（机械制造及其自动化专业论文）基于控制链的复杂管路的模块化设计研究与应用.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 目前，随着我国加入w t 0 进程的不断深入，国内制造业在获得更大机遇的同 时，也正面临着更激烈的竞争。“以用户为中心、快速响应市场、最大限度地满 足用户需求”已成为当今企业增强企业竞争力的主要目标，而竞争的焦点则着眼 于能否对市场的快速响应。因此，针对市场需求快速地对产品进行设计是企业生 存与发展的关键问题。 本文正是立足于上述现状及企业需求，在总结和提升前人成果的基础上，以 特定复杂管路为研究对象，针对其设计、制造、安装、运输等特点，把“控制链” 概念及模块化设计引入到管路设计中，提出了基于控制链的复杂管路广义模块化 设计思想。阐述了管路控制链的定义，并从调控点的点域、控制链各部分几何约 束、管路的功能这几个方面分析其对控制链结构的影响。同时，研究了复杂管路 广义模块化设计中的模块划分、划分方案的合理性评价、模块的编码规则以及模 块的选择组合原则等。另外，针对复杂管路模块化设计中涉及到的路径优化设计 问题，本文运用遗传算法思想，提出了控制链的优化设计及p 装配模块内各柔性 模块的路径优化设计的解决方法，其内容包括遗传因子编码、适应度函数及惩罚 函数的定义等。 本文结合上海汽轮机有限公司委托项目汽轮机套装油管路设计系统，在 基于控制链的复杂管路广义模块化设计思想基础上，采用v b 、v c h 、u g o p e n 、 a c c e s s 、g e n e h u n t e r 等开发工具完成了整个套装油管路设计系统的开发。 该系统支持管路设计者创建、优化管路的方案设计，能够结合具体的设计需求创 建、选择组合模块，并能对产品b o m 及文件进行统一管理。该系统的建立验证 了基于控制链的复杂管路广义模块化设计思想，该设计系统的应用大大提高了套 装油管路的设计效率，满足了快速响应市场的企业需求，提高了企业的竞争力。 关键词模块化设计控制链复杂管路优化设计 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，a st h ep a c eo f j o i n i n gw t og o e sf o raf u r t h e rs t e p ，w h a tt h ed o m e s t i c m a n u f a c t u r ei n d u s t r yi sf a c e dw i t l li sb o t hg r e a t e rc h a n c ea n dm o r ei n t e n s i v e c o m p e t i t i o n r e g a r d i n gt h ec u s t o m e ra st h ec e n t e r ，r e s p o n d i n gr a p i d l yt ot h e m a r k e t p l a c ea n df u l f i l l i n gt h ec u s t o m e r sd e m a n d st ot h el a r g e s te x t e n th a sb e e nt h e m a i ng o a lo f m o d e me n t e r p r i s et os t r e n g t h e nt h e i rc e m p e t i n za b i l i t y f u r t h e r m o r e , t h e f o c u so fc o m p e t i t i o ni sw h e t h e rt h ee n t e r p r i s ec a no f f e rr a p i dr e s p o n s et ot h em a r k e t s ot h a t h o wt od e s i g np r o d u c t sr a p i d l yt h a ts a r i s t h em a r k e td e m a n d sh a sb e c o m e t h ek e yp r o b l e mf o rac o m p a n yt os u r v i v ea n dm a k ep r o g r e s s b a s e do nt h es t a t u sq u oa b o v ea n de n t e r p r i s ed e m a n d s ，t h i sd i s s e r t a t i o na d o p t s t h ec o n c e p to fc o n t r o lc h a i na n dm o d u l a r i z a t i o ni np i p ed e s i g n 。