基于功能的余熱鍋爐過熱器模塊化設計系統研究

程天洋，仲梁維，范光耀，方凱能

（上海理工大學機械工程學院，上海200093）

0 引 言

面對不可再生資源的日漸枯竭，需要找到提高能源利用率的有效途徑。其中發展和應用較為廣泛的就是對能源的回收［1］，通過節能設備回收利用一次能源使用過程中浪費掉的那部分熱量。余熱鍋爐作為一種節能減排設備，基本原理是利用工業生產中的廢氣、廢液或廢渣中的殘余熱量以及部分可燃物燃燒后產生的熱量把自然狀態的水加熱到某種特定要求，使其產生水蒸氣（熱水）供其他設備使用［2］。隨著余熱鍋爐技術的日益成熟，人們在設計中的重復勞動越來越多，所占時間也越來越長。因此，急需引進快速設計方法，提高企業競爭力。

本文從實現過熱器的功能出發，把復雜功能劃分成單一小功能，根據功能與結構的對應關系，得到各個結構模塊，利用solidworks二次開發技術完成其參數化設計系統。利用該系統可以解決設計制造周期長的問題，使企業可以快速響應市場需求。

1 功能的定義

產品設計可以認為是在滿足設計條件與達到設計約束的前提下，尋求實際的能夠制造出來的物理結構的過程。簡單地理解即是以功能需求為自變量，以結構單元為應變量的復雜映射，通過求解設計問題，使產品每個子模塊具有解決相應子需求的功能，而且具有盡可能簡單的拓撲結構。產品設計是一個將設計意圖轉變為具體實體的過程，產品設計是一個從抽象轉換為具體、從簡單到詳細、不斷反饋求解的過程，它以需求的分析為起點，依次完成功能歸納、原理分析、概念設計、詳細設計，就是一個功能映射的過程，設計的結果是得到客戶需求的產品。

2 面向功能的過熱器設計過程

從面向功能的角度出發，將產品的設計開發過程用活動圖表達，如圖1所示。面向功能的產品設計過程的特點就是將功能需求作為設計的起點，把產品功能的實現作為終點［3］。在余熱鍋爐過熱器快速設計過程中，將功能的概念貫穿在整個產品的設計過程，對余熱鍋爐過熱器進行全生命周期的支持。余熱鍋爐過熱器快速設計的起點是用戶的功能需求，而功能實現作為設計的結果輸出。

圖1 面向功能的產品開發過程活動圖

2.1 對活動圖中主要要素的解釋

（1）四個狀態

客戶功能需求：它是進行新產品設計的起點，在余熱鍋爐過熱器的設計過程中，客戶根據自己實際的需要，向項目承接方提出包括工作溫度、工作壓力、運行環境、交貨日期等方面在內的要求。

功能集：即產品子功能的集合。產品的子功能是通過將產品的總功能按照合理的功能分解粒度逐層分解而得到的。

幾何結構集：具有獨立功能結構的集合。

產品：通過各個環節的共同作用，得到最終滿足客戶需求的產品。

（2）三個事件

功能建模：功能建模實質上就是對余熱鍋爐過熱器進行功能模塊劃分，將過熱器的總功能劃分為一系列容易求解的子功能。子功能按其在產品中的作用，可以分為主要功能和次要功能，它們都是實現產品功能不可或缺的一部分。

功能結構映射：對于功能劃分得到的子功能，通過功能結構的映射關系，求得滿足子功能的解，即得到滿足功能實現的結構（或稱功能載體）。產品的功能是借助功能載體來體現的，其基本功能屬性是通過設計變量來控制和維持的。

功能實現：將設計好的余熱鍋爐過熱器進行裝配調試，放置于整個余熱鍋爐系統中工作是功能實現的過程。余熱鍋爐過熱器通過對煙氣熱量的吸收利用，得到滿足要求的過熱蒸汽，是其最終功能的實現。

