付 山,伍鶴皋,汪 洋

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072)

0 引 言

水電站月牙肋鋼岔管是由三梁式岔管不斷改進(jìn)演變而成的一種新型的岔管,具有受力條件好,制作簡(jiǎn)單,岔管內(nèi)流體流態(tài)較好,水頭損失較小等優(yōu)點(diǎn),在大中型水電站和抽水蓄能電站中得到廣泛的應(yīng)用[1].但月牙肋岔管體形結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)隨著月牙肋岔管形式的演變,設(shè)計(jì)和計(jì)算的工作量逐步加重,如何快速、正確地完成岔管設(shè)計(jì)已成為迫切需要解決的問(wèn)題.

CATIA軟件在汽車(chē)、航空、航天等一些高端技術(shù)制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,它具有強(qiáng)大的曲面造型功能和先進(jìn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)理念,并且為了滿(mǎn)足用戶(hù)專(zhuān)業(yè)化設(shè)計(jì)需要,它提供了多種二次開(kāi)發(fā)接口.CATIA主要的二次開(kāi)發(fā)方式有:自動(dòng)化對(duì)象編程(Automation API)和開(kāi)放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程(CAA-RADE),前者功能有限,卻足以滿(mǎn)足該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求,且較容易掌握,后者功能強(qiáng)大,但應(yīng)用難度較大.我國(guó)水電行業(yè)自2006年引入CATIA以來(lái),在廠房、大壩、閘門(mén)和地質(zhì)等方面的三維可視化設(shè)計(jì)取得了一定的進(jìn)展,但在岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域還缺乏基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的研究和應(yīng)用.針對(duì)以上情況,本文以蟠龍抽水蓄能電站月牙肋鋼岔管為例,利用Automation API二次開(kāi)發(fā)接口,在Visual Basic 6.0的程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)下,著重進(jìn)行了水電站Y形月牙肋鋼岔管輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的CATIA二次開(kāi)發(fā).

1 開(kāi)發(fā)思路

(1)深入研究月牙肋鋼岔管的幾何體形,確定岔管幾何體形控制參數(shù).

(2)運(yùn)用CATIA交互式操作尋找初步設(shè)計(jì)方案.

(3)利用VB語(yǔ)言編寫(xiě)主程序 (部分代碼段可以利用宏),并驗(yàn)證初步方案的可行性,最終確定設(shè)計(jì)方案.

(4)提取CATIA幾何建模、網(wǎng)格剖分及導(dǎo)出ANSYS的命令流所需要的控制參數(shù).

(5)進(jìn)行程序界面設(shè)計(jì),完善程序的各項(xiàng)功能,最終完成調(diào)試.

最終確定的程序設(shè)計(jì)方案為:通過(guò)VB語(yǔ)言中g(shù)etobject()函數(shù)和creatobject()函數(shù)的聯(lián)合使用實(shí)現(xiàn)對(duì)CATIA二次開(kāi)發(fā)接口的連接;在自制程序界面上輸入?yún)?shù)后,可實(shí)現(xiàn)在CATIA中自動(dòng)建模和網(wǎng)格自動(dòng)剖分,再通過(guò)自制程序的一鍵轉(zhuǎn)換功能將CATIA中網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)信息文件轉(zhuǎn)換為ANSYS可讀入的*.dat命令流文件,該命令流導(dǎo)入ANSYS后生成的為已經(jīng)完成前處理和荷載加載的網(wǎng)格模型,可直接進(jìn)行有限元計(jì)算.為了較好地模擬管殼受力,管殼和肋板均采用殼單元進(jìn)行有限元計(jì)算.模型主要包括管殼、肋板和水壓試驗(yàn)工況的悶頭.管殼由對(duì)各管段兩端的曲線曲面橋接得到,在肋板中面繪制外輪廓草圖進(jìn)而曲面填充操作得到肋板,對(duì)直管段端口平面上的草圖圓進(jìn)行半球操作得到悶頭.

2 三維建模特征參數(shù)計(jì)算

月牙肋岔管包括殼體和月牙肋板兩部分,月牙肋岔管殼體又分為主錐管和支錐管兩部分.主錐管一般由一個(gè)倒錐管組成,支錐管由兩個(gè)正錐管組成,三者有一個(gè)公切球.肋板由月牙狀的鋼板做成,肋板的外緣線以相貫線為基礎(chǔ)向管殼外適當(dāng)加寬50~100 mm,以滿(mǎn)足管殼與肋板焊接縫的位置要求,內(nèi)緣則為一拋物線[1],如圖1所示.