s t u d i e st h es p e c i f i c c o m p l i c a t e dp i p e sd e s i g n ,c o n s i d e r i n gd e s i g n ，m a n u f a c t u r i n g ,a s s e m b l y a n d t r a n s p o r t a t i o no fp i p e s a n di ta l s op r o p o s e st h ec o m p l i c a t e dp i p e sg e n e r a l i z e d m o d u l a rd e i g nb a s e do nc o n t r o lc h a i n ( p g m d ) b yg e n e r a l i z i n ga n di m p r o v i n gt h e p r e v i o u sr e s e a r c h e r s r e s e a r c hr e s u l t s ，w h i c hi n c l u d e st h ed e f i n i t i o no fc o n t r o lc h a i n i np i p ed e s i g n ，t h ea n a l y s i so f f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es t r u c t u r eo f c o n t r o lc h a i n ，s u c h a s t h ea d j u s t i n gp o i n t s ，g e o m e t r yc o n s t r a i n t sa n dt h ep i p ef u n c t i o n ，t h em o d u l e p a r t i t i o ni ng e n e r a l i z e dm o d u l a rd e s i g no fc o m p l i c a t e dp i p e s ，t h es c h e m ee v a l u a t i o n o f m o d u l ep a r t i t i o n , t h em o d u l ec o d i n g t h em o d u l es e l e c t i o na n da s s e m b l y t h e r ea r e a l s os o m ep r o b l e m so fp a t ho p t i m i z a t i o n ，s u c ha sc o n t r o lc h a i no p t i m i z a t i o nd e s i g n a n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f a l lf l e x i b l em o d u l e si np i p e sa s s e m b l ym o d u l e s ( p a m ) o n t h eb a s i so fg a s 。t h i sd i s s e r t a t i o na l s op r o p o s e sam e t h o dt os o l v et h e s ep r o b l e m s ， w h i c hi n c l u d e st h eg e n e sc o d i n g , d e f i n i t i o no ff i t n e s sf u n c t i o na n dp u n i s h i n gf u n c t i o n a n ds o o n o nt h eb a s i so fp g m dt h e o r y , t h ea u t h o rd e v e l o p st h ep i p e sd e s i g ns y s t e m h a m e de n c a p s u l a t e do i lp i p e sd e s i g ns y s t e m ( e o p d s ) f o rs h a h g h a it u r b i n ec o ， l t d u s i n gs o m ed e v e l o p i n gt o o l s ，s u c ha sv b ，v c + + ，u g o p e n ，a c c e s sa n d g e n e h u n t e r t i l i sd e s i g ns y s t e ms u p g i e r r st h ed e s i g n e r st oc r e a t ea n do p t i m i z et h e s c h e m ed e s i g n , t oc r e a t e 。