淺析三維參數(shù)化在脫硝煙道設(shè)計中的應(yīng)用

宋麗娜

寶武水務(wù)科技有限公司

0 引言

隨著國家環(huán)保標(biāo)準的日益嚴格，工業(yè)煙氣脫硝的應(yīng)用也在不斷擴大，但在脫硝系統(tǒng)設(shè)計中會經(jīng)常出現(xiàn)在機組規(guī)模、設(shè)計條件、脫硝設(shè)備一致的情況下，連接各設(shè)備之間的煙道由于現(xiàn)場條件、功能不同、技術(shù)要求等限制而需要不同走向、不同規(guī)格、不同支撐等方案的煙道。如何有效地利用已有的三維建模來實現(xiàn)煙道方案是提高設(shè)計效率和準確性的有效手段，而Inventor三維軟件得益于其強大的參數(shù)化建模、逼真的三維可視化功能使其在設(shè)計方面得到了廣泛和有效的應(yīng)用。

本文以工業(yè)煙氣脫硝矩形煙道為例，從建模分析到模型復(fù)用對參數(shù)化設(shè)計進行了詳細說明。

1 建模分析

傳統(tǒng)的二維設(shè)計只是零部件的視覺投影圖，無法捕捉實體特征信息。在二維設(shè)計中，一個新項目會借鑒規(guī)模類似的圖紙，在此基礎(chǔ)上進行修改，但隨著布置、煙道規(guī)格的不同，相應(yīng)的加固肋、內(nèi)貼角鋼、內(nèi)撐桿等設(shè)計及詳圖節(jié)點會不同，這時二維圖、材料明細表的改動量就較大，修改錯誤或漏改在所難免，圖紙、材料量的質(zhì)量無法保證。三維建模能精準地表達零部件的實體特征，模型演示實時逼真，并能重復(fù)利用，使繁雜的計算變得簡單易行，節(jié)省了設(shè)計時間，避免了設(shè)計錯誤，大大降低了成本，提高了工作效率。

建模前，應(yīng)先分析煙道路由和規(guī)格，梳理各零件間的關(guān)系，查找共性，以找出構(gòu)思簡單、有效的模型。矩形煙道作為一個部件，基本上由煙道母體、橫向/縱向加固肋、內(nèi)撐桿、內(nèi)貼角鋼、托座等零件裝配而成［1］。根據(jù)Inventor建模特性，對于大截面矩形煙道，可把煙道定義為一個裝配部件。這個部件看似復(fù)雜，但仔細分析可發(fā)現(xiàn)，在建模過程中煙道與加固肋等零件有很多參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，煙道母體即為一個母體零件，其余零件都隨母體外形尺寸變化而變化。建模時首先建立煙道母體，再通過衍生零部件生成輔助零件，加固肋、內(nèi)撐桿等在輔助零件的基礎(chǔ)上建模，進行參數(shù)化設(shè)計。重復(fù)調(diào)用時僅需修改煙道母體關(guān)鍵尺寸，與之相關(guān)的零件尺寸約束會隨之調(diào)整更新或僅作少量修改即可。

由以上分析可知，矩形煙道的核心部分就是煙道母體，在建模過程中，母體的參數(shù)是整個部件的關(guān)鍵，合理引用這些參數(shù)，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為參數(shù)化模型，為以后的重復(fù)利用提供便利是設(shè)計構(gòu)思的正確表達。

2 建模過程

2.1 煙道選型

本文以兩段矩形煙道加固肋選型為例，分析如何借助三維軟件進行脫硝煙道的參數(shù)化建模及快速變形。

#1煙道基本數(shù)據(jù)：煙氣量600 m3/s，設(shè)計溫度150℃，煙道壁厚6 mm，Wa×Wb=6×5．8 m，設(shè)計壓力-3．5 kPa，按照“煙規(guī)”配套法［2］，加固肋選型計算結(jié)果見表1。

#2煙道基本數(shù)據(jù)：煙氣量485 m3/s，設(shè)計溫度150℃，煙道板厚5 mm，Wa×Wb=9．8×2．2 m，設(shè)計壓力-6．38 kPa。按照“煙規(guī)”配套法，加固肋選型計算結(jié)果見表2。

