吳 量 任 超 樊新宇

（華陸工程科技有限責任公司 西安 710065）

壓力容器是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設備，其在航空航天、石油化工、能源和醫(yī)藥等領域起到關鍵作用。壓力容器設計作為壓力容器全壽命周期過程中極為重要的一環(huán)，通過工藝計算、強度計算及結構設計等產生大量設備參數，進而依托模型、圖紙等載體完成信息傳遞。壓力容器在設計環(huán)節(jié)中涉及大量數據交互、計算和分析，隨著我國壓力容器設計、制造技術的不斷進步和工程項目建設周期的不斷優(yōu)化，壓力容器的設計對數字化智能化的需求日益增加[1-2]。

以往工程項目實施過程中，壓力容器的設計工作相對獨立，以固定管板換熱器為例，其設備信息的傳遞大多以二維圖紙為載體，布管、結構設計、強度計算、制圖等環(huán)節(jié)均較為離散，其設計過程是一個以數據計算數據、以參數設計參數的過程，其中有大量的設計計算、查圖查表以及工程經驗分析等工作，借助軟件計算、人工查值以及專家咨詢是開展上述工作的主要途徑，設計人將以上碎片化數據或參數通過人工進行整合，制圖，從而完成壓力容器設計。

設計數據缺乏連貫性，利用率低，人工占比過高是當前提質增效的難點和瓶頸，也是智能化設計首先需要解決的問題。

基于數字化設計平臺的參數驅動和數據傳遞，可以將傳統(tǒng)的壓力容器設計過程轉變?yōu)閿底只统绦蚧牧鞒?，提高壓力容器設計的效率和質量，減少人為錯誤和重復性工作，節(jié)省時間和資源。同時以壓力容器設計產生的數據鏈可以支持更精確的模擬和分析，幫助優(yōu)化壓力容器的設計，提高其性能和安全性[3]。

此外，通過數字化設計平臺的建設，可以將壓力容器在設計、制造、運營和維護階段相關的數字信息在全壽命周期內得到跟蹤和管理，實現壓力容器產品全壽命周期的數字化協(xié)同管理，提高效率和可持續(xù)性[4-5]。

1 固定管板換熱器三維參數化設計開發(fā)

固定管板換熱器作為典型壓力容器，在化工裝置中應用廣泛，工程項目設計工作開展過程中占比較高。固定管板換熱器的設計包括工藝計算、布管、管程及殼程結構設計等多個環(huán)節(jié)，同時需要將各個環(huán)節(jié)產生的設計數據通過二維圖紙表達出來。應用三維參數化設計，通過多個設計子程序的串聯(lián)，結合對三維設計軟件的二次開發(fā)，實現從數據到模型，再到圖紙的全流程參數化設計。

1.1 固定管板換熱器三維參數化設計流程

固定管板換熱器三維參數化設計流程如圖1所示。工藝參數經過強度計算、結構設計、三維模型參數化建模、二維圖紙生成等環(huán)節(jié)，完成固定管板換熱器參數化設計。工藝參數輸入作為固定管板換熱器設計參數生成的基礎，工藝參數包含管、殼程基本尺寸參數、介質的類型、溫度、壓力等多個方面，應確保工藝參數輸入的完整性，對于具備數據直接傳遞的應進行數據讀取，對于需要進行二次處理的工藝數據，應完善后輸入。

圖1 固定管板換熱器參數化設計流程

結構設計相關參數的生成需要完善相關強度計算及查值。強度計算采用內嵌或外接壓力容器強度計算軟件，相關軟件或子程序應考慮預留互通接口。對于需要用標準查值或查圖的參數，將涉及的參數及標準圖表進行數據庫管理，保證數據同源。計算完成后的最終參數作為設計參數參與后續(xù)建模等工作。

在三維參數化設計流程中，應按照設校審習慣和標準要求，根據操作方特點合理設置操作斷點，避免過度閉環(huán)，影響設計效率和質量。

1.2 固定管板換熱器三維模型參數化設計

固定管板換熱器三維模型參數化設計應遵循換熱器設計流程及裝配關系，如圖2 所示，按照基本殼體—布管—穿管束—設置接管流程進行。在三維軟件二次開發(fā)時應驗證子程序之間的參數連續(xù)性，對布管等具有設計自主性的部分應設置子程序斷點。

