基于UG的汽轮机套装油管路设计系统
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摘 要：为开发1套高效的汽轮机套装油管路设计系统，分析汽轮机套装油管路的结构特点及设计方法，提出基于控制链的管路模块化设计和关联性设计等方法. 基于ug的套装油管路设计系统，运用模块编码和模板模型参数化等技术开发，实现套装油管路的快速设计. 应用实例表明系统可以极大地提高产品设计效率，缩短产品开发周期.
关键词：汽轮机；套装油管路；管路模块化设计；关联性设计；模块编码；模型参数化设计；UG
中图分类号：TK474.7；TP391.72 文献标志码：A
Encapsulated oil pipe design system for turbine based on UG
ZHOU Kai，ZHAO Cuilian，CHEN Yu
(CIMS & Robot Center，Shanghai Univ.，Shanghai 200072，China)
Abstract：To develop an efficient encapsulated oil pipe design system for turbine，the structural characteristics and design methods of the encapsulated oil pipe are analyzed，and the methods such as pipe modular design and correlated design based on control chain are proposed. Based on the UG software，the rapid design on the encapsulated oil pipe is implemented using module coding and model parametric design. The applications show that the system can greatly enhance design efficiency and shorten product development cycle.
Key words：turbine；encapsulated oil pipe；pipe modular design；correlated design；module coding；model parametric design；UG
0 引 言
套装油管路是汽轮机供油系统的重要部件，其作用是向机组各轴承提供油和向调节系统提供压力.[1]所谓套装油管路就是外部大径管(套管)为回油管道，内部又包括轴承进油管、主油泵进油管、主油泵出油管、高压密封油管和通气管等多种管道，把它们组装在一起就是套装油管路.套装油管路属于复杂管路，管路的串并联和拓扑关系复杂[2]，三维空间跨度大，为配合制造、运输和安装需分段后形成多管路、多约束的套装式管束.汽轮机为单件小批量生产方式，其供油系统设计复杂.据估计，按照正常的作业速度手工设计，从设计到完全出图纸，1个管路设计工程师需要近1个月的时间.现有的CAD/CAM软件如UG和CATIA等的通用管路设计功能无法完成如此复杂的管路设计.因此，很有必要开发1套高效的套装油管路设计系统(以下简称套装油管路系统).本文在研究和总结套装油管路手工设计方法的基础上，运用相关理论和技术对套装油管路系统进行研究和开发.
1 关键技术
1.1 基于控制链的管路模块化设计
在管路设计中，传统的设计流程[3]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，然后不断进行调整，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，将控制链概念引入到套装油管路模块化设计中，以增强管路设计的系统性、参数可控性和高效性.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1个几何数据链控制，这条几何数据链就是控制链.
在管路模块化设计中，管路系统结构由不同的模块通过约束关系构建而成.控制链主要从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.根据初始已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，这些线段构成初始的控制链，然后根据系统的功能和工程要求对控制链不断进行优化计算，直至得到最终的优化控制链.
套装油管路系统运用控制链方法进行设计，其设计流程见图1.系统的控制链见图2.由此可根据控制链优化后调控点的参数划分各模块.
图 1 系统控制链求解流程图
图 2 系统控制链
控制链通过UG/WAVE实现控制三维模型的功能.当管路系统总体结构发生变化，如某模块的取舍或系统整体角度改变时，只需修改控制链的参数即可驱动三维管路模型发生相应改变.
1.2 模板模型的制作及实例模型的生成
模板模型是系统生成实例模型的基础.模块编码制定和参数化设计是模板模型制作的两大关键技术.系统对模板模型各模块进行选择配置及装配复制生成实例模型.
1.2.1 模块编码的制定
模块编码制定是模板模型制作的首要内容.在系统中，模块编码的合理与否对整个系统的建立和运行，如部套(管路模块)的选择、组合以及生产诸多方面产生重要影响.模块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.在编码中主要考虑模块的从属关系、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3者主要考虑模块的管理，而模块的接口信息主要考虑模块间的配合.从管路设计的特点以及计算机管理的方便性考虑，单位码采用整数.
