基于FPBS设计原理的余热锅炉结构设计*

王 迪

(上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200333)

0 引言

现如今世界经济高速发展，市场竞争愈发激烈，客户对产品的需求更加个性化，为满足消费者的需要，革新产品的设计方法刻不容缓。为此可以在产品的设计中充分运用参数化和模块化工具，以功能－原理－行为－结构设计理论为指导，解决设计中的问题优化设计方案。

1 PBS设计理论

功能—结构映射模型作为一个经典模型结构，在此基础上引入变量原理和行为，便得到了更加复杂更加完善的功能－原理－行为－结构(FPBS，Function－Principle－Behavior－Structure)的模型映射结构。功能、原理、行为、结构都是机械产品方案设计的重要组成要素。FPBS设计方法如图1所示。

图1 FPBS产品设计方法

基于FPBS的模块划分方法，是由分析产品的需求开始的，以产品的原理和行为为约束进行划分，划分完成后根据约束条件进行再次反馈，知道满足设计要求为止。

2 FPBS设计理论在余热锅炉设计中的应用

余热锅炉作为实现余热利用的机械，同样可以利用FPBS设计原理进行模块划分。现以锅筒作为作为实例进行分解，锅筒最本质的功能之一在于汽水的循环处理，对于热工机械而言，必要的工况参数显示装置和故障处理也是必要的，同时，余热锅炉内部的工质需定期的排污处理，对于工质的酸碱中和需要匀质处理，对于高温高压锅筒本体的强度要求能够满足热力学安全校核，结构的设计便于工人的安装和制造，综上所述，余热锅炉的设计需要注意的事项比较多，而在FPBS理论的指导下，可以方便地完成模块功能的合理分解和结构设计，具体过程如图2所示。

3 基于FPBS的产品结构建模

FPBS结构建模综合利用了自顶向下和自底向上设计方式的优点，对于产品部件之间的装配关系采用骨架来表示，其中产品联接装配关系则根据FPBS设计理论进行选择布局，以水保护段为例，按照烟气工质的工作温度，水保护段有单排、双排、三排之分，按烟气的流向，水保护段有垂直布局、水平布局和斜接布局之分，如此水保护段有不同的骨架模型，即FPBS结构建模实现多元多类型装配环境建模。

FPBS结构建模在自顶向下的基础上在设计过程中引入FPBS映射，在零件结构设计的过程中首先实现结构功构单元的分解，筛选合适的参数控制单元，尽可能避免重复冗余设计。

图2 余热锅炉锅筒的FPBS设计过程

3．1模板库的建立

模型库主要分为两种形式:一种是按照外购件厂商所提供的产品规格表所创建的标准件模型库;另一种是根据企业设计标准及产品族划分规则所创建的产品模板模型库。模型库的正确创建与运用可以大大减少设计工作量，保证设计质量，是产品快速设计过程中不可或缺的重要组成部分。

(1)标准件模型 在参数化三维设计中，利用外购件厂商提供的产品规格表建立标准件模型，并将与之相关的装配参数存放到模型中，按照厂家、系列储存，从而创建出覆盖余热锅炉设备设计所涉及到的外购件信息，满足不同类型、不同形式的产品配置。

(2)产品模板模型 在参数化建模之前，按照相似性与重用性原理，根据产品类型与产品族划分，建立多个三维模型模板。因此，整个参数化建模过程就划分为两部分:按照产品结构形式最大化原则建立三维模型模板，满足各种产品形式的需求;根据具体的计算数值驱动对应的三维模型模板，从而建立完全符合设计要求的三维模型。

3．2 余热锅炉FPBS结构建模实例

下面具体介绍基于FPBS的结构建模方法在余热锅炉建模过程中的实际应用。

(1)建立顶层骨架模型 根据三维软件提供的操作环境，在装配体环境下创建骨架模型:新建装配草图，绘制出产品装配体的基本结构与各子部分的装配轮廓，这样产品模型的结构形式与组成形式就通过绘制的装配草图完整表达，通过对装配草图尺寸的驱动，就可实现产品模型基本结构与组成形式的变化。