s o l e c ta n da s s e m b l yt h em o d u l e sw i t hd e t a i l e dd e s i g n d e m a n d s t om a n a g eb o ma n df i l e so f p r o d u c t s t h ee o pm o d u l a rd e s i g ns y s t e mh a s v e r i f i e dt h ep g m dt h e o r y t l l i sd e s i g ns y s t e mi m p r o v e st h ep i p e sd e s i g ne f f i c i e n c y , m e e t sm a r k e tn e e d s ，a n ds t r e n g t h e n st h ee n t e r p r i s ec o m p e t i n ga b i l i t y k e yw o r d ：m o d u l a rd e s i g n ，c o n t r o lc h a i n , c o m p l i c a t e dp i p e s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n 、一 v l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期 1 ，姥尸 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 雏嗍巾 i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及来源 制造业是国民经济的支柱产业，制造技术直接创造着社会财富。当今世界的 竞争主要是综合国力的竞争，以机械制造技术为代表的先进制造技术，对一个国 家的经济发展起着至关重要的作用。世界制造业的实践证明，工业化国家的真正 财富中有6 0 8 0 是制造业创造的。在新世纪全球经济一体化大潮下，制造业正 面临着巨大的挑战和机遇。 面向2 1 世纪，制造业所追寻的目标就是如何快速地响应市场，满足客户需 求，研发出新的产品，缩短设计周期，迅速地占领市场。全球性市场竞争给制造 业造成了严酷的生存环境，随着全球经济一体化的迅速发展，产品竞争日益激烈。 我国正处于大力发展市场经济阶段，产品亦由卖方市场转为买方市场，在这一形 势下，机械产品朝着多样性、多功能、系列化、自动化方向发展，用户的个性化需 求越来越广泛，产品更新换代周期越来越短。为此，企业为扩大竞争和生存空间必 须快速开发和制造出质高价廉的创新产品。 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重 要的组成部分之一，尤其在发电机组整个系统中，油管路供油系统是重要的辅助 系统之一。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。而且， 复杂管路因并行管路多，跨度大，横截面变化大，方向变化多等，造成了设计难 度加大，增加了设计和制造成本。因此，针对复杂管路系统，如何对其进行设计 优化，进行快速设计，以提高设计效率一直是管路设计的研究热点。 因此，本论文基于控制链的复杂管路的模块化设计研究与应用( r e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no fm o d u l a rd e s i g no fc o m p l i c a t e dp i p e sb a s e do nc o n t r o l c h a i n ) 的立题正是立足于当前市场对复杂管路设计提出的要求，并将研究的成 果在上海电气集团上海汽轮机有限公司汽轮机套装油管路设计系统( 项目编 号d 1 1 0 1 0 9 0 5 0 7 6 ) 中得以应用。 上海大学硕士学位论文 1 2 课题研究的对象、目的与意义 本文主要是针对复杂管路的模块化设计进行相关的研究。本文所研究的复杂 管路具有以下特点：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【1 】；为满足制造、安 装、运输的要求及其维护性，管路系统需分段后形成多管路，多约束的套装式管 束；管路为三维空间结构，跨度大。 随着社会的发展和人类生产技术的提高，制造业所追求的是如何快速响应 市场、研发出新的产品。对于般的机械产品设计，产品的模块化设计得到了很 大的关注，也做出了很大的研究成果。但对复杂管路这种特殊的机械产品，并没 有具体的模块化设计方法以支持管路系统的快速设计。因此，针对复杂管路系统 的设计特点，如何寻找一种改进的模块化设计方法，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，也是本文研究的目的。 本课题的提出是结合当今特定复杂管路模块化设计理论的匮乏以及社会、企 业的迫切需要。因此，对复杂管路模块化技术以及优化技术的研究，既具有重要 的理论意义，又具有社会、经济价值，具体如下： 1 ) 理论意义模块化技术是实现快速响应市场的使能技术，设计优化则是设 计一直追寻的目标。针对复杂管路的结构设计特点，结合路径优化技术的模块化 设计研究可丰富机械产品的模块化设计理论，为模块化设计理论在复杂管路系统 的具体应用打下理论基础。因此，对复杂管路的模块化设计理论研究有重要的理 论意义。 2 ) 经济价值以上海电气集团上海汽轮机有限公司作为示范应用，进一步向 其它企业以及相关设计领域扩展，可确保项目的研究成果直接得到应用，节约设 计成本，提高企业的经济效益。 