混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的參數(shù)化技術(shù)及應(yīng)用_圖文

1、 作者簡(jiǎn)介 :鄧炯漢 (1973 , 男 , 工程師 , 設(shè)計(jì)部部長(zhǎng) , 主要從事水輪機(jī)設(shè)計(jì) 。 收稿日期 :2006-05-12混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的參數(shù)化技術(shù)及應(yīng)用鄧炯漢(南寧發(fā)電設(shè)備總廠 , 廣西 南寧 530031摘要 :對(duì)混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)所涉及到的水輪機(jī)專業(yè)技術(shù) 、 計(jì)算機(jī) CAD 圖形技術(shù) 、 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) 、 結(jié)構(gòu) 優(yōu)化技術(shù)以及參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例作了系統(tǒng)性論述 。 關(guān)鍵詞 :水輪機(jī) ; 參數(shù)化 ; CAD 圖形中圖分類號(hào) : 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : 文章編號(hào) :1672-545X (2006 03-03前言, , 一 , 很少有一套產(chǎn)品圖可用 于若干個(gè)水電站的情況 ; 二是水

2、輪機(jī)尺寸一般比較龐大 , 結(jié) 構(gòu)復(fù)雜 , 產(chǎn)品設(shè)計(jì)出圖量非常大 。 隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈 , 水輪機(jī)的交貨期越來(lái)越短 , 而用戶對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)要求 又越來(lái)越高 , 如何有效地縮短水輪機(jī)產(chǎn)品圖設(shè)計(jì)周期 、 提高 設(shè)計(jì)質(zhì)量以適應(yīng)市場(chǎng)要求 , 已為各水輪機(jī)制造企業(yè)所關(guān)注 。 為此目的 , 必須采用參數(shù)化技術(shù)將水輪機(jī)專業(yè)技術(shù)與 CAD 圖形技術(shù)結(jié)合在一起 , 即將產(chǎn)品參數(shù)計(jì)算與產(chǎn)品圖自動(dòng)生成 結(jié)合起來(lái) , 實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)全參數(shù)化設(shè)計(jì) , 才能做到既縮短周期 又能提高準(zhǔn)確性 。 一般而言 , 實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)有兩種途徑 , 一 種是在通用 CAD 軟件如 A utoCAD 基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā) , 這 種

3、方法對(duì)簡(jiǎn)單單個(gè)零件的設(shè)計(jì)是可行的 , 但對(duì)水輪機(jī)這樣的 大型復(fù)雜產(chǎn)品的整套產(chǎn)品圖而言 , 參數(shù)化設(shè)計(jì)僅僅依靠二次 開(kāi)發(fā)是非常困難的 ; 另一種方法是針對(duì)混流式水輪機(jī)單獨(dú) “定制開(kāi)發(fā)” 一套 CAD 軟件 , 即開(kāi)發(fā)混流式水輪機(jī)專用參數(shù) 化設(shè)計(jì)軟件 , 實(shí)踐證明這種方法是可行的 。水輪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性非常強(qiáng)的大型軟 件工程項(xiàng)目 , 它是水輪機(jī)專業(yè)技術(shù) 、 計(jì)算機(jī) CAD 圖形技術(shù) 、 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等交叉運(yùn)用的結(jié)果 , 是一項(xiàng)科技含量非常高的綜 合性課題 , 本文僅從水輪機(jī)專業(yè)技術(shù) , 計(jì)算機(jī) CAD 圖形技 術(shù) 、 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) 、 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)以及參數(shù)化在水輪機(jī)產(chǎn)品設(shè) 計(jì)中的實(shí)際運(yùn)用等

4、方面作系統(tǒng)性論述 。1水輪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)化網(wǎng)絡(luò)圖參數(shù)化設(shè)計(jì)與一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同 , 參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心。 在 , 我們需要根據(jù)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)繪制 參數(shù)化網(wǎng)絡(luò)圖 , 見(jiàn)圖 1, 繪制水輪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)化網(wǎng)絡(luò)圖的目的 是為了將各部套之間的銜接尺寸清晰地表達(dá)出來(lái) , 以便能快 速查找和設(shè)置相關(guān)尺寸 。圖 1水輪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)化網(wǎng)絡(luò)圖2對(duì)水輪機(jī)通用件的處理水輪機(jī)零部件一般分通用件和非通用件兩大部分 , 在結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)中 , 合理使用通用件將提高水輪機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)水 平 , 這對(duì)提高效率 , 節(jié)約成本 , 減少費(fèi)用都大有好處 。 在進(jìn)行 水輪機(jī)參數(shù)化時(shí) , 必須對(duì)通用件進(jìn)行單獨(dú)模塊化處理 , 即對(duì) 其設(shè)立獨(dú)立的代號(hào)