2.2 自頂向下的設計流程

面向功能的余熱鍋爐過熱器設計過程首先對客戶進行功能需求分析，通過借鑒已有的設計實例，得到滿足客戶需求的產品總體功能需求方案。余熱鍋爐過熱器的功能建模實質就是對其進行功能的分解，將滿足客戶需求的總功能劃分為一系列容易實現的子功能，例如穩壓功能、支撐功能等。接下來就是找到滿足功能實現的結構模型，采用自頂向下的設計方法，對產品進行功能到結構的映射求解。自頂向下設計的基本流程如下：（1）從產品功能要求出發，對裝配體結構、零部件配置進行初步確定，并制定初步設計方案進行結構草圖設計，構建一個頂層骨架；然后，建立產品的骨架模型，并且根據設計的基本算法，確定每個設計的細節參數；（2）按照前一步確定的設計參數，在裝配體環境下建立零部件模型，并通過幾何約束求解，將零件裝配成產品。當把所有滿足功能的結構模型存入系統模型庫時，即標志著組成余熱鍋爐過熱器裝配體的零部件的設計完成。（3）將設計好的過熱器提交給客戶，在現場完成安裝調試，生成滿足要求的過熱蒸汽，是設計功能的最終實現。在產品的設計過程中，通過對設計約束的滿足可以實現對產品功能的維持。綜上所述為面向功能的余熱鍋爐過熱器設計的全過程。

通過對面向功能余熱鍋爐過熱器的研究，分析出其設計過程具有以下特點：

（1）余熱鍋爐過熱器的功能始終貫穿于設計的全過程中，一切設計活動都是以滿足功能為前提。功能需求是余熱鍋爐過熱器設計的起點，功能的實現為設計終點。產品設計制造過程就是功能到結構、材料等的映射過程。

（2）區別于其它的機械產品設計過程，余熱鍋爐過熱器設計過程是由定單驅動的，是面向客戶的個性化定制，由客戶的需求決定了它的設計具有多方面的要求（包括功能、結構、加工制造、生產周期等）。

（3）使用計算機輔助設計技術，借助三維CAD設計軟件平臺，進行余熱鍋爐過熱器的設計，大大提高了設計效率和質量。

3 功能劃分

3.1 功能層次結構劃分

產品的總體功能是由多個子系統功能按一定的邏輯關系有序地組合而成的，這表明產品的功能具有層次性［4］。產品功能的實現是通過部件、零件或某些具有特定幾何特征的單元相互協調共同完成的。通常，把產品功能分為總功能、子功能、功能元三個層次。把功能層次中處于最底層的子功能稱為功能元，功能元是不可再分的子功能。所以，如何確定子功能的不可再分，成為功能分解中的一個不易掌握的問題［5］。

功能分解時應遵循以下原則：

（1）逐層分解過程中，要求各子功能都應該是所在層次中最基本的功能；

（2）同層次的每個基本功能之間是相互獨立的。

過熱器是余熱鍋爐中的主要受熱面之一，通常布置在高煙溫區域，在煙氣的入口處，在蒸發器之前，最先受到煙氣的沖刷換熱，它在整個余熱鍋爐系統中起到的功能是將來自汽包的一定壓力下的飽和水蒸汽加熱成相應壓力下的過熱水蒸汽，來滿足發電或其他生產工藝的需求，圖2所示為過熱器工作原理圖。

圖2 過熱器工作原理圖

余熱鍋爐設計中熱力計算的目的是根據客戶給定的設計條件，如余熱煙氣的組成、性質、流量、給水溫度、工作壓力和蒸汽參數等，以選定余熱鍋爐的結構與形式，確定余熱鍋爐的容量和換熱面的布置及其尺寸［6］。余熱鍋爐過熱器的功能在設計熱力計算之后就確定下來了，即確定了過熱器所要實現的換熱量的大小，而具體的幾何結構需要在詳細設計階段通過功能結構的映射求解而得到。這些功能將在過熱器產品生命周期的不同階段得以實現，其中包括生產制造、裝配試驗、包裝運輸、上線運行等階段。按照產品功能劃分的原則將余熱鍋爐過熱器設計階段的功能劃分為：換熱功能，即換熱管組的設計；穩壓功能，即進口聯箱和出口聯箱的設計；支撐功能，即殼體的設計；保溫功能，隔熱功能等過熱器功能結構。

