基于UG的月牙肋岔管參數(shù)化設(shè)計(jì)與庫的建立

馬　偉　周建方

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　常州　213022）

1　引言

壓力鋼管是水電站輸水工程重要組成部分，并且由于位置的特殊性，故其安全性和經(jīng)濟(jì)性一直受到廣大設(shè)計(jì)人員的重視。當(dāng)需要對(duì)多臺(tái)的機(jī)組進(jìn)行供水的時(shí)候，便需要設(shè)置岔管。月牙肋岔管由于具有受力明確，水流狀態(tài)好等特點(diǎn)，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，雖然該岔管計(jì)算理論和方法比較成熟，但按照NB/T 35056-2015《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］的關(guān)于月牙肋岔管的體形設(shè)計(jì)和肋板的計(jì)算過于繁瑣，且人機(jī)交互能力較差［2～4］。對(duì)大型岔管則需要進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正，再分析，故需要重復(fù)建模。而由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致的修正量過大，將使上述步驟多次重復(fù)，故單純利用三維軟件對(duì)岔管進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)要求［5～6］。雖國內(nèi)也對(duì)月牙肋岔管參數(shù)化的設(shè)計(jì)也有一定的研究［7～10］，但其面向?qū)ο笕匀皇怯幸欢ㄔO(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，并且對(duì)設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)的管理存在著不足。故在本文利用UG強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能和庫管理功能，整合規(guī)范中的計(jì)算公式、圖表和設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)月牙肋岔管的快速設(shè)計(jì)和管理。

2　月牙肋岔管參數(shù)化設(shè)計(jì)的技術(shù)與方法

基于UG的參數(shù)化建模技術(shù)主要有兩種思路［11～12］：一種是直接建模，利用各種三維軟件二次接口中的各種建模函數(shù)，直接在建模模塊生成模型。該方法最常使用的宏錄制功能，然后讀取各建模代碼，在此基礎(chǔ)上，以變量來控制模型各參數(shù)，另一種是模板建模，實(shí)現(xiàn)方法是先利用三維軟件生成一個(gè)零件模板，基于模板的參數(shù)化建模是將預(yù)先設(shè)置好的模板中的關(guān)鍵參數(shù)修改后可得到新模型。同一模板下的零件只有尺寸差異沒有結(jié)構(gòu)本質(zhì)差異。其中方法一適用于較為簡(jiǎn)單的模型，在模型較為復(fù)雜，建模步驟較為繁瑣的情況下，應(yīng)用有一定的難度。方法二既適用于簡(jiǎn)單模型也適用于復(fù)雜模型，并且其數(shù)據(jù)圖形交互較為方便，便于設(shè)計(jì)人員的修改，故本文利用方法二來實(shí)現(xiàn)岔管的參數(shù)化設(shè)計(jì)。首先須對(duì)岔管的模版進(jìn)行區(qū)分。現(xiàn)如今工程界應(yīng)用最為廣泛的為卜型和Y型，如圖1、圖2所示，故對(duì)兩種類型的岔管分別設(shè)立模版。

圖1　卜型月牙肋岔管

圖2　Y型月牙肋岔管

2.1　月牙肋岔管形體的設(shè)計(jì)

2.1.1建立參數(shù)化的岔管模型

以卜型岔管為例，在設(shè)計(jì)計(jì)算中，基本參數(shù)為內(nèi)水壓力p，主管半徑R1，支管2半徑R2，支管3半徑R3，支管2和支管2的軸線夾角B。設(shè)計(jì)參數(shù)為主錐11半錐頂角A11，主錐11節(jié)距S11，主錐12節(jié)距S12，公切球的半徑RT，支錐21半錐頂角A21，支錐21節(jié)距S21，支錐22節(jié)距S22，支管3的設(shè)計(jì)參數(shù)同支管2，各參數(shù)的分布如圖1所示。利用UG的表達(dá)式功能，定義上述參數(shù)，并在附注對(duì)每個(gè)參數(shù)加以解釋，以方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行區(qū)分。各參數(shù)的取值雖在文獻(xiàn)［1］中給出了取值范圍，但易造成初始設(shè)計(jì)方案的不明確，故結(jié)合文獻(xiàn)［13］中的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)給出各設(shè)計(jì)參數(shù)的建議取值，以減少設(shè)計(jì)修改的次數(shù)，部分參數(shù)如圖3所示。

