基于計算機輔助技術的球形儲罐模塊化設計系統的開發

林玉娟，孫雅麗，張瑩光，張 欣，王麗國

(1. 東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163711； 3. 天津市北辰區雙口鎮政府，天津 300400； 4. 大慶油田化工有限公司甲醇分公司，黑龍江 大慶 163411)

球形儲罐作為壓力容器的一種，由于其具有承載能力強、建造用鋼量少、占地面積小等優點【1】，應用領域越來越廣泛，而計算機輔助技術也已廣泛運用到了現代社會的眾多領域中，因此將計算機輔助技術應用于球罐的設計領域有著很重要的現實意義。然而由于球罐設計的專業性與復雜性，市面上的通用設計、分析軟件并不具備這一特定功能，且隨著科學技術的進步、球罐設計與建造標準的更新，一些早期開發的球罐設計系統已經無法適用于現今的計算機環境及生產需要【2】，因此開發一套適應當前環境的球罐設計系統就顯得十分必要。

1 球形儲罐設計系統

為解決在工程實際中球罐設計人員面臨的問題，球形儲罐模塊化設計系統將計算量大、過程繁瑣的設計步驟設計為計算機程序，提高計算速度，縮短設計周期【3】，使設計人員能夠將更多的時間用于設計中的創新創造環節。

根據系統的設計與繪圖2大功能，在綜合考慮系統與數據庫兼容性的前提下，選擇合適的開發語言將該系統分為設計計算模塊、有限元分析模塊和繪圖模塊3大部分。各模塊在功能相對獨立的同時可以通過數據庫進行數據共享及交換，既減少數據的冗余度，避免了數據存儲空間的浪費【4】，又能夠完成球罐的強度設計計算、有限元分析以及設備圖繪制等功能，覆蓋球罐設計的全過程，有助于提高球罐設計的準確性，縮短設計時間，降低設計的復雜性，并能為相似系統的進一步研究與開發提供依據。該系統的功能模塊如圖1 所示。

圖1 設計系統的功能模塊

2 球形儲罐設計系統的模塊化

2.1 設計計算模塊的實現

在工程實際中，1個球罐的完整設計計算過程大致上可以分為3個步驟：工藝參數的選擇確定、球罐結構設計、強度校核計算【5】。設計計算模塊作為球罐設計系統的第一個模塊，是之后2個模塊的基礎。只有完成了球罐各結構參數的計算及選擇，并通過強度校核，才能為接下來的設計任務提供必要的數據，并確保各結構參數的合理性與安全性。

設計計算模塊主要依靠C#.NET進行開發，以球罐常規設計標準GB/T 12337—2014《鋼制球形儲罐》的計算步驟為基準【6】。球殼部分的結構參數以GB/T 17261—2011為基準，同時程序中所使用的計算公式、材料性能等還要符合GB/T 150.1～150.4—2011中的有關規定。設計計算模塊的工作流程如圖2所示。該模塊中計算功能主要通過將標準中具體的計算公式映射為程序代碼來實現。在進行計算時，一些計算過程會被重復調用，為解決這一問題，在編寫程序時將被重復調用的計算過程單獨地封裝為幾個特定的類，每個類中都包含了若干相應的方法，從而提高了代碼的復用性。

圖2 設計計算模塊工作流程

本次球罐設計系統開發中，雖然涉及到的數據較多且種類比較繁雜，但從存儲量來看并不是很大，而且不會涉及到網絡數據調用等，因此本次開發選擇Microsoft Office Access數據庫作為支持，實現了各功能模塊之間的數據共享。在訪問數據庫時，利用C#NET中的ADO.NET數據訪問技術進行操作，同時設計人員還可以使用ADO.NET對數據庫進行查詢、添加、刪除、更新等操作【7】。設計計算模塊通過C#NET中的Windows窗體應用程序，采用父窗口與子窗口的設計形式實現用戶與系統的數據交互，該模塊的用戶界面如圖3和圖4所示。在依據用戶給定的初始數據完成球罐的強度設計與校核之后，系統還可以以Microsoft Word文檔的格式輸出計算說明書，方便用戶對于計算結果的查閱。

