基于計算機(jī)輔助技術(shù)的球形儲罐模塊化設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)

林玉娟，孫雅麗，張瑩光，張 欣，王麗國

(1. 東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163711； 3. 天津市北辰區(qū)雙口鎮(zhèn)政府，天津 300400； 4. 大慶油田化工有限公司甲醇分公司，黑龍江 大慶 163411)

球形儲罐作為壓力容器的一種，由于其具有承載能力強(qiáng)、建造用鋼量少、占地面積小等優(yōu)點【1】，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，而計算機(jī)輔助技術(shù)也已廣泛運(yùn)用到了現(xiàn)代社會的眾多領(lǐng)域中，因此將計算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于球罐的設(shè)計領(lǐng)域有著很重要的現(xiàn)實意義。然而由于球罐設(shè)計的專業(yè)性與復(fù)雜性，市面上的通用設(shè)計、分析軟件并不具備這一特定功能，且隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、球罐設(shè)計與建造標(biāo)準(zhǔn)的更新，一些早期開發(fā)的球罐設(shè)計系統(tǒng)已經(jīng)無法適用于現(xiàn)今的計算機(jī)環(huán)境及生產(chǎn)需要【2】，因此開發(fā)一套適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的球罐設(shè)計系統(tǒng)就顯得十分必要。

1 球形儲罐設(shè)計系統(tǒng)

為解決在工程實際中球罐設(shè)計人員面臨的問題，球形儲罐模塊化設(shè)計系統(tǒng)將計算量大、過程繁瑣的設(shè)計步驟設(shè)計為計算機(jī)程序，提高計算速度，縮短設(shè)計周期【3】，使設(shè)計人員能夠?qū)⒏嗟臅r間用于設(shè)計中的創(chuàng)新創(chuàng)造環(huán)節(jié)。

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計與繪圖2大功能，在綜合考慮系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫兼容性的前提下，選擇合適的開發(fā)語言將該系統(tǒng)分為設(shè)計計算模塊、有限元分析模塊和繪圖模塊3大部分。各模塊在功能相對獨立的同時可以通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)共享及交換，既減少數(shù)據(jù)的冗余度，避免了數(shù)據(jù)存儲空間的浪費(fèi)【4】，又能夠完成球罐的強(qiáng)度設(shè)計計算、有限元分析以及設(shè)備圖繪制等功能，覆蓋球罐設(shè)計的全過程，有助于提高球罐設(shè)計的準(zhǔn)確性，縮短設(shè)計時間，降低設(shè)計的復(fù)雜性，并能為相似系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與開發(fā)提供依據(jù)。該系統(tǒng)的功能模塊如圖1 所示。

圖1 設(shè)計系統(tǒng)的功能模塊

2 球形儲罐設(shè)計系統(tǒng)的模塊化

2.1 設(shè)計計算模塊的實現(xiàn)

在工程實際中，1個球罐的完整設(shè)計計算過程大致上可以分為3個步驟：工藝參數(shù)的選擇確定、球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度校核計算【5】。設(shè)計計算模塊作為球罐設(shè)計系統(tǒng)的第一個模塊，是之后2個模塊的基礎(chǔ)。只有完成了球罐各結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算及選擇，并通過強(qiáng)度校核，才能為接下來的設(shè)計任務(wù)提供必要的數(shù)據(jù)，并確保各結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性與安全性。

設(shè)計計算模塊主要依靠C#.NET進(jìn)行開發(fā)，以球罐常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12337—2014《鋼制球形儲罐》的計算步驟為基準(zhǔn)【6】。球殼部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)以GB/T 17261—2011為基準(zhǔn)，同時程序中所使用的計算公式、材料性能等還要符合GB/T 150.1～150.4—2011中的有關(guān)規(guī)定。設(shè)計計算模塊的工作流程如圖2所示。該模塊中計算功能主要通過將標(biāo)準(zhǔn)中具體的計算公式映射為程序代碼來實現(xiàn)。在進(jìn)行計算時，一些計算過程會被重復(fù)調(diào)用，為解決這一問題，在編寫程序時將被重復(fù)調(diào)用的計算過程單獨地封裝為幾個特定的類，每個類中都包含了若干相應(yīng)的方法，從而提高了代碼的復(fù)用性。

圖2 設(shè)計計算模塊工作流程

本次球罐設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)中，雖然涉及到的數(shù)據(jù)較多且種類比較繁雜，但從存儲量來看并不是很大，而且不會涉及到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)調(diào)用等，因此本次開發(fā)選擇Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫作為支持，實現(xiàn)了各功能模塊之間的數(shù)據(jù)共享。在訪問數(shù)據(jù)庫時，利用C#NET中的ADO.NET數(shù)據(jù)訪問技術(shù)進(jìn)行操作，同時設(shè)計人員還可以使用ADO.NET對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢、添加、刪除、更新等操作【7】。設(shè)計計算模塊通過C#NET中的Windows窗體應(yīng)用程序，采用父窗口與子窗口的設(shè)計形式實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，該模塊的用戶界面如圖3和圖4所示。在依據(jù)用戶給定的初始數(shù)據(jù)完成球罐的強(qiáng)度設(shè)計與校核之后，系統(tǒng)還可以以Microsoft Word文檔的格式輸出計算說明書，方便用戶對于計算結(jié)果的查閱。