通過對余熱鍋爐過熱器的功能分析可得到過熱器功能的樹狀分解圖［7］如圖3所示。

圖3 過熱器功能分解圖

3.2 功能到結構的求解

功能結構的映射求解實際就是尋找實現產品功能的結構的過程，同時也是功能分解的最終目的。產品功能實現的兩個主要階段分別是產品功能定義和幾何結構的詳細設計，它們分別對應產品的功能集和結構集。在本系統中把功能與結構的映射關系分為以下三種類型：

（1）一對一關系

一個產品的某一功能只能由單一的模塊結構來實現，而該模塊結構也只能實現與之對應的唯一功能。

（2）一對多關系

產品的某一功能可以由兩個、三個或者更多的模塊結構來共同實現。

（3）多對一關系

多個功能是由同一個模塊結構來實現。功能和模塊結構間的其它關系通過以上這三種關系的組合來實現。

如圖4所示為余熱鍋爐過熱器功能—結構求解結果的部分。

圖4 余熱鍋爐過熱器功能—結構求解

3.3 主功能的劃分

表1 余熱鍋爐過熱器功能劃分

表1所示為歸納出的余熱鍋爐過熱器的功能、屬性以及功能所映射的結構。通過對產品功能與結構關系的分析，可知產品的主功能對應于主結構，輔助功能對應于次要結構。無論是主結構還是次要結構，都是組成產品的一部分。這里提出功能模塊的概念，將其引入到余熱鍋爐過熱器快速設計系統中，運用面向功能的思想來進行設計。采用功能模塊概念是為了全面而準確地表達余熱鍋爐過熱器的功能。余熱鍋爐過熱器的總功能通過分解得到各子功能，產品子功能的完整表達成為進行面向功能設計的關鍵。某個零件可以實現產品的某一子功能，比如補償板可以實現密封功能，通過聯箱本體、端蓋和管接頭的組合可以實現聯箱的穩壓功能，說明單一的零部件和子功能之間不是簡簡單單的一對一關系，也可以是多對一或一對多關系。功能模塊是具有某項功能的幾何結構單元，它們可以是部件、零件、幾何特征。面向功能的余熱鍋爐過熱器設計側重對產品進行功能建模，根據功能模型選取功能模塊來完成過熱器的設計過程。

余熱鍋爐過熱器各主要功能如三維模型圖5所示。

圖5 余熱鍋爐過熱器各功能示意圖

4 功能模塊參數設置

功能模塊的參數設置是按照“總裝—子功能模塊”的順序進行的。用戶根據余熱鍋爐過熱器的功能劃分，從總體功能目錄中依次選擇子功能模塊進行結構參數設置，如圖6～圖9。

圖6 換熱功能—換熱管組參數設置界面

圖7 密封功能—密封參數設置界面

圖8 穩壓功能—聯箱參數設置界面

圖9 支撐功能—殼體參數設置界面

5 結束語

本文首先闡述了功能的定義，然后研究了面向功能的余熱鍋爐過熱器設計過程，對余熱鍋爐過熱器進行了功能劃分，分別進行了功能層次結構劃分、功能到結構的求解和過熱器主功能的劃分，給出了功能模塊的概念輔助進行過熱器設計。最后描述了過熱器的裝配設計過程，為系統的開發提供了技術支持與方法指導。

［1］趙 煜.E級燃氣輪機余熱鍋爐過熱蒸汽減溫特性研究［D］.哈爾濱：中國艦船研究院，2012.

［2］趙欽新，周屈蘭，譚厚章，等.余熱鍋爐設計研究與設計［M］.北京：中國標準出版社，2010.

［3］劉 鋒.基于功能的覆蓋件拉延模三維CAD系統的研究與開發［D］.武漢：華中科技大學，2004.

［4］張浩浩.基于功能元的快速設計平臺研究系統［D］.太原：太原理工大學，2006.

［5］李 健，鄧家禔.基于功能的產品設計過程研究［J］.計算機集成制造系統-CIMS，2002，（04）：289-293.

［6］錢 宇.燃蒸聯合循環中余熱鍋爐建模與仿真［D］.上海：上海交通大學，2007.

［7］Yuan Jye Tseng.A modular modeling approach by integrating feature recognition and feature-base design［J］.Computer in Industry，1999，39（2）：113-125.