CATIA具有先進(jìn)的草圖設(shè)計(jì)理念,可將三維設(shè)計(jì)通過(guò)骨架設(shè)計(jì)理念簡(jiǎn)化為較易的二維設(shè)計(jì).為了便于在CATIA中建模計(jì)算,本文共采用三個(gè)計(jì)算坐標(biāo)系,如圖1所示.主管C的計(jì)算坐標(biāo)系為XYZ,支管A的計(jì)算坐標(biāo)系為X′Y′Z,支管B的計(jì)算坐標(biāo)系為X″Y″Z,其中Z軸垂直紙面向外,并將坐標(biāo)系XYZ定為全局坐標(biāo)系統(tǒng).求出主 (支)管在相應(yīng)坐標(biāo)系下的關(guān)鍵點(diǎn) (岔管平面圖上的腰線轉(zhuǎn)折點(diǎn)和直管段的端點(diǎn))坐標(biāo)進(jìn)而精確定位草圖平面.各坐標(biāo)系下關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)和相貫線方程推導(dǎo)如下 (取中面):主錐管C的方程為

圖1 岔管計(jì)算參數(shù)示意

支錐管A在全局坐標(biāo)系下的方程為

式中,t11為主錐C厚度;t21為支錐管A厚度;θ為X軸與X′軸逆時(shí)針?biāo)傻慕?

支錐管A與XZ平面相交即得兩支管的相貫線CD,方程為

點(diǎn)A的坐標(biāo)為主錐管C和支錐管A的腰線相交點(diǎn),坐標(biāo)記為XA,YA,ZA.點(diǎn)C為相貫線CD與主錐管C的交點(diǎn),坐標(biāo)記為XC,YC,ZC.所以相貫線CA所在面的方程為

方程(1)和方程(4)聯(lián)立可得相貫線AC的方程,相貫線BC的方程也同理可求.

肋板外緣由管殼與肋板相貫線CD外延d形成,如圖1,肋板內(nèi)緣為一條拋物線,該拋物線經(jīng)過(guò)C點(diǎn)正下方并與管殼內(nèi)表面相切且關(guān)于xoy面對(duì)稱(chēng),因而只需知道拋物線的頂點(diǎn)即可確定該拋物線方程.頂點(diǎn)坐標(biāo)為(XD-bt,0)拋物線的焦距為

式中,XD為D點(diǎn)的X方向坐標(biāo).

3 軟件介紹

3.1 整體框架

最終確定的程序方案是在Microsoft Windows 7操作系統(tǒng)下,利用Visual Basic6.0程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和CATIA V5 R17平臺(tái),開(kāi)發(fā)出的水電站月牙鋼岔管計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可視化系統(tǒng),該程序的運(yùn)行框架如圖2所示.

圖2 程序流程

軟件擁有美觀、簡(jiǎn)便的基于Windows操作系統(tǒng)的交互式界面,程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)月牙肋岔管的快速自動(dòng)建模和網(wǎng)格剖分,以及一鍵轉(zhuǎn)換生成能被ANSYS直接讀入的節(jié)點(diǎn)信息文件,并且能夠在ANSYS中直接進(jìn)行有限元計(jì)算.文件均以*.dat的形式保存.

3.2 界面設(shè)計(jì)

本程序包括登陸界面,主界面和參數(shù)輸入界面3個(gè)界面.登陸窗口是在未授權(quán)的計(jì)算機(jī)打開(kāi)該程序時(shí)出現(xiàn),一旦計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)授權(quán)后,則程序每次啟動(dòng)直接進(jìn)入主界面.主界面是參數(shù)輸入界面的入口,本次程序只設(shè)計(jì)了一個(gè)過(guò)渡管節(jié)的Y形的月牙肋鋼岔管模塊.參數(shù)輸入界面包含菜單欄、選項(xiàng)卡.菜單欄包括參數(shù)檢驗(yàn),CATIA成圖,一鍵轉(zhuǎn)換等功能.選項(xiàng)卡則包括岔管幾何體形參數(shù),網(wǎng)格剖分參數(shù)和荷載以及材料參數(shù)輸入界面.

3.3 網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格剖分順序?yàn)?直管段→過(guò)渡管段→錐管段→肋板→悶頭.網(wǎng)格剖分幾個(gè)控制參數(shù)分別為:GlobalSize(全局尺寸)、 tolerance(容差)、Constraint sag(控制垂度).