5、(具有惟一性 , 并對(duì)其模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú) 保存和調(diào)用 。78 裝備制造技術(shù) 2006年第 3期圖 2混流式水輪機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)界面之一因通用件數(shù)據(jù)模塊具有相對(duì)獨(dú)立性 , 它可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)多 人數(shù)據(jù)共享 。 一般中小型水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是由多人共同設(shè) 計(jì)完成的 , 即需要將一臺(tái)水輪機(jī)的不同部套 (如導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和 埋入部分等 分開(kāi)在不同的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì) , 比如設(shè)計(jì)員 甲在 A 計(jì)算機(jī)上進(jìn)行埋入部分設(shè)計(jì) , 設(shè)計(jì)員乙在 B 計(jì)算機(jī) 上進(jìn)行導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) , 最后由主任設(shè)計(jì)師在 C 計(jì)算機(jī)上組裝 成一臺(tái)完整的水輪機(jī) , 其中的數(shù)據(jù)交換就是通過(guò)通用件數(shù)據(jù) 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。3界面設(shè)計(jì)技術(shù)因參數(shù)化設(shè)計(jì)與一般的交互式繪

6、圖不同 , 參數(shù)化設(shè)計(jì)采 用界面參數(shù)直接驅(qū)動(dòng)生成圖形 (一般不需要人 、 機(jī)交互繪 圖 , 因此 , 界面設(shè)計(jì)是參數(shù)化技術(shù)的關(guān)鍵 , 對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)成 功與否起著至關(guān)重要的作用 。 我們知道 , 混流式水輪機(jī)由總 圖 、 埋入部分 、 導(dǎo)水機(jī)構(gòu) 、 轉(zhuǎn)動(dòng)部分 、 密封 、 軸承 、 控制機(jī)構(gòu)等 部套組成 , 各部套之間相互關(guān)聯(lián) , 為了尺寸查找方便 , 一般應(yīng) 根據(jù)部套名稱來(lái)設(shè)置對(duì)話框 , 如總圖對(duì)話框 , 埋入部分對(duì)話 框等 , 同時(shí)還要依據(jù)前面的水輪機(jī)參數(shù)化網(wǎng)絡(luò)圖對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù) 進(jìn)行精心組織 , 合理安排 ?，F(xiàn)代大型 W indow s 應(yīng)用軟件的界面開(kāi)發(fā)工具是非常豐 富的 , 其中主流工具有

7、Bo rland 公司的 C +Builder 和微軟 公司的 V isual Studi o 等 , 對(duì)水輪機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)的界面開(kāi)發(fā)而 言 , 選擇 C +Builder 會(huì)更加高效 、 快捷 。 另外 , 為了界面切 換方便 , 應(yīng)廣泛使用圖 2所示的多頁(yè)面對(duì)話框技術(shù) 。4計(jì)算機(jī) CAD 圖形技術(shù)參數(shù)化涉及到的計(jì)算機(jī) CAD 圖形技術(shù)主要有三維圖形 和二維圖形之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)等 。 一般而言 , 將二維圖形轉(zhuǎn)換 成三維圖形所需的約束條件遠(yuǎn)多于三維向二維轉(zhuǎn)換時(shí)所需 的條件 , 故應(yīng)較多采用三維向二維轉(zhuǎn)換技術(shù) 。 在三維圖形向 二維轉(zhuǎn)換時(shí) , 采用平面截交法獲得剖切交點(diǎn) , 對(duì)二維主視圖 一般可直

8、接進(jìn)行 , 但對(duì)局部視圖 、 放大圖等還需單獨(dú)處理 。 參數(shù)化對(duì)二維圖形的要求是能夠方便地對(duì)二維圖形進(jìn) 行編輯或修改 , 因 A utoCAD 是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用最為廣泛的 通用 CAD 軟件 , 我們?cè)趯⑷S圖形轉(zhuǎn)化為二維圖形時(shí)采用 了與 A utoCAD 的 DW G 兼容的文件格式 。參數(shù)化對(duì)三維圖形的要求除了直觀的立體圖形外 , 還應(yīng) 具有以下功能 :對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行任意拆分和組裝 ; 裝配尺寸 檢測(cè)和干涉檢查 ; 對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) , 如導(dǎo)水機(jī)構(gòu) 、 進(jìn)人門等進(jìn)行 運(yùn)動(dòng)模擬等 。5計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是很龐大的 , 除了大量的計(jì)算數(shù)據(jù)外 (如蝸殼 、 固定導(dǎo)葉計(jì)算數(shù)據(jù)等 , 還有數(shù)量眾

