（化工过程机械专业论文）基于知识的透平膨胀机设计系统的研究与开发.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 大型透平膨胀机组设计制造由于技术含量高、专业性强，无法同通用机械设计一样 迅速引入新设计技术，与此同时，大量的研究工作以及设计经验作为企业的宝贵财富如 何快速反应到设计当中也是行业面临的难题。 基于课题研究的范围，本文着重研究透平膨胀机设计当中的结构设计方法，采用基 丁知识的方式，利用数据库知识、管理功能、n x 系统的综合设计功能为基本组成部分， 提出整个设计系统的综合信息管理模式，进行了基于知识的透平膨胀机设计系统的开发 研究。将知识规则等融入设计过程中，并为此建立新的产品设计流程。全文内容涵盖了 下面三个方面： 广义知识库系统 是面向人工智能问题求解的信息处理、管理、存储系统，运用广义知识库的概念， 将代表标准数据的数据库、代表规则的规则库和代表实例的实例库等纳入统一的管理， 建立一个广义概念上的知识库。对基于k b e 的透平膨胀机设计中知识的表达、知识的推 理机制进行了研究，根据产品设计的实际特点建立了相应的管理模式和推理模式，将造 型系统、设计实例与广义知识库直接关联起来，采用直接浏览和检索这一松散连接方式 和与其他模块内部关联的紧密连接方式实现了广义知识库对设计的直接支持。对于方案、 零部件的知识库和实例库检索建立了相应的流程，对广义知识库多种推理方式进行研究， 并在后续章节中予以应用。 知识熔接技术 利用n xc a d 的知识熔接技术( k f ) 实现了知识熔接在产品设计中的应用，研究了 k f 与推理模式的结合，k f 与n x a p i 技术结合，k f 与c a e 技术相结合以及单独使用k f 完 成建模等几个方面的问题。针对k f 在零部件设计中的应用建立了部分零件的设计模块， 针对k f 在零件分析中的应用建立了主轴阶l i 每界转速快速计算工具，将有限元分析技术 直接融合在转子系统设计当中。基于k f 在非规则化设计中的局限，建立了知识熔接与模 糊推理相结合的设计方式，拓宽了知识熔接技术的应用范围。 设计系统的信息管理 是保证总体系统高效运行的关键所在，从研究对象和目标实际考虑，引用了产品数 据管理的思想及若干内容，针对设计过程内的知识管理和流程方面的管理作了研究与相 应的开发工作，并开发了松散结构的应用模块，如产品编码、图档管理、图档浏览、流 i 塑堡奎堂堕兰垡丝壅 程审批、b o m 管理等。基于产品设计过程中信息综合管理的模式，围绕管理系统与总体 设计系统、管理系统与n x 系统、管理系统与广义知识库系统之间的相互交流建立了综合 信息管理架构，从设计任务初始模型、设汁项目、信息交流、安全等多个方面对此方面 问题进行了研究。 关键词： 基于知识的工程，透平膨胀机，广义知识库，模糊推理，知识熔接，信 息管理，过程管理，知识管理 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t f o rt h ed e s i g no fl a r g e s i z e dt u r b oe x p a n d e r s ，i ti sd i f f i c u l tt oa d o p tn e wi n f o - t o o l sa n d i n f o - t e c h n o l o g ya sq u i c k l ya su n i v e r s a lm a c h i n ec a r l a tt h em e a n t i m e ，t h ee n t e r p r i s e sf a c e t h ep u z z l et h a tt h e yc a nn o tt a k em u c hr e s e a r c ha c h i e v e m e n ta n dw o r ke x p e r i e n c ed i r e c t l y i n t ot h ed e s i g n a st h el i m i t so ft h es t u d y t h ea t t i c l ef o c u s e so nt h es t r u c t u r ed e s i g nm e t l l o df o rt u r b o e x p a n d e r ss t r u c t u r e i ta d o p tt h ew a y so fu s i n gk n o w l e d g et o o l s ，d a t a b a s et e c h n o l o g y ， m a n a g e m e n tt e c h n o l o g y a n dn xs o f t w a r et o p r o c e e dt h es t u d yo fk n o w l e d g e - b a s e d t u r b o - e x p a n d e rd e s i g ns y s t e m t h es y s t e mi sc o n t r o l l e db ya o v e r a l li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t