圖2 固定管板換熱器參數化設計子程序示意

在支撐布置及接管設置時，應梳理智能布置邏輯，自動進行干涉性提醒，并加入有效補強范圍等判據。對于標準件模型的引用和裝配，應統(tǒng)一索引字符，同時對標準件模型中的關聯(lián)參數進行數字化轉化，使之與平臺參數聯(lián)動，確保裝配關系的匹配。當標準件引用具有多目標時，應設置子模型，使目標間標準件相互獨立，避免參數關聯(lián)。

1.3 固定管板換熱器二維圖紙生成

固定管板換熱器二維圖紙的生成是在三維模型和參數的基礎上進行的。為實現設計意圖的完整表達，二維圖紙的生成從兩方面進行。如圖2 所示，一方面沿用三維模型主體，采用合理的剖切視圖，完成固定管板換熱器各個整體視圖關系的表達。另一方面，通過參數傳遞，對節(jié)點視圖、設計數據表、管口表等一系列參數信息進行更新關聯(lián)。

經三維模型剖切、投影關系的二維表達與傳統(tǒng)二維制圖會有部分差異，對于不影響設計意圖表達的，應經評估后采納接受(如軸測圖等)；對于影響設計意圖表達或表達不清的，應采用節(jié)點圖、數據表等形式補充表達，避免表達不清。

三維設計軟件生成的二維圖紙應完善與不同二維軟件間的格式映射，以實現二維圖紙的二次編輯和修改。

2 數字化設計平臺的三維參數化設計功能建設

2.1 數字化設計平臺參數獲取與整合

依托數字化設計平臺開展三維參數化設計，關鍵在于工藝、結構參數遵循設計邏輯傳遞與集成，因此參數獲取和整合是參數化設計的核心。圍繞參數獲取和整合，應該關注上下游專業(yè)數據傳遞、參數化設計程序集成和數據結構化存儲等方面問題。經過工程項目運行調研，以下列3 個方面為切入點：

1）數據整合與集成。整合不同來源的數據，包括設計規(guī)范、工藝要求、歷史數據等，形成統(tǒng)一的數據源。利用數據庫將分散的數據整合到一個統(tǒng)一的數據平臺中，方便設計人員便捷訪問和使用所需參數。

2）標準與知識庫參數化。關聯(lián)數據庫的標準并參數化，包括與固定管板換熱器設計相關的尺寸、材料規(guī)格、工藝要求等，確保設計符合要求。建立知識庫邏輯，匯集專業(yè)知識、經驗和最佳方案，為設計人員提供參考和指導，保證設計的準確性和一致性。

3）工作流程優(yōu)化。集成專業(yè)內設計工作流程，通過程序消除煩瑣的手動步驟，實現自動化和高效的設計過程。利用數字化設計平臺，設計優(yōu)化上下游工作流程，提高設計效率，減少重復性工作，同時保持設計的一致性和準確性。

通過以上3 個方面的切入點，數字化設計平臺能夠整合和獲取固定管板換熱器設計所需的參數和規(guī)范，并提供優(yōu)化的工作流程。這樣的設計平臺可以簡化數據獲取過程，提高設計精度和效率，促進設計過程的標準化和一致性。通過優(yōu)化工作流程，設計人員可以更好地利用數字化設計平臺的功能，提高設計質量和工作效率。

2.2 參數化設計與設計平臺兼容性建設

為實現參數化設計與數字化設計平臺的兼容與聯(lián)動，應該保證數字化設計平臺上的參數、架構及子程序接口與參數化設計部分匹配，按以下3 個步驟開展：

1）系統(tǒng)需求分析和規(guī)劃。進行參數化設計和數字化設計平臺的需求分析，確定兩者在功能和接口方面的兼容性需求。研究現有的固定管板換熱器三維參數化設計子程序和數字化設計平臺，明確軟件間的接口需求和數據交互方式。

2）接口設計與數據交互。設計并實施參數化設計與數字化設計平臺之間的接口，以確保二者之間的數據交換和集成順利進行。確定數據格式、數據傳輸方式、數據標準和接口協(xié)議等規(guī)范，保證參數化設計工具與數字化設計平臺之間的數據兼容性。開發(fā)和選擇合適的數據中間格式，以確保參數化設計工具生成的數據能夠被數字化設計平臺正確識別和使用[6]。