现针对套装油管路系统给出编码规则(见表1).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和主要零件进行编码，其他国家标准零件如螺栓、螺母等按照国家命名标准定义.
例如，编码3012010112为3缸汽轮机供油管路系统第1个部套第2种类型的第1个子部套的第1零件，为国家标准弯管头，其表示见图3.
图 3 编码分析
1.2.2 模板模型参数化设计
模板模型的制作基于控制链的模块划分方法把整个管路系统划分成多个模块，然后根据参数化设计思想，对每个模块进行参数化设计.参数化设计最大的优点是有利于设计者通过设计参数驱动产品零件的几何模型，大大简化用户生成和修改零件模型的操作，提高设计效率.[4]
模板模型参数化设计采用UG/WAVE技术.通过该技术将1个模型零件的几何信息提取出来作为其他零件的基准或控制结构，以达到联动目的.运用该技术能很好地解决各模块间接口定位及当某管路角度变化时整体形状的变化问题.具体实现如下：(1)模型设计接口时，把相邻模块分为上下级，把上级模块对应接口位置的各管路圆心WAVE到要对接的下级模块接口位置；(2)为保证某管路角度的统一变化，把上级该管路中心线WAVE到下级模块中.
1.2.3 装配克隆与实例模型生成
现有的装配复制方法[5]有3种：Save As方法、COPYFILE方法和装配克隆方法.Save As方法每次只能复制1个文件，无法复制整个装配树.COPYFILE方法采用MFC库提供的COPYFILE函数，虽然可以实现装配树复制功能，但存在2个问题：(1)装配树中的零部件不在同一个路径下时该方法失效；(2)不能对复制后的文件更名，否则将丢失部件间的装配关系.
为了克服以上问题，系统采用装配克隆方法.通过装配克隆，系统根据不同的管路系列重新命名生成该系列的实例模型文件、二维图纸文件和BOM表文件，并归入到相应的存储文件库，极大地方便了系统的目录管理和产品数据管理.
1.3 关联性设计
管路零件与零件、部套与部套以及模型与二维图的关联性设计是系统的核心.解决好这3者的关联关系，不仅可以保证管路设计的正确性，还能极大地提高二维图的生成效率.套装油管路系统的关联设计分为3大类：几何关联、变量关联和属性关联.
1.3.1 几何关联
几何关联存在于3维模型设计中，包括控制链与模型及模型与模型间的关联.控制链与模型的关联如第1.1节末所述，模型与模型的关联设计见第1.2.2节模板模型参数化设计，在此不再重复叙述.
1.3.2 变量关联
变量关联是在分属不同参数集的变量间建立映射关系，以便修改某个变量后，与之对应的变量能自动修改.[6]在系统开发研究中用到的主要是三维模型和二维图纸间尺寸参数的关联.UG作为国外开发的软件，所具有的三维模型和二维图纸间的关联功能使得自动生成的图纸中一部分变量不能满足国家标准要求.使用UG提供的InterPart Expressions(IPEs)技术可以在三维和二维间建立数据通道，使得二维图纸能够引用三维模型的参数，其语法[7]为Part_name：：Expression.如图4所示，变量bi为引用变量，ai则为被引用变量，二维图纸B通过引用三维模型A参数集中的参数，达到三维驱动二维的目的，实现三维与二维的关联.
