異徑正交圓柱管展開模型的研究

張憲明 王云海

（貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽550003）

兩異徑圓柱管道正交結(jié)構(gòu)是工業(yè)管道結(jié)構(gòu)中比較常見的一種結(jié)構(gòu)形式。相交管道的設(shè)計制作過程，一般是先根據(jù)相貫線展開曲線在板料上下好料，再折彎成管道形狀，最后在相交位置處焊接連接成型。正交結(jié)構(gòu)管道表面形成相貫線，相貫線是一條沿兩圓管表面的空間曲線。在整個設(shè)計制作過程中，重點和難點就是根據(jù)相貫線的展開曲線在板料上下料的過程，而如何確定相貫線的展開曲線是核心。所以研究相貫線的展開曲線就顯得很有意義［1］。

相貫線的展開曲線一般是不規(guī)則曲線，曲線方程復(fù)雜，建立起來比較困難，使用解析法求解或用通用軟件直接繪制都比較困難。在施工現(xiàn)場，傳統(tǒng)的做法是采用人工幾何作圖，將圓管N等分，依次測量展開高度值，從而確定相貫線的趨勢，然后采用手工切割的方式實現(xiàn)下料。如圖1所示為平行線法的斜截圓柱面的幾何作圖法。這種方法雖然能夠滿足現(xiàn)場施工要求，但需花費(fèi)大量精力人工繪制展開圖樣，且繪圖精度受實際相貫線位置精度和人工制圖誤差的影響。

圖1 平行線法的斜截圓柱面的幾何作圖法

本文闡述了通過利用SolidWorks軟件得出了異徑正交圓柱管道展開模型，再將其轉(zhuǎn)化為獨(dú)立、可編輯的展開圖文件，用于指導(dǎo)板料下料。該方法操作簡單，軟硬件要求較低，參數(shù)化設(shè)計，滿足個性化需求［2］。

以下示例中，以大徑管R150mm，小徑管R100mm，壁厚5mm為例進(jìn)行說明。模型圖如圖2所示。

圖2 異徑正交圓柱管模型圖

1 異徑正交圓柱管展開模型

通過SolidWorks軟件環(huán)境建立管道展開模型。

1.1 大徑管展開模型

1.1.1 建立管道模型。利用SolidWorks提供的鈑金基體法蘭工具，建立管道模型，生成基體法蘭。

命令：插入-鈑金-基體法蘭，選一個基準(zhǔn)面畫草圖，如圖3所示：

圖3 基體法蘭草圖

圖4 局部I處放大圖

通過圖4可以看出，管道圓周上“I”處有0.1mm間隙，是為了方便之后的管道模型展開的操作，圓周上0.1mm的間隙相對于R150的管道，對圓柱管周長的影響甚微，可以忽略不計。

基體法蘭截面圖設(shè)置好后，執(zhí)行拉伸命令，就可以生成管道模型。

1.1.2 相貫后的模型。大徑管被小徑管貫穿，在管道上形成兩個孔狀。

在與大徑管正交位置處，以小徑管R100建立拉伸切除模型，執(zhí)行后就得到大徑管相貫后的模型。如圖5所示。

圖5 大徑管相貫后的模型

1.1.3 管道展開。大徑管相貫后的模型是圓周上有0.1mm間隙的R150的管道模型，利用軟件的鈑金展開命令，將管道模型從間隙處展開，就得到了管道展開模型。如圖6所示。

圖6 大徑管展開模型

大徑管圓周上的間隙雖然對其管道周長有影響，但因與小徑管的相貫線沒有接觸，所以對大徑管相貫線的展開圖沒有影響，也就是說大徑管的相貫線展開圖是理論精確值。

壁厚不同的管道模型，展開圖是有所區(qū)別的，可以通過反映折彎系數(shù)的K因子的設(shè)置來體現(xiàn)。本示例中設(shè)置的K因子為0.5，即所得到的展開圖是以中性面處的展開圖為準(zhǔn)的。

1.2 小徑管展開模型

小徑管的展開方法類似，先繪制基體法蘭草圖，同樣在圓周方向上留有間隙，是為了方便管道模型的展開。

圖7 小徑管相貫?zāi)Ｐ?/p>

在與小徑管正交位置處，建立大徑管的拉伸切除模型，就得到小徑管的兩個分離、對稱的相貫?zāi)Ｐ停鐖D7所示。只需要研究其中一個分離模型即可。

小徑管圓周上的間隙與相貫線接觸，影響展開圖的精確程度。但只是在沿相貫線長度方向上有一定影響，已得到的展開曲線的趨勢是精確理論值。因該間隙一般比較小，其影響基本可以忽略。所獲得的展開模型如圖8所示。

