周莉 陳東

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關(guān)于壓力容器焊接結(jié)構(gòu)與工藝CAD設(shè)計(jì)方法的研究

周莉1陳東2

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壓力容器的焊接結(jié)構(gòu)與工藝必須符合國家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，壓力容器的工藝制定與實(shí)際工程具有直接聯(lián)系，需要依靠工程設(shè)計(jì)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)的壓力容器焊接結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)以二維設(shè)計(jì)為主，缺少三維空間設(shè)計(jì)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率較低，且容易出現(xiàn)工藝質(zhì)量問題，本文將深入研究壓力容器結(jié)構(gòu)與工藝的CAD設(shè)計(jì)方法。

壓力容器；結(jié)構(gòu)；工藝；設(shè)計(jì)；方法

壓力容器廣泛應(yīng)用于各種化工產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為化工生產(chǎn)的主要設(shè)備，直接關(guān)系到化工產(chǎn)品的質(zhì)量與效率，而壓力容器的焊接工藝與化工設(shè)備質(zhì)量具有直接聯(lián)系。傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)二維輔助設(shè)計(jì)為主，但這種設(shè)計(jì)模式難以將焊接的各個(gè)流程納入考慮范圍，容易導(dǎo)致工藝漏洞。CAD三維輔助設(shè)計(jì)技術(shù)可以有效提高設(shè)計(jì)效率，將CAD三維輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于壓力容器焊接工藝設(shè)計(jì)已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢。壓力容器焊接工藝的設(shè)計(jì)與焊接的質(zhì)量具有直接聯(lián)系，CAD三維輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在壓力容器焊接工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)用可以有效提高工藝設(shè)計(jì)的效率，下面將以VBA開發(fā)壓力容器焊接工藝三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)理論，并將Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有效集成，通過SQL Server技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的無縫鏈接。

1 壓力容器組件參數(shù)化

參數(shù)化設(shè)計(jì)理論是指對零件的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，通過對零件參數(shù)的約束實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心就是條件函數(shù)，當(dāng)零件的尺寸、工藝數(shù)據(jù)等發(fā)生變化時(shí)，需要對約束條件進(jìn)行改變，零件的相關(guān)數(shù)據(jù)就會與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)變化，參數(shù)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為CAD技術(shù)二次開發(fā)的主要方向，參數(shù)化設(shè)計(jì)包括了數(shù)據(jù)抽象技術(shù)、數(shù)據(jù)封裝技術(shù)、數(shù)據(jù)的繼承性等。壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要充分考慮壓力容器的特殊性，比如壓力容器的支座、人孔等，因此需要對這些特殊工藝進(jìn)行參數(shù)化，在數(shù)據(jù)參數(shù)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行精確、智能化設(shè)計(jì)。

1.1 支座參數(shù)化

壓力容器的支座一般包括了三個(gè)部分，分別是底板、支撐管以及墊板等，支座是壓力容器最常見的零件，但壓力容器支座的結(jié)構(gòu)比較簡單，不會包含特殊的高級曲面，而壓力容器支座的支撐管以及封頭屬于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，封頭的墊板也存在不規(guī)則的曲面，因此在對壓力容器支座進(jìn)行參數(shù)化時(shí)，必須優(yōu)先對支撐管與墊板進(jìn)行參數(shù)化。首先對壓力容器支座的底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對安裝孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)與定位分析，之后對支撐管進(jìn)行分析，尤其是支撐管上部的橢圓球。最后對壓力容器的支座進(jìn)行組合裝配，組合裝配前需要對模型的坐標(biāo)進(jìn)行原點(diǎn)設(shè)計(jì)，再對三維模型進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)，寫出壓力容器支座的動(dòng)態(tài)函數(shù)。

1.2 人孔參數(shù)化

人孔也是壓力容器的重要組件之一，人孔的結(jié)構(gòu)包括了法蘭、蓋、密封墊片、緊固件、人孔相關(guān)的配件等，壓力容器的人孔設(shè)計(jì)必須符合《鋼件人孔與手孔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，下面將選擇最常見的回轉(zhuǎn)蓋扳式平焊法蘭人孔為參數(shù)化對象。在進(jìn)行壓力容器人孔設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要確定人孔法蘭盤的公稱直徑，將人孔法蘭的公稱直徑建立數(shù)據(jù)庫，以便系統(tǒng)可以隨時(shí)調(diào)用Access中的數(shù)據(jù)，之后需要對法蘭盤、螺栓、墊片、把手等進(jìn)行仿真建模設(shè)計(jì)，同時(shí)需要注意折頁的零件的空間關(guān)系。