m o d e k n o w l e d g er o l e sa r cf u s e di n t ot h ed e s i g na n dn e wp r o c e s sa r cf o r m e d n 幢a r t i c l e i n e l u d e st h eb e l o wa l lt h es e c t i o n s ： g e n e r a lk n o w l e d g e b a s es y s t e m 1 1 1 eg e n e r a lk n o w l e d g e b a s es y s t e m ( g k b s ) i si n f o r m a t i o n ，p r o c e s s i n g 。m a n a g e m e n ta n d m e m o r ys y s t e m w h i c hf a c et h es o l u t i o no fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ep r o b l e m w i t ht h ec o u c e ：p t o fi t t h ed a t a b a s ew h i c hi so nb e h a l fo ft h es t a n d a r dd a t a , t h er e g u l a rs t o r e h o u s ew h i c hi so n b e h a l f o f r e g u l a r , t h ee x a m p l ev a u l tw h i c hi so nb e h a l f o f e x a m p l ea r ec o m b i n e dt o g e t h e r t h e k n o w l e d g eb a s eh a sb e e ns e to nab r o a ds e n s ec o n c e p t t h i sa r t i c l ec a r r i e dt h er e s e a r c ho nt h e k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，k n o w l e d g ei r i f e r e n c em e c h a n i s mi nt h ed e s i g no f t u r b i n ee x p a n d e r w h i c hb a s e do nk b e i ta l s oe s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n gm a n a g e m e n tm o d e i n f e r e n c em o d e a n dm o d e ls y s t e m ，d e s i g ni n s t a n c ea n dg e n e r a l i z ek n o w l e d g eb a s eh a sb e e nd i r e c t l y a s s o c i a t e d w i t ht h ei n c o m p a c tc o n n e c t i n gm o d eb yd i r e c t - b r o w s ea n dq u i c ks e a r c hs t r a t e g y 。 a n dw i t ht h et i g h t n e s sc o n n e c t i o nm o d eo f t h ei n s i d e r e l a t i o n sb e t w e e nt h eo t h e rm o d u l e s ，t h e g k bc a ns u p p l yad i r e c ts u p p o r tt ot h ed e s i g n i ta l s oe s t a b l i s h e st h er e l e v a n ti n d e xw o r k f l o w o fs e a r c h i n gt h ek n o w l e d g eb a s ea n dt h ei n s t a n c ed a t a b a s e t h er e s e a r c ho fd i f f e r e n t i n f e r e n c em o d e sf o rt h eg e n e r a l i z ek n o w l e d g eb a s ei sa p p l i e di nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r k n o w l e d g ef u s i o nt e c h n o l o g y w i t ht h eu s i n go fk n o w l e d g ef u s i o nt e c h n o l o g y f ) o fn x ，i ti m p l e m e n tt h e a p p l i c a t i o no fk fi nt h ep r o d u e td e s i g n , a n ds t u d yt h ec o m b i n a t i o no fk fa n dc o n s e q u e n c e , t h ec o m b i n a t i o no fk fa n dn x ，ap i 。