(2)设计和装配过程 对于与骨架模型关联较多的零件，如常见的结构件，在装配体环境下建立各零件模型。利用重合约束将模型基准面与骨架模型平面配合，对零件完全定位，再通过拉伸、切除、旋转等常规建模命令建立零件模型。在余热锅炉锅筒模块的参数化建模中，将各零件约束在装配草图的几何元素上，通过对装配草图的尺寸驱动，控制整个装配体外形尺寸与结构形式的变化，大大简化设计工作量，主要体现在两方面:一是用来更直接的控制零部件在装配体中的位置;二是可通过添加方程式和约束的方法，将每个零部件的尺寸与装配体布局草图中的尺寸关联，从而达到控制零部件的尺寸、形状的目的。

对于与骨架模型关联不多的零件，按一般形式创建零件模型，再导入到装配体中。在装配环境中，根据零部件之间的形位尺寸、装配关系，零件模型的各几何要素与骨架模型中的点、线、面等元素建立约束配合关系，实现模型完全定位。

4 工程图的调整和优化技术

4．1 视图调整

Solidworks中提供了几种视图比例调整方式，使用父关系比例、使用图纸比例、使用自定义比例等，通过API函数可以实现比例的调整，如通过GetProperties、SetProperties、SetScale方法可以实现。在利用API函数接口进行比例调整的时候，需要重点解决采用何种比例实现调整，大体思路是可通过判断最大的外形尺寸与图框的相应边在某一个方向上需要留下的空白区域的大小最终确定比例的大小。计算公式如下所示:

式中:SWidth、SHeight为图框的宽、高;MaxWDim、MaxHDim为每个视图在宽度、高度方向上的最大尺寸;VScale为视图比例;WSpace、HSpace为视图之间或视图与图框在宽度、高度方向的空白区域宽度;SWidth、SHeight为图框的宽、高;n为视图的数量。

需要特别指出的是，SolidWorks视图本身通过调用API的方法GetOutline可以得到自带的图框的大小，对于某些特殊的情况下，可以自建图元(基准点或者基准线)以得到图框，这样调整得到的比例更加符合实际。

图3所示为剖视图位置调整示意图。具体调整步骤如下:首先在数据库中建立一张信息表，表中主要包含视图的位置信息，用来存储不同工程图模板中的不同视图的视图包络线的中心点O的坐标。偏移量计算公式如下:

式中:vPos(0)、vPos(1)为View的Position的返回值。d X、d Y为数据库中对应的该视图的标准包络线中心点坐标。

图3 剖视图位置调整示意图

4．2 尺寸调整

针对余热锅炉锅筒部件工程图尺寸进行分析，图纸上的尺寸有的分布在视图外侧，有的分布在视图内部，称之为外部尺寸、内部尺寸。而各个尺寸呈现着层次性的关系，以外部尺寸为例，以视图的最大包络层开始计0层，外部尺寸依次向外递增，根据这样的编层原理，只需要确定好第0层的尺寸位置，便可以确定出其他层的位置关系，如图4所示。

为了获得视图上的第0层尺寸的定位位置，可以通过视图的包络层中心与视图的最大外形尺寸进行计算得到，通用的做法是通过Position属性获得视图的包络层几何中心，对于其他的局部视图，则可以借助注释标记的坐标获取中心，这样就可以对其他层尺寸进行调整。

图4 工程图外部尺寸的层分布

4．3 工程图模板的制作

SolidWorks软件提供的工程图模板和客户的需求有一定的差距，为满足制图标准，提高设计效率，定制一个符合企业制图标准的工程图模板势在必行。

工程图模板的制作的流程如下:①选择任意模板，新建Solidworks工程图文件(slddrw);②设置页面类型，图纸的大小，对于非标图纸，可以自定义图纸类型和投影视角，设置界面如图5;③按企业要求新建表头，对于表头中的变量，如项目名、图号、图名等，使用注释链接，便于系统的处理，但是是由于Solid-Works与Autocad之间转换的格式存在误差，并不是照本宣科地完全按标准新建，如图5所示，Solidworks模板中的文字位置和字体须作出一定的改变。

