典型鑄造車間仿真設計實例

蘇見波，徐繼龍，劉 建

（機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450007）

1 前言

進入21 世紀以來，發(fā)達國家紛紛調整其產(chǎn)業(yè)政策與技術政策，將高新技術的重點和科技發(fā)展的熱點轉向產(chǎn)業(yè)技術，主要是智能化制造技術領域，使智能化制造技術由傳統(tǒng)意義上的單純機械加工技術轉變?yōu)榧瘷C械、電子、材料、信息和管理等諸多技術于一體的先進制造技術，并加速用現(xiàn)代智能化制造技術改造和提升傳統(tǒng)制造業(yè)，實現(xiàn)制造業(yè)的高技術化。我國改革開放以來，機械制造業(yè)取得了巨大的成就，從引進消化吸收向自主創(chuàng)新邁出了堅實的步伐[1]。智能化設計將進一步提高制造系統(tǒng)的柔性化和自動化水平，使生產(chǎn)系統(tǒng)具有更完善的判斷與適應能力，也將會顯著減少制造過程物耗、能耗，提升傳統(tǒng)制造業(yè)的水平。

濟南某鑄造公司新建鑄造項目廠區(qū)用地面積21.6 萬m2，總建筑面積6 萬m2，年設計生產(chǎn)鑄鐵件35 000 t，有色鑄件1 000 t。項目利用BIM 技術構建三維工業(yè)建筑信息模型，進行可視化設計，同時將綠色工業(yè)建筑性能模擬應用于方案比選與設計優(yōu)化，工廠運維管理采用“工廠三維運維管理系統(tǒng)”，全力打造“綠色、節(jié)能、環(huán)?！钡男滦蛿?shù)字化工廠。

2 三維工業(yè)建筑信息模型

2.1 廠區(qū)規(guī)劃布局可視化

結合濟南地區(qū)氣候特點、地塊特點和該廠的生產(chǎn)工藝特點，廠區(qū)規(guī)劃合理利用當?shù)刈匀粭l件，采用可視化規(guī)劃手段，方便直觀地為客戶展示規(guī)劃布局（圖1），使客戶充分理解規(guī)劃設計意圖。

圖1 廠區(qū)規(guī)劃布局可視化

2.2 鑄造車間工藝布局可視化

車間工藝設備根據(jù)各生產(chǎn)系統(tǒng)特點，利用仿真技術進行可視化布局（圖2），使整個物流順暢、路線短捷?？梢暬墓に嚥季忠脖苊饬嗽O備在移動過程與鋼結構或管線發(fā)生碰撞。

圖2 鑄造車間工藝布局可視化

2.3 鑄造車間模擬建造

利用車間模擬建造功能，將各階段施工工序與BIM 模型關聯(lián)起來，可合理安排施工、有效控制工期，同時，將建造過程以三維方式展示給業(yè)主（圖3），也可使業(yè)主直觀掌握整個項目的進展情況。

2.4 車間公用專業(yè)及工藝設備可視化設計

圖3 鑄造車間模擬建造

車間公用專業(yè)管線利用Revit MEP 進行可視化設計（圖4），避免了管線之間的“錯漏碰缺”現(xiàn)象的發(fā)生。在空間狹小的區(qū)域也可高效、準確地將各專業(yè)管線以最優(yōu)方式排布，并直觀展示，在施工前解決碰撞問題，減少返工，有利于控制建設成本和工期。

圖4 車間公用專業(yè)及工藝設備可視化設計

車間工藝設備均建立其參數(shù)化模型，便于后期運維管理。

3 綠色工業(yè)建筑性能模擬

參照《綠色工業(yè)建筑評價標準》，對本項目設計方案進行了光環(huán)境、建筑物室內(nèi)外噪聲及重點車間內(nèi)氣流組織和溫度場等綠色工業(yè)建筑性能模擬分析。通過分析結果，對設計方案在建筑材料選用、建筑照明節(jié)能、噪聲污染防治、氣流組織優(yōu)化、改善工人作業(yè)環(huán)境等方面提供參考和修改建議，改進建筑性能，達到“綠色、節(jié)能、環(huán)保”的效果。

廠區(qū)環(huán)境綠色分析側重于濟南市氣象數(shù)據(jù)的分析、車間采光分析、車間運行時產(chǎn)生的噪音污染情況分析等方面。從而確定廠區(qū)建筑最佳朝向、熱舒適度、采光方案及噪音污染治理措施等。

3.1 廠區(qū)環(huán)境綠色分析

由全年各月風頻圖可知濟南主導風向為北風，夏季主導為西南風，設計中加以利用夏季主導風，同時對冬季主導風向加以防范。

各種被動設計策略舒適度百分比影響如圖5，在濟南地區(qū)，自然通風策略與高熱容材料運用得當，可大幅度提高室內(nèi)熱舒適度。

圖5 被動設計策略分析

通過組織自然通風，在5、6、7、8、9、12 月能大幅改善室內(nèi)熱舒適度。本方案結合建筑布局及平面形狀考慮了自然風的導入，以利于室內(nèi)的通風。

通過利用高熱容材料的熱惰性,可減小室內(nèi)環(huán)境溫度隨室外環(huán)境溫度的波動，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性（1/2/12 月無作用），尤其在4/5/6/9/10 月份。本方案墻體、屋面、地面等實體結構均采用了隔熱性能和蓄熱性能較好的材料,阻止熱量進入室內(nèi)并降低室外溫度波動對室內(nèi)溫度的影響,提高室內(nèi)熱舒適度。