3）測試和優(yōu)化。在兼容性建設完成后，進行系統(tǒng)測試和驗證，確保參數化設計與數字化設計平臺之間的數據交互和功能兼容性達到預期目標。通過測試和反饋獲取用戶的意見和建議，及時調整和優(yōu)化系統(tǒng)以提升兼容性和用戶體驗。在實際應用中進行迭代和持續(xù)改進，不斷優(yōu)化參數化設計與數字化設計平臺的兼容性，提高數據交互的準確性和效率。

通過以上3 個步驟，參數化設計與數字化設計平臺的兼容性可以得到建設和優(yōu)化，確保兩者之間的數據交互和功能兼容性，提高設計效率和協(xié)同工作的效果。

如圖3 所示，通過將傳統(tǒng)設計工具進行數字化封裝及整合，依托數據鏈參數傳遞，可以實現一條數據鏈、多項專業(yè)工作的集成化設計。同時該工作可分階段、分內容開展，在保證數據同源、參數同鏈的情況下，實現快速投用，逐步拓展。

圖3 數字化設計平臺基本架構

3 基于數字化設計平臺的固定管板換熱器參數化設計

按照本文上述思路，本單位開發(fā)了包含條件接收及發(fā)送、個人權限登錄、項目管理、參數化設計、進度管理和數據分析等功能的壓力容器數字化設計平臺，平臺主頁面及功能區(qū)劃分見圖4。

圖4 數字化設計工作平臺界面

平臺以屬性卡的形式分區(qū)管理多類參數信息，其中上下游專業(yè)信息可以用于條件接收及發(fā)送，項目及壓力容器信息用于設計管理。通過對數據流參數的明確，接入多個參數相關的API 子程序，通過數據流和命令流驅動子程序運行，按設計人設計習慣合理設置程序斷點，從而完成從平臺數據到模型，再到圖紙的全流程三維參數化設計。設計產生的大量數據，可直接按規(guī)則輸出輕量化模型數據文件，供設備布置及配管，同時也可以實現數據流在管口材料表生成等其他多項專業(yè)工作間的聯(lián)動，為壓力容器數字化交付提供支持[7-8]。

與此同時，針對壓力容器產品的采購、制造、監(jiān)檢等運用維護信息預留屬性卡，可實現與產業(yè)鏈上下游的參數和數據的對接。

經過統(tǒng)計，應用該設計平臺的固定管板換熱器設計工作平均人工時效率提高7 倍，圖面正確率提升顯著。至2023 年11 月底，已在24 個國內外大型工程項目中應用，完成模型設計200 余臺。

4 結論

本文研究了基于數字化設計工作平臺的固定管板換熱器的三維參數化設計方法。通過全面描述從工藝參數到三維模型再到二維工程圖紙的參數化設計全流程，揭示了數字化轉型和參數化設計在壓力容器設計中的重要作用，主要有以下結論：

1）本文提出了基于數字化設計平臺的固定管板換熱器參數化設計方法。通過數字化設計平臺，將固定管板換熱器設計過程實現了全流程數字化。通過合理設置工藝參數，利用三維建模軟件創(chuàng)建三維模型，并經過參數化調整和優(yōu)化，最終生成了二維工程圖紙。通過數字化設計平臺的應用，固定管板換熱器的設計變得更加高效、準確和靈活。

2）本文揭示了數字化轉型對固定管板換熱器設計過程的重要影響，探討了智能化設計在參數化設計中的應用。平臺將智能化設計與參數化設計相結合，進一步提升了固定管板換熱器設計的水平。通過智能化的參數設置、邏輯優(yōu)化和子程序輔助，實現了自動化和智能化的設計過程。這在節(jié)約時間、提高效率、優(yōu)化性能等方面帶來了明顯的優(yōu)勢。

同時，壓力容器數字化轉型在設計平臺的進一步改進和完善，智能化設計技術的發(fā)展與應用等仍面臨復雜邏輯和圖面處理等方面的一些挑戰(zhàn)和問題。未來的開發(fā)可以進一步推動數字化轉型在壓力容器設計中的應用，提升設計效率和性能。