管板是换热设备中重要的部件之一,经常要对管板进行温度场和应力场的有限元分析,因此需要建立管板的三维模型,并根据分析结果不断的优化、修改管板的模型。如果用手工建模,势必将加大设计分析人员的枯燥的工作量,大大降低工作效率。而采用参数化程序建模,用户可以在很短时间内建立和优化修改模型。

管板是一块按照布管方式开了许多管孔的圆平板,管板的三维造型就是通过三维参数化绘图,在输入了筒体的公称直径ＤＮ,换热管的外径ｄｈ,管板的厚度Ｈ和布管方式等,直接生成管板的三维实体。下面以单壳程单管程的正方形方式布管的延长部分兼做法兰的管板为例,叙述管板三维造型程序的开发过程。

4 1　管板二维对象的生成

管板在结构上属于回转体,因此只需生成管板截面的一半即可,如图4所示。建立坐标系,给出图示各点的坐标,用函数ＡｃＤｂＰｏｌｙｌｉｎｅ()生成封闭的二维多段线,并生成二维图形域,调用函数ｒｅｖｏｌｖｅ(),将此二维图形域绕Ｙ轴旋转生成平板三维模型(未挖孔)。

    4 2　管板的布管程序算法

    以管子正方形排列的单管程布管为例,建立计算模型,如图5所示。

    程序采用迭代的方法确定换热管的中心位置,其迭代过程如下。

    4 2 1　确定迭代初值

    中心布管奇数排列时,迭代式为:
    ｘ=ｘ0,ｘ=ｘ+ｐ
    ｙ=ｙ0,ｙ=ｙ+ｐ

    中心布管偶数排列时,迭代式为:
    ｘ=ｘ0+ｐ/2,ｘ=ｘ+ｐ
    ｙ=ｙ0+ｐ/2,ｙ=ｙ+ｐ

    式中ｘ0,ｙ0为迭代初值,根据管程情况取值;ｐ为换热管中心距。经过迭代能够运算出每根换热管管孔的中心坐标(ｘ,ｙ)。

    4 2 2　确定每根换热管中心位置

    确定了换热管中心位置后,调用函数ｃｒｅａｔｅＦｒｕｓｔｕｍ()生成以换热管中心为中心,以管板厚度为高的圆柱体。运用布尔差运算在管板实体中挖去每个圆柱体。其程序流程框架图如图6所示。

    4 3　生成螺栓孔和拉杆孔

    根据以上方法,在延长部分确定法兰螺栓孔中心位置,生成圆柱体,运用布尔差运算生成螺栓孔。如法炮制,生成拉杆孔。

    至此,管板三维造型已经完成。运用上述方法可完成换热设备其他零部件的三维实体造型系统。

    5　系统的运行

    在ＶＣ++6 0的环境下,运行该程序,得到一个管板设计 ａｒｘ动态连接库程序。启动ＡｕｔｏＣＡＤ2000,点击换热设备零部件三维造型系统下拉菜单中的延伸部分兼做法兰菜单项,ＡｕｔｏＣＡＤ将自动加载该  ａｒｘ文件,同时向ＡｕｔｏＣＡＤ内部命令堆栈中添加管板三维造型ＡＲＸ程序的命令ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ。执行该命令,弹出管板三维造型对话框,进行人机交互,输入绘制管板的必要参数,按“三维造型”按钮,即可运行程序,生成管板的三维实体如图7所示。

    6　三维造型系统的应用

    基于ＡｕｔｏＣＡＤ平台开发的换热设备零部件三维造型系统,能够直接利用ＡｕｔｏＣＡＤ的内核代码,共享ＡｕｔｏＣＡＤ2000的地址空间,具有较高的程序开发和执行效率。该系统具有非常友好的操作界面,运行该系统,通过人机交互的方式,输入必要的数据,能精确绘制零部件三维实体图形,通过修改设计参数,可随时修改创建模型。该系统准确、方便、省时,实现了从数据到图纸的计算机参数化绘图,在换热设备零部件设计和有限元分析中发挥了重要作用。

    6 1　方便快捷的建模

    在ＡｕｔｏＣＡＤ环境下手工建模需要花费大量的时间和精力,特别是运用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对零部件进行温度场和应力场的有限元分析优化中,需要根据优化结果不断地修改三维模型,对一些复杂的三维模型,手工修改简直不可想象。而采用本系统,通过输入参数,系统能在很短时间内生成三维模型,修改优化后的几何参数,系统即可快捷地生成优化后的模型。实践证明,该造型系统在ＡＮＳＹＳ软件的前处理建模中,克服了ＡＮＳＹＳ软件对复杂三维实体造型的不便,大大节省了设计分析人员的时间和精力,提高了设计分析效率。

    6 2　三维实体的空间真实感

    二维图形不能够表达出三维物体的真实感,特别是对于复杂的零部件和装配后的部件,设计人员很难根据二维图形想象其空间位置关系。例如新型折流杆换热器的折流栅装置,由换热管、拉杆、和成组的折流栅装配而成,折流栅之间互成90°交错排开,结构极为复杂。采用三维造型系统,可生成折流栅装置的三维实体如图8所示,通过实体模型,用户可以清楚的看到折流栅装置的结构。

    6 3　零部件装配的干涉检查

    运用三维造型系统生成的三维实体进行换热设备三维动态装配时,能够通过零部件之间的连接和啮合状况判断零部件之间是否发生干涉和碰撞(例如管板、筒体和折流栅装置的装配),从而修改设计思路和设计模型。

    7　结语

    运用ＶＣ++和ＯｂｊｅｃｔＡＲＸ2000技术、基于ＡｕｔｏＣＡＤ平台开发的换热设备零部件三维造型软件系统方便省时,界面友好,运行可靠。系统不仅能够生成标准零部件的模型,而且能够生成非标准零部件的模型,使设计人员摆脱了手工建模的枯燥和繁琐,大大提高了三维建模的效率;系统取代了ＡＮＳＹＳ分析软件的前处理建模过程,解决了ＡＮＳＹＳ软件手工建模复杂、重复、繁琐的难题。实践证明,系统在三维实体建模、换热设备零部件的有限元分析以及换热设备动态装配中发挥了重要作用,大大提高了设计分析效率。

参考文献
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