波纹管的参数化图形设计

波纹管的参数化图形设计

王　健

(南京宏洋混凝土公司,江苏南京210028)

摘要:将基于约束的参数化设计思想应用于机械产品设计行业,使用AutoCAD 的开发系统对膨胀节的U 型波纹管进行参数化设计与绘图,运用数据库技术实现所需参数的调用,所有的设计和绘图程度都是用VB 语言编写的,设计、计算和绘图过程自动完成,而最终生成的是标准的dwg 图形文件。

关键词:波纹管;参数化设计;数据库

中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1006-0316(2003)04-0029-03

收稿日期:2003-12-20

膨胀节作为管道设备中重要的热补偿元件,设计时要考虑到压力、温度、补偿量、刚度、疲劳寿命、稳定性、

抗腐蚀等诸多方面的影响,设计人员需要查阅相关资料,确定设计参数,计算出在一定寿命下的最大补偿量、各种应力、刚度、稳定性、疲劳寿命并反复校核,使之满足各种性能指标并最大可能地节省材料,最后还要绘制一系列图纸。其设计周期长,工作量大且容易因人为疏忽而导致设计的不合理性,原来的设计方式已很难适应市场经济下迅速供货的要求,一套符合最新设计标准、简单方便、真正融设计与绘图为一体的膨胀节计算机辅助设计与绘图的软件是膨胀节设计人员的迫切需要。膨胀节的设计可分为波纹管的设计和波纹管连接件的设计,其中波纹管的设计与校核尤为关键。本文以计算机技术为手段,结合化工机械的专业知识,对波纹管的计算机辅助设计技术进行了研究。

波纹管CAD 软件的总体结构如图1所示。

图1　波纹管CAD 软件总体结构示意图

波纹管的CAD 软件系统从整体上可划分为结

构设计、数据库管理和参数化绘图3个模块。

1　结构设计模块

结构设计模块是本文的基础模块,其功能是波纹管的零件设计计算和校核。这部分可以分为界面设计和应力计算两部分,

优良的界面设计为设计人员创造了直观、方便、操作简单的设计环境。

波纹管的设计之所以不同于一般的刚性结构件,在于它的设参数中包含了许多相互矛盾和制约的因素,例如,补偿量和疲劳寿命都是要达到一定要求的,但是补偿量的增大却迅速降低了疲劳寿命次数。再比如,承压能力是必须考虑的,但是波纹管的最大承载能力却受到失稳的临界压力的限制,临界压力又在很大程度上取决于波纹管的刚度,而刚度越大,波纹管的柔性越差,又会导致补偿量的不足。如考虑不周,有的波纹管在尚未达到它所承载的最高压力时波纹管已经失稳了,或者是过早的发生疲劳破坏。因此膨胀节的设计复杂,需要综合各种因素进行全面考虑。其中波纹管的设计是至关重要的,因为膨胀节的性能主要取决于其中的波纹管。图2为波纹管设计的一个基本界面。

图2　基本界面

本文用Visual Basic 语言编程对波纹管的各项性能进行计算和校核,在图2中的左边输入参数,右边便会显示出计算结果,改变参数值,右边的计算结果也会动态地改变,当其中的一项或几项性能不符合要求时,就会弹出对话框作出相应的警告,告知是那项性能不符合,以便重新设计。一般我们需要通过反复的修改尺寸参数,才能得到既经济又有良好性能的设计结果。

2　数据库管理模块

数据库管理模块是对数据库的管理和应用,也

是绝大多数软件必备的模块,通过数据访问对象与结果设计建立动态联系,实现各类参数的即时传输。

计算应力系数主要是波纹管在应力计算过程中所用到的应力计算修正系数,这些修正系数来源于对曲线图的查询,本文将这些曲线图离散转化为二维图表,储存于数据库中。

数据库管理模块主要实现对数据库的查询,将所查到的信息及时传送到程序中去。Visual Ba 2sic610提供ADO (Active data Object )即Active 数据对象作为应用程序和OL E 2DB 连接的桥梁,其访问方式如图3所示。

图3　应用软件对系统数据库的访问方式

3　参数化绘图模块

参数化绘图模块是波纹管CAD 辅助设计软件

中最庞大也是最有特色的模块

。是在完成了波纹管

的结构数据设计和校核后进行的。该模块中的所有

参数均来自于前面的设计,图形参数化模块设计是绘图人员梦寐以求的工具。

CAD 系统的开放性为尺寸驱动图形参数化提供了一条捷径。AutoCAD R14的ActiveX 技术标志着AutoCAD 的开发技术有了历史性的飞跃。本文在VB

中编写数据模块来存放尺寸参数变量、技术要求

及其它变量。利用OL E Automation 实时的把变量传输到AutoCAD 的图形文件中去。通过这种方法,实现了用尺寸驱动法在外部控制AutoCAD 来进行参数化绘图,较以往AutoL ISP 、ADS 等开发方法必须先打开AutoCAD ,然后在其内部调用AutoCAD 的绘图命令来实现参数化绘图有着无比的优越性,其绘图速度明显加快。

