基于Creo軟件的標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計(jì)研究

武相 黃捷 孫冠宇 趙千里 干依燃

【摘 要】標(biāo)準(zhǔn)支吊架因其零部件通用性高，便于規(guī)模生產(chǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。本文基于Creo軟件，從模型數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶界面、力學(xué)校驗(yàn)及工程圖紙輸出四個(gè)方面探討了標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計(jì)方法，并提出一種基于Creo軟件的標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計(jì)思路和方法，以滿足工程實(shí)際需求。

【關(guān)鍵詞】標(biāo)準(zhǔn)支吊架;Creo;模型數(shù)據(jù)庫(kù);用戶界面;力學(xué)校驗(yàn);圖紙輸出

中圖分類號(hào)： TP311.52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）06-0065-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.023

【Abstract】Standard support and hanger is widely used in actual manufacture for the universality and convenience of mass production .In this paper， how standard support and hanger design in Creo was studied in four aspects： model database establishment， user interface interaction， mechanical performance testing and engineering drawing output. Finally a thinking process and approach was put forward to design support and hanger to satisfy the requirements of engineering projects.

【Key words】Standard support and hanger; Creo; Model database; User Interface; Mechanical performance testing; Drawing output

0 引言

支吊架主要功能為承受管道載荷、限制管道位移、控制管道振動(dòng)，是保證系統(tǒng)管道安全運(yùn)行的重要措施，被廣泛應(yīng)用于核電、火電、化工、船舶、航天等眾多領(lǐng)域。支吊架分為標(biāo)準(zhǔn)支吊架和非標(biāo)支吊架兩類，由于標(biāo)準(zhǔn)支吊架的零部件通用性高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，絕大部分的實(shí)際工程設(shè)計(jì)采用了標(biāo)準(zhǔn)支吊架。

支吊架設(shè)計(jì)通常是根據(jù)其功能及載荷輸入，在手冊(cè)中選用滿足其承載要求、布置要求的零部件完成組合后，再進(jìn)行力學(xué)校驗(yàn)即可完成定型設(shè)計(jì)。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，支吊架用量相當(dāng)龐大，僅一個(gè)系統(tǒng)就可能存在上千張圖紙，因此，支吊架詳細(xì)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、工作量巨大的工作。根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)反饋，傳統(tǒng)的基于AutoCad的“二維”設(shè)計(jì)手段，不僅效率低、出錯(cuò)率高，而且占用大量的人力資源，無(wú)法滿足實(shí)際的工程設(shè)計(jì)需求。目前，大部分領(lǐng)域已應(yīng)用三維設(shè)計(jì)手段開(kāi)展支吊架設(shè)計(jì)，其不僅在可視化方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且實(shí)現(xiàn)了力學(xué)校驗(yàn)的自動(dòng)化，同時(shí)可以完成校驗(yàn)報(bào)告及支吊架圖冊(cè)的自動(dòng)化輸出，減少了人為出錯(cuò)的概率，提升了資源利用率，提高了設(shè)計(jì)效率。

本文基于Creo三維設(shè)計(jì)軟件，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計(jì)及應(yīng)用加以探討，并提出一種可行的標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)思路或方法。

1 常用標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)述

目前，標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計(jì)采用的軟件種類較多，如EHS、AUTOPHS、LICAD、PDSOFT.SUPPORT及PDMS-NPHS等，其特點(diǎn)如下：

（1）EHS為查表選型類軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)基于標(biāo)準(zhǔn)支架零部件手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)生根手冊(cè);EHS以AutoCad為圖形平臺(tái)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn);EHS通過(guò)導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫(kù)中的零部件搭建支吊架，并生成平面圖和清單;EHS通過(guò)開(kāi)發(fā)與其它三維軟件（如PDMS）、力學(xué)分析軟件（如CAESARⅡ）的接口，實(shí)現(xiàn)支吊架三維實(shí)體的創(chuàng)建及力學(xué)結(jié)果的輸出。

（2）AutoPHS是UESOFT開(kāi)發(fā)的自動(dòng)管道支吊架設(shè)計(jì)軟件，亦為查表選型類軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)基于標(biāo)準(zhǔn)支架零部件手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)生根手冊(cè);該軟件可根據(jù)用戶輸入的參數(shù)信息，通過(guò)規(guī)則判斷組合最優(yōu)的支架結(jié)構(gòu);軟件能夠搭建三維實(shí)體模型，自動(dòng)生產(chǎn)二維支吊架組裝圖;根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，能夠自動(dòng)計(jì)算彈簧和恒力彈簧。

（3）LISEGA為查表選型類軟件，其標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)庫(kù)為L(zhǎng)ISEGA產(chǎn)品庫(kù)，其支吊架設(shè)計(jì)模式與EHS類似。