3 ) 社会价值本课题的研究成果可提高相关企业的市场竞争能力，加快民族 品牌建设，增强企业的国际影响力。 2 上海大学硕士学位论文 1 3 国内外研究状况及发展趋势 1 3 1 模块化设计的研究现状与发展趋势 模块化技术是快速研制技术的重要组成部分之一，是系统科学技术渗透到标 准化领域所形成的一种标准化方法。模块化技术是实现产品快速设计的一种重要 技术，基于模块化的快速产品设计是通过将机械产品分解为功能独立，结构完整 的基本单元模块，并使模块系列化、模块之间的接口标准化，通过模块的选择 和组合构成不同的产品，从而实现产品的快速设计。通过综合利用模块化设计中 的标准化、系列化特征、组合特征和面向产品族的设计方法可以加快产品设计周 期，满足不同的用户需求。因此，模块化技术被认为是简化产品实现过程、减少开 发成本和缩短制造周期的最有效方法和工程设计实践。现代模块化设计方法的研 究已经广泛融合其它现代设计方法、制造和管理技术，如计算机辅助设计、价值 工程、可靠性和优化设计、成组技术等。模块化技术的发展和应用，为现代制造 业的产品设计与制造提供了一套有效的理论和技术方法。 1 3 1 1 模块化设计的概念 模块化设计的概念是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成的，模块 化设计方法的不断完善和推广使用，也必然会加速产品设计和生产的革命性发 展。 模块化是一种思想方法，国内外专家对此做了很多研究工作，取得了很大的 成就。但是，这些研究在理论上还不够完善。目前，对模块化的定义还没有一个 公认的权威性的定义，不同的学者从不同的角度对其进行了陈述： 劳俊等认为模块化设计应综合考虑系统对象，把系统按功能分解成不同用途 和性能的模块，并使之接口标准化，选择不同的模块，以迅速组成适应用户不同 需求的产品【2 1 。 贾延林认为模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、 不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模 块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法【3 1 。 上海大学硕士学位论文 s u h 从功能设计一参数映射的角度定义模块化设计，认为模块化设计是一种 分析结果的产生，这种结果以产品、过程和系统的形式表现，并满足预定的需求， 其方法是选择适当的设计参数完成从功能需求域到设计参数域的映射【4 】。 u l r i c h 认为所谓的模块化设计就是在标准化理论的基础上运用系统工程的 原理，将一复杂的工程产品分解成层次合理的简化、系列化、标准化单元模块， 并用这些标准化模块组合成各种不同产品的过程。它是以功能分析为基础，通过 功能、用途不同的各模块的互相组合实现基型产品和变形产品，主要包括模块划 分和模块组合两个过程【5 1 。 还有一些有关模块化设计的陈述，这里不再列举，以上看法都体现了模块化 设计思想、特点和要点。 1 3 1 2 模块化设计理论研究现状 随着模块化设计应用范围的不断扩大，模块化设计理论也得到了不断发展。 不同的学者从不同的角度对模块化设计理论进行了阐述，他们从系统论的角度或 者从产品设计的某一特定角度研究模块化设计理论方法和技术。 童时中从系统论的角度认为：模块化设计应该按照系统分析、模块化产品设 计、模块选择组合三个层次进行【6 】。 e r i x o ng u n n a r 以功能相关性分析为主，从子功能间的功能相关、信息相关、 装配相关和空间相关的角度对功能进行分类划分，并提出了应用m i m 矩阵算法来 确定子功能的模块归属川。 齐尔麦等人在总结一般机械产品结构设计的基础上，提出了一般机械的广义 模块化设计思想，把模块划分为广义模块、柔性模块、虚拟模块；并提出了基于 模块化的产品族及模块系统规划【8 1 。 孙挪刚等人提出了一种基于h o q 矩阵的产品模块两阶段分解方法，首先根据 产品工程性能互相关矩阵，按照最大最小划分方法，通过求解y i e d l e r 特征值以 及相应的f i e d l e r 特征向量的方法，将产品的工程性能进行分组，然后根据用户 需求与产品工程特性的关系矩阵以及按工程性能分组所确定的分组数，按照唯一 及最大相关度的原则通过求解0 0 1 优化问题，将用户需求分配到相应的组中，从 而将具有强耦合的用户需求与产品工程性能紧密相连，实现了对产品模块的划分 4 上海大学硕士学位论文 【9 】 s h i n s u k ek o n d o h 等人针对现在模块化设计中很少考虑整个产品生命周期和 减轻环境压力问题，提出了一种新的决定产品模块结构的方法，它通过应用$ 0 m s ， 把和产品生命周期相关的各种参数集合起来决定产品的模块结构【1 0 】。 张宝辉等人总结了模块现有的划分方法，建立了产品功能模块划分过程模型，阐 述了用户需求获取，确定功能等关键过程，重点研究了以功能分析为基础，综合 考虑功能相关、物理相关、时间相关、装配相关等相关准则的功能模块划分方法 1 q 。 