三維CAD技術下的水電站壓力岔管設計方法

宋 升

（奎屯農七師勘測設計研究院（有限公司），新疆 伊犁 833200）

三維CAD技術下的水電站壓力岔管設計方法

宋 升

（奎屯農七師勘測設計研究院（有限公司），新疆 伊犁 833200）

壓力岔管是水電站不可缺少的一部分。然而，通過研究發現壓力岔管設計中經常出現效率低、誤差大等多種情況，并不利于水電站正常使用。隨著科學技術發展三維CAD技術被應用到水電站壓力岔管設計中，有效彌補了常規設計中的不足，還強化了設計精度。因此，文章從三維CAD設計方法入手，結合重點研究三維CAD技術下的水電站壓力岔管設計。

三維；CAD技術；水電站；壓力岔管；設計

水電站輸水系統中，應用最多的岔管為鋼岔管。盡管這種岔管擁有較強的抗壓能力，但體型卻很復雜，無論是結構設計還是體型展開計算都很難。如果采用原有設計方式，經常需要一系列十分復雜的計算才能獲得正確的設計圖。為解決這一問題，強化計算效率，實現快速設計，應將三維CAD技術應用到岔管設計中，只有這樣才能真正做好壓力岔管設計工作。

1 三維CAD設計方法分析

三維CAD技術出現以后，在設計水電站壓力岔管的過程中主要應用圖解法、數解法、程序開發法以及AutoCAD法。盡管這些設計方法都有一定好處，但實際應用起來卻很困難，精度也不夠，且需要反復驗證[1]，三維CAD設計法就可以有效彌補這些不足。三維CAD設計中融合了UG、CATIA等軟件，同時應用了較為先進的混合建模技術，并強化了裝配功能，這樣一來就為復雜模型的構建奠定了基礎。CAD技術的制圖精準性較好，不僅計算流程可以省略，所查算的數據也十分精準，且便于攜帶，只要有遠程監控設備或手提電腦就可以，極大的方便了野外使用。利用三維CAD技術設計岔管的過程中，需要經歷以下過程：①根據已知幾何條件構建立體模型；②獲取主支管，并取得體型圖；③通過CAD展開功能開啟表面圖取得主支管展開圖；④明確腰梁與U梁之間的關系，設計好合適的曲線方程。由于三維CAD技術的帶有立體性，設計者可以全面了解設計對象的內外結構[2]，如果在設計中存在不足，設計者也可以聯系實際情況做出調整。

2 設計實例分析

2.1 設計產品介紹

非對稱Y型三梁岔管是水電站應用較多的岔管，在本次設計中，非對稱Y型三梁岔管的分岔角度為60度，其中主管以圓柱管為主，壁厚為22mm，內徑厚度為2800mm，支管以圓錐管為主，壁厚為20mm，部分壁厚為32mm，內徑厚度為2000mm，因此，公切球的內半徑則設定為2000mm[3]。

2.2 設計方法

該水電在為奎屯河三級水電站，發電流量為55m3/s，發電水頭148m，裝機63MW，擁有2大2小機組，其中大機容量為20MW，小機容量為11.5MW。要利用三維CAD技術完成非對稱Y型三梁岔管設計，應按照以下步驟進行：

（1）利用零件與裝配設計模塊，同時加強與幾何參數的聯系，即在建模以后加入合適的控制參數，然后用CSV文件實現批量導入。這樣一來，所有管節的模型參數都會發生變化，構建合適的立體模型，進而獲得Y型岔管立體圖。在這一過程中還要注意參數分類管理，由于在本次設計中需要的設計以鋼岔管設計為主，所以就要控制好鋼岔管體型參數，如分岔角等。并注意相關專業知識的應用，將專業知識作為輸入參數，只有這樣才能滿足實際需求。一般來講，鋼岔管直觀過度錐體有2～3個，但為進一步強化本次設計，可以將鋼岔管直觀過度錐設計在4個左右，同時，確定好鋼岔管模型，并控制好模型參數，這也是做好本次設計中重點[4]。