圖8 小徑管展開模型

2 管道展開模型的研究及應(yīng)用

研究管道展開模型的核心是研究相貫線的展開曲線部分，為了方便研究，可將SolidWorks軟件環(huán)境下的管道展開模型輸出為相對獨(dú)立、易于編輯的DWG格式的文件［3-4］。DWG格式文件是大部分計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）軟件默認(rèn)和常用的文件格式，在獨(dú)立的文件下，就可以對展開圖中的相貫線的展開曲線進(jìn)行編輯并獲得該曲線的相關(guān)屬性，從而指導(dǎo)板料下料的生產(chǎn)實踐。輸出的大、小徑管的展開圖如圖9、10所示。

得到的展開圖，如何根據(jù)其理論值將之用于指導(dǎo)板料下料的生產(chǎn)實踐，根據(jù)應(yīng)用方法的不同，主要有以下三種方式：

圖9 大徑管展開圖

圖10 小徑管展開圖

2.1 打印1：1紙樣模板，手工模擬下料

將展開圖樣以1：1比例打印出紙樣，再將紙樣模板貼合到板料之上，根據(jù)紙樣模板上的曲線輪廓進(jìn)行手工方式下料。這種方式一般適合中小批量的下料，由于是手工方式的模擬曲線，故存在一定誤差。

2.2 將展開圖文件導(dǎo)入到專業(yè)的板料下料設(shè)備系統(tǒng)中精確下料

當(dāng)前發(fā)展使用的數(shù)控火焰、激光、等離子、水射流等專業(yè)的數(shù)控下料切割設(shè)備，基本是依賴計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）系統(tǒng)進(jìn)行精確的板料下料。將管道展開圖的DWG格式文件導(dǎo)入到這些專業(yè)的下料切割設(shè)備系統(tǒng)中，就可以按展開圖樣的理論值執(zhí)行切割下料。該方式適合大批量下料生產(chǎn)，下料精度高。

2.3 拾取并記錄展開曲線若干點的坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)值在板料上描點，模擬曲線，實現(xiàn)手工下料

在展開圖樣文件中，拾取展開曲線上生成的若干點并記錄其坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)值在板料上描出這些點，從而近似模擬出展開曲線，根據(jù)曲線實現(xiàn)手工切割下料。

為了方便記錄點的坐標(biāo)，根據(jù)曲線輪廓的特性建立合適的坐標(biāo)系，然后生成一系列等分點，記錄下這些點的坐標(biāo)值，采用描點法在板料上確定展開曲線。點的數(shù)量越多，所描曲線越接近理論值。該方法適用于小批量下料，誤差隨所取點的數(shù)量不同而不同。

2.3.1 大徑管展開曲線上點的生成和坐標(biāo)記錄。大徑管的展開曲線是兩個相同的封閉曲線圓，只需研究其中一個即可。

以對稱中心為參考坐標(biāo)原點，建立參考坐標(biāo)系，采用等長或等分點的方式在曲線圓上生成若干點，如圖11所示。

圖11 大徑管展開曲線上的點

利用CAD軟件的點坐標(biāo)查詢功能記錄這些點的坐標(biāo)，如表1所示。

表1 大徑管展開曲線上點的坐標(biāo)值

（續(xù)表1）

2.3.2 小徑管展開曲線上點的生成和坐標(biāo)記錄。小徑管展開曲線是一段非封閉曲線，以左端點為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，采用等長或等分點的方式在曲線上生成若干點，如圖12所示。利用CAD軟件的點坐標(biāo)查詢功能記錄這些點的坐標(biāo)，如表2所示。

3 結(jié)論

圖12 小徑管展開曲線上的點

表2 小徑管展開曲線上點的坐標(biāo)值

（續(xù)表2）

本文首先通過SolidWorks軟件環(huán)境建立了異徑正交圓柱管道的展開模型，進(jìn)一步得到了獨(dú)立的、易編輯的DWG格式的展開圖文件，提出了根據(jù)展開圖指導(dǎo)板料下料的三種方法，為該類型管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計制作提供了理論指導(dǎo)，具有現(xiàn)實的參考指導(dǎo)意義。

［1］黃建.圓柱類管道正交相貫的計算機(jī)輔助展開［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（20）：84-85.

［2］北京兆迪科技有限公司.鈑金展開實用技術(shù)手冊SolidWorks［M］.北京：中國水利水電出版社，2014，5.

［3］曹茹.SolidWorks2009三維設(shè)計及應(yīng)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009，9.

［4］張樂樂，郭北苑，胡仁喜.SolidWorks應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.