基于C A T I A二次开发的月牙肋钢岔管辅助设计系统开发与应用

付 山,伍鹤皋,汪 洋

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072)

0 引 言

水电站月牙肋钢岔管是由三梁式岔管不断改进演变而成的一种新型的岔管,具有受力条件好,制作简单,岔管内流体流态较好,水头损失较小等优点,在大中型水电站和抽水蓄能电站中得到广泛的应用[1].但月牙肋岔管体形结构复杂,同时随着月牙肋岔管形式的演变,设计和计算的工作量逐步加重,如何快速、正确地完成岔管设计已成为迫切需要解决的问题.

CATIA软件在汽车、航空、航天等一些高端技术制造领域得到广泛的应用,它具有强大的曲面造型功能和先进的参数化设计理念,并且为了满足用户专业化设计需要,它提供了多种二次开发接口.CATIA主要的二次开发方式有:自动化对象编程(Automation API)和开放的基于构件的应用编程(CAA-RADE),前者功能有限,却足以满足该系统的开发要求,且较容易掌握,后者功能强大,但应用难度较大.我国水电行业自2006年引入CATIA以来,在厂房、大坝、闸门和地质等方面的三维可视化设计取得了一定的进展,但在岔管结构设计领域还缺乏基于CATIA二次开发的研究和应用.针对以上情况,本文以蟠龙抽水蓄能电站月牙肋钢岔管为例,利用Automation API二次开发接口,在Visual Basic 6.0的程序开发平台下,着重进行了水电站Y形月牙肋钢岔管辅助设计系统的CATIA二次开发.

1 开发思路

(1)深入研究月牙肋钢岔管的几何体形,确定岔管几何体形控制参数.

(2)运用CATIA交互式操作寻找初步设计方案.

(3)利用VB语言编写主程序 (部分代码段可以利用宏),并验证初步方案的可行性,最终确定设计方案.

(4)提取CATIA几何建模、网格剖分及导出ANSYS的命令流所需要的控制参数.

(5)进行程序界面设计,完善程序的各项功能,最终完成调试.

最终确定的程序设计方案为:通过VB语言中getobject()函数和creatobject()函数的联合使用实现对CATIA二次开发接口的连接;在自制程序界面上输入参数后,可实现在CATIA中自动建模和网格自动剖分,再通过自制程序的一键转换功能将CATIA中网格单元节点信息文件转换为ANSYS可读入的*.dat命令流文件,该命令流导入ANSYS后生成的为已经完成前处理和荷载加载的网格模型,可直接进行有限元计算.为了较好地模拟管壳受力,管壳和肋板均采用壳单元进行有限元计算.模型主要包括管壳、肋板和水压试验工况的闷头.管壳由对各管段两端的曲线曲面桥接得到,在肋板中面绘制外轮廓草图进而曲面填充操作得到肋板,对直管段端口平面上的草图圆进行半球操作得到闷头.

2 三维建模特征参数计算

月牙肋岔管包括壳体和月牙肋板两部分,月牙肋岔管壳体又分为主锥管和支锥管两部分.主锥管一般由一个倒锥管组成,支锥管由两个正锥管组成,三者有一个公切球.肋板由月牙状的钢板做成,肋板的外缘线以相贯线为基础向管壳外适当加宽50~100 mm,以满足管壳与肋板焊接缝的位置要求,内缘则为一抛物线[1],如图1所示.

CATIA具有先进的草图设计理念,可将三维设计通过骨架设计理念简化为较易的二维设计.为了便于在CATIA中建模计算,本文共采用三个计算坐标系,如图1所示.主管C的计算坐标系为XYZ,支管A的计算坐标系为X′Y′Z,支管B的计算坐标系为X″Y″Z,其中Z轴垂直纸面向外,并将坐标系XYZ定为全局坐标系统.求出主 (支)管在相应坐标系下的关键点 (岔管平面图上的腰线转折点和直管段的端点)坐标进而精确定位草图平面.各坐标系下关键点坐标和相贯线方程推导如下 (取中面):主锥管C的方程为

图1 岔管计算参数示意

支锥管A在全局坐标系下的方程为

式中,t11为主锥C厚度;t21为支锥管A厚度;θ为X轴与X′轴逆时针所成的角.

支锥管A与XZ平面相交即得两支管的相贯线CD,方程为

点A的坐标为主锥管C和支锥管A的腰线相交点,坐标记为XA,YA,ZA.点C为相贯线CD与主锥管C的交点,坐标记为XC,YC,ZC.所以相贯线CA所在面的方程为

方程(1)和方程(4)联立可得相贯线AC的方程,相贯线BC的方程也同理可求.