（4）PDSOFT為三維工廠設(shè)計(jì)軟件，在支吊架設(shè)計(jì)上為查表選型類軟件。該軟件以PDSOFT 3DPiping為平臺(tái)，在3DPiping軟件建立的管道模型和構(gòu)筑物模型基礎(chǔ)上進(jìn)行三維支吊架設(shè)計(jì)，包括支吊架數(shù)據(jù)庫(kù)管理、支吊架圖形庫(kù)管理、支吊架建模、材料統(tǒng)計(jì)和支吊架圖紙自動(dòng)生成。

（5）PDMS為三維工廠設(shè)計(jì)軟件，其支吊架設(shè)計(jì)主要由管道支吊架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件-NPHS（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)）實(shí)現(xiàn)。NPHS數(shù)據(jù)庫(kù)基于標(biāo)準(zhǔn)支架零部件手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)生根手冊(cè)，其主要包括四個(gè)功能：a.支吊架三維標(biāo)準(zhǔn)零部件庫(kù);b.支吊架三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);c.可批量地支吊架出圖;d.可批量地支吊架材料清單生成。根據(jù)實(shí)際核電工程的應(yīng)用反饋，使用NPHS設(shè)計(jì)的支吊架圖紙內(nèi)容精確、直觀易懂、表達(dá)清晰美觀，獲得設(shè)計(jì)同行、業(yè)主及施工單位的廣泛好評(píng)[1]。

2 Creo軟件簡(jiǎn)介

Creo軟件是美國(guó)PTC公司在Pro/ENGINEER軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一款三維設(shè)計(jì)軟件，在全相關(guān)性、模型參數(shù)化、裝配管理等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理等。該軟件還提供目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境。

此外，Creo軟件提供了采用標(biāo)準(zhǔn)Windows“部件對(duì)象模式（COM）”技術(shù)和“對(duì)象連接的潛入（OLE）”技術(shù)的應(yīng)用程序接口，使用戶可以對(duì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以滿足自身需求[2]。Creo軟件還提供了強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)工具，主要包括族表（Family Table）、用戶定義特征（UDF）、Pro/Program、J-link、Creo/ToolKit等[2]。

3 基于Creo軟件的標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計(jì)

3.1 總體思路

在實(shí)際的工程中，標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計(jì)主要包含以下4個(gè)方面：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支吊架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要涉及功能、結(jié)構(gòu)形式及其零部件選型，不同行業(yè)或企業(yè)因其應(yīng)用環(huán)境的不同，支吊架及零部件采用的標(biāo)準(zhǔn)及使用經(jīng)驗(yàn)不徑相同，因此，支吊架的設(shè)計(jì)存在適用性的問(wèn)題。通常采取創(chuàng)建與行業(yè)或者企業(yè)相匹配的標(biāo)準(zhǔn)支吊架數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、常用材料及模型數(shù)據(jù)庫(kù)等，以滿足行業(yè)或企業(yè)自身的設(shè)計(jì)需求。

（2）用戶界面

目前，常用支吊架設(shè)計(jì)軟件均開(kāi)發(fā)了相對(duì)友好人機(jī)交互界面，以方便設(shè)計(jì)者快捷的完成支吊架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一個(gè)友好的用戶界面，不僅能夠使設(shè)計(jì)者快速的檢索、調(diào)用各種需要的支吊架資料及模型特征參數(shù)信息，并能夠根據(jù)實(shí)際需求輸入和變更相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率;同時(shí)，設(shè)計(jì)者不需要了解三維應(yīng)用軟件深層次的工作原理、程序源代碼等知識(shí)，僅掌握軟件的基本應(yīng)用技能，即可完成支吊架設(shè)計(jì)。

（3）力學(xué)校驗(yàn)

實(shí)際的支吊架設(shè)計(jì)過(guò)程，其在結(jié)構(gòu)定型前，通常需要開(kāi)展力學(xué)校驗(yàn)，以判斷其是否滿足力學(xué)性能要求，即支吊架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)校驗(yàn)之間存在迭代過(guò)程。只有通過(guò)了力學(xué)校核的結(jié)構(gòu)才能最終實(shí)現(xiàn)支吊架定型設(shè)計(jì)。

（4）工程圖紙輸出

目前，由于三維設(shè)計(jì)中模型精度及覆蓋率不足、非幾何信息表達(dá)的完整性和透明性不足等問(wèn)題，三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)尚不能完全取代工程圖實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程中各個(gè)環(huán)節(jié)的無(wú)紙化操作，二維工程圖仍然是企業(yè)溝通和交流的主要工具。因此，實(shí)現(xiàn)三維與二維之間的有效轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。

綜上所述，本文主要從以上4個(gè)方面存在的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，探討標(biāo)準(zhǔn)支吊架設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用。

3.2 模型數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)

支吊架模型數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于標(biāo)準(zhǔn)零部件庫(kù)的開(kāi)發(fā)，其中涉及零部件種類的劃分、命名規(guī)則、模型創(chuàng)建及系列化等內(nèi)容。在建立標(biāo)準(zhǔn)零部件庫(kù)時(shí)，可結(jié)合行業(yè)或企業(yè)實(shí)際需求，采用各自常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、支吊架設(shè)計(jì)手冊(cè)等的零部件種類劃分準(zhǔn)則、命名習(xí)慣及系列化參數(shù)特點(diǎn)等建立模型數(shù)據(jù)庫(kù)，其更符合設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用習(xí)慣，有利于設(shè)計(jì)者更快更好的完成設(shè)計(jì)。

