基于C A T I A二次開發(fā)的月牙肋鋼岔管輔助設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

付 山,伍鶴皋,汪 洋

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,湖北 武漢 430072)

0 引 言

水電站月牙肋鋼岔管是由三梁式岔管不斷改進演變而成的一種新型的岔管,具有受力條件好,制作簡單,岔管內(nèi)流體流態(tài)較好,水頭損失較小等優(yōu)點,在大中型水電站和抽水蓄能電站中得到廣泛的應(yīng)用[1].但月牙肋岔管體形結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時隨著月牙肋岔管形式的演變,設(shè)計和計算的工作量逐步加重,如何快速、正確地完成岔管設(shè)計已成為迫切需要解決的問題.

CATIA軟件在汽車、航空、航天等一些高端技術(shù)制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,它具有強大的曲面造型功能和先進的參數(shù)化設(shè)計理念,并且為了滿足用戶專業(yè)化設(shè)計需要,它提供了多種二次開發(fā)接口.CATIA主要的二次開發(fā)方式有:自動化對象編程(Automation API)和開放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程(CAA-RADE),前者功能有限,卻足以滿足該系統(tǒng)的開發(fā)要求,且較容易掌握,后者功能強大,但應(yīng)用難度較大.我國水電行業(yè)自2006年引入CATIA以來,在廠房、大壩、閘門和地質(zhì)等方面的三維可視化設(shè)計取得了一定的進展,但在岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域還缺乏基于CATIA二次開發(fā)的研究和應(yīng)用.針對以上情況,本文以蟠龍抽水蓄能電站月牙肋鋼岔管為例,利用Automation API二次開發(fā)接口,在Visual Basic 6.0的程序開發(fā)平臺下,著重進行了水電站Y形月牙肋鋼岔管輔助設(shè)計系統(tǒng)的CATIA二次開發(fā).

1 開發(fā)思路

(1)深入研究月牙肋鋼岔管的幾何體形,確定岔管幾何體形控制參數(shù).

(2)運用CATIA交互式操作尋找初步設(shè)計方案.

(3)利用VB語言編寫主程序 (部分代碼段可以利用宏),并驗證初步方案的可行性,最終確定設(shè)計方案.

(4)提取CATIA幾何建模、網(wǎng)格剖分及導(dǎo)出ANSYS的命令流所需要的控制參數(shù).

(5)進行程序界面設(shè)計,完善程序的各項功能,最終完成調(diào)試.

最終確定的程序設(shè)計方案為:通過VB語言中g(shù)etobject()函數(shù)和creatobject()函數(shù)的聯(lián)合使用實現(xiàn)對CATIA二次開發(fā)接口的連接;在自制程序界面上輸入?yún)?shù)后,可實現(xiàn)在CATIA中自動建模和網(wǎng)格自動剖分,再通過自制程序的一鍵轉(zhuǎn)換功能將CATIA中網(wǎng)格單元節(jié)點信息文件轉(zhuǎn)換為ANSYS可讀入的*.dat命令流文件,該命令流導(dǎo)入ANSYS后生成的為已經(jīng)完成前處理和荷載加載的網(wǎng)格模型,可直接進行有限元計算.為了較好地模擬管殼受力,管殼和肋板均采用殼單元進行有限元計算.模型主要包括管殼、肋板和水壓試驗工況的悶頭.管殼由對各管段兩端的曲線曲面橋接得到,在肋板中面繪制外輪廓草圖進而曲面填充操作得到肋板,對直管段端口平面上的草圖圓進行半球操作得到悶頭.

2 三維建模特征參數(shù)計算

月牙肋岔管包括殼體和月牙肋板兩部分,月牙肋岔管殼體又分為主錐管和支錐管兩部分.主錐管一般由一個倒錐管組成,支錐管由兩個正錐管組成,三者有一個公切球.肋板由月牙狀的鋼板做成,肋板的外緣線以相貫線為基礎(chǔ)向管殼外適當加寬50~100 mm,以滿足管殼與肋板焊接縫的位置要求,內(nèi)緣則為一拋物線[1],如圖1所示.

CATIA具有先進的草圖設(shè)計理念,可將三維設(shè)計通過骨架設(shè)計理念簡化為較易的二維設(shè)計.為了便于在CATIA中建模計算,本文共采用三個計算坐標系,如圖1所示.主管C的計算坐標系為XYZ,支管A的計算坐標系為X′Y′Z,支管B的計算坐標系為X″Y″Z,其中Z軸垂直紙面向外,并將坐標系XYZ定為全局坐標系統(tǒng).求出主 (支)管在相應(yīng)坐標系下的關(guān)鍵點 (岔管平面圖上的腰線轉(zhuǎn)折點和直管段的端點)坐標進而精確定位草圖平面.各坐標系下關(guān)鍵點坐標和相貫線方程推導(dǎo)如下 (取中面):主錐管C的方程為

圖1 岔管計算參數(shù)示意

支錐管A在全局坐標系下的方程為

式中,t11為主錐C厚度;t21為支錐管A厚度;θ為X軸與X′軸逆時針所成的角.

支錐管A與XZ平面相交即得兩支管的相貫線CD,方程為

點A的坐標為主錐管C和支錐管A的腰線相交點,坐標記為XA,YA,ZA.點C為相貫線CD與主錐管C的交點,坐標記為XC,YC,ZC.所以相貫線CA所在面的方程為

方程(1)和方程(4)聯(lián)立可得相貫線AC的方程,相貫線BC的方程也同理可求.

肋板外緣由管殼與肋板相貫線CD外延d形成,如圖1,肋板內(nèi)緣為一條拋物線,該拋物線經(jīng)過C點正下方并與管殼內(nèi)表面相切且關(guān)于xoy面對稱,因而只需知道拋物線的頂點即可確定該拋物線方程.頂點坐標為(XD-bt,0)拋物線的焦距為

式中,XD為D點的X方向坐標.

