组盘车时还向盘车装置和顶油装置供油。它在电站建筑空间中占有的空间域广,与汽轮机本体及发电机等都有接口关系。不同容量的汽轮机供油系统结构变化大,位置各异,零件繁多,变一处结构,会引起很多处结构的变化,但类同性高,这就大大的延长了设计周期,增加了开发成本。针对这些特点,开发了一套专门针对汽轮机供油系统的套装油管路(Encapsulatedoilpipes)快速设计系统。其中,该系统中的模块化设计采用了复杂管路的广义模块化设计理论。2.1管道管道的安装过程eop2.2油挤出的全球结构模型图2.3各种涂层p安装模块的分类和图纸设计3遗传算法在模块化设计中的应用在分析复杂管路的设计特点基础上,对