三維參數(shù)化建模在膜式壁讓管設(shè)計(jì)中的探索

楊帆，馬靜，韓峰，張衍國(guó)，嚴(yán)矯平，李清海

(1.北京熱華能源科技有限公司；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084)

1 應(yīng)用背景

工業(yè)鍋爐作為一種重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，常用于工業(yè)生產(chǎn)中，其受熱面常采用水冷壁結(jié)構(gòu)。由于其壁面需要安裝檢查門、防爆門等多種裝置，此時(shí)，便會(huì)對(duì)壁面進(jìn)行開孔，進(jìn)而常采用“讓管”結(jié)構(gòu)進(jìn)行避讓的特殊設(shè)計(jì)，如圖1所示。此時(shí)使用傳統(tǒng)的2D CAD軟件進(jìn)行讓管設(shè)計(jì)時(shí)，因其在表現(xiàn)真實(shí)物體時(shí)，直觀性、準(zhǔn)確性不佳，常造成實(shí)際制造或安裝時(shí)的零部件干涉；而采用常規(guī)的三維建模方式進(jìn)行設(shè)計(jì)必然效率較低。以下，將采用模塊化三維參數(shù)化建模思路，利用Creo作為三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，對(duì)膜式壁讓管快速三維設(shè)計(jì)進(jìn)行探索。

圖1 讓管結(jié)構(gòu)

2 參數(shù)化實(shí)施

2.1 確定設(shè)計(jì)參數(shù)

在“Parameters”界面添加圖2所示參數(shù)，并注意利用“插管直徑”控制水冷壁讓管數(shù)量和尺寸。

圖2 參數(shù)列表

2.2 模型尺寸參數(shù)化

此部分的工作，將占據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)的大部分時(shí)間，由于上述已經(jīng)確定，通過“插管直徑”控制“讓管數(shù)量”及其尺寸。因此，可在建模前，于“Relations”中，通過關(guān)系式，并利用“IF……ENDIF”程序塊，將“讓管數(shù)量”與“插管直徑”進(jìn)行關(guān)聯(lián)，輸入在“Relations”界面的開頭位置，如圖4所示：

圖3 管子編號(hào)示意

在完成以上工作后，可進(jìn)行非參數(shù)化模型的建立，為了便于后期更準(zhǔn)確地將非參數(shù)化模型中的尺寸與參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，非參數(shù)化建模時(shí)的零件裝配約束設(shè)置、零件建模特征設(shè)置、草繪圖形約束選擇等問題，要仔細(xì)斟酌。應(yīng)保證便于實(shí)現(xiàn)后期參數(shù)化的同時(shí)，兼顧特征的簡(jiǎn)潔性，以及裝配、草繪約束的一致性，以有利于模型程序的運(yùn)行。

圖4 “讓管數(shù)量”、“插管直徑”關(guān)系式

在裝配約束方面，主要設(shè)置三個(gè)約束，分別使“平讓管NO1”的FRONT面、TOP面、RIGHT面，與裝配體的FRONT面、TOP面、RIGHT面進(jìn)行“重合”“重合”“距離”的約束，由于預(yù)設(shè)“平讓管NO1”始終為最內(nèi)側(cè)讓管，故“平讓管NO1”、“平讓管NO2”、……、“平讓管NO5”距離約束在“Relations”中分別為“1×膜式壁管子間距/2”、“3*膜式壁管子間距/2”、……、“9×膜式壁管子間距/2”。

如圖5所示，以“平讓管NO1”中的掃描線為例，在件建模特征的創(chuàng)建中，重點(diǎn)應(yīng)注意掃描線草繪約束的確定。后續(xù)直至“平讓管NO5”，所有彎管的掃描線，統(tǒng)一采用同“平讓管NO1”掃描線一致的約束方式建模并約束。

圖5 平讓管NO1草繪約束

而后激活裝配體，將各個(gè)彎管模型特征中的約束尺寸在“Relations”界面中進(jìn)行賦值，首先，可對(duì)“平讓管NO1”進(jìn)行參數(shù)化，如圖6所示：

圖6 平讓管NO1參數(shù)化關(guān)系式

以此類推，直至“平讓管NO5”，完成所有彎管尺寸約束的參數(shù)化。

2.3 零件特征增減的參數(shù)化

對(duì)于根據(jù)不同“插管直徑”控制彎管數(shù)量，則需要借助“Pro/Program”進(jìn) 行 控 制?！癙ro/Program”是“Creo Parametric”中內(nèi)置的一個(gè)參數(shù)化工具，其中反映了每個(gè)模型在設(shè)計(jì)過程中的所有設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)人員不僅可以在其中對(duì)“Relations”進(jìn)行編輯，還可通過添加條件判別式對(duì)模型特征的增減進(jìn)行控制。

可以將其理解為一個(gè)文本化的反映模型創(chuàng)建過程的編輯程序。

在此，利用“Pro/Program”控制模型出現(xiàn)不同數(shù)量的讓管，依然通過加入“IF……ENDIF”程序塊進(jìn)行控制。在“Pro/Program”中，分別找到“平讓管NO1”、“平讓管NO2”、……、“平讓管NO5”的模型ID，在每個(gè)零件的“ADD PART……”前,加入“IF讓管數(shù)量>=……”；在每個(gè)零件的“END ADD”后，加入“END IF”,實(shí)現(xiàn)隨計(jì)算出的不同讓管數(shù)量，控制彎管的增減。

2.4 關(guān)鍵值觀測(cè)的參數(shù)化

激活每個(gè)彎管零件，使用“Analysis”中“Measure”的“Length”測(cè)量工具，測(cè)量每個(gè)彎管的圖11所示，綠線段長(zhǎng)度，并建立其特征；而后，激活裝配，在“Relations”中，將測(cè)量特征所反映的參數(shù)分別賦值給“平讓管NO1-NO5斜段長(zhǎng)度”。

實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)尺寸參數(shù)時(shí)，隨時(shí)觀測(cè)其長(zhǎng)度是否滿足要求的目的。

2.5 參數(shù)化模型的工程圖

參數(shù)化模型建立后，只需提前生成參數(shù)化模型的工程圖，即可到時(shí)快速出圖的目的，如何生成工程圖不做過多說明。工程圖中某些文字的信息，如“技術(shù)要求”，其經(jīng)常需要直接反映模型尺寸信息或技術(shù)參數(shù)，故也應(yīng)進(jìn)行參數(shù)化。

在此，可建立注釋，而后在注釋內(nèi)容中，通過添加“&參數(shù)名稱”或“&尺寸ID”的方法，將欲反映在工程圖中的參數(shù)化模型內(nèi)的參數(shù)，以文本的方式呈現(xiàn)在工程圖中。

參數(shù)化模塊及其工程圖建立后，即可利用其進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在利用此模塊對(duì)真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)時(shí)，單處此結(jié)構(gòu)，從模型的調(diào)整參數(shù)、裝配，到工程圖的生成，只需3～5分鐘。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)思路，通過構(gòu)建水冷壁讓管三維參數(shù)化模塊的方式，達(dá)到水冷壁讓管快速三維設(shè)計(jì)、快速出圖的目的。此建模方法，不僅為實(shí)現(xiàn)鍋爐快速三維設(shè)計(jì)，提出了一種行之有效的方案，而且對(duì)類似設(shè)備的三維設(shè)計(jì)的實(shí)施存在借鑒意義。