t h ec o m b i n a t i o no fk fa n dc a et e c h n o l o g y ，a n dk f m o d e l i n g e t e a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nm e t h o do fk fi nt h ed e s i g n ，s o m em o d u l e s 勰 p r o g r a m m e d a c c o r d i n gt ot h ek fa p p l i c a t i o nw a y sf o rc o m p o n e n ta n a l y s i s , i tc o m p l e t e st h e p r i n c i p a ls h a f lc r i t i c a ls p e e dc a l c u l a t i o nt o o l s w h i c hd i r e c t l yf u s et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t e c h n o l o g yi n t ot h er o t o rs y s t e md e s i g n c o n s i d e r i n gt h el i m i to fk fi nt h en o n r u l e dd e s i g n ， i tc r e a t e sn e ww a y so fc o m b i n i n gk fa n df u z z yi n f e r e f l c et o g e t h e r , w h i c he x p a n dt h e a p p l i c a t i o nr a n g e o f k fk n o w l e d g e s y s t e m si n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t r i 浙江大学博士学位论文 t h ei n f o r m a t i o n m a n a g e m e n to fd e s i g ns y s t e m i st h ek e yo fg u a r a n t e e i n gt h e h i g h - e f f i c i e n to fo v e r a l ls y s t e m c o n s i d e r i n gf o r mt h er e s e a r c ho b j e c ta n dg o a lp r a c t i c e t h i s p a p e rq u o t e st h et h o u - g h ta n ds e v e r a lc o n t e n t so fp r o d u c td a t am a n a g e m e n t , d o e ss o m e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ek n o w l e d g em a n a g e m e n ti n s i d et h ed e s i g np r o c e s sa n dt h e f l o wm a n a g e m e n t , d e v e l o pt h ea p p l i c a t i o nm o d u i eo ft h er e l a xs t r u c t u r e s u c ha s p r o d u c t c o d i n g ，d o c u m e n tm a n a g e m e n t ，d o c u m e n tb r o w s e ，w o r ka p p r o v a l ，b o mm a n a g e m e n t s u r r o u n d i n gw i t ht h ep r o d u c t - b a s e dd e s i g np r o c e s s ，t h ei n t e r - c o m m u n i c a t i o no f m a n a g e m e n t s y s t e ma n dn xs y s t e m ，m a n a g e m e n ts y s t e ma n dg e n e r a lk n o w l e d g e b a s e ，t h ea r t i c l e e s t a b l i s h e dac o m p r e h e n s i v e m