基于可拓工程方法的球阀概念设计.pdf

文章编号 100225855 2007 0220008204 作者简介张勇为1977 - ,男,安徽歙县人,硕士研究生,主要研究方向为石油机械及创新设计。 基于可拓工程方法的球阀概念设计 张勇为,张 强,刘 飞,赵 峰 长江大学 机械工程学院,湖北 荆州434023 摘要 提出了基于可拓工程方法的阀门概念设计方法,并将其应用于球阀的方案设计。先采 用发散树方法的一般模式发散出各种球阀设计方案,再根据已知特征值找出满足要求的初选方 案,最终采用优度评价法选取较优方案。 关键词 球阀;概念设计;可拓方法;发散树;优度评价法 中图分类号 TH134 文献标识码 A Conceptual design of ball2valve based on extension engineering ZHANG Yong2wei , ZHANG Qiang , LIU Fei , ZHAO Feng Yangtze University , Jingzhou 434023 , China Abstract Based on the extension engineering , the of the conceptual design of valves is proposed , and this is in application to the ball2valve schemes’design. At first , the general mode of the divergent tree is utilized to gain several of schemes of the ball2valve.Then quali2 fied schemes are selected preliminarily according to the known characters’value.Finally , the most excellent one is selected by the optimal appraisal . Key words ball2valve ; conceptual design ; extension ; divergence tree ; optimal appraisal 1 概述 产品的设计开发过程可分为概念设计和构型设 计两个阶段。概念设计是一个发散思维的过程,它 先求出能实现既定功能并满足各种技术和经济指标 的多种方案,最后确定综合较优方案 〔1〕。概念设 计阶段是产品设计过程的关键环节,是生产过程中 最能体现人的设计思想并决定产品性能和成本的重 要阶段,作为只占5 的产品设计活动往往决定产 品成本的70 ～80 。本文把要进行开发的球阀 用物元描述,利用物元的发散性,进行产品的创新 和构思,得到多种球阀的设计方案,再利用优度评 价法,对各个方案进行综合评价,选出较优的球阀 设计方案。由于可拓工程方法中的发散树方法有效 的模仿人的创新思维,运用它可以对人类的发散思 维过程进行形式化地描述,以便计算机有效模仿人 的思维进行推理,使开发智能化阀门概念设计系统 成为可能 〔2〕。 2 基本理论 可拓理论是用形式化工具,从定性和定量的角 度研究解决复杂问题的规律和方法。可拓方法是可 拓理论解决矛盾问题的工具,依据是物元理论和可 拓集合理论。可拓方法和各领域专业知识相结合, 形成可拓工程方法,该方法可以应用于决策、新产 品构思、搜索、控制、诊断、评判和识别等领 域 〔3〕。 文献 〔3〕中提到,人类所从事的许多活动, 都可以用物元来描述,给定事物的名称N,它关 于特征c的量值ν,以有序三元组R N , c , ν作为描述事物的基本元,简称为物元。物元具 有可拓性,物元的可拓性包括物元的发散性、相关 性、蕴含性和可扩性。物元的发散性即“一物多 征,一征多物,一值多物”等,它是人们进行发散 性思维的依据。根据物元的发散性,由某一物元 R N 0, c0,ν0之一或其中两个出发进行发 8 阀 门 2007年第2期 散,可以得到多个物元,从而为人们解决矛盾问题 提供多条可供选择的路径。应用发散性解决求知和 求行问题的方法称为发散树方法。 3 构建球阀方案设计过程的发散树思维模型 在球阀方案设计过程中适用介质、适用温度、 公称压力、密封性能、制造难度、经济性等因素起 着主要作用 〔4〕, 因此在设计过程中应着重考虑这 几个因素,可将它们作为球阀物元模型特征,根据 各个特征值对球阀设计方案进行评价,球阀物元 R可表示为 R 球阀N ,适用介质c1,ν1 适用温度c2,ν2℃ 公称压力c3,ν3MPa 密封性能c4,ν4级 制造难度c5,ν5 经济性c6,ν6 其中c1、c5和c6为定性指标。