基于FPBS設(shè)計原理的余熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計*

王 迪

(上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200333)

0 引言

現(xiàn)如今世界經(jīng)濟高速發(fā)展，市場競爭愈發(fā)激烈，客戶對產(chǎn)品的需求更加個性化，為滿足消費者的需要，革新產(chǎn)品的設(shè)計方法刻不容緩。為此可以在產(chǎn)品的設(shè)計中充分運用參數(shù)化和模塊化工具，以功能－原理－行為－結(jié)構(gòu)設(shè)計理論為指導(dǎo)，解決設(shè)計中的問題優(yōu)化設(shè)計方案。

1 PBS設(shè)計理論

功能—結(jié)構(gòu)映射模型作為一個經(jīng)典模型結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上引入變量原理和行為，便得到了更加復(fù)雜更加完善的功能－原理－行為－結(jié)構(gòu)(FPBS，F(xiàn)unction－Principle－Behavior－Structure)的模型映射結(jié)構(gòu)。功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)都是機械產(chǎn)品方案設(shè)計的重要組成要素。FPBS設(shè)計方法如圖1所示。

圖1 FPBS產(chǎn)品設(shè)計方法

基于FPBS的模塊劃分方法，是由分析產(chǎn)品的需求開始的，以產(chǎn)品的原理和行為為約束進行劃分，劃分完成后根據(jù)約束條件進行再次反饋，知道滿足設(shè)計要求為止。

2 FPBS設(shè)計理論在余熱鍋爐設(shè)計中的應(yīng)用

余熱鍋爐作為實現(xiàn)余熱利用的機械，同樣可以利用FPBS設(shè)計原理進行模塊劃分。現(xiàn)以鍋筒作為作為實例進行分解，鍋筒最本質(zhì)的功能之一在于汽水的循環(huán)處理，對于熱工機械而言，必要的工況參數(shù)顯示裝置和故障處理也是必要的，同時，余熱鍋爐內(nèi)部的工質(zhì)需定期的排污處理，對于工質(zhì)的酸堿中和需要勻質(zhì)處理，對于高溫高壓鍋筒本體的強度要求能夠滿足熱力學(xué)安全校核，結(jié)構(gòu)的設(shè)計便于工人的安裝和制造，綜上所述，余熱鍋爐的設(shè)計需要注意的事項比較多，而在FPBS理論的指導(dǎo)下，可以方便地完成模塊功能的合理分解和結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體過程如圖2所示。

3 基于FPBS的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建模

FPBS結(jié)構(gòu)建模綜合利用了自頂向下和自底向上設(shè)計方式的優(yōu)點，對于產(chǎn)品部件之間的裝配關(guān)系采用骨架來表示，其中產(chǎn)品聯(lián)接裝配關(guān)系則根據(jù)FPBS設(shè)計理論進行選擇布局，以水保護段為例，按照煙氣工質(zhì)的工作溫度，水保護段有單排、雙排、三排之分，按煙氣的流向，水保護段有垂直布局、水平布局和斜接布局之分，如此水保護段有不同的骨架模型，即FPBS結(jié)構(gòu)建模實現(xiàn)多元多類型裝配環(huán)境建模。

FPBS結(jié)構(gòu)建模在自頂向下的基礎(chǔ)上在設(shè)計過程中引入FPBS映射，在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中首先實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功構(gòu)單元的分解，篩選合適的參數(shù)控制單元，盡可能避免重復(fù)冗余設(shè)計。

圖2 余熱鍋爐鍋筒的FPBS設(shè)計過程

3．1模板庫的建立

模型庫主要分為兩種形式:一種是按照外購件廠商所提供的產(chǎn)品規(guī)格表所創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)件模型庫;另一種是根據(jù)企業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品族劃分規(guī)則所創(chuàng)建的產(chǎn)品模板模型庫。模型庫的正確創(chuàng)建與運用可以大大減少設(shè)計工作量，保證設(shè)計質(zhì)量，是產(chǎn)品快速設(shè)計過程中不可或缺的重要組成部分。