圖3　模板中的參數(shù)設(shè)計(jì)

管殼類的建模較為簡(jiǎn)單，其步驟一般為建立管殼的輪廓線和軸線，利用回轉(zhuǎn)功能畫出管殼的實(shí)體，利用修剪和抽殼功即可完成管殼的建模，重復(fù)上述步驟畫出各管節(jié)的三維模型，即可得到最終的岔管模型。而在參數(shù)化建模的過程中對(duì)須對(duì)每一個(gè)特征和草圖利用上述參數(shù)表達(dá)式和幾何關(guān)系進(jìn)行全約束，以完成管殼模板的建立。

2.1.2定義規(guī)則和檢查

月牙肋岔管結(jié)構(gòu)須滿足一定的規(guī)則，一方面從結(jié)構(gòu)角度以保證結(jié)構(gòu)的安全性。另一方面若參數(shù)輸入不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致模型的更新失敗。故在參數(shù)輸入完畢后，須對(duì)整個(gè)模型的主要參數(shù)進(jìn)行檢查。根據(jù)文獻(xiàn)［1］，利用表達(dá)式中的“測(cè)量角度”的功能將測(cè)量的值賦予相應(yīng)變量，并建立相應(yīng)的規(guī)則。為便于修改和查找原因，本文結(jié)合筆者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為對(duì)不合理的結(jié)果給出修改意見。以最大腰線折角C0為例，具體如下。

定義結(jié)果變量MPC_C0（類型為字符串）：MPC_C0=if（C0≤12）then（“合理”）else if（C0＞12）then（“增大主錐11的半錐頂角，或者支錐31的半錐頂角，同時(shí)減小相應(yīng)管節(jié)的節(jié)距”）

類似的可以建立分岔角等參數(shù)的規(guī)則，只有在所有用于檢測(cè)的規(guī)則表達(dá)式輸出的結(jié)果都為“合理”，才能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2　月牙肋岔管肋板的設(shè)計(jì)

肋板的設(shè)計(jì)依據(jù)規(guī)范中相關(guān)規(guī)定，具體設(shè)計(jì)步驟如下。

1）區(qū)分月牙肋岔管的工況，分為試驗(yàn)工況和運(yùn)行工況，不同工況下肋寬肋厚的大小有區(qū)別，且在岔管體形結(jié)構(gòu)上也有差異，其中運(yùn)行工況的岔管結(jié)構(gòu)如圖1～2所示，試驗(yàn)工況則須在三管端部增設(shè)有悶頭。為在同一模板下實(shí)現(xiàn)不同工況下的岔管的設(shè)計(jì)，在表達(dá)式中設(shè)立不同變量代表試驗(yàn)或者運(yùn)行工況如GC=0（代表運(yùn)行工況），GC=1（代表試驗(yàn)工況），利用“由表達(dá)式抑制”的功能，對(duì)悶頭相關(guān)的特征進(jìn)行設(shè)置。

2）根據(jù)文獻(xiàn)［1］附錄F中的圖F.0.3-2的肋板寬度參考曲線，依據(jù)分岔角選取肋寬比（肋寬比為肋寬與支錐21，支錐31相貫線在肋板中央截面的投影長度a的比值），繼而可求得肋寬BT。曲線圖錄入U(xiǎn)G中可將曲線離散為46個(gè)點(diǎn)，利用邏輯語句依次錄入表達(dá)式中。

3）利用規(guī)范中的內(nèi)力計(jì)算公式，計(jì)算肋板中央截面的豎向內(nèi)力V。

肋板的厚度利用式（1）計(jì)算。

其中C為壁厚裕量，[σ]1為許用應(yīng)力。

肋板厚度應(yīng)不小于管壁厚度的兩倍，同樣須建立檢查規(guī)則用以控制壁厚。利用規(guī)律曲線，根據(jù)所給出的拋物線方程，畫出內(nèi)緣曲線。肋板外緣預(yù)留焊接長度100mm即可。至此已完成岔管三維模型模板的建立。