波纹管零件图的参数化绘图步骤如图4所示。

图4　零件图的参数化绘图步骤

对于零件图的参数化绘制,首先要对图纸进行

必要的设置,如设定图纸大小,根据图纸与零件尺寸确定适当的比例,再进行标题栏的设置,图5是波纹管零件图的操作界面图。

图5　零件图的操作界面

对于图纸边界和标题的布局,本系统是根据工程制图的标准绘制的,当主视图的整体长度超过图纸的2/3或小于图纸的1/3时,系统会给出警告,要求重新设定图纸比例。

(下转第33页)

厚上。

(3)在合理加强图2中Φ360的安装过孔的刚度和强度的基础上,在固有频率计算中忽略该过孔对刚度影响。根据文献[3]介绍,试验研究表明,当箱体开孔(指穿通孔)面积小于侧面积10%,箱体刚度不会显著降低,在单侧壁上开孔,其影响更小;在图2所示结构中,Φ360通孔开孔面积约为侧面1215%,沿X轴向只穿过六个加筋件壁中两个,并且在穿孔处竖直方向各加焊两条63×63×10等边角钢,增强通孔壁处的弯曲刚度和扭转刚度,因此在固有频率计算中不考虑此处开孔影响,对计算结果影响很小。

3　计算结果与实测情况

图2所示结构的工作台主要采用40b型槽钢作加筋件,面板厚度h u=2cm,底板平均厚度h d= 2166cm;63×63×10等边角钢8根(除Φ360通孔处4根外)和附加于垂直X轴向两中壁上长1200mm,厚30mm钢板是起辅助加筋作用,将其简化折算到相邻主加筋件壁厚中,并由式(2)计算得D w x= 61125×1010N2cm2,D w y=61357×1010N2cm2。实物结构简化为图4所示多闭室薄壁件后,由式(3)或式(4)分别计算得D kx=5156×1010N2cm2,D ky=51717×1010N2cm2。已知工作台自重m xy=2721145kg,主结构实际边长a=b=190cm,将上述数据代入式(1),得到图2所示具有加筋板的箱框型结构的工作台一阶固有频率f=98192Hz。

图2结构在加工完成后,总装前进行固有频率测试,工作台平放简支在垫块上,使用锤敲击产生激励信号,采用多点激励单点输出模态测试法,应用CRAS随机信号与振动分析系统,实测采样频率312kHz,信号分析频率500Hz,采用两种试验模型测试,9节点试验模型的频率94124Hz,36节点试验模型的频率99197Hz,阻尼比均为010015,上述后一种测试结果与本文所述的计算方法和公式的计算结果几乎一致。

应用有限元法计算由图2所示结构联接成图1所示组合状态的一阶固有频率时,将其处理为对称结构,使用ANSYS515中的4节点壳单元shell639 (每个节点具有6个自由度)进行分析,总共离散为721个节点730单元,经计算得f=134164Hz,组合后固有频率更远离振动台工作区0～60Hz,实验和实际使用也证明工作台设计是合理的。

4　结论

(1)本文介绍计算方法和公式对具有加筋板的箱框型结构的工作台一阶固有频率进行计算,其结果与实测几乎一致,该方法及有关公式可以用来对该类型结果进行设计计算和验算。

(2)实物结构在计算过程中进行合理近似简化,将便于计算,并对计算准确度影响不大。

(3)由计算公式可以看到,在结构外形和具有加筋件的箱形框架确定情况下,面板厚度h u和底板厚度h d将显著影响结构刚性或固有频率。

参考文献:

[1](美)R.Szilord.板的理论和分析[M],北京:中国铁道出版社,

19841

[2]陈伯真,等

1薄壁结构力学[M],上海:上海交通大学出版社, 19981

[3]余梦生,等1机构各部件手册,造型设计指南[M],北京:机械工

业出版社,19961

(上接第30页)

本文根据基于约束的图形参数化原理,借助于

AutoCAD,用Visual Basic进行面向对象的程序设

计。利用ActiveX Automation技术,可以将VB与

AutoCAD有机的链接成一个整体,实现两者之间的

数据传输,在VB设计的操作界面上对其进行外部

控制。如图5我们在波纹管图进行设定后,按下确

定键,系统就会自动打开AutoCAD,根据前面结构设

计确定的参数,生成标准的DW G格式文件,见图6。图6　参数化生成的波纹管零件图