本程序使用CATIA的surface mesh網(wǎng)格劃分方式,該方式將默認(rèn)盡量保證網(wǎng)格為正方形,所以對(duì)于管殼,只要指定相應(yīng)管段的環(huán)向份數(shù)即可.岔管腰線轉(zhuǎn)折角比較小,相鄰管節(jié)管徑變化不大,為了保證網(wǎng)格的均勻,過(guò)渡平順,主 (支)管各管段建議采用相同的剖分份數(shù),再根據(jù)設(shè)置好的環(huán)向份數(shù) 推算出相應(yīng)管節(jié)的網(wǎng)格全局尺寸大小,即GlobalSize=2XπXRi/Nr,其中,Ri為管段進(jìn)口半徑.肋板的形狀不太規(guī)則,且由于共節(jié)點(diǎn)問(wèn)題,肋板網(wǎng)格的全局尺寸要受支錐網(wǎng)格大小影響,故肋板的網(wǎng)格全局尺寸Globalsize(肋板)=GlobalSize(支錐)Xa,其中,a(0~1)為肋板網(wǎng)格大小率,推薦取值0.6~0.8.悶頭是與直管段連接的半球面,故悶頭網(wǎng)格全局尺寸要和相應(yīng)直管段的網(wǎng)格全局尺寸相等.每次劃分網(wǎng)格需要設(shè)置好相應(yīng)的tolerance(容差)和Constraint sag(控制垂度),推薦tolerance=GlobalSize/5,Constraint sag=GlobalSize/10.

4 工程實(shí)例

本文選取重慶市蟠龍抽水蓄能電站工程實(shí)例進(jìn)行分析.在軟件界面設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù),即可快速完成月牙肋岔管模型的建立和網(wǎng)格的剖分,一鍵生成*.dat文件后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元計(jì)算,網(wǎng)格剖分結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果如圖3~5所示.在管殼體形和管壁厚度等條件相同的情況下,將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)院提供的結(jié)果 (肋板采用實(shí)體單元)作對(duì)比,如表1所示,管殼關(guān)鍵點(diǎn)為管殼外輪廓的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和相貫線的交點(diǎn).

圖3 模型網(wǎng)格

從表1可以看出,本程序計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)院的計(jì)算結(jié)果相比,各關(guān)鍵點(diǎn)Mises應(yīng)力值及其他控制應(yīng)力值大小相差不超過(guò)3%,在工程設(shè)計(jì)誤差允許的范圍內(nèi),證明了本程序的可靠性.

圖4 正常運(yùn)行工況鋼岔管Mises應(yīng)力(單位:MPa)

圖5 水壓試驗(yàn)工況Mises應(yīng)力(單位:MPa)

表1 正常運(yùn)行工況下岔管管殼各關(guān)鍵點(diǎn)和肋板Mises應(yīng)力結(jié)果對(duì)比MPa

5結(jié) 語(yǔ)

基于CATIA的二次開(kāi)發(fā)的月牙肋鋼岔管輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)充分利用了CATIA的建模優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的網(wǎng)格自動(dòng)剖分功能,可快速得到用戶(hù)所需要的有限元網(wǎng)格,同時(shí)它又很好地實(shí)現(xiàn)了CATIA到ANSYS的連接,最終在ANSYS中快速完成有限元計(jì)算,省去了重復(fù)的手工操作,縮短了設(shè)計(jì)周期.

利用Automation API進(jìn)行CATIA的二次開(kāi)發(fā)工作,開(kāi)發(fā)模式簡(jiǎn)單、界面友好.從本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和結(jié)果來(lái)看,以CATIA為平臺(tái),實(shí)現(xiàn)月牙肋鋼岔管三維參數(shù)化設(shè)計(jì)是可行的,同時(shí)此系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)思路也可以運(yùn)用到其他工程構(gòu)件尤其是其他形式的水電站鋼岔管的輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,具有廣闊的應(yīng)用前景.

[1] 馬善定,伍鶴皋,秦繼章.水電站壓力管道 [M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[2] 胡挺,吳立軍.CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[3] 盛選禹,李明志.CATIA有限元網(wǎng)格剖分教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4] 李斌等編著.基于CATIA V5 R20的水利水電工程三維設(shè)計(jì)應(yīng)用教程[M].鄭州:黃河水利出版社,2011.

[5] 張婕.基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的錐形石英燈加熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].科學(xué)與技術(shù)工程,2011,11(25):124-127.

[6] 喬淑娟,羅京龍,伍鶴皋.月牙肋岔管體型優(yōu)化與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2004(12):118-120.

[7] 杜芳琴,伍鶴皋,石長(zhǎng)征.月牙肋鋼岔管設(shè)計(jì)中若干問(wèn)題的探討[J].水電能源科學(xué),2012,30(8):135-137.

[8] 王娟玲,田玲.水電站工程中月牙肋岔管表面交線研究 [J].人民黃河,2009,31(9):101-103.

[9] 曹麗培.Visual Basic程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[10] 張社榮,顧巖,張宗亮.水利水電行業(yè)中應(yīng)用三維設(shè)計(jì)的探討[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2008,12(3):67-71.