a n a g e m e n ts y s t e m ，i te s t a b l i s h e da ：o m p r e h e n s i v e m a r i a g e m e r i tf r a m eb a s e do nao v e r a l lm a n a g e m e n td u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s f o rt h i s , i t w o r ko nt h es t n d yo f d e s i g np r o j e c t ，i n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g e ，s c c u r i t y ，c t c k e yw o r d s ：k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ，t u r b o - e x p a n s i o n ，g e n e r a lk n o w l e d g ed a t a b a s e ，f u z z yi n f e r e n c e ，k n o w l e d g ef u s i o n ，i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，p r o c e s s m a n a g e m e n t ，k n o w l e d g em a n a g e m e n t 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 国家经贸委2 0 0 2 年制定的国家重点产业技术发展方向中明确提出了大型和特种空 分设备国产化和制造业信息化问题。随着钢铁、石化、化肥、煤化工等投资改造的迅猛 增长，空分设备需求量急速攀升，空分的等级亦逐渐朝大型、特大型方向发展。各个企业 皆投入大量资金用于设备和技术的改造。发展大型透平膨胀机和特种透平膨胀机这类高 附加值的产品由此成为各空分公司今后发展的方向i l 】。 纵观当前的世界经济发展趋势，知识化已成为各行业发展的关键因素，人类社会正 进入以信息和知识为核心竞争力的“知识经济”时代，相应地，知识产业的应用发展成 为知识经济的重要组成部分。知识产业在很大程度上要通过高知识含量的产品来实现， 同时，制造业作为经济体系中最重要的行业，从人员、规模、装备和生产结构等多方面 都为知识产业的应用提供了理想的平台和实现可能。通过利用最新的信息技术和管理技 术，充分挖掘和发挥企业中的多方面知识资源，传统制造企业的面貌将彻底改观。 信息技术溶入现代制造业是现代制造领域区别于传统制造领域最大的不同之一。随 着信息技术、计算机技术和网络技术的高速发展，知识与信息跃升到与传统经济杠杆如 人力、财力和物力同等，甚至更为重要的地位。在机械制造业这一最为传统的行业当中， 信息技术的运用已经使得产品的设计制造摆脱了传统的模式【2 】，由此出现了与以往不同 的全新的设计手段、设计方法和生产方式，这无论从效率、质量还是可靠性来评估，都 带来了整个设计制造行业的极大技术进步。 为赢得并保持在制造业的多方面领先水平，世界各发达国家纷纷投入力量研究先进 制造技术，如美国提出“敏捷制造研究计划”：“智能制造计划”；欧共体“e s p r i t 集成制造计划”和我国提出的“8 6 3 c i m s 先进制造计划”等p 】。我国“十五”计划( 2 0 0 1 2 0 0 5 ) 则进一步提出以数字化、智能化制造技术，精密制造技术和绿色制造技术为科技 攻关的重点，意图抓住机遇，振兴我国的制造业 在当今发达国家，制造行业领域内相关知识产品已占总产值的一半以上，伴随而来 的此方面工作与投资达到了更高的比例，p s a i n t e r , k o l d h a m 和s k n e e b o n e 明确指出， 成功应用信息技术的典型制造企业有百分之九十的交换过程都涉及到数据的交换，而这 其中又有约百分之七十五可以归类为知识或信息，并且这种现象只会随着信息时代的发 展和知识经济的到来愈演愈重。 第1 章绪论 我国在机械制造领域内的设计水平仍未全面进入知识应用阶段，计算机辅助设计 c a d 主体上依然还是辅助制图( d r a i t i n g ) ，而不是设计( d e s i g n ) 。这项工作的推广 和应用是我国当前科技规划中机电行业方面的重点项目。行业中c a d c a m c a e 在单独 应用中己呈逐渐普及的势头，但作为一个协同的应用模式，并将其融入到知识应用中则 还有很长的路要走。特别对于大尺寸机械和成套装备设计，由于设计产品的尺寸和应用 环境，任何设计上的失败或是设计阶段带来的缺陷都将对今后的应用带来隐患，造成重 大损失。迄今为止，此类大型机件的设计多限于引入三维c a d 手段，二维出图，独立进 行有限元结构分析这一应用模式。但是，机械设计往往是一个复杂的过程，一方面包含 了大量的领域规则及成熟案例，另一方面又有着大量的模糊经验知识。尤其后者，很难 用精确的理论模型进行描述。