为了能够量化 评价,需采用一定的手段对其进行量化,如模糊量 化法或零一法等。 由物元的发散性,得到球阀N的一般发散模 式图 1 。 图1 球阀的一般发散树模式 假设要设计某公称通径为DN50的球阀N,用 来控制的介质为硝酸氨,适用温度c2≥80℃,公 称压力c3≥ 不低于116MPa ,密封性能c4≥4级。 则物元Rx表示为 Rx 球阀N ,适用介质c1,适用 适用温度c2,80 公称压力c3,116 密封性能c4,4 制造难度c5,越低越好 经济性c6,越高越好 要设计所需球阀方案N,由球阀Nx,c , ν这一物元,根据图1的一般发散树模式得出球 阀方案集U ,U{ R1,R2,R3,R4,R5}。其 中 R1 铸钢硬密封适用介质c1,适用 V形球阀N1,适用温度c2,- 20～400 公称压力c3,016～614 密封性能c4,0～4 制造难度c5,高 经济性c6,较好 R2 铸钢硬密封适用介质c1,不适用 V形球阀N2,适用温度c2,- 20～200 公称压力c3,016～116 密封性能c4,0～4 制造难度c5,高 经济性c6,较好 R3 铸钢软密封适用介质c1,适用 V形球阀N3,适用温度c2,- 40～200 公称压力c3,016～116 密封性能c4,0～4 制造难度c5,一般 经济性c6,很好 R4 铸钢软密封适用介质c1,适用 O形球阀N4,适用温度c2,- 40～200 公称压力c3,016～116 密封性能c4,0～6 制造难度c5,较低 经济性c6,一般 R5 铸钢组合球适用介质c1,适用 硬密封球阀N5,适用温度c2,- 40～200 公称压力c3,016～116 密封性能c4,0～3 制造难度c5,很高 经济性c6,低 根据以下步骤可得到初选方案。 1判断满足第一个特征元适用介质水平 c1,A的有R1,R3,R4,R5。即 Rx| { R1, R3, R4, R5} | 2同理,判断满足第i i 2,3,4个特征元 c i,νi的物元,得到的初选方案为 Rx| { R1, R3, R4} | 92007年第2期 阀 门 具体的过程如图2所示。 图2 基于发散树方法的球阀概念设计流程图 4 利用优度评价法进行评价决策 以上根据设计要求,初步得到了三种球阀设计 方案,在实际工程应用中都是可行的。但概念设计 的目的是提高产品质量,缩短产品的开发周期,以 最低的成本获得最大的产品功能,为企业赢得最大 的利润。因此,应选取一种较为理想的方案作为最 终的产品方案。这里采用优度评价法,对以上三种 方案进行评价,最后选出较优方案。 411 建立评价体系及定性数据的定量化 在上述的球阀方案设计过程中,着重考虑的因 素是适用介质、适用温度、公称压力、密封性能、 制造难度和经济性等,因此就把这些因素作为衡量 条件,得到评价体系为 M { c1,ν1 , c2,ν2 , c3,ν3 , c4,ν4 , c 5,ν5 , c 6,ν6 } 由于c1、c5和c6为定性指标,对c1采用零一法 进行量化,即[适用,不适用]分别对应为〔1,0〕 。 对 c5和c6采用模糊量化的思想,将c5量化为9级[最 低,很低,低,较低,一般,较高,高,很高,最高] ,分别 对应[0,01125,0125,01375,015,01625,0175, 01875,1] ,同样也将c6量化为9级。 因c5和c6为越小越优指标,需按公式将量化后 数据进行处理。 c5 N j i -ν5 N j 1 c6 N j ν6 N j 2 式中 νi N j ci模糊量化后的值 ci N j ci最终量化值 式中i 5 , 6 ,j 1 , 3 , 4。 经数据处理后3种初选方案的数值物元为 R1 铸钢硬密封适用介质c1,1 V形球阀N1,适用温度c2,- 20～400 公称压力c3,016～614 密封性能c4,0～4 制造难度c5,0125 经济性c6,01375 R3 铸钢软密封适用介质c1,1 V形球阀N3,适用温度c2,- 40～200 公称压力c3,016～116 密封性能c4,0～4 制造难度c5,015 经济性c6,01875 R4 铸钢软密封适用介质c1,1 O形球阀N4,适用温度c2,- 40～200 公称压力c3,016～116 密封性能c4,0～6 制造难度c5,01625 经济性c6,015 412 确定权系数 采用层次分析法 〔5〕, 首先构造层次模型,在 根据各条件在球阀设计中的重要程度的差别,确定 它们两两因素之间的相互比率,使用1～9比率标 度法,即用1 , 3 , 5 , 7 , 9或1 , 1/ 3 , 1/ 5 , 1/ 7 , 1/9来表示某因素相对于另一因素的重要程度。 “1”表示两因素具有同样重要程度,“3”表示其中 一个稍微重要,“5”表示其中一个明显重要,“7” 表示其中一个强烈重要,“9”表示其中一个极端重 要。若因素甲和乙,甲比乙的重要程度为b,则乙 比甲的重要程度为1/b。 01 阀 门 2007年第2期 构造球阀方案判别矩阵P为 c1 c2 c3 c4 c5 c6 P 11/ 91/ 91/ 91/ 91/ 9 911/ 31/ 31/ 51/ 7 9311/ 51/ 71/ 7 93511/ 71/ 7 957715 97771/ 51 c1 c2 c3 c4 c5 c6 采用层次分析法中的和积法求得权系数α。 α 01051 15 , 01062 55 , 01083 98 , 01124 17 , 01418 23 , 01259 92 413 建立关联函数,计算合格度并规范化 对于c2、c3和c4的量值为区间,用关联函数模 型来计算关联度,其中区间用Xoi [ a , b]表示, i 2,3,4。 Kci x ρ x , Xoi |Xoi| b - a /2- |x - b a /2| | b -a | 得 Kc2 N 1 [400- -20 ]/ 2- |80 - 400-20 / 2| |400- -20 | 012619 同理可得 Kc2 Kc2 N 1 , Kc2 N 3 , Kc2 N 4 01261 9,015,015 Kc3 Kc3 N 1 , Kc3 N 3 , Kc3 N 4 01172 4,0,0 Kc4 Kc4 N 1 , Kc4 N 3 , Kc4 N 4 0,0,01333 3 对于c1、c5和c6经量化处理后为一定值,构 造的关联函数模型为 Kci N j ci N j i 1 , 5 , 6 得Kc11 , 1 , 1 ,Kc5 0 125 , 015 , 01625 ,Kc6 0 1375 , 01875 , 01 5 。 采用规范化公式 Kci KiNj max j 1 ,3 ,4 [KiNj ] i 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ;j 1 , 3 , 4。 则 规 范 化 后 得 到Kc11,1,1 , Kc2 01523 8,1,1 , Kc3 1,0,0 , Kc4 0,0,1 , Kc5 014,018,1 , Kc6 01428 6,1,01571 4。 414 计算优度 对象Nj关于衡量条件M的规范合格度为 K N1 1,01523 8,1,0,014,01428 6 T K N3 1,1,0,0,018,1 T K N4 1,1,0,1,1,015714 T 故对象Nj的优度为 C N1 α KN1 01051 151 01062 550152 88 01083 981 01124 17 0 01418 23014 01259 92 01428 6 01446 9 同理可得C N3 01708 2 ,C N4 01804 6。 由于C N4 C N3 C N1 , 即物元R4的 优度是三者中最高,所以R4为所求的物元。 因此可 以选择铸钢软密封O形球阀为所求的球阀方案。 5 结语 本文采用发散树的思维方法模拟人类创造性思 维,进行阀门概念设计过程中的创新活动。以球阀 方案设计为例,说明该方法的可行性和有效性,同 样对于其他类型阀门概念设计也是有效的。若应用 上述的发散树方法和优度评价法,基于AUTO2 CAD绘图环境,开发出阀门概念设计智能CAD系 统,对缩短阀门研发周期,提升企业竞争力具有实 用意义。 参考文献 〔1〕 邹慧君,汪利,王石刚,等.机械产品概念设计方法综述 〔J〕.机械设计与研究, 1998 , 2 9～12. 〔2〕 赵燕伟,金方顺,王万良,等.基于发散树思维方法的刀库 概念设计 〔J〕.广东工业大学学报, 2001 , 18 1 11～ 16. 〔3〕 蔡文,杨春燕,林伟初.可拓工程方法 〔M〕.北京科学 出版社, 1997. 〔4〕 洪勉成,陆培文,高凤琴.阀门设计计算手册 〔M〕.北京 中国标准出版社, 1994. 〔5〕 赵焕臣.层次分析法 〔M〕.北京科学出版社, 1986. 收稿日期 2006. 09. 26 欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告 112007年第2期 阀 门