（2）將提取技術應用其中，并繪制草圖，主要用于確定體型圖，然后量取控制體型的相關數據，獲得主管與支管的體型圖，并掌握圖形的長度參數。如在設計完成以后可以發現，支管體型圖中各個邊長也可以清晰的體現出來，由于在本次設計中支管共有五個邊，然后根據各個邊長確定合適的設計方式。同樣主管的各個邊長也可以體現出來。這些都是三維CAD技術所帶來的好處，設計者可以更直觀的看到實際設計情況，如果發現某些邊長不合理，相關人員也可以及時作出調整，防止造成人力、物力以及財力的浪費。

（3）主義CATIA功能的引入，將已經成型的主管與支管圖展開，以便獲得合適的開展圖，并繪制出曲線坐標數據。這樣就可以在相同坐標下，利用三維CAD技術獲得一定的坐標值，經過驗證發現，由此得來的數值與數解法所獲的數值相同，如主管展開值是固定的。經過數值法與CAD法計算發現，兩者的坐標值就基本相同。由此可見利用三維CAD法應用到岔管設計中，可以有效提升設計效率，設計精度也會隨之提升。

（4）測量腰梁和U梁內緣長度，同時確定合適的方程，而U梁又分大U梁與小U梁兩種，這也意味著需要U梁需要兩種方程。如在某次設計中，將腰梁的方程設定為：

而大U梁的方程為：

小U梁的方程為：

由于有了計算方式，再加上三維CAD技術中含有計算功能，很快就會獲得既定的計算結果。

2.3 設計效果評價

研究發現三維CAD技術有如下特點：①隨著三維CAD技術在壓力岔管設計中的應用，不僅強化了岔管的三維模型順網層，還可以省略公式計算部分，提高了制圖效率，增強了計算效率，保證了制圖精準性[5]；②優化了操作步驟，壓力岔管整個設計過程僅需要四步就可完成，所需工作量也很小，工作效率也很高，極大的減輕了相關工作人員的工作壓力；③在研究中還發現，利用三維CAD技術設計出來的岔管施工圖精度也很高，不僅可以實現直接輸出，還減少了再次繪制，更減少了平面軟件應用；④在三維CAD技術被應用到水電站壓力岔管設計中以后，可以在自動計算模塊中完成計算，該模塊不僅計算速度較快，精準度也很高，即便是多項運算也可以順利完成，為快速制圖提供了一定有利條件；⑤三維CAD技術還具有良好的存儲能力，存儲空間也很大，可以有效滿足實際計算與使用需求；⑥三維CAD技術也可以清楚的為設計者展示實際情況，并在三維動畫的作用下，看到各項設計細節，設計者也可以利用三維CAD技術模擬岔管使用環境，真實的看到壓力岔管在實際運行中所發生的變化，如果存在不足，設計者可以立即整改。三維CAD技術效果較好，能夠解決原有設計中的不足。因此，應重視三維CAD技術的應用。

3 結束語

通過以上研究得知，三維CAD技術具有其他技術無法比擬的很多優點，同時在三維CAD技術中融入了一定數量的先進技術，讓整個設計更顯立體化與真實化。尤其是在鋼岔管設計中，很多計算公式可以省略，設計精度也很高，且可以有效減少再次驗證，基本可以一次成型，由此可見，三維CAD技術是水電站壓力岔管設計中不可缺少的一部分，因此，應重視三維CAD技術的應用。

[1]劉姝麟.月牙肋岔管的三維參數化設計與安全評估[D].廣西大學,2014.

[2]韓守都,吳俊杰,王小軍.鋼岔管三維參數化設計方法的研究與應用[J].水電能源科學,2015,(3):175-178+174.

[3]王巍,周杰,李迪,等.基于CATlA的三維岔管設計在水電站的應用[J].水利規劃與設計,2015,(10):107-108+114.

[4]張偉,楊綠峰,韓曉鳳.基于彈性補償有限元法的無梁岔管安全評價[J].水利學報,2009,(10):1175-1183.

[5]韓曉鳳,文強,厲海元.基于知識工程模板的月牙肋岔管參數化設計[J].水利水電技術,2015,(11):50-55.

[TM622]

A

2096-2789（2016）11-0188-02