宗呜镝等针对模块划分的目的性和分级性，给出模块划分中的多角度和分级 特性，并提出了一种新的模块划分方法；该方法首先以用户需求为依据对产品进 行功能分解，获得一系列的功能元；然后从用户的特定需求出发定义相关性矩阵， 根据该相关性矩阵进行模块划分【1 2 1 。 x u e q i n gq i a n 针对产品模块化设计中的模块分析，提出了面向环境使用性 能的模块分析方法，此目的是把环境标准也归结到模块化分析中，并开发了支持 模块化设计的d f e 系引”1 。 李江等提出了基于物元模型及可拓方法的产品可拓模块化设计方法。该方法 首先在物元模型的基础上，结合模块自身特点，建立了模块物元及模块族物元， 以有序三元组的形式规范地保存了历史模块和模块族数据，并研究了模块物元的 可拓性及其变换，然后运用可拓方法对模块物元进行变换与操作，即实现了模块 划分、模块检索与匹配、以及模块综合等模块化设计过程的形式化描述，为模块 化设计提供了新的思想方法【1 4 1 。 以上学者各自从不同的角度对模块化的设计理论进行了阐述，对于具体的复 杂管路系统的模块化设计具有一定的借鉴意义，并不能完全适应。针对复杂管路 的模块化设计，还需要探讨相应的模块化设计理论。 1 3 。1 3 模块化设计工业应用现状 模块化在工业中的应用可以追溯到2 0 世纪3 0 年代，德国机床制造业首先提 出了“模块化构造”的设计概念。2 0 世纪7 0 年代，日本通产省开始研制柔性制 造单元，明确引进了“模块化”的概念 i s l 。2 0 世纪9 0 年代末，福特公司的顾永 5 上海大学硕士学位论文 平率先在汽车工业历史上实现了发动机的模块化设计，这一设计的突破，不仅使 得发动机本身的生产工艺得以简化，而且引起了生产线结构的革命1 6 1 。模块化 设计在一般机械产品的设计中越来越得到重视。 梁睦等在分析国内外数控系统的发展现状、可重构机床的研究进展以及可重 构机床的基本特点的基础上，阐述了机械与数控系统的模块化设计要求以及可重 构机床的模块化设计关键技术难点【i - r j 。 姚磊等把模块化设计运用到刀具系统的设计中，有利于刀具信息描述的标准 化，可更快、更方便地获得加工最需的最佳刀具及切削参数【1 8 】。 张宇等通过对起重机起升机构进行分析，按照模块化设计理论，对起重机的 起升机构进行了模块化设计【。 模块化设计在电子设备中也应用广泛，其中在计算机中的应用已趋于成熟。 国际化行业标准己使计算机模块可以自由互换匹配。另外模块化在飞机、机器人、 造船、工业汽轮机和家电等众多行业得到广泛的应用，不同的行业虽然实现模块 化的方法和程度不同，但作为工业界实现标准化、多样化的一种主要途径，模块 化的研究和推广势在必行。 1 3 1 4 模块化设计的发展趋势 从国内外发展情况来看，模块化设计技术早已在制造业得到研究和应用，并 已研制出许多模块化产品和模块化系统，尤其是国外先进制造业，已经进入了柔 性化时代，基本上形成了产品从设计、工艺制造到经营的一整套模块化管理体系。 但是，至今为止的模块化系统，仍然存在一些不足，归纳如下【冽： 产品的创造设计能力差：目前的模块化产品，大多是在基型产品上发展 或变化而来的，通过更换或增加某一功能模块来实现，因而不能有效地进行创造 性设计，实现真正“模块化”结构。 智能功能差：目前的模块化系统还缺乏综合能力和演绎决策能力，它要 求用户有较高的专业知识水平和较丰富的实践经验。 产品制造和环境适应能力差：只是针对特定产品类型或系列及特定制造 环境下开发的，很难适应相似类型或不同类型的产品，或不同制造环境情形，缺 乏灵活性，应用面窄，无综合系统能力。 6 上海大学硕士学位论文 上述的研究不足是以后模块化设计研究者应该主要解决的问题，也是研究的 方向： 应综合运用模块化、设计方法学、分级模块化结构的理论和方法，研究 模块化创造性设计模型和问题求解模式，建立一套完善的理论体系。 重视模块化设计中的知识管理及集成设计思想，结合人工智能和专家系统 技术，建立基于知识的模块化设计模型，使系统能够具有问题推理、规划和演绎 决策的能力，以实现知识的重用和提高模块化设计效率【2 “。 模块化技术与计算机技术应进一步结合，研制开发基于网络协同的模块化 设计的通用工具软件系统，基于该工具软件，能够根据企业不同产品类型和制造 环境，进一步研制适应于各企业的模块化设计专用软件系统，为快速响应市场提 供一种更为有效的途径【2 i i 。 很显然，今后模块化设计制造系统朝着智能型、通用型系统工具方向发展。 只有这样，才能快速地提高我国机械制造业的整体水平，从而推动我国机械工业 领域的发展。 1 3 2 管路路径优化设计的研究与发展状况 对于三维管路及其路径的优化设计，前人已经做了大量的工作，也取得了很 好的研究成果。初期是二维管路的简单研究，到发展成现在的多目标、多约束的 三维管路及其路径优化设计研究，研究成果如下： s p r o u t 方法采用了深度优先搜索来优化管路的设置，但需要太多的信息( 2 甜。 d i j s t r a 提出采用加权图( w e i g h t e dg r a p h ) g = ( v ，e ，w ) 描述管路空间，( 式中：v 为 一组连接点：e 为连接点的圆弧：w 为权重) 来求解最佳路型2 3 1 。随后出现了其改 进算法：邻接节点算法，最短路径快速算法、带评价函数的d i j k s t r a 算法】。 