机械设计是一种面向使用功能的逻辑决策过程，在保证客 户提出的功能前提下，设计师根据设计规范、数据，按照特定的设计逻辑，设计出合乎 要求的产品；同时，设计师还往往利用已有成功案例及积累的经验知识对设计方案及细 节进行分析比较，在考虑可靠性、可加工性、维护性、合理性等多方面的因素下，参照 大量的资料完成设计。两个方面在设计过程中同时存在，对设计而言，后者显然处于更 重要的位置，设计成功与否几乎更多地需要专家丰富的实践经验和创造性思维，而这些 要求必须建立在设计专家分析推理和判断基础之上。 现有的大型商业通用c a d 软件并不能很有效的直接帮助设计人员进行上述的工作， 软件更多情况下仅作为一个先进的造型绘图工具，而c a e 软件更多情况下仅起到设计验 证的作用。行业的领域知识以及知识的重用更多的体现在标准件库上，而设计过程的信 息管理也大多体现在图档与文档管理，知识重用和协同设计无法有效的实现。一个有效 的解决方法是把c a d j c a e c a m 技术和专家知识进行集成从而辅助人们进行设计，提供 设计师指导意见，更有效地利用专家的经验和丰富知识机械产品生产企业往往积累了 丰富的设计经验，在企业自身产品的范围里，建立一个有效的集成设计系统有着很大的 实际价值，以现有的技术手段，在一定范围内也是可行的。 基于上述原因，本文以大型透平膨胀机设计的知识应用为研究对象，重点论述基于 知识的机械产品集成设计系统的结构体系，并对若干重要问题进行研究。 1 2透平膨胀机结构设计综述 1 2 1 透平膨胀机发展概述 透平膨胀机( t u r b o - e x p a n d e r s ) 是低温法空分装置及气体分离和液化装置中的重要部 件之一，利用工质流动时的速度变化进行能量转化，因此也称为速度型膨胀机，依据气 浙江大学博士学位论文 体的绝熟等熵膨胀获得低温。工作原理是利用气体的绝热膨胀将气体的位能转变为机械 功。工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴输出外功，因而降低 了膨胀枫出口工质的内能和温度。透平膨胀机主要用于低温制冷和能量回收从空气调 节装置、低温环境模拟设备、到空气与多组份气体的液化分离都可以看到它的应用。由 于透平膨胀机效率高，设备的研制较早，因而目前国内外大型空分装置均采用透平膨胀 机提供制冷。 1 9 3 0 年德国的l i n d e 工厂第一次实现了将一台单级轴流冲动式透平成功用于气体的 液化装置，1 9 3 6 年以后，意大利人g u i d ez e r k o w i t z 提出的相信径流式透平得到了成功 的应用，1 9 3 9 年苏联的反作用式向心径流透平机的新型结构形式首次使透平膨胀机等熵 效率达到了8 0 。建立了现代透平膨胀机的基础，而1 9 4 2 年美国人l s s w e a r i n g e n 描述 的改进后的向心径流反作用式透平膨胀机成就了现代透平膨胀机的基本模式，等熵效率 甚至达到9 0 0 , 6 。我国于1 9 5 7 年首先在飞机空调装置中应用了向心径流冲动式透平膨胀 机，1 9 6 0 年以后自行设计了向心径流反作用式透平膨胀机，此后相继设计制造了各类空 分装置的中低压空气透平膨胀机，广泛用于各种气体分离装置 4 】。在形式方面，除了广 泛应用的径轴流反作用式透平膨胀机外，还出现了轴流式透平膨胀机和多级透平膨胀 机，结构方面有半开式工作轮，闭式工作轮，有风机制动，有电机制动瞪】。 1 2 2 透平膨胀机基本结构与设计 透平膨胀机根据不同用途存在多种类别，图1 1 为研究对象某大型透平膨胀机机构。 其工作流程为：工质( 空气) 从管道进入膨胀机涡壳2 ，将气流均匀地分配给喷嘴 3 。气流在喷嘴中第一次膨胀，把一部分比焓降转换成气流的动能，从而推动膨胀轮4 输出外功。同时，剩余一部分比焓降也因气流在膨胀轮中继续膨胀而转换成外功输出。 膨胀后的低温气体经扩压器l 排出到低温管道中。增压部分是透平膨胀机功率的消耗元 件，制动空气通过端盖上的进口管吸入，经增压轮7 压缩后，再经扩压器及增压涡壳6 扩压，最后排入出口管道中。在风机端盖中还设有电感式澳4 速器8 ，用以测量透平膨胀 机转速。机体在这里起传递、支撵和隔热的作用。通过主轴l o 把膨胀轮的功率传递给 右端的增压轮。 透平膨胀机的结构设计是保证整机热力性能、机械性能、绝熟效果及密封性的关键 环节，一般包括总体结构设计、膨胀轮和制动风机轮设计、轴承一转子系统、管线设计、 绝热设计等部分。其中结构部分又分为冷端、热端、中间体等部分，进行主要包括转子 系统、蜗壳，扩压器的设计。 第1 章绪论 i 扩压善2 - - 涡壳，- 嚼哺4 - 黪胀轮纠置动轴承争增压涡充1 嘈压轮8 _ 测遗著神l 体1 吨轴 图1 i 莱透平膨胀机基本结构 总体结构设计 总体结构的布置影响到装拆是否方便、膨胀机效率及可靠性。总体结构布置有直立 式结构和卧式结构之分。为提高装置的运转经济性，在膨胀机热端制动器所接受的功率 常常需要加以利用。制动气由流程气经降压引入，在必要时可调节制动风机内循环压力 以改变制动功率，摊气通过水冷式板翅式换热器冷却 ，叶轮设计 叶轮设计需要充分考虑膨胀机的效率和要求，必须结合热力计算的结果。由于叶轮 里面的流体是有粘性、可压缩且不定常流动的，因此涉及到流场、温度场( 尤其是膨胀 轮存在较大温差) 和应力场的相互作崩，这给叶轮设计带来很大的难度 大多数厂家都沿用引进国外先进软件包或自己开发的专用程序来解决叶轮这个重 要部件的设计问题。