9、多的結(jié)構(gòu)尺寸 。 例如 , HLA 5512L J 2220水輪機(jī)的蝸殼數(shù)據(jù)共有 28個(gè)斷面 , 計(jì) 算數(shù)據(jù)具體如下表 :為了節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源 , 在我們的參數(shù)化中 , 所有數(shù) 據(jù)包均采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件壓縮格式 , 當(dāng)需要與外部數(shù)據(jù)庫(kù) 如 O racle 等作數(shù)據(jù)交換時(shí) , 只能通過(guò)單獨(dú)的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行 。 為了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全 , 也為了與一般的數(shù)據(jù)文件區(qū)別 , 在保存 和加載數(shù)據(jù)時(shí) , 采用專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通道技術(shù) , 即不同的數(shù)據(jù) 包只能通過(guò)特定文件路徑和文件格式進(jìn)行保存和調(diào)用 。88 Equ i pm en t M anufactu ring T echno logy N o 13, 2006

10、 NO 112345678910 011125221533175455612567157817590101125 R i 1421141414051394138213671349132913071283 A i 2957295429502945293729282908288828652839NO 111121314151617181920 112151231751351461251571516817518019112520215213175R i 12581232120511751143110810731035996955 A i 2814278627572725269126542616257

11、625332488 R e 4072401839613900383437623688361135283443 NO 1212223242526272822523612524715258175270281125153031R i 913869823773721A i 244223932341R e 33553262267724636大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題一般屬于非線性規(guī)劃問(wèn) 題 , 其目標(biāo)函數(shù)是非 “凸” 函數(shù) , 因而存在局部最優(yōu)解與整體 最優(yōu)解 。 整體最優(yōu)解一般不易獲得 , 而局部最優(yōu)解可能不是 我們希望的最優(yōu)值 , 因此在對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí) , 應(yīng)計(jì) 算多個(gè)局部最優(yōu)解后對(duì)優(yōu)化結(jié)果

12、進(jìn)行比較 , 從中選出最佳方 案 。因混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)變量眾多 , 而在進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí) , 設(shè)計(jì)變量越多就越不易獲得最優(yōu)解 , 因此 , 一般應(yīng)從結(jié)構(gòu)參 數(shù)中選擇若干個(gè)典型參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量 。 以導(dǎo)水機(jī)構(gòu)為例 , 有 5個(gè)主要結(jié)構(gòu)控制尺寸 :導(dǎo)葉分布圓直徑 D 0; 控制環(huán) 小耳孔分布圓直徑 D c ; 導(dǎo)葉臂 (或連板 長(zhǎng)度 L H ; 連桿 長(zhǎng)度 L c ; 導(dǎo)葉臂 (或連板 中心線與導(dǎo)葉孔徑向軸線間的 夾角 。這 5個(gè)主要結(jié)構(gòu)控制尺寸的變化將決定接力器對(duì)導(dǎo) 水機(jī)構(gòu)的操作力大小 , 因此應(yīng)選擇上述 5個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變 量 , 以計(jì)算接力器操作力矩最小為目標(biāo)函數(shù) 。 7應(yīng)用實(shí)例及前景展望南寧

13、發(fā)電設(shè)備總廠從 2003年開(kāi)始分階段實(shí)施混流式水 輪機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì) , 自今已應(yīng)用于十多個(gè)電站 , 設(shè)計(jì)周期從原 來(lái)的 6個(gè)月縮短為現(xiàn)在的 12個(gè)月 。從以上可看出 , 采用參數(shù)化設(shè)計(jì)縮短了水輪機(jī)的設(shè)計(jì)周 期 , 取得了顯著效果 。 從發(fā)展趨勢(shì)看 , 為了節(jié)約成本 , 縮短產(chǎn) 品制造周期 , 往往要求將某些部套或零件進(jìn)行模塊化處理 , 即模塊化設(shè)計(jì) 、 模塊化生產(chǎn) , 都必然涉及到參數(shù)化設(shè)計(jì)問(wèn)題 。 總之 , 參數(shù)化設(shè)計(jì)是水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)和必然選 擇 , 推廣參數(shù)化設(shè)計(jì)具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值 。 參考文獻(xiàn) :1程良駿 1水輪機(jī) M 1北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 19811 2徐紀(jì)方

14、 , 等 1水力機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算 M 1北京 :機(jī)械工業(yè) 出版社 , 199013宋天霞 , 等 1大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算 M 1武漢 :華中理工大學(xué)出版社 , 19921Param eter ization Technology of Franc is turbi neStructure D esign and its ApplicationD EN G J i ong 2han(N ann ing Generating Equ i pem en t General Facto ry , N ann ing 530031, Ch ina Abstract :In th is p aper , m any techno logies that relate to francis tu rb ine structu re param eter design are system atically discu ssed , invo lving sp ecial techno logy of