但他们只是单管路问题，并没有考虑多管路的优化设计，如：汽轮机套装油管路 的路径优化这类问题。 樊江提出了基于协进化的多管路智能化寻径，但是局限在二维中1 2 5 】。 目前，管路自动布置算法主要有四种，如下： l e er o u t i n ga l g o r i t h m ：l e e 布线算法是一种迷宫算法( m a z ea l g o r i t h m ) ， 它是最早的布线算法之一【2 6 】。m d o r i g o 在迷宫算法的基础上提出了新型的模拟 上海大学硕士学位论文 进化算法蚁群算法f 2 刀。2 0 0 5 年，张美玉等运用蚁群算法研究移动机器人的 路径规划，建立了一种新型的优化算法i 硎。 基于人工智能和k b e 的方法：管路设计过程是一个循序渐进的设计过程， 这个过程凝聚了设计者的智能和经验。因此利用人工智能和k b e 技术，可开发出 管路自动布置专家系统，提高管路的设计效率。 基于模拟退火法( s a ) 管路布置。张波等将模拟退火算法应用到了路径优 化中，利用该算法对类似货郎担问题的路径问题进行了求解。周长峰等运用 模拟退火算法求解最短路径填挖问题，取得了良好的效果3 0 】。 基于遗传算法( g a ) 的管路布置。该方法是最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。t e r u a k ii t o 采用遗传算法解决了厂 房中管路铺设路径优化问题，包括遗传因子的定义，首个基因的产生，交叉方法 的评价以及适应度函数的定义；但其解决的管路敷设只能是正交敷设【3 ”。邵挥 洲等采用遗传算法完成了管线设计工作上关于最短路径的搜寻问题以及碰撞问 题的避免等；同时建立了较佳的路径设计自动选择模式，开发了相应的软件，并 把其应用到舰船的机舱管路设计【3 2 1 。 1 4 论文主要研究内容与框架 在总结如上所述的前人研究成果的基础上，并结合具体课题的研究对象及目 的要求，本文主要的研究内容如下： 针对复杂管路的设计特点，研究基于控制链的特定复杂管路的广义模块化设 计理论，并对控制链的定义、复杂管路的广义模块化模块划分、划分方案的 合理性评价以及模块的编码、选择组合等进行了相关的探讨研究。 针对复杂管路设计中的路径优化问题，对控制链的优化设计、p 装配模块内 各柔性模块的路径优化设计运用遗传算法进行了探讨研究，包括遗传因子的 编码、适应度函数以及惩罚函数的定义等。 结合上海电气集团上海汽轮机有限公司汽轮机套装油管路设计系统项目， 运用以上理论研究成果和实现策略，开发建立套装油管路模块化设计系统， 提高管系的设计效率。 本文的章节安排如下： 上海大学硕士学位论文 1 5 本章小结 绪论 复杂管路的模 块化设计 复杂管路模块 化设计中的路 径优化设计 分析 总结展望 图1 1 论文章节安排 本章首先阐述了课题的研究背景、对象及研究意义；然后对复杂管路模块化 设计涉及到的关键技术进行了国内外研究现状的阐述，包括模块化设计的研究现 状及其发展趋势、管路路径优化设计的研究现状；最后表明了本文的主要研究内 容以及章节安排。 9 上海大学硕士学位论文 第二章复杂管路的模块化设计 模块化技术是快速研制技术的重要组成部分之一，是系统科学技术渗透到标 准化领域所形成的一种标准化方法。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生产条件下的 个性化，以增强企业的竞争力。模块化产品设计在航空、机械、电子、建筑、家 具等产业已取得显著的效益。实践证明，模块化技术对于缩短某些系列化产品的 研制周期有明显的作用。 本章在分析复杂管路结构设计特点的基础上，对复杂管路的模块化设计进行 了研究探讨。下文将在控制链的定义、复杂管路的广义模块化模块划分、划分方 案的合理性评价以及模块的编码、选择组合几个方面进行相关的探讨研究。 2 1 复杂管路结构设计特点 复杂管路设计作为一种特殊机械产品的设计，它一般是作为整个工程系统的 子系统或整体系统来实现其需要的功能。它不仅与一般机械产品结构设计具有相 同的特点，而且具有其特别之处。因此，在对复杂管路系统进行模块化设计之前， 先要理解管路结构设计的特点，其设计特点如下： ( 1 ) 整体性 现代设计是一个系统化的设计。对于管路设计，不仅要考虑其自身系 统的依存性，还要考虑对外部系统的影响，尤其是当其作为一个大系统的子系统 时，其设计的好坏将直接影响到整个系统的性能。 ( 2 ) 相关性 对于管路系统来说，其不同分系统通过约束关系相连，各个分系统具 有功能依存性，彼此影响。一个分系统设计的好坏影响到整个系统功能的实现。 ( 3 ) 层次性 在复杂管路设计中，整个管路系统和分系统、分系统和子零件都存在 层次性。设计时，可采用自上往下( t o p - d o w n ) 、自下往上( d o w n - t o p ) 或者两 者相结合的设计流程。为了有效地控制管路的拓扑结构，建议采用t o p - d o w n 和 d o w n t o p 两者的结合设计流程进行管路的设计。 l o 上海太学硕士学位论文 2 2 控制链( c o n t r o lc h a i n ) 控制链在军事、管理方面应用的相对较多，而在机械产品设计方面应用相对 较少。