如四川空分设备公司是采用美国r o t o f l o w 公司三元流动程序进 行流动分析，而杭氧是引进美国北方研究工程公司( m 也c ) 透平设计加工软件，工作轮 三元流分析计算采用c o m i g 程序。 转子系统设计 转子是透平膨胀机中惟一的高速运转部件。它对膨胀机的效率、稳定性都有很大影 4 浙江大学博士学位论文 响。转子的结构参数对临界转速影响很大，主要影响参数为轴承跨距、主轴长度、密封 段长度、轴径、止推盘位置及大小等。其中主轴长度越长，轴向导热越小。密封段长度 越长，冷端气泄漏越少。止推盘直径越大，承载能力越大。止推盘厚度越大，强度越大。 这些改变都会降低临界转速。同时轴的形式和材料对临界转速影响也很大。对于截面比 较小的转轴，国内杭氧设计为三棱轴结构，既减少轴的质量，又明显地改善刚度，这对 提高转子系统的临界转速是十分有利的阎。 管线设计 管线设计更多的依赖于整个工艺流程的要求，但是就膨胀机本身而言，还是存在一 些值得探讨和优化的管线布置。比如国外厂家普遍采用膨胀机组自带气、电、管路接线 箱，将所有密封气、压力油箱液面及电信号如转速、温度等由测量就地点接到接线箱中， 且所有管子均采用不锈钢。膨胀机组现场安装时所有接线均由接线箱统一对外，这种设 计可大大方便现场工程设计与安装。 绝热设计 国内外透平膨胀机，尤其是氦透平膨胀机在绝热技术上大都以延长传热路线、减小 传热截面积，采用低导热率材料为手段。其它减少漏热的方法还有：将机体的大部分伸 人到真空腔中；向转子吹低温气体的一部分以积极冷却：在工作轮与轴承之间加性能良 好的隔热材料( 如酚醛塑料涂层) ：用薄壁圆管连接低温壳体与常温壳体；透平进出气口 用真空套绝热等等。 1 2 3 国内透平膨胀机设计研究概况 透平膨胀机是低温法空分装置及气体分离和液化装置中的重要组成部分之一，因此 世界上知名的空分设备公司都是生产透平膨胀机的知名公司。相关的研究国外始终处于 领先地位。目前国外已经掌握研究了制造大型、特大型透平膨胀机组的成套技术，同时， 几乎每个大型的空分设备公司都有自己的专业设计软件或大型通用设计软件。国内产品 与国外产品在性能上主要存在下列差距： 膨胀机、增压机的效率与国外相近，主要是轴承损失比国外高。所产生的影响是 在完全相同的产品要求的条件下，国产膨胀机的膨胀量要稍大于进口膨胀机的膨 胀量 大型膨胀机还缺乏业绩，本文研究对象对应的五万级别空分装置已是合同签订时 国内最大规模，但国外十万以上规模早已成功应用。 第l 章绪论 国内从事透平膨胀机研究的单位除了西安交通大学为代表的等高等院校外。还包括 杭氧集团研究院，四川深冷设备研究所和航空科技集团6 0 9 所等，主要制造厂家则以杭 氧集团，开封空分公司，四川空气分离设备厂等空分行业龙头企业为代表。为提高国内 透平膨胀机组的制造水平和自身产品的市场竞争力，各个厂家及研究院所都先后从国外 引进技术和样机，并组织消化改型设计【6 。下面是部分研究单位的主要研究设计状况： l 、西安交通大学低温工程研究所 西安交通大学是国内研究透平膨胀机较早的高等院校，也是国内此方面研究最为权 威的单位。学校的低温工程研究所主要研究方向是气体轴承的研究和低温氦透平膨胀机 的设计。承担多项国家科研项目，发表了大量的论文”，国内此方面主要的著作皆出 于此。 其主要研究对象为静压气体轴承和动压气体轴承、氦气体轴承透平膨胀机。围绕着 效能、可靠性、经济性等设计目标进行工作，提出了一系列设计优化方法，进行了相关 的试验与部分应用，近年来，在国家自然科学基金的资助下，西安交通大学低温研究所 又提出了新型弹性支承结构的箔片动压气体轴承，对推动我国低温技术的发展有着重要 的意义。他们为k m 6 载人航天器空间环境试验设备成功研制了低温氦气体轴承透平膨 胀机，获得了低温氦气制冷系统及低温高速气体轴承透平膨胀机的设计准则、试验数据 与运行经验，这具有重要的学术价值和工程指导意义【1 2 3 1 。 研究所更多地侧重于透平膨胀机自身机理和部件的研究，对于其结构设计的方法论 著不多，对于更倾向于通用机械设计的系统软件应用基本无涉足。 2 、航空航天部6 0 9 所 该所引进了国外的国外透平膨胀机技术和样机，在引进的第一阶段，进行了包括油 压轴承、轴向力自平衡、测控系统、可调喷嘴、润滑油系统及高中压密封系统方面的工 作；第二阶段进行了三元流两相带液叶轮的计算机辅助c a d 及c a m 应用、安全性测控 系统、油压轴承优选及试验设备除此以外，这几年来对于透平膨胀机的设计有一种新 的优化设计方法一遗传优化算法。该所对于计算机辅助系统的设计应用主要限于叶轮的 计算设计和制造 3 、杭氧股份有限公司( 杭氧设计院) 杭氧的大型增压透平膨胀机技术引自林德公司，并在其基础上进行了若干赶紧。早 在1 9 9 2 年杭氧就引进美国北方研究工程公司0 岍匝c ) 透平设计加工软件1 1 4 1 。该软件采用 三元流设计。程序中的许多经验数据来源于试验结果或权威部门，具有较高的可靠性。 6 浙江大学博士学位论文 膨胀机性能计算采用r i t - d a p 程序，工作轮的三元流分析计算采用c o m i g 程序。其中工 作轮造型采用s p e c i g 模块，该模块中必须输人三方面内容：第一，子午面流道选择； 第二，叶片厚度分布规律；第三，叶片角度分布规律。