從圖6 中可以看出在6/7/8 月通過利用機械通風可滿足室內(nèi)舒適度要求,本工程結合建筑布局進行建筑通風設計，減小空調制冷運行時間，從而降低建筑能耗。各種顏色區(qū)塊表示所采用的主動式降溫策略,藍線在區(qū)塊內(nèi)部的部分,則表明該藍線所代表的時間段可采用的最佳主動式降溫策略。

圖6 焓濕圖分析

濟南光氣候區(qū)為Ⅲ類，車間采光等級為Ⅲ級，采光形式為側面采光兼頂部采光。由于各種因素，設計難以滿足《建筑采光設計標準》的要求，需輔以人工照明。輔以人工照明后，車間內(nèi)平均照度大于300lux，滿足《建筑采光設計標準》的要求（圖7）。

圖7 采光分析

落砂機在不影響功能的情況下采用半密閉罩；除塵風機采取密閉罩隔聲措施，風機出口設置阻性或阻抗復合式消聲器；水泵設置在水泵房內(nèi)，基礎均設置隔聲墊，水泵進出水管上設避震喉，可降低水泵的噪聲和震動；空壓機采用低噪聲的螺桿空壓機，空壓站在建筑上采用隔聲門窗及內(nèi)墻貼附吸聲材料等消聲降噪措施；各工作時震動大的設備采用減震基礎，減少震動時的噪聲和減輕振動的傳播。

考慮采取以上措施后，模擬分析出廠界噪音白天低于60dB（圖8），滿足《工廠企業(yè)廠界噪聲排放標準》Ⅱ類標準要求。

圖8 噪音分析

3.2 鑄造車間CFD 模擬

鑄造車間CFD 模擬分析重點研究車間的主廠房，并根據(jù)需要對模型進行了一定的簡化，模擬出車間在室外有風和無風兩種狀態(tài)下運行的最不利工況。

（1）工況一：室外無風，熔化、澆鑄、開箱同時進行

平衡狀態(tài)下，鑄造車間1.5 m 高度溫度分布以發(fā)熱體為中心呈放射狀分布（圖9），溫度沿放射方向快速遞減，輻射范圍與發(fā)熱體體積和溫度成正比。車間內(nèi)大部分區(qū)域溫度與環(huán)境溫度相同為35℃，澆鑄區(qū)溫度在40℃以下，熔化區(qū)溫度在47℃以下，開箱區(qū)溫度最高，影響范圍最大，靠近鑄件處溫度超過70℃。鑄造車間溫度分布大致趨勢還是以發(fā)熱體為中心呈放射狀分布，但沿豎直方向遞減較水平方向緩慢，這主要是受熱浮力流動的影響。

圖9 1.5 m 高度速度分布圖

平衡狀態(tài)下，鑄造車間豎直方向速度分布分層明顯，車間氣流主要受車間開窗位置和發(fā)熱構件布置影響。

平衡狀態(tài)下，鑄造車間豎直方向上壓力分布分層明顯（圖10），主要受重力因素影響，1.5 m 高度上，車間左側由于高溫構件集中分布而靜壓略高。

（2）工況二：室外有風，在工況一基礎上加入室外風環(huán)境的影響

圖10 1.5 m 高度壓力分布圖

濟南市夏季盛行西南風，風速取平均值3 m/s。受室外風環(huán)境影響，鑄造車間1.5 m 高度速度分布左側略高，大部分區(qū)域風速為0.4 m/s，右側略低，大部分區(qū)域風速為0.15 m/s，總體速度分布比較均勻。分析發(fā)現(xiàn)，冷熱空氣交匯產(chǎn)生明顯的渦流區(qū)，有利于加快冷熱空氣混合和熱空氣的排出（圖11）。

1.5 m 高度溫度分布分區(qū)明顯，大部分區(qū)域與環(huán)境溫度相同，為35℃；左側開箱區(qū)和澆鑄區(qū)受高溫鑄件影響，溫度較高，但大部分區(qū)域溫度在41℃以下，這主要是由于渦流的出現(xiàn)加快冷熱空氣混合和熱空氣的排出。

溫度分布受氣流導向作用明顯，熱空氣可以就近排出室外，下層空氣被高溫鑄件加熱后與空氣快速混合，經(jīng)氣流誘導排出室外。

4 結束語

該項目利用數(shù)字模擬和仿真技術對總圖方案、工藝設計、綜合管線布局進行了分析、比較，獲得最優(yōu)方案，提高了現(xiàn)代化工廠的設計水平。項目的建筑智能化系統(tǒng)主要包括火災自動報警系統(tǒng)及消防控制系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)及系統(tǒng)集成平臺等，為公司的管理提供真實、可靠的運行數(shù)據(jù)。

[1]路甬祥.走向綠色和智能制造——中國制造發(fā)展之路[J].國內(nèi)外機電一體化技術，2010(3):24-29.