蛇形高加集管和換熱管的快速建模

王奔奔

(上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海200090)

0 概況

集管和蛇形換熱管是蛇形管高壓加熱器(下簡稱“高加”)中的管程的重要組成部分，其安全性和性能的好壞直接決定了整臺設備的性能[1]。集管上面短接管數量眾多，給二維出圖造成了一定的難度，目前主要依靠由三維模型導出二維圖紙的方式出圖，因而有必要快速建立集管的三維模型，減少出圖所用的時間。同時，相比于U形管換熱器[2]，蛇形管換熱器的換熱管種類較多，目前已有UG程序，可以根據數據生成單根管子的三維模型，但是后續裝配需要很多時間。同時考慮到部門的實際情況，三維軟件以INVENTOR為主，因此有必要開發基于INVENTOR的三維建模程序，用于生成集管和換熱管的三維數字模型以及裝配模型。

VBA是VISUAL BASIC FOR APPLICATION的簡稱，它是開發語言VB的子集，同時是很多軟件的自帶的二次開發功能模塊，在使用的過程中不需要安裝額外的編程軟件，在日常工作中有著十分廣泛的應用，尤其是對于一些規律性、重復性的工作，可以大大節約工作時間，提高工作效率。

本次對蛇形管高加集管和換熱管快速建模程序的開發，節省了大量建模時間，提高設計人員的工作效率，從而可以將時間及精力花在更有意義的工作上面。

1 建模

1.1 換熱管建模

換熱管的尺寸參數及結構形式由蛇管熱性能計算程序生成，鑒于換熱管形式及彎曲方向的多變性，單臺設備的換熱管的種類有40種以上，因此換熱管的建模沒有辦法采用模型驅動的方式進行，只能采用程序自動建模的方式進行，換熱管的結構形式見下圖1。

圖1 單根換熱管結構示意圖

熱計算程序生成的換熱管的數據保存在EXCEL里面。考慮到在EXCEL里面進行數據處理和程序編寫比較方便，并且EXCEL可以通過加載宏的方式進行移植安裝，不用安裝新的軟件，便于推廣使用，因此采用在EXCEL里面編寫程序，并做成加載宏面板工具按鈕。

蛇管熱計算程序生成的換熱管數據保存在EXCEL里面，但僅僅有單根管子的數據文件，沒有管子的數量文件。為了減少裝配的工作量，在生成單根管子的三維模型后，對其進行陣列，從而生成單排管子的數據模型。考慮到集管短接頭和換熱管的一一對應關系，換熱管的數據文件中保存了每個短接頭的空間位置信息，可以Inventor.R6.VBA程序設計VBA代碼從集管的數據文件中提取換熱管的單根管子的數量及兩根管子之間的間距信息，并將其保存在EXCEL中。之后再在EXCEL中通過VBA程序調用INVENTOR程序生成單排換熱管的三維模型。

蛇管換熱管建模路徑如圖2所示。

圖2 換熱管建模路徑

單排管子建模介紹

在EXCEL中通過VBA程序調用INVENTOR后，首先根據初始位置參數建立基準面，主要是為了基于同一個坐標系建立管子的模型，這樣當生成全部的管子之后，裝配時只需將所有的管子放在統一坐標系固定即可，而不用添加裝配關系，減少了系統資源的占用，同時也節省了人力資源。建立基準面之后，在基準面上繪制單根管子的中心線，用作掃描路徑。相關數據由EXCEL中直接讀取，根據讀取的數據，判斷換熱管的類型，根據換熱管的類型和管子數據，可以直接確定每個換熱管的彎曲處的彎曲方向，從而生成管子的中心線路徑草圖。生成路徑草圖之后，在路徑一段插入垂直于路徑的參考面，并在參考面上繪制截面草圖，之后進行掃描生成單根管子，并對其進行陣列。陣列的時候要特別注意陣列方向的準確性，完成后利用程序將其保存為單個的零件，之后利用循環開始下一排管子的建模工作，直至生成全部的管子三維模型即可。

最終生成的單排換熱管的三維模型如圖3所示。

圖3 單排換熱管模型

1.2 集管建模

集管與換熱管接口一一對應，也是接口眾多，某高加設備的集管二維圖如圖4所示。

圖4 集管二維圖

可見最好的方法就是利用三維模型導圖的方式生成集管的二維圖紙，集管相比于換熱管結構上相對很規律，因此可以采用參數驅動的方式生成集管的三維模型。

具體實施路徑如圖5所示。

圖5 集管建模路徑

手動建立基礎模型，并對一些關鍵的參數進行重命名，做到見名知意，同時也是為了在做程序驅動時對參數名稱進行識別。在熱計算程序中，在沿集管軸線方向上的投影上，相鄰的兩個短接頭的夾角為特定的范圍，假設為N°，由于接頭沿著圓周方向夾角不變，因此圓周方向最多有360/N個短接頭。建立集管的輪廓模型并建立360/N個短接頭的陣列特征，除了集管的輪廓尺寸外，對于單排短接頭有以下參數需要控制：起始位置、外徑、開孔大小、陣列個數、陣列間距。

數據處理。蛇形管熱計算程序輸出的集管的信息中，除了必要的外形參數信息，就是每個集管上短接管的三維空間坐標。利用VBA程序對這些信息進行讀取，并對所有的三維空間坐標點進行處理，將其轉化為包含單排短接頭的起始位置、陣列間距、陣列個數、起始角度的二維數組，并將其存在內存中，以備使用。

生成模型。用程序選擇建立的集管模板，根據內存中集管的參數信息對打開的集管模型中的參數進行更改，更新，并將多余的短接頭陣列特征進行刪除，從而得到所需要的集管的三維模型，將得到的三維模型進行另存，命名，避免對基礎模型的更改。最終生成的集管三維模型如圖6所示。

圖6 集管數字模型

根據得到的集管三維模型，將其進行投影，并標注尺寸，從而得到集管的二維加工圖紙。

2 裝配

通常，在做裝配體的時候都是一個零件一個零件地進行裝配，裝配耗時長，并且需要添加的約束關系多，當零件較多時，會造成軟件負荷大、卡頓等現象，極大地影響了工作效率。本次蛇管的建模及裝配過程中，采用了一種新的裝配方法，即基于坐標系的裝配方法。在前期的建模過程中充分考慮了后期的裝配問題，所有的蛇管換熱管和進口集管是基于同一個坐標系建模的，在裝配的過程中不用去添加約束，只需要直接與坐標系對齊，在放入零件的時候選擇對齊到原點即可。在整個集管與換熱管的裝配過程中只需要增加出口集管的約束。換句話說，只需要在裝配體里面約束出口集管一個零件。

3 小 結

本次蛇形高加集管和換熱管快速建模，采用了VBA程序作為輔助工具，快速建立了集管和蛇形換熱管的三維模型，并采用了基于坐標系的建模及裝配辦法，極大地提高了建模及裝配速度和效率，解決了部門內軟件三維軟件不統一帶來的阻礙；同時，也在程序輔助建模方面做了探索，為今后蛇形管高加項目的集管和換熱管的快速建模奠定了堅實的基礎，且提高了設計工作效率。