图 4 三维与二维的变量关联
1.3.3 属性关联
二维制图过程中标题栏的制作非常费时，其中图号、材料和重量等特别容易出错.现有的三维软件自动关联生成二维图是无法自动生成完整标题栏的.套装油管路系统生成的二维图纸完全自动化，不需要人工干预.这里灵活使用UG file菜单下Properties中的Attributes，存储系统计算过程的中间数据.Attributes包含2项内容，Title和Value.通过在Annotation Editor中编写相应的语句可获得Attributes中的值，其语法为.Attribute中Value的值可以用UG/API中的UF_ATTR_assign函数在程序中进行修改.UG二维图的标题栏用Annotation Editor填写.这样就可以用程序计算控制标题栏中的图号、材料和重量等内容，通过属性关联达到自动生成标题栏的目的.
2 系统框架及应用实例
2.1 系统开发环境
系统开发环境为Windows 2000/XP操作系统、内存128 M以上的PC机，需要安装Microsoft Visual C++ 6.0，Microsoft Visual Basic 6.0，UGⅡ以及Microsoft Access 2003等软件.
2.2 系统框架
针对系统的功能需求，涉及以下平台.
2.2.1 开发平台
系统主要开发平台为Microsoft Visual C++ 6.0，运用UG/API二次开发接口技术实现在CAD平台上的开发.Microsoft Visual Basic 6.0用于系统的界面设计，运用ADO技术实现与数据库间的数据传递.
2.2.2 CAD平台
CAD平台采用UGⅡ软件，运用自上而下的设计方法和WAVE的全相关产品设计技术，构建产品模块库，包括三维模型库和二维图库.
2.2.3 数据库系统
数据库系统采用Microsoft Access数据库，主要用来实现存储、查询设计数据及生成BOM表等功能.
系统框架见图5.
图 5 系统框架
2.3 应用实例
系统分为系列选择、主参数控制、关联检查、文件入库和目录管理5个模块，每个模块负责不同的功能.UG启动后各模块菜单见图6.系统顺序执行，首先进入系列选择模块，出现图7界面.用户根据不同的系定相应的参数，输入运行后系统进行管路模块的组合装配，生成该系列结构的套装油管路.管路的各参数在主参数控制模块中修改.参数主要包括各管路的长度、管路与水平面间的角度等，界面见图8.
图 6 系统启动菜单
图 7 系列选择
图 8 主参数控制
执行前面2个程序模块后，生成1套套装油管路的三维模型(见图9).
图 9 套装油管路三维模型
关联检查模块的功能是在三维模型生成后，对相关联的二维图纸进行关联性检查.系统关联性设计的好坏直接决定该功能模块的执行效率与成败.检查完毕二维图纸的关联性，就要按需求从所有二维图纸中选择此次的出图文件及关联的三维模型文件.文件入库功能模块中的文件入库子模块可实现这一功能.明细表入库子功能模块生成产品的明细表并将明细表文件统一入库.目录管路模块界面见图10.该模块功能是对套装油管路系列产品进行包括文件浏览、文件删除等文件目录操作.
图 10 目录管理
3 结 论
针对套装油管路这一复杂管路的快速设计要求，对套装油管路设计进行研究，提出基于控制链的管路模块化设计和关联性设计等相关理论方法，并将理论应用到汽轮机套装油管路设计系统中.系统可根据用户的设计需求自动生成三维管路装配模型及关联的二维图纸，实现快速出图.系统被应用后可极大地提高产品设计效率，缩短产品开发周期.
参考文献：
[1] 王辅方. 大型汽轮机套装油管路质量控制与验收[J]. 机械工人：热加工，2002(3)：62-63.
[2] 丁祖荣. 流体力学[M]. 北京：高等教育出版社，2004：24-30.
[3] 樊江，马枚，杨晓光. 航空发动机外部管路自动敷设研究[J]. 机械设计，2003，20(7)：21-23.
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[6] 易际明，朱理，杨靖. 关联设计技术及其在内燃机CAD系统中的应用[J]. 机械设计与研究，2004，20(3)：89-90.
[7] 李畅，李建军，肖祥芷，等.基于UG的关联设计技术及其在级进模CAD系统中的应用[J]. 中国机械工程，2002，13(22)：1 967-1 970.