在Creo軟件的二次開(kāi)發(fā)工具中，族表（family table）工具是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件的相似性原理，通過(guò)對(duì)樣本零件參數(shù)的驅(qū)動(dòng)，派生出相應(yīng)的系列化零件，且系列化零件的特征參數(shù)存儲(chǔ)在表格中。記錄特征參數(shù)的表格可自由編輯，使創(chuàng)建系列化零件變得簡(jiǎn)單易行，且方便管理。因此，族表工具常用于開(kāi)發(fā)各種結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。

本文中提及的支吊架標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)采用族表工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，根據(jù)支吊架設(shè)計(jì)手冊(cè)內(nèi)容，選取樣本零件，創(chuàng)建三維模型，并通過(guò)族表創(chuàng)建系列化零件，形成支吊架標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。以三孔管夾為例，圖1、圖2顯示了三孔管夾系列化零件的創(chuàng)建過(guò)程。圖1中，d0、d1、d2、d3為樣本零件特征參數(shù)，與圖4-2中的選取的特征參數(shù)一一對(duì)應(yīng)。圖2中紅色標(biāo)識(shí)“SKGJ-000”為樣本零件名稱，藍(lán)色標(biāo)識(shí)“SKGJ-000-HGR-Q345B-110-001”為樣本零件衍生出來(lái)的單個(gè)零件模型名稱。通過(guò)驅(qū)動(dòng)樣本零件特征參數(shù)和族表工具，即可派生出所需要的系列化零件。

友好的人機(jī)交互界面可以清楚的引導(dǎo)用戶實(shí)現(xiàn)需要的功能，快捷的實(shí)現(xiàn)軟件與用戶之間的信息交流。本文中提及的支吊架設(shè)計(jì)依托于Creo平臺(tái)，無(wú)需獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，因此開(kāi)發(fā)的交互界面以對(duì)話框?yàn)橹?。?duì)話框的創(chuàng)建常用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，一種是采用Creo/ToolKit提供的用戶界面對(duì)話框（User Interface Dialog Boxes，簡(jiǎn)稱UI對(duì)話框）技術(shù)，另一種是采用MFC（Microsoft Foundation Class）可視化對(duì)話框技術(shù)。兩種方法的說(shuō)明詳見(jiàn)表1[3]。

根據(jù)兩種方法的優(yōu)劣，支吊架設(shè)計(jì)的用戶界面采用MFC的可視化對(duì)話框技術(shù)。

Visual Studio 2010（簡(jiǎn)稱VS2010）是運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)交互式可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，出自微軟公司，提供了多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，并集成了視窗程序設(shè)計(jì)（API）和MFC庫(kù)，為程序設(shè)計(jì)者提供了簡(jiǎn)單友好的開(kāi)發(fā)界面和一系列輔助開(kāi)發(fā)工具，用戶只需要按照向?qū)Ы缑娴奶崾?，輸入程序建立的一些要求，就可以自?dòng)得到一個(gè)有基本功能的、完整的應(yīng)用程序。

本文選用VS2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和MFC面向?qū)ο蠊ぞ邔?duì)支吊架設(shè)計(jì)用戶界面進(jìn)行編程和界面設(shè)計(jì)。

此外，用戶界面的信息提取采用動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)，主要為DLL文件的生成、編譯和注冊(cè)，該文件可通過(guò)VS2010、Creo/ToolKit進(jìn)行編譯。用戶界面與數(shù)據(jù)庫(kù)信息參數(shù)交互過(guò)程詳見(jiàn)圖3。

3.4 支吊架力學(xué)校驗(yàn)

Creo軟件不僅具備模型設(shè)計(jì)功能，而且具備結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算、運(yùn)動(dòng)仿真等功能，其Simulate產(chǎn)品線提供兩個(gè)模塊，即“結(jié)構(gòu)”模塊和“熱”模塊，每種模塊都針對(duì)不同系列的機(jī)械特性解決問(wèn)題。其中，結(jié)構(gòu) （Mechanical）用于評(píng)估零件或裝配的結(jié)構(gòu)特性。此模塊允許為模型創(chuàng)建結(jié)構(gòu)載荷和約束，然后執(zhí)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、預(yù)應(yīng)力分析、失穩(wěn)分析和振動(dòng)分析。還可以評(píng)估模型的疲勞壽命和解決接觸問(wèn)題。熱 （Thermal）用于評(píng)估零件或裝配的熱行為。此模塊允許對(duì)模型施加熱載荷、規(guī)定的溫度和對(duì)流條件，然后執(zhí)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。通過(guò)上述兩個(gè)模塊，Creo軟件可以對(duì)各種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)開(kāi)展分析計(jì)算。