圖3 設(shè)計計算模塊“主體設(shè)計參數(shù)”窗體界面

圖4 設(shè)計計算模塊“零部件設(shè)計參數(shù)”窗體界面

2.2 有限元分析模塊的實現(xiàn)

分析設(shè)計方法與常規(guī)設(shè)計方法是2種不同的設(shè)計方法，在工程中均可采用。其中分析設(shè)計方法主要采用塑性失效準(zhǔn)則，根據(jù)第三強(qiáng)度理論，以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，以有限元應(yīng)力分析方法為手段，計算時使用的安全系數(shù)較小，計算結(jié)果更為精確，但因其計算量較大，需要有限元分析軟件支持，所以在本設(shè)計系統(tǒng)的有限元分析模塊中使用ANSYS17.0作為輔助工具。

ANSYS二次開發(fā)的工具主要有3個：APDL、UPFs、UIDL【8】。在有限元分析模塊的設(shè)計中，利用C#NET對ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，主要通過調(diào)用ANSYS的APDL實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，并利用C#NET實現(xiàn)用戶界面及后臺調(diào)用程序的編制。C#NET的ANSYS二次開發(fā)方法如圖5所示【9】。

圖5 C#NET的ANSYS二次開發(fā)

根據(jù)ANSYS參數(shù)化設(shè)計技術(shù)的原理及C#NET的ANSYS二次開發(fā)方式，有限元分析模塊的工作流程確定如下：首先根據(jù)計算模塊確定或者用戶重新給定球罐的必要參數(shù)，編寫出符合APDL語法規(guī)則的ANSYS命令流文件(“.log”或“.txt”格式)；之后通過內(nèi)存共享將命令流文件傳送給ANSYS軟件，并通過后臺程序調(diào)用ANSYS軟件進(jìn)行計算；計算完成后將計算結(jié)果保存，并將相應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)顯示到用戶界面上。其工作流程如圖6所示。

有限元分析模塊的用戶界面具備2大方面的功能：一是輸入信息；二是輸出信息。因此該模塊的用戶界面分為2部分：ANSYS分析和ANSYS分析結(jié)果，如圖7和圖8所示。

2.3 繪圖模塊的實現(xiàn)

在完成球罐的常規(guī)設(shè)計并且球罐的有限元分析結(jié)果也滿足要求后，下一步就是完成球罐裝配圖的設(shè)計，為球罐的施工提供依據(jù)。建立一套球罐設(shè)計專用的CAD系統(tǒng)【10】，不但能避免設(shè)計人員對相似部分的重復(fù)性繪制，提高繪圖效率，同時也可以降低裝配圖的設(shè)計難度，有效地避免各種細(xì)節(jié)錯誤。該模塊的設(shè)計采用AutoCAD.NET作為開發(fā)環(huán)境。

圖6 有限元分析模塊工作流程

圖7 ANSYS分析界面

圖8 ANSYS分析結(jié)果界面

本系統(tǒng)繪圖模塊的設(shè)計選擇參數(shù)化繪圖技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。該模塊可繪制球罐零部件圖、球罐整體裝配圖、球罐局部放大圖、指引線、技術(shù)要求、標(biāo)題欄、明細(xì)表以及文字說明。在該模塊中采用3個基本參數(shù)，即“幾何尺寸”、“定位尺寸”、“拓?fù)潢P(guān)系”實現(xiàn)基本圖元的繪制以及復(fù)雜圖形的組合。其中“拓?fù)潢P(guān)系”主要解決裝配圖以及零部件圖繪制過程中出現(xiàn)的遮擋問題，實現(xiàn)CAD消隱技術(shù)【11】。在繪圖模塊中應(yīng)用消隱技術(shù)最多的部分是裝配圖的主視圖和俯視圖部分，這2部分都可以看作是以1個圓為基礎(chǔ)向外延伸進(jìn)行繪制的(圓為球罐的主體部分)，因此可以在以上拓?fù)潢P(guān)系模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行演變，得出一個適合于球罐裝配圖繪制的消隱算法。繪圖模塊的基本工作流程如圖9所示。

圖9 繪圖模塊工作流程

繪圖模塊的用戶界面包含了2個部分：一是“總裝配圖繪制”界面，用來設(shè)定球罐的基本參數(shù)并繪制出總裝配圖；二是“零部件圖繪制”界面，用來選擇要繪制的零部件，并根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)繪制出選定的零部件圖。繪圖模塊用戶界面如圖10和圖11所示。

3 結(jié)語

球形儲罐模塊化設(shè)計系統(tǒng)是在對工程實際中球形儲罐的設(shè)計過程進(jìn)行研究分析的基礎(chǔ)上，制定了球罐設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，將系統(tǒng)分為3大模塊，即設(shè)計計算模塊、有限元分析模塊和繪圖模塊。系統(tǒng)將球罐的設(shè)計過程與計算機(jī)輔助技術(shù)相結(jié)合，提高了設(shè)計過程的智能化，同時系統(tǒng)中各功能模塊可通過數(shù)據(jù)的共享與傳輸縮短球罐的設(shè)計過程，提高設(shè)計準(zhǔn)確性，滿足了工程實際的需求。

圖10 “總裝配圖繪制”用戶界面

圖11 “零部件繪制”用戶界面