流场分析采用b a n i g 模块，该模 块采用流线曲率法经迭代计算确定流场分布。最终叶片定型是通过比较一系列设计的叶 片表面气流速度分布，综合评价而定。 此外，杭氧在计算时还结合美国国家标准局0 q s s ) 的流体物性参数计算程序，对 t d a p 程序予以修正，可使设计达到很高的准确度。由于计算方法进行三元流分析， 使气流组织更趋台理，工作轮叶片扭曲规律更加符合气流特性，因而流动损失大为减少。 杭氧此前一直使用a u t o c a d 软件进行透平膨胀机设计，并使用大恒公司的软件进行有限 的文档管理，公司于2 0 0 4 年引进n x 软件系统和i - d e a s 分析软件，现正进行三维设计的前 期应用阶段，仅限于部分零部件的设计，二维图纸仍然需要在a u t o c a d 下完成，总体设 计效率未能从三维c a d 设计中受益，知识应用也未能体现在现有手段中。 4 、四川深冷设备研究所 引进了美国l o t o f l o w 公司天然气膨胀机一压缩机机组技术和样机，包括设计、 制造、中间试验等全面质量保证手段。设计方面，膨胀机采用美国l o t o f l o w 公司三 元流动程序进行流动分析，结构上采用高效率的可适应大带液量的闭式工作轮，增压机 采用瑞士b b c 公司模型级模化设计，效率高，性能曲线平坦。轴承己采用l o t o f l o w 公司高强度动静压油轴承此外，该厂按照l o t o f l o w 公司试验技术和方法，建设了 透平膨胀机性能试车台位，对机器的机械性能和热力学性能都能够进行实测和考核。四 川空分设备集团公司在中国代表了设计带液透平膨胀机的最高水准【”】。公司是国内空分 行业引入三维设计模式最早的单位，能够运用u n i g r a p h i c s ：进行零件造型、装配、二维出 图等全系列的设计工作，但缺乏设计流程的系统管理，知识工程的应用也处于空白阶段。 5 、其他院厂 浙江大学化工机械研究所针对透平膨胀机的研究主要集中在转子部分和设计手段 方面，近年在此方面也做出了一定的成果【1 m ，国内另一家大型企业开封空分公司进行 了基于p m ，e n g 破r 软件的三维设计，应用程度仅限于造型阶段。 由于历史和技术方面的原因，国内的研究机构更多的倾向于透平膨胀机方面的研 究，对于其设计手段和知识的应用皆无很大的关注，企业方面，由于信息技术和现代设 计技术方面力量的不足，也很难独自进行此方面的研究和尝试。 第1 章绪论 1 3知识工程( k b e ) 发展与应用 1 3 1 知识工程基本定义与特点 知识工程概念和技术，最早由由f e i g e n b a u m 于1 9 6 8 年提出，它是k n o w l e d g e - b a s e d e n g i n e e r i n g ( k b e ) 的缩写，中文就是知识工程。知识工程是一个非常广泛的概念，它 的基本思想是要寻找记录不同类型知识的方法，这些知识被用来以容易查询、理解、重 用和维护的方式策划、设计和完成一种产品。 一个典型的k b e 系统一般包括以下三大部分【1 8 - 2 0 1 ： 知识建模，利用c a d 技术和c a e 技术对产品模型进行分析，获取并建立知识模型。 这是k b e 系统的基础 知识获取与维护系统，能够对领域知识的产品模型进行完善和修正，以使1 ( b e 系 统可以改进产品的设计与分析能力 知识库系统，进行知识的存储、表达与推理，帮助获取合理的解决方案。 由于k b e 技术的开放性，世界各地的研究人员提出了各自不同的理解和描述： 美国f o r d 汽车公司认为知识工程是运用知识完成工程任务。这些知识是特意积累 和存储，并以计算机为中介的。强调的是利用人工智能、信息技术和计算机软硬件来解 决工程问题，尽可能实现自动仓建几何模型的功能【2 。 英国c o v e n t r y 大学指出，k b e 是一种基于产品模型存储，并处理与此相关知识的计 算机系统，是促进工程化实用化产品开发的最值得研究的软件方法 欧洲面向k b e 应用的方法和软件工具研究联盟提出，k b e 是计算机辅助工程领域的 一个进步，它是一种将面向对象方法人工智能和c a d 技术三者集成的方法，能够提供设 计过程客户化变量化和自动化的解决方案阎 上海交通大学k b e 中心提出，k b e 是通过知识驱动和繁衍对过程问题和任务提供最 佳解决方案的计算机集成处理技术，是a i 和c a x 技术的融合 z 3 1 。 从制造业产品设计角度可以做这样归纳，k b e 是一个基于知识的计算机应用系统， 利用工程设计和制造工艺中产品的知识模型，通过专家知识的积累和继承，提高产品的 质量和缩短产品的开发周期。通过知识处理技术( 知识表达、知识获取和知识推理或应 用) 把专家知识应用于整个设计、制造、销售和维护过程中，快速、可靠地建立起满足 要求的最终产品模型。是与人工智能、知识库系统、几何造型系统以及计算机技术、信 浙江大学博士学位论文 息技术和网络技术进行有机地集成的一项工程技术彤f2 q k b e 系统具有以下几个特点： 一种与c a x 技术进行系统集成，面向工程应用，解决工程问题的计算机系统。 侧重于对某一特定工程领域的基于一个或几个过程的应用，而不是仅仅对过程中 的某一问题的解决。