圖3 設計計算模塊“主體設計參數”窗體界面

圖4 設計計算模塊“零部件設計參數”窗體界面

2.2 有限元分析模塊的實現

分析設計方法與常規設計方法是2種不同的設計方法，在工程中均可采用。其中分析設計方法主要采用塑性失效準則，根據第三強度理論，以彈塑性力學為基礎，以有限元應力分析方法為手段，計算時使用的安全系數較小，計算結果更為精確，但因其計算量較大，需要有限元分析軟件支持，所以在本設計系統的有限元分析模塊中使用ANSYS17.0作為輔助工具。

ANSYS二次開發的工具主要有3個：APDL、UPFs、UIDL【8】。在有限元分析模塊的設計中，利用C#NET對ANSYS進行二次開發，主要通過調用ANSYS的APDL實現參數化設計，并利用C#NET實現用戶界面及后臺調用程序的編制。C#NET的ANSYS二次開發方法如圖5所示【9】。

圖5 C#NET的ANSYS二次開發

根據ANSYS參數化設計技術的原理及C#NET的ANSYS二次開發方式，有限元分析模塊的工作流程確定如下：首先根據計算模塊確定或者用戶重新給定球罐的必要參數，編寫出符合APDL語法規則的ANSYS命令流文件(“.log”或“.txt”格式)；之后通過內存共享將命令流文件傳送給ANSYS軟件，并通過后臺程序調用ANSYS軟件進行計算；計算完成后將計算結果保存，并將相應結果數據顯示到用戶界面上。其工作流程如圖6所示。

有限元分析模塊的用戶界面具備2大方面的功能：一是輸入信息；二是輸出信息。因此該模塊的用戶界面分為2部分：ANSYS分析和ANSYS分析結果，如圖7和圖8所示。

2.3 繪圖模塊的實現

在完成球罐的常規設計并且球罐的有限元分析結果也滿足要求后，下一步就是完成球罐裝配圖的設計，為球罐的施工提供依據。建立一套球罐設計專用的CAD系統【10】，不但能避免設計人員對相似部分的重復性繪制，提高繪圖效率，同時也可以降低裝配圖的設計難度，有效地避免各種細節錯誤。該模塊的設計采用AutoCAD.NET作為開發環境。

圖6 有限元分析模塊工作流程

圖7 ANSYS分析界面

圖8 ANSYS分析結果界面

本系統繪圖模塊的設計選擇參數化繪圖技術進行開發。該模塊可繪制球罐零部件圖、球罐整體裝配圖、球罐局部放大圖、指引線、技術要求、標題欄、明細表以及文字說明。在該模塊中采用3個基本參數，即“幾何尺寸”、“定位尺寸”、“拓撲關系”實現基本圖元的繪制以及復雜圖形的組合。其中“拓撲關系”主要解決裝配圖以及零部件圖繪制過程中出現的遮擋問題，實現CAD消隱技術【11】。在繪圖模塊中應用消隱技術最多的部分是裝配圖的主視圖和俯視圖部分，這2部分都可以看作是以1個圓為基礎向外延伸進行繪制的(圓為球罐的主體部分)，因此可以在以上拓撲關系模型的基礎上進行演變，得出一個適合于球罐裝配圖繪制的消隱算法。繪圖模塊的基本工作流程如圖9所示。

圖9 繪圖模塊工作流程

繪圖模塊的用戶界面包含了2個部分：一是“總裝配圖繪制”界面，用來設定球罐的基本參數并繪制出總裝配圖；二是“零部件圖繪制”界面，用來選擇要繪制的零部件，并根據相應的參數繪制出選定的零部件圖。繪圖模塊用戶界面如圖10和圖11所示。

3 結語

球形儲罐模塊化設計系統是在對工程實際中球形儲罐的設計過程進行研究分析的基礎上，制定了球罐設計系統的結構體系，將系統分為3大模塊，即設計計算模塊、有限元分析模塊和繪圖模塊。系統將球罐的設計過程與計算機輔助技術相結合，提高了設計過程的智能化，同時系統中各功能模塊可通過數據的共享與傳輸縮短球罐的設計過程，提高設計準確性，滿足了工程實際的需求。

圖10 “總裝配圖繪制”用戶界面

圖11 “零部件繪制”用戶界面