基于动态特征的复杂空间管路设计方法

Orient towards the national demands for development of high-end mechatronic equipments and requirement of intelligent & integrative design of complex spatial piping system, this project firstly investigates the dynamic feature modeling theory and method that supports the multi-branch pipe design, including the integrated feature semantic modeling method which covers feature geometry, topology, and parameters, real-time semantic validation mechanism, and adaptive intelligent variable method for modifying topology configurations of features. Secondly, this research explores the intelligent integrated design methodologies of equipment layout, piping path planning, and dynamic feature modeling of piping in ship design. Finally, a simulation and analysis platform which underpins aforementioned theoretical investigations and experimental validations will be established. The expected outcome will establish the key enabling integrated design methodologies which connect schematic design and detailed design utilizing dynamic piping features. The leading-edge research definitely provides both novel and pioneering ideas and a solid theoretical basis for further technological developments of complex spatial pipeline design.

复杂空间管路系统是船舶、航空航天、核电、化工等领域复杂机电装备研发过程的重要组成部分，实现其智能化集成设计具有重要的理论意义与工程应用价值。传统特征技术由于采用预定义参数化模板，缺乏支持多拓扑构型设计对象的特征语义描述机制及有效性验证方法，特征自身拓扑构型不可改变，因此难以应用于此类问题的设计。本项目面向国家发展高端机电装备及复杂空间管路智能化集成设计的需求，研究支持多分支管路设计的动态特征建模理论及方法，包括特征几何/拓扑/参数一体化语义建模方法、实时语义验证方法及特征拓扑构型自适应智能可变方法；面向船舶领域管路系统设计，研究支持设备布局、路径规划及特征建模的管路集成设计方法，掌握设计流程；搭建支撑理论研究与实例验证的空间管路设计、仿真分析平台。形成以管路动态特征为纽带的方案设计与详细设计集成设计理论与方法体系，为复杂空间管路设计的技术发展提供新思路和理论依据。

面向国家发展高端机电装备及复杂空间管路智能化集成设计的需求，本项目系统研究支持多分支管路设计的动态特征建模理论及方法，内容涉及设备/元件布局设计、空间管路路径规划、干涉检查、特征建模以及智能设计系统开发。围绕复杂空间管路智能化集成设计，以船舶管路系统及液压集成块设计为研究对象，提出了基于动态特征的多分支管路建模与设计方法，形成了特征几何/拓扑/参数一体化语义建模、实时语义验证及特征拓扑构型自适应智能可变方法的方法体系；面向船舶管路系统设计需求，基于栅格法及3D网络图，全面系统地开展了管路路径优化方法研究，构建了基于遗传算法、NSGA-II以及协同进化算法的船舶管路路径规划与优化的算法库，形成了“设备模型简化-设计空间建模-路径优化”整套技术流程；针对液压集成块设计需求，提出了基于核心元件法的设备/元件布局设计方法，基于工程经验知识、设计规范与标准，形成了元件布局设计知识及油路拓扑结构知识库，以此为基础，形成了“元件布局-油路模式匹配-路径规划-特征建模”的集成块智能设计方法体系；在上述工作基础上，搭建了复杂空间管路设计、仿真分析平台，含模型库/知识库/算法库、动态特征建模与设计模块，完成液压集成块元件布局及智能设计软件系统。本项目执行年限内，在mathematical problem in engineering、Frontiers of Mechanical Engineering、Computer aided drafting, design and manufacturing、工程设计学报等国内外期刊及会议上发表学术论文8篇，其中SCI收录源期刊论文1篇，EI收录源期刊4篇，被EI收录1篇次；申请国家发明专利5项，已授权1项；申请软件著作权2项；培养硕士研究生3名。