可以处理领域中核心的问题，也具备对细节解决的能力。 通过系统自身或外部工具完成知识的归类，存取，实现特定领域内知识的积累、 更新与继承。 推理过程是一个模式匹配和逻辑规则推理的过程，多采用基于规则和基于事例的 知识推理方法，而不是应用一个数学模型。 1 3 2 知识工程技术研究和应用 k b e 的产生使人工智能技术真正能够成功的应用于工程设计中，k b e 成为人工智能 领域最为活跃的研究领域之一，许多国内外大型企业和研究机构把k b e 技术作为新世纪 发展战略的关键技术。国外基于知识的工程k b e 在工业领域的应用研究在八十年就己经 开始了，主要集中在：k b e 的应用研究、支持k b e 应用开发方法和工具研究、工程知识 的管理和网络联盟企业k b e 主要应用于飞机制造业、汽车制造业、工业设备和建筑业。 英国c o v e n t r y 大学、c r a n f i l e d 大学、美国w a s h i n g t o n 大学等都在开展k b e 的理论与 应用研究。诸多跨国公司如b o e h l g 、g e 、f o l d 、b r i t l s ha e r o s p a c e 、j a g u a r 、l o t u s 、s a a b f r o me u r o p e 、m i t s h b u s h i 、h i t a c h i 、i a i 、m t u 等都成立了专门的开发部门，并设计了各 自的工具用于日常工作中。u g s 等公司组成的北美k b e 协调小组、k t i 赞助支持的h u g 组织和多家大学与高校组成的m o k a 组织每年召开年会，交流k b e 研究的新成果 已经完成和正在发展的部分开发项目包括： k c s r d p ( k n o w l e d g ec a p t u r e , s h a r i n ga n dr e u s ei nd e s i g nn o c 髓s 卜设计过程的 知识捕捉、共享与重用技术，项目正在由c 锄b 喇西大学、s h e f i e l d 大学、s o u t h a m p t o n 大学，b r i t i s ha 麟枇和r o l l 姝o y 组成的大学技术伙伴设计组u t p 合作进行嘲 m o k a 计划( m e t , h o d o l o g ya n dt o o l so r i e n t e dt ok n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s 州e c - - k b e 的应用方法与工具，由英国、法国和德国的几家公司与院校 合作启动。该项目由欧盟信息技术战略计划e s p r i t 资助鲫。 i n d e m a n l 3 ( i n t e g r a t i n gd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gk n o w t e d g e i na l le x t e n d e d 9 第1 章绪论 e n t e r p r i s e 卜网络联盟企业设计与制造知识的集成项目，欧盟工程与物理科学研究委 员会e p s r c 资助，由g r a n f i e m 大学主持并于2 0 0 0 年上半年完成目前欧盟在k b e 领域的 一些主要研究工作【2 引。 俄罗斯最大的汽车制造公司a v l 坦公司与俄罗斯国家科学院s a m a r a 机械 工程研究所合作，启动了一项面向并行工程的协作交流与基于知识的系统在工程中应用 的研究知识集成系统( k n o w l e d g ei n t e g r a t i o ns y s t e m ，m s ) 。其目的就是最大限度地 提高工程人员对信息与知识的利用。通过对企业工程问题的分析，进行知识的获取、累 积和应用。它是一个基于产品全生命周期的知识集成系统 美国在这方面的研究比较集中的是一些基础技术，如s t a n f o r d 大学的知识系统实验 ( k n o w l e d g es y s t e m sl a b ，k s l ) ，k s l 把知识的表示和推理作为人工智能领域的核心内 容来进行研究其研究的内容包括设计和开发知识服务器，知识库，知识系统模块，知 识系统在科学、工程和国防中的应用等。美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 于1 9 9 7 年启动了一个为期4 年的开发研究计划一一高性能知识库( h i g h - - p e r f o r m a n c e k n o w l e d g eb a s ep r o g r m n ，h p k b ) 。其目的是使开发者能够快速建立一个能容纳1 0 0 k 1 m 条公理规则框架的知识库。此后的另一个4 年计划快速知识生成( r a p i d k n o w l e d g ef o r m a t i o n ，v a 匠f ) 也随之展开，主要目的是使主题专家不需要任何对知识的 表述方式、获取方式和操纵方式的培训学习，就可以直接方便地访问和修改知识1 2 9 。 已开发的k b e 应用开发工具包括n a s a 的c l i