肋板外缘由管壳与肋板相贯线CD外延d形成,如图1,肋板内缘为一条抛物线,该抛物线经过C点正下方并与管壳内表面相切且关于xoy面对称,因而只需知道抛物线的顶点即可确定该抛物线方程.顶点坐标为(XD-bt,0)抛物线的焦距为

式中,XD为D点的X方向坐标.

3 软件介绍

3.1 整体框架

最终确定的程序方案是在Microsoft Windows 7操作系统下,利用Visual Basic6.0程序开发语言和CATIA V5 R17平台,开发出的水电站月牙钢岔管计算机辅助设计可视化系统,该程序的运行框架如图2所示.

图2 程序流程

软件拥有美观、简便的基于Windows操作系统的交互式界面,程序实现了对月牙肋岔管的快速自动建模和网格剖分,以及一键转换生成能被ANSYS直接读入的节点信息文件,并且能够在ANSYS中直接进行有限元计算.文件均以*.dat的形式保存.

3.2 界面设计

本程序包括登陆界面,主界面和参数输入界面3个界面.登陆窗口是在未授权的计算机打开该程序时出现,一旦计算机经过授权后,则程序每次启动直接进入主界面.主界面是参数输入界面的入口,本次程序只设计了一个过渡管节的Y形的月牙肋钢岔管模块.参数输入界面包含菜单栏、选项卡.菜单栏包括参数检验,CATIA成图,一键转换等功能.选项卡则包括岔管几何体形参数,网格剖分参数和荷载以及材料参数输入界面.

3.3 网格剖分

网格剖分顺序为:直管段→过渡管段→锥管段→肋板→闷头.网格剖分几个控制参数分别为:GlobalSize(全局尺寸)、 tolerance(容差)、Constraint sag(控制垂度).

本程序使用CATIA的surface mesh网格划分方式,该方式将默认尽量保证网格为正方形,所以对于管壳,只要指定相应管段的环向份数即可.岔管腰线转折角比较小,相邻管节管径变化不大,为了保证网格的均匀,过渡平顺,主 (支)管各管段建议采用相同的剖分份数,再根据设置好的环向份数 推算出相应管节的网格全局尺寸大小,即GlobalSize=2XπXRi/Nr,其中,Ri为管段进口半径.肋板的形状不太规则,且由于共节点问题,肋板网格的全局尺寸要受支锥网格大小影响,故肋板的网格全局尺寸Globalsize(肋板)=GlobalSize(支锥)Xa,其中,a(0~1)为肋板网格大小率,推荐取值0.6~0.8.闷头是与直管段连接的半球面,故闷头网格全局尺寸要和相应直管段的网格全局尺寸相等.每次划分网格需要设置好相应的tolerance(容差)和Constraint sag(控制垂度),推荐tolerance=GlobalSize/5,Constraint sag=GlobalSize/10.

4 工程实例

本文选取重庆市蟠龙抽水蓄能电站工程实例进行分析.在软件界面设置好相应的参数,即可快速完成月牙肋岔管模型的建立和网格的剖分,一键生成*.dat文件后导入ANSYS中进行有限元计算,网格剖分结果和有限元计算结果如图3~5所示.在管壳体形和管壁厚度等条件相同的情况下,将计算结果与设计院提供的结果 (肋板采用实体单元)作对比,如表1所示,管壳关键点为管壳外轮廓的转折点和相贯线的交点.

图3 模型网格

从表1可以看出,本程序计算结果和设计院的计算结果相比,各关键点Mises应力值及其他控制应力值大小相差不超过3%,在工程设计误差允许的范围内,证明了本程序的可靠性.

图4 正常运行工况钢岔管Mises应力(单位:MPa)

图5 水压试验工况Mises应力(单位:MPa)

表1 正常运行工况下岔管管壳各关键点和肋板Mises应力结果对比MPa

5结 语

基于CATIA的二次开发的月牙肋钢岔管辅助设计系统充分利用了CATIA的建模优势和先进的网格自动剖分功能,可快速得到用户所需要的有限元网格,同时它又很好地实现了CATIA到ANSYS的连接,最终在ANSYS中快速完成有限元计算,省去了重复的手工操作,缩短了设计周期.

利用Automation API进行CATIA的二次开发工作,开发模式简单、界面友好.从本系统的开发过程和结果来看,以CATIA为平台,实现月牙肋钢岔管三维参数化设计是可行的,同时此系统的开发思路也可以运用到其他工程构件尤其是其他形式的水电站钢岔管的辅助设计系统开发过程中,具有广阔的应用前景.

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