3　工程圖的繪制

岔管工程圖的繪制主要分為兩類，一是肋板的繪制，二是管殼工程圖的繪制，其中肋板工程圖的繪制較為簡(jiǎn)單，在UG的制圖模塊定義好模型的二維工程圖布局和標(biāo)注，經(jīng)過這樣的定義，可以保證新生成的模型能夠繼承這些布局和標(biāo)注。但值得注意的是岔管工程圖中最關(guān)鍵的是各管節(jié)的展開圖，是生產(chǎn)的主要依據(jù)［14］。而現(xiàn)如今在UG中，可利用其鈑金模塊，對(duì)各管節(jié)展開，并繪制展開圖，該方法方便快捷，大大提高了設(shè)計(jì)效率。主錐11的管節(jié)展開如圖4、圖5所示。

圖4　主錐11管節(jié)示意圖

圖5　1/2的主錐11管節(jié)展開示意圖

圖中hh'，gg'的長度用“測(cè)量距離”的命令，將測(cè)量的結(jié)果存儲(chǔ)于不同的變量，在工程圖模塊，以表格的形式讀取變量值。避免了人工計(jì)算，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。

4　月牙肋岔管重用庫的建立

UG重用庫用以加載常用或者重復(fù)使用的部件［15］。重用庫一方面可極大地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，另一方面結(jié)合Excel表格，可方便產(chǎn)品的管理歸檔。以卜型岔管為例，結(jié)合部分水電站卜型岔管的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，闡述重用庫的建立。

1）在UG軟件的安裝目錄UGSNX8.0LOCALIZATIONprc創(chuàng)建文件夾（命名為bifurcation）。將岔管模型保存于該文件下，命名為LICRB.prt；

2）建立后綴名為bmp的預(yù)覽圖，如圖1所示，命名為LICRB.bmp；

3）新建名為LICRB.xls的工作表，表格內(nèi)容如圖6所示；

圖6　xls表格內(nèi)容

4）在重用庫管理截面，添加上述岔管文件夾，并為岔管模型配置krx文件，以“PART_NAME”為主參數(shù)。具體如下：

＜？xm lversion=“1.0”encoding=“UTF-8”？＞

＜KnowledgeReuse＞

＜ItemData＞

＜Part Location=“LICRB.prt”/＞

＜KeyParameterDescriptiveName=“PART_NAME” ＞

PART_NAME＜/KeyParameter＞

＜DataFile Location=“LICRB.xlsx”/＞

＜/ItemData＞

＜ComponentData＞

＜/ComponentData＞

＜/KnowledgeReuse＞

5）月牙肋岔管重用庫的調(diào)用，在UG重用庫中調(diào)取岔管的，彈出如圖7所示的對(duì)話框，設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入可以是在工作表中輸入，以“PART_NAME”進(jìn)行選取，也可以在圖7示“參數(shù)修改”的位置進(jìn)行修改。但第一中設(shè)計(jì)方法更為合理，且便于批量輸入。同時(shí)在對(duì)已有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用重用庫，可僅在表格中輸入錄入主要參數(shù)來保存設(shè)計(jì)檔案，避免大量的模型圖紙占用系統(tǒng)空間。

圖7　添加可重用組件

5　結(jié)語

1）本文利用UG基于模板的參數(shù)化設(shè)計(jì)整合了規(guī)范中的公式圖表和設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了月牙肋岔管的快速建模和出圖，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

2）利用重用庫功能，便于月牙肋岔管的重復(fù)調(diào)用和數(shù)據(jù)管理，并且在設(shè)計(jì)方案較多時(shí)，結(jié)合Excel表格，可實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)批量輸入，減小設(shè)計(jì)出錯(cuò)的可能。

3）月牙肋岔管的參數(shù)化設(shè)計(jì)和庫的管理的設(shè)計(jì)方法，可以借鑒到企業(yè)常用產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)當(dāng)中，以提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。

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