控制链没有具体的定义，在不同的领域有不同的描述，如：在军事上，控 制链意指组织的命令和报告都应来自上头，然后逐级贯彻到底层，不能越级或客 串【3 3 】；在管理方面，控制链管理指建立在价值链基础上，由一组业务流程构成 的，防范风险的操作流程管理 蚓。常用的三维设计软件( 如u g 、p r o e 、c a t i a ) 引用主模型的概念来控制文件数据流，也可看作“控制链”。在管路设计中，传 统的设计流程一般是先根据已知条件进行工程计算得到管路的拓扑结构，然后进 行不断地调整，直至满足工程要求。这种设计流程导致设计效率低下，设计结果 未必最优，系统设计参数无法进行有效地控制。因此，考虑到管路设计的特殊性， 为了便于控制整个管路的拓扑结构，实现管路的优化设计以及数据的有效传递， 现把控制链概念引入到管路设计中，以增强管路设计的系统性、参数可控性、高 效性。 在复杂管路的模块化设计中，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。在管路设计中，控 制链主要用来宏观上控制管路主线的拓扑结构和实现管路模块之间的数据传递， 为后续的管路模块化设计做好铺垫。根据初始己知数据和设计经验知识建立参数 化调控点，过点建立多段线段，这些线段就构成了初始的控制链，然后根据系统 的功能和工程要求对控制链不断地优化计算( 后续章节将针对此问题进行详细的 介绍) ，直至得到最终的优化控制链。其流程图如下： l ! ! ! j 一 图2 1 控制链求解流程图 初始控制链结构的获得要考虑调控点的点域、控制链各部分几何约束、管 路的功能这几个方面，其关系表述如下： c c = f ( s ，g ，f ) ( 2 1 ) s ( s p a c e ) ；表示初始控制链调控点的空间点集及其每段控制链空间域半径 矿e2：hi 防s ， 订2 | i ( 2 - 3 ) l ， ! 垡! ! 垡! s ， ( 2 5 ) a i + b j + c 孟r = ( x i 形2 可见，按照管路的广义模块化划分方法划分管路明显优于一般的模块划分方 法。因此，管路的广义模块化划分方法值得推广应用及进一步深化。 2 。5 复杂管路模块的选择配置 2 5 1 模块的编码 在复杂管路的模块化设计中，模块编码的合理与否对整个系统的建立和运 行，如部套的选择、组合以及生产诸多方面产生重要的影响。编码在于用规定的 字符代表复杂的概念，从而避免文字叙述所带来的冗长和累赘，以及概念表达的 多样性、多义性和非标准化【3 科。模块编码的目的是把模块的信息代码化，为模 上海大学硕士学位论文 块的选择和组合带来方便，也方便了模块计算机的数据管理。 2 5 1 1 模块编码原则 模块的编码要遵循一定的原则，其原则如下【3 9 】： ( 1 ) 唯一性：编码必须唯一的表示一个模块，模块也只能存在唯一的编码。 ( 2 ) 完整性：模块编码要尽可能完整的表达模块的信息，包括模块的选择、 组合以及模块化管理。 ( 3 ) 简洁性：码位在满足需要的前提下尽可能的少。 ( 4 ) 易处理性：要便于计算机的处理。 ( 5 ) 继承性：适当考虑工厂的实际情况，在满足模块设计需求的前提下，使模 块编码对产品编号，图纸编号等改动最小。 2 5 1 2 模块编码 模块的编码主要用于模块模板、模块设计实例的信息管理和模块的选择组 合。在编码中要主要考虑到模块的从属关系、模块的特征信息、图纸编码信息以 及模块的接口信息。其中前三者主要考虑到模块的管理，而模块的接口信息主要 考虑到模块的配合。考虑到管路设计的特点，以及计算机管理的方便性，单位码 采用整数。 在复杂管路的模块化设计中，模块的接口信息相对来说简单。因此，模块的 编码主要考虑模块的从属关系和模块的特征，具体如下： ( 1 ) 对于模块的从属关系，要考虑到管路是作为其它系统的辅助系统，还是 一个单独的系统。若为一个母系统的子系统，这时就要把母系统的主要特征编入 码值，作为第一个主码( 若母系统也是系列化产品，这显得尤为重要) 。然后， 从根节点开始对模块的每一级代码化，并确定码值，并在代码后附加模块的类型 码，从而完成复杂管路广义模块化设计中模块从属关系的编码。 ( 2 ) 管路系统不同于一般的机械系统，它尽量应用标准管路零件。因此， 在模块的编码中，把标准和非标准的零件，以及零件类型区分开，以有利于管路 数据的管理和采购。 上海大学硕士学位论文 2 5 i 3 模块编码规则定义及实例 对不同的管路系统，其具体的编码规则可能略有不同，因此无法给出一个通 用的编码规则。现针对套装油管路系统给出编码规则。其它管路系统可以借鉴。 根据模块编码原则以及套装油管路的模块化设计需要，只对管路中的主要模 块、主要零件进行编码，其它国家标准零件如螺栓、螺母等按照国家命名标准定 义。