2 三維參數(shù)組件整合

上面已經(jīng)簡述了壓力容器三維組件的基本仿真建模途徑，之后需要對數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化，之前建模的組件都是獨(dú)立存在的，因此每個(gè)組件都需要單獨(dú)導(dǎo)入數(shù)據(jù)，單個(gè)組件的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)十分緩慢，難以符合壓力容器焊接工藝設(shè)計(jì)的需求，也不能滿足壓力容器的整體規(guī)劃設(shè)計(jì)需求，因此需要對壓力容器的參數(shù)化組件進(jìn)行整合。首先選定各種組件，在單體參數(shù)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行多元整合，比如人孔組件、法蘭組件、接管組件等，之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，最后組成組合模型。一旦設(shè)計(jì)人員選定了參數(shù)，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)也會被確定，最后數(shù)據(jù)將被匯總，實(shí)現(xiàn)組合件的整體輸出，最大限度的提高了設(shè)計(jì)效率。

壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇的組件包括了罐體、支座、人孔、接管、法蘭等。罐體一共包括了兩個(gè)部分，罐體主體以及上下封頭等，壓力容器的罐體設(shè)計(jì)直接影響著焊接的整體效果，罐體的支座選擇也與罐體封頭具有直接關(guān)聯(lián)，因此首相需要對罐體進(jìn)行設(shè)計(jì)，另外罐體直接關(guān)系到設(shè)備的性能與效率。壓力容器支座設(shè)計(jì)已經(jīng)在上文進(jìn)行詳細(xì)說明，本次設(shè)計(jì)選擇的壓力容器支座共有兩種：①A型支座；②B型支座。壓力容器的人孔設(shè)計(jì)也已經(jīng)在上面進(jìn)行說明，人孔參數(shù)化的數(shù)據(jù)已經(jīng)納入ACCESS數(shù)據(jù)庫，另外數(shù)據(jù)也與VBA技術(shù)進(jìn)行連接。壓力容器的接管設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容很多，是一個(gè)十分復(fù)雜的空間工程，需要對管道進(jìn)行空間布局，另外還需要考慮管道的布局與壓力等。本次設(shè)計(jì)選擇的壓力容器法蘭主要包括了兩種，分別是甲型平焊法蘭以及板式平焊法蘭。

3 壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

壓力容器組件參數(shù)化之后，需要在參數(shù)化仿真模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接定位、方式等的設(shè)計(jì)，焊接是壓力容器的設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)，焊接的質(zhì)量直接決定著壓力容器的耐壓性能，壓力容器焊接的合理性主要依靠工藝設(shè)計(jì)。目前，我國關(guān)于壓力容器焊接的標(biāo)準(zhǔn)包括《壓力容器焊接規(guī)程》以及《壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了專家?guī)煜到y(tǒng)，同時(shí)利用了VBA技術(shù)、SQL Server技術(shù)、ACCESS數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)合了專家數(shù)據(jù)以及焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)。壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的后臺包括了焊接數(shù)據(jù)管理和專家經(jīng)驗(yàn)知識庫，另外一部分則是焊接推理過程，可以對焊接工藝進(jìn)行推理與智能設(shè)計(jì)。壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)將兩組后臺系統(tǒng)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，將數(shù)據(jù)庫交互技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合。

壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的框架如圖1所示，壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包括了專家數(shù)據(jù)知識庫以及標(biāo)準(zhǔn)知識庫等，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)—實(shí)體統(tǒng)一的框架，這種結(jié)構(gòu)也是目前最常用的參數(shù)化系統(tǒng)框架。壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的焊接參數(shù)閥值與焊接數(shù)據(jù)庫具有一對多的隱射關(guān)系，另外特征提取規(guī)則與焊接規(guī)則也具備一對多的關(guān)系，而焊接閥值與特征提取規(guī)則之間具備一對一的關(guān)系，以上三種對應(yīng)關(guān)系是實(shí)現(xiàn)壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能基礎(chǔ)，另外壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)為用戶提供了多種焊接工藝設(shè)計(jì)方案，保證了用戶的可選擇性，用戶可以根據(jù)選擇的焊接方案導(dǎo)出工藝流程，獲得最優(yōu)化的壓力容器焊接工藝方案。

圖1 壓力容器焊接CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架圖

[1]徐君臣.熱-機(jī)械耦合場作用下夾套式平蓋的應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].大連理工大學(xué)，2013.

[2]王晶.焊接參數(shù)對16MnR鋼接頭低溫性能的影響及其安全評定[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2009.

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