3 軟件介紹

3.1 整體框架

最終確定的程序方案是在Microsoft Windows 7操作系統(tǒng)下,利用Visual Basic6.0程序開發(fā)語言和CATIA V5 R17平臺,開發(fā)出的水電站月牙鋼岔管計算機輔助設(shè)計可視化系統(tǒng),該程序的運行框架如圖2所示.

圖2 程序流程

軟件擁有美觀、簡便的基于Windows操作系統(tǒng)的交互式界面,程序?qū)崿F(xiàn)了對月牙肋岔管的快速自動建模和網(wǎng)格剖分,以及一鍵轉(zhuǎn)換生成能被ANSYS直接讀入的節(jié)點信息文件,并且能夠在ANSYS中直接進行有限元計算.文件均以*.dat的形式保存.

3.2 界面設(shè)計

本程序包括登陸界面,主界面和參數(shù)輸入界面3個界面.登陸窗口是在未授權(quán)的計算機打開該程序時出現(xiàn),一旦計算機經(jīng)過授權(quán)后,則程序每次啟動直接進入主界面.主界面是參數(shù)輸入界面的入口,本次程序只設(shè)計了一個過渡管節(jié)的Y形的月牙肋鋼岔管模塊.參數(shù)輸入界面包含菜單欄、選項卡.菜單欄包括參數(shù)檢驗,CATIA成圖,一鍵轉(zhuǎn)換等功能.選項卡則包括岔管幾何體形參數(shù),網(wǎng)格剖分參數(shù)和荷載以及材料參數(shù)輸入界面.

3.3 網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格剖分順序為:直管段→過渡管段→錐管段→肋板→悶頭.網(wǎng)格剖分幾個控制參數(shù)分別為:GlobalSize(全局尺寸)、 tolerance(容差)、Constraint sag(控制垂度).

本程序使用CATIA的surface mesh網(wǎng)格劃分方式,該方式將默認盡量保證網(wǎng)格為正方形,所以對于管殼,只要指定相應(yīng)管段的環(huán)向份數(shù)即可.岔管腰線轉(zhuǎn)折角比較小,相鄰管節(jié)管徑變化不大,為了保證網(wǎng)格的均勻,過渡平順,主 (支)管各管段建議采用相同的剖分份數(shù),再根據(jù)設(shè)置好的環(huán)向份數(shù) 推算出相應(yīng)管節(jié)的網(wǎng)格全局尺寸大小,即GlobalSize=2XπXRi/Nr,其中,Ri為管段進口半徑.肋板的形狀不太規(guī)則,且由于共節(jié)點問題,肋板網(wǎng)格的全局尺寸要受支錐網(wǎng)格大小影響,故肋板的網(wǎng)格全局尺寸Globalsize(肋板)=GlobalSize(支錐)Xa,其中,a(0~1)為肋板網(wǎng)格大小率,推薦取值0.6~0.8.悶頭是與直管段連接的半球面,故悶頭網(wǎng)格全局尺寸要和相應(yīng)直管段的網(wǎng)格全局尺寸相等.每次劃分網(wǎng)格需要設(shè)置好相應(yīng)的tolerance(容差)和Constraint sag(控制垂度),推薦tolerance=GlobalSize/5,Constraint sag=GlobalSize/10.

4 工程實例

本文選取重慶市蟠龍抽水蓄能電站工程實例進行分析.在軟件界面設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù),即可快速完成月牙肋岔管模型的建立和網(wǎng)格的剖分,一鍵生成*.dat文件后導(dǎo)入ANSYS中進行有限元計算,網(wǎng)格剖分結(jié)果和有限元計算結(jié)果如圖3~5所示.在管殼體形和管壁厚度等條件相同的情況下,將計算結(jié)果與設(shè)計院提供的結(jié)果 (肋板采用實體單元)作對比,如表1所示,管殼關(guān)鍵點為管殼外輪廓的轉(zhuǎn)折點和相貫線的交點.

圖3 模型網(wǎng)格

從表1可以看出,本程序計算結(jié)果和設(shè)計院的計算結(jié)果相比,各關(guān)鍵點Mises應(yīng)力值及其他控制應(yīng)力值大小相差不超過3%,在工程設(shè)計誤差允許的范圍內(nèi),證明了本程序的可靠性.

圖4 正常運行工況鋼岔管Mises應(yīng)力(單位:MPa)

圖5 水壓試驗工況Mises應(yīng)力(單位:MPa)

表1 正常運行工況下岔管管殼各關(guān)鍵點和肋板Mises應(yīng)力結(jié)果對比MPa

5結(jié) 語

基于CATIA的二次開發(fā)的月牙肋鋼岔管輔助設(shè)計系統(tǒng)充分利用了CATIA的建模優(yōu)勢和先進的網(wǎng)格自動剖分功能,可快速得到用戶所需要的有限元網(wǎng)格,同時它又很好地實現(xiàn)了CATIA到ANSYS的連接,最終在ANSYS中快速完成有限元計算,省去了重復(fù)的手工操作,縮短了設(shè)計周期.

利用Automation API進行CATIA的二次開發(fā)工作,開發(fā)模式簡單、界面友好.從本系統(tǒng)的開發(fā)過程和結(jié)果來看,以CATIA為平臺,實現(xiàn)月牙肋鋼岔管三維參數(shù)化設(shè)計是可行的,同時此系統(tǒng)的開發(fā)思路也可以運用到其他工程構(gòu)件尤其是其他形式的水電站鋼岔管的輔助設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)過程中,具有廣闊的應(yīng)用前景.

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