图5 图纸格式设置

4．4 材料明细表的处理

材料明细表的处理有两种方式，比较方便的方法是利用SolidWorks的材料明细表功能，该方式的具体操作流程如下:①在零部件内建立与明细表每一列表头名称相对应的自定义属性;②在工程图模板中导入明细表，将其每一列与自定义属性链接;③按要求对明细表排序;④调整列宽、行间距。

工程图模板中存在已经放置好的材料明细表，每次驱动完成之后，材料明细表可以实现自动调整，但是相关的细节仍然存在问题，比如零件序号错乱，整体的列宽未设置对等问题，采用的整体思想是遍历材料明细表的相关属性，对其进行排序、整理等优化。

零件序号的排序是材料明细表处理的一个关键所在，其具体的思路是:调零件序号，使之能按顺序排列，一般人工已经排列好了，所以不需要运行，如要程序排列，再让其运行;将零件序号存入变量PartNumber(i);将零件在材料明细表中的位置行数与零件序号比较，更改零件自定义属性值NO，自定义属性的代码如下所示:

式中:swCustProp为自定义属性对象;fieldname为自定义属性名;i为自定义属性值。

在对零件驱动完成后，打开SolidWorks工程图会发现材料明细表的列宽、行距都有了变化，为调整其以符合公司的出图标准，可以调用相关的方法在SolidWorks中进行处理，此处运用SetColumnWidth、SetRowHeight、CellTextHorizontalJustification 函数即可以实现表格的相关的格式处理。

5 设计实例

从余热锅炉整体协同设计的角度出发，余热锅炉快速设计系统应该包含合同及数据管理、产品的总体设计、零部件结构的设计选型、材料的选取、工程图的生成及完善等。

合同管理主要包括合同号，合同产生的日期等于合同相关的细节问题，合同号确定之后，该系统自动为项目新建一个以合同号命名的文件夹，将与该合同所有相关的模型、图纸、数据文档等信息存放入该文件夹，方便查找和调用;产品的总体设计主要根据客户需求，以锅筒为例，当工作温度和工作压力确定后，可以初步确定锅筒的骨架模型;产品的零部件设计是基于已有的骨架模型的，主要包括一些标准件的选型，功能件的结构设计等;工程图的生成和完善，经过余热锅炉敏捷设计系统驱动出来新余热锅炉模型后，余热锅炉的工程图由SolidWorks在模板图纸的基础上自动生成，但是质量很低，可能会存在视图位置交叉、视图和BOM表交叉、隐藏掉的零部件尺寸和中心线等未删除、尺寸飘移、粗糙度符号漂移、序号不整齐、BOM表不整洁等缺陷，不符合工程实际生产。因此开发工程图调整程序很必要，工程图调整程序主要包括视图位置调整、视图比例调整、尺寸位置调整、明细表调整等模块。快速设计的首先要求建模，及用户在汽包设计系统的主界面(见图6)上输入相关参数，系统会驱动SolidWorks模板生成三维模型。

图6 锅筒最终模型

6 结语

目前，这套应用软件部分已投入使用。如锅筒部件的快速设计系统，某些机构零部件的设计过程已完全摆脱传统方法的束缚，实现了客户订单信息快速提取、设计知识准确运用、生产图纸快速生成、产品数据高效管理等一系列全新的设计流程。预计在整个系统软件完全投入使用后，企业将降低设计成本15%～30%，产品设计速度提高50倍，设计准确性达到98%以上，大大降低企业运营成本，提高产品利润。

［1］ 谢小平，席俊国，申 茹．基于GT的模块化产品设计［J］．工业工程与管理，2000(2):14－17．

［2］ 黄 强．管壳式余热锅炉制作及安装质量控制［J］．现代物业·新建设，2013(5):20－25．

［3］ 纪海涛．余热锅炉汽包内部装置的选用与计算的原则［J］．中国石油和化工标准与质量，2012(1):45－48．