(1)標(biāo)準(zhǔn)件模型 在參數(shù)化三維設(shè)計中，利用外購件廠商提供的產(chǎn)品規(guī)格表建立標(biāo)準(zhǔn)件模型，并將與之相關(guān)的裝配參數(shù)存放到模型中，按照廠家、系列儲存，從而創(chuàng)建出覆蓋余熱鍋爐設(shè)備設(shè)計所涉及到的外購件信息，滿足不同類型、不同形式的產(chǎn)品配置。

(2)產(chǎn)品模板模型 在參數(shù)化建模之前，按照相似性與重用性原理，根據(jù)產(chǎn)品類型與產(chǎn)品族劃分，建立多個三維模型模板。因此，整個參數(shù)化建模過程就劃分為兩部分:按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式最大化原則建立三維模型模板，滿足各種產(chǎn)品形式的需求;根據(jù)具體的計算數(shù)值驅(qū)動對應(yīng)的三維模型模板，從而建立完全符合設(shè)計要求的三維模型。

3．2 余熱鍋爐FPBS結(jié)構(gòu)建模實例

下面具體介紹基于FPBS的結(jié)構(gòu)建模方法在余熱鍋爐建模過程中的實際應(yīng)用。

(1)建立頂層骨架模型 根據(jù)三維軟件提供的操作環(huán)境，在裝配體環(huán)境下創(chuàng)建骨架模型:新建裝配草圖，繪制出產(chǎn)品裝配體的基本結(jié)構(gòu)與各子部分的裝配輪廓，這樣產(chǎn)品模型的結(jié)構(gòu)形式與組成形式就通過繪制的裝配草圖完整表達，通過對裝配草圖尺寸的驅(qū)動，就可實現(xiàn)產(chǎn)品模型基本結(jié)構(gòu)與組成形式的變化。

(2)設(shè)計和裝配過程 對于與骨架模型關(guān)聯(lián)較多的零件，如常見的結(jié)構(gòu)件，在裝配體環(huán)境下建立各零件模型。利用重合約束將模型基準(zhǔn)面與骨架模型平面配合，對零件完全定位，再通過拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)等常規(guī)建模命令建立零件模型。在余熱鍋爐鍋筒模塊的參數(shù)化建模中，將各零件約束在裝配草圖的幾何元素上，通過對裝配草圖的尺寸驅(qū)動，控制整個裝配體外形尺寸與結(jié)構(gòu)形式的變化，大大簡化設(shè)計工作量，主要體現(xiàn)在兩方面:一是用來更直接的控制零部件在裝配體中的位置;二是可通過添加方程式和約束的方法，將每個零部件的尺寸與裝配體布局草圖中的尺寸關(guān)聯(lián)，從而達到控制零部件的尺寸、形狀的目的。

對于與骨架模型關(guān)聯(lián)不多的零件，按一般形式創(chuàng)建零件模型，再導(dǎo)入到裝配體中。在裝配環(huán)境中，根據(jù)零部件之間的形位尺寸、裝配關(guān)系，零件模型的各幾何要素與骨架模型中的點、線、面等元素建立約束配合關(guān)系，實現(xiàn)模型完全定位。

4 工程圖的調(diào)整和優(yōu)化技術(shù)

4．1 視圖調(diào)整

Solidworks中提供了幾種視圖比例調(diào)整方式，使用父關(guān)系比例、使用圖紙比例、使用自定義比例等，通過API函數(shù)可以實現(xiàn)比例的調(diào)整，如通過GetProperties、SetProperties、SetScale方法可以實現(xiàn)。在利用API函數(shù)接口進行比例調(diào)整的時候，需要重點解決采用何種比例實現(xiàn)調(diào)整，大體思路是可通過判斷最大的外形尺寸與圖框的相應(yīng)邊在某一個方向上需要留下的空白區(qū)域的大小最終確定比例的大小。計算公式如下所示:

式中:SWidth、SHeight為圖框的寬、高;MaxWDim、MaxHDim為每個視圖在寬度、高度方向上的最大尺寸;VScale為視圖比例;WSpace、HSpace為視圖之間或視圖與圖框在寬度、高度方向的空白區(qū)域?qū)挾?SWidth、SHeight為圖框的寬、高;n為視圖的數(shù)量。

需要特別指出的是，SolidWorks視圖本身通過調(diào)用API的方法GetOutline可以得到自帶的圖框的大小，對于某些特殊的情況下，可以自建圖元(基準(zhǔn)點或者基準(zhǔn)線)以得到圖框，這樣調(diào)整得到的比例更加符合實際。

圖3所示為剖視圖位置調(diào)整示意圖。具體調(diào)整步驟如下:首先在數(shù)據(jù)庫中建立一張信息表，表中主要包含視圖的位置信息，用來存儲不同工程圖模板中的不同視圖的視圖包絡(luò)線的中心點O的坐標(biāo)。偏移量計算公式如下:

式中:vPos(0)、vPos(1)為View的Position的返回值。d X、d Y為數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的該視圖的標(biāo)準(zhǔn)包絡(luò)線中心點坐標(biāo)。

圖3 剖視圖位置調(diào)整示意圖

4．2 尺寸調(diào)整

針對余熱鍋爐鍋筒部件工程圖尺寸進行分析，圖紙上的尺寸有的分布在視圖外側(cè)，有的分布在視圖內(nèi)部，稱之為外部尺寸、內(nèi)部尺寸。而各個尺寸呈現(xiàn)著層次性的關(guān)系，以外部尺寸為例，以視圖的最大包絡(luò)層開始計0層，外部尺寸依次向外遞增，根據(jù)這樣的編層原理，只需要確定好第0層的尺寸位置，便可以確定出其他層的位置關(guān)系，如圖4所示。

為了獲得視圖上的第0層尺寸的定位位置，可以通過視圖的包絡(luò)層中心與視圖的最大外形尺寸進行計算得到，通用的做法是通過Position屬性獲得視圖的包絡(luò)層幾何中心，對于其他的局部視圖，則可以借助注釋標(biāo)記的坐標(biāo)獲取中心，這樣就可以對其他層尺寸進行調(diào)整。

圖4 工程圖外部尺寸的層分布

4．3 工程圖模板的制作

SolidWorks軟件提供的工程圖模板和客戶的需求有一定的差距，為滿足制圖標(biāo)準(zhǔn)，提高設(shè)計效率，定制一個符合企業(yè)制圖標(biāo)準(zhǔn)的工程圖模板勢在必行。

工程圖模板的制作的流程如下:①選擇任意模板，新建Solidworks工程圖文件(slddrw);②設(shè)置頁面類型，圖紙的大小，對于非標(biāo)圖紙，可以自定義圖紙類型和投影視角，設(shè)置界面如圖5;③按企業(yè)要求新建表頭，對于表頭中的變量，如項目名、圖號、圖名等，使用注釋鏈接，便于系統(tǒng)的處理，但是是由于Solid-Works與Autocad之間轉(zhuǎn)換的格式存在誤差，并不是照本宣科地完全按標(biāo)準(zhǔn)新建，如圖5所示，Solidworks模板中的文字位置和字體須作出一定的改變。

圖5 圖紙格式設(shè)置

4．4 材料明細(xì)表的處理

材料明細(xì)表的處理有兩種方式，比較方便的方法是利用SolidWorks的材料明細(xì)表功能，該方式的具體操作流程如下:①在零部件內(nèi)建立與明細(xì)表每一列表頭名稱相對應(yīng)的自定義屬性;②在工程圖模板中導(dǎo)入明細(xì)表，將其每一列與自定義屬性鏈接;③按要求對明細(xì)表排序;④調(diào)整列寬、行間距。

工程圖模板中存在已經(jīng)放置好的材料明細(xì)表，每次驅(qū)動完成之后，材料明細(xì)表可以實現(xiàn)自動調(diào)整，但是相關(guān)的細(xì)節(jié)仍然存在問題，比如零件序號錯亂，整體的列寬未設(shè)置對等問題，采用的整體思想是遍歷材料明細(xì)表的相關(guān)屬性，對其進行排序、整理等優(yōu)化。