表1 #1煙道剛接式加固肋選擇

表2 #2煙道剛接式加固肋選擇

2.2 建立煙道母體

首先建立零件草圖，再對草圖添加特征實現(xiàn)實體建模。

在Inventor應(yīng)用軟件中新建．ipt文件，即零件環(huán)境下默認的草圖模式，繪制矩形煙道截面輪廓，利用水平及垂直約束將矩形寬度與高度中點分別與原點約束，定義輪廓尺寸。需注意的是繪制草圖和建立位置關(guān)系時必須做到全約束，否則參數(shù)變更時模型容易出錯。草圖結(jié)束后返回到零件環(huán)境中，使用拉伸特征生成煙道母體。打開“iProperties”對話框定義屬性，在物理特性中選取材料為“鑄鋼”，系統(tǒng)自動生成煙道母體質(zhì)量、表面積等數(shù)據(jù)，自動計算零件面積、體積、質(zhì)量等，見圖1。在生成工程圖后調(diào)用BOM即可直接生成煙道母體材料明細表，包括規(guī)格、數(shù)量、重量，省去了以往二維設(shè)計材料量的統(tǒng)計、制表等工作，提高了效率及精度。

圖1 定義零件屬性

圖2 衍生零部件

2.3 建立煙道衍生件

2.3.1建立橫向加固肋

進入．ipt文件零件界面開始建立新零件，結(jié)束草圖。在特征工具面板上啟用“衍生零部件”，在“打開”對話框中選擇母體零件，彈出的“衍生零件”瀏覽器中添加所需草圖，保存為“橫向加固肋輔助件”（見圖2）。注意衍生的草圖必須設(shè)置為“草圖共享/可見”后方可被引用。

接下來借助衍生而來的草圖，創(chuàng)建“橫向加固肋”部件，新建．iam文件進入部件環(huán)境，在【裝配】模式下放置上面保存的“加固肋輔助件”，切換到【設(shè)計】界面，在“插入結(jié)構(gòu)件”中選擇Inventor自帶標(biāo)準庫中的型鋼，選取輔助件中的矩形外輪廓，生成一圈橫向加固肋，再對插入后的結(jié)構(gòu)件末端進行“修剪/到面”處理（見圖3）。采用衍生草圖的好處在于當(dāng)原始草圖被修改后，所有利用這個草圖衍生的零件都將作關(guān)聯(lián)修改，所有零件都能按照整體設(shè)計的變化而變化。

圖3 結(jié)構(gòu)件末端處理對比圖

2.3.2建立內(nèi)撐桿

合理使用煙道內(nèi)撐桿可減小外部加固肋尺寸。內(nèi)撐桿長度與煙道母體尺寸息息相關(guān)，內(nèi)撐桿的建模同樣可以利用衍生草圖來完成，步驟參考2．3．1。如表1所示，煙道頂、底、側(cè)均設(shè)置1個內(nèi)撐點，即常見的十字形內(nèi)撐桿，這就需要在衍生草圖中進行二次加工，添加內(nèi)撐桿所需的路徑，形成內(nèi)撐桿布置方案，內(nèi)撐桿長度需扣除墊板厚度。

同2．3．1創(chuàng)建新的部件步驟相同，在【裝配】界面放置“內(nèi)撐桿輔助件”，切換到【設(shè)計】界面，在“插

圖4 內(nèi)撐桿

2.3.4其他

參照前面步驟，根據(jù)需要依次新建縱向加固肋、貼角角鋼、防磨角鋼等零件。

2.4 部件裝配

所有零件建模完成后，新建部件文件對煙道零部件進行組裝。首先放置“母體”作為部件的第一個零部件，部件的裝配坐標(biāo)系將與母體的坐標(biāo)系重合，然后按裝配順序依次放置其他零部件。裝配時，除首先放置的零部件自動固定外，其余的均未被約束，需應(yīng)用裝配約束對零部件進行定位。因每個零件建模都是基于母體的，所以原始坐標(biāo)系是一致的，只需添加表面齊平約束即可。每個零件裝配時應(yīng)盡量與原始坐標(biāo)系中各平面約束，各個零部件入結(jié)構(gòu)件”中選擇標(biāo)準庫中的鋼管，選取輔助件中的十字路徑，生成十字內(nèi)撐桿，再對十字交叉處的結(jié)構(gòu)件進行“端部”處理（如圖4）。

2.3.3建立內(nèi)撐桿襯板

通常內(nèi)撐桿支撐在母體壁板的位置需配套相應(yīng)襯板，以增加內(nèi)撐桿與母體壁板的接觸面積，防止局部應(yīng)力集中。新建．iam部件文件對襯板進行裝配，先放置“內(nèi)撐桿輔助件”零件，再放置“襯板”零件，根據(jù)輔助件草圖相關(guān)定位完成“襯板”裝配約束，即襯板在煙道中的定位可依靠內(nèi)撐桿的參數(shù)來驅(qū)動（詳見圖5）。之間盡量不添加約束，這樣就可避免調(diào)整或刪除某個零部件時出錯。

圖5 內(nèi)支撐襯板

不好的設(shè)計規(guī)劃易導(dǎo)致建模復(fù)雜、裝配困難等，而優(yōu)質(zhì)的建模可解決這些問題。建模中需注意新的特征要盡可能利用已有的參數(shù)，必要時引用參數(shù)方程或