现规定其编码规则如下： 码位 12122 1 1 名称与母系统部套类型码子部套码零件码 分段特征码 部套码 类型码 零件排序 标准码类型码 内容 表示母表示第几表示某部表示某部套表示子部表示零 表示零 系统的个部套套的某种的第几个子套的第几件是否件的类 系列类型部套 个零件 为标准型 件 取值 2 、3 、4 0 1 - 9 9 1 - 9 0 0 - 9 90 0 - 9 90 - 2 0 - 4 母系统特征码： 部套码( 部套类型码) ； 表2 2 2编码规则 i 码值 234 i 意义 二缸三缸 四缸 表2 2 3 母系统特征码表 i 码值 o l0 29 9 l 意义第一个部套第二个部套第9 9 个部套 类型码( 部套类型码) 子部套码 表2 2 4部套码表 i 码值 129 l 意义第一种类型第二种类型第9 种类型 表2 2 5类型码表 上海大学硕士学位论文 零件排序码 零件标准码 零件类型码 l 码值 0 00 1 9 9 i 意义表示上级部套第一个子部套 第9 9 个子部套 表2 2 6子部套码表 l 码值0 00 19 9 l 意义表示上级子部套第一个零件第9 9 个零件 表2 2 7零件排序码表 i 码值 01 2 3 i 意义无国标厂标非标准件 表2 2 8零件标准码表 l 码值 ol2345 l 意义无直管弯管圆盖三通缩节 表2 2 9零件类型码表 例如，编码4 0 1 1 0 0 0 0 0 0 为四缸汽轮机供油管路系统第一个部套，表示如下： o 图2 3 0编码分析 编码3 0 1 2 0 1 0 1 1 2 为三缸汽轮机供油管路系统第一个部套第二种类型的第一个子 部套的第一零件，其为国家标准弯管头，表示如下： 第一部套第一子部套国标 图2 3 1编码分析 上海大学硕士学位论文 2 5 2 管路模块的选择组合 模块的选择组合是在综合分析客户需求的基础上，在产品设计约束的调控 下，通过对不同功能、性能的模块进行组合，从而配置出满足客户个性化需求的 产品的过程。 2 5 2 1 管路模块的选择 模块的选择是模块化设计的一个重点。模块选择的依据主要是根据模块的属 性是否和需求相匹配，模块的属性分为定性与定量两种【帅1 。对管路模块来说， 模块的定性属性主要是指p 装配模块的拓扑结构、内部柔性模块数、各柔性模块 功能等；定量属性是指p 装配模块的规格尺寸等。 对于管路系统来说，模块的选择主要是根据控制链的拓扑结构、系统功能需 要及安装现场要求来决定。管路系统的拓扑结构主要是由控制链决定的，整个控 制链是由不同的分链组成的，每个分链可划分成几个不同的模块；系统的功能需 要则要考虑到管系外部接口功能、p 装配模块的规格尺寸、p 装配模块内各柔性 模块功能及其规格尺寸；现场安装则要考虑油箱的空间摆放方位等。管路模块选 择时，设计人员根据控制链走向，在模块库中先查询定性属性与管系设计需求相 同的模块，然后在所有定性属性符合要求的模块中，查询定量属性在规定范围内 的模块，寻出最优模块，获得其模块编码，以便于模块的组合。 综上所述，复杂管路模块选择的流程如下： 图2 3 2 模块选择流程图 2 8 墨 上海大学硕士学位论文 2 5 2 2 管路模块的组合 模块的组合是实现产品多样化的唯一途径，同样的模块不同的组合形式可以 组成不同的产品。各个模块具有独立的功能，通过输入、输出接口实现模块的组 合，从而传递功能。在管路模块的组合中，各模块所具有的接口属性实现了模块 的组合。模块的接口属性同样分为定性属性和定量属性。定性属性包括管路模块 对外接口数、每一对外接口的管数、以及各管的颜色。管路模块的对外接口按照 以往经验、模块功能以及模块模型的构建顺序来定义，分别命名为第一接口、第 二接口第1 1 接口，并分别赋值为0 、1 n 。各管的颜色属性是按照功能 相关性划分的，同一功能以及功能相关的管路具有同一种颜色，并给每种颜色赋 值。例如：白、绿、蓝、紫，分别赋值为0 、1 、2 、3 。定量属性就是指 各管接口处的管径。四种属性作为四种组合原则，按照从高到低的级别顺序进行 管路的组合。其关系表述如下： 管路模块接口 定性属性 第= 接口第n 接口 1n 1 数 ( 按功能相关性划分) 管蝥誓爸接口叫各管接口处管径 定量属性 。8 8 “”。工 图2 3 3 模块接口属性图 综上所述，其组合流程如下： 按照模块模型构 建顺序划分 高 低 上海大学硕士学位论文 图2 3 4 模块组合流程图 假设套装油管路中第f 模块鸩与第，模块m j 进行组合，流体是从峨流向 m j 。其接口属性分别如下： j ：第一接口，第= 接口第三接口 ( 012 1 n ：( 5 、4 、5 ) ( 自、绿，蓝，紫、黄) ( 0 ，1 、2 3 、4 ) c ：( 白、绿，蓝、黄) ( 0 、1 ，2 、4 ) ( 自，绿蓝、紫、黄) ( 0 、l ，2 ，3 、4 ) ( 白、绿、蓝、紫、黄) ( 9 1 4 ，2 7 3 ，1 6 8 1 6 8 、7 3 ) m i _ d ：( 白，绿、蓝、黄) ( 6 0 0 ，2 7 3 、8 9 、7 3 ) ( 白绿、蓝、紫、黄) ( 7 6 2 、1 0 8 、1 6 8 、1 6 8 ，4 8 ) 第一接口、 ( o ( 4 、3 、4 ) 第二接口、 l 第三接口 2 1 ( 白、绿、蓝、黄) ( 0 、1 、2 、4 ) “刍、绿，红) ( 0 、1 、5 ) ( 白，绿、蓝、黄) ( 0 、1 、2 、4 ) ( 白、绿、蓝、黄) ( 6 0 0 、2 7 3 、8 9 、7 3 ) _ d ：f 白、绿、红) ( 3 5 0 、1 4 0 、6 0 ) ( 白、绿、蓝、黄) ( 6 0 0 ，2 7 3 、8 9 、7 3 ) 图2 3 5 模块接口属性实例图 则用数学关系表示其组合如下： 第一原则：乒