零件序號的排序是材料明細(xì)表處理的一個關(guān)鍵所在，其具體的思路是:調(diào)零件序號，使之能按順序排列，一般人工已經(jīng)排列好了，所以不需要運行，如要程序排列，再讓其運行;將零件序號存入變量PartNumber(i);將零件在材料明細(xì)表中的位置行數(shù)與零件序號比較，更改零件自定義屬性值NO，自定義屬性的代碼如下所示:

式中:swCustProp為自定義屬性對象;fieldname為自定義屬性名;i為自定義屬性值。

在對零件驅(qū)動完成后，打開SolidWorks工程圖會發(fā)現(xiàn)材料明細(xì)表的列寬、行距都有了變化，為調(diào)整其以符合公司的出圖標(biāo)準(zhǔn)，可以調(diào)用相關(guān)的方法在SolidWorks中進行處理，此處運用SetColumnWidth、SetRowHeight、CellTextHorizontalJustification 函數(shù)即可以實現(xiàn)表格的相關(guān)的格式處理。

5 設(shè)計實例

從余熱鍋爐整體協(xié)同設(shè)計的角度出發(fā)，余熱鍋爐快速設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)該包含合同及數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品的總體設(shè)計、零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計選型、材料的選取、工程圖的生成及完善等。

合同管理主要包括合同號，合同產(chǎn)生的日期等于合同相關(guān)的細(xì)節(jié)問題，合同號確定之后，該系統(tǒng)自動為項目新建一個以合同號命名的文件夾，將與該合同所有相關(guān)的模型、圖紙、數(shù)據(jù)文檔等信息存放入該文件夾，方便查找和調(diào)用;產(chǎn)品的總體設(shè)計主要根據(jù)客戶需求，以鍋筒為例，當(dāng)工作溫度和工作壓力確定后，可以初步確定鍋筒的骨架模型;產(chǎn)品的零部件設(shè)計是基于已有的骨架模型的，主要包括一些標(biāo)準(zhǔn)件的選型，功能件的結(jié)構(gòu)設(shè)計等;工程圖的生成和完善，經(jīng)過余熱鍋爐敏捷設(shè)計系統(tǒng)驅(qū)動出來新余熱鍋爐模型后，余熱鍋爐的工程圖由SolidWorks在模板圖紙的基礎(chǔ)上自動生成，但是質(zhì)量很低，可能會存在視圖位置交叉、視圖和BOM表交叉、隱藏掉的零部件尺寸和中心線等未刪除、尺寸飄移、粗糙度符號漂移、序號不整齊、BOM表不整潔等缺陷，不符合工程實際生產(chǎn)。因此開發(fā)工程圖調(diào)整程序很必要，工程圖調(diào)整程序主要包括視圖位置調(diào)整、視圖比例調(diào)整、尺寸位置調(diào)整、明細(xì)表調(diào)整等模塊。快速設(shè)計的首先要求建模，及用戶在汽包設(shè)計系統(tǒng)的主界面(見圖6)上輸入相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)會驅(qū)動SolidWorks模板生成三維模型。

圖6 鍋筒最終模型

6 結(jié)語

目前，這套應(yīng)用軟件部分已投入使用。如鍋筒部件的快速設(shè)計系統(tǒng)，某些機構(gòu)零部件的設(shè)計過程已完全擺脫傳統(tǒng)方法的束縛，實現(xiàn)了客戶訂單信息快速提取、設(shè)計知識準(zhǔn)確運用、生產(chǎn)圖紙快速生成、產(chǎn)品數(shù)據(jù)高效管理等一系列全新的設(shè)計流程。預(yù)計在整個系統(tǒng)軟件完全投入使用后，企業(yè)將降低設(shè)計成本15%～30%，產(chǎn)品設(shè)計速度提高50倍，設(shè)計準(zhǔn)確性達到98%以上，大大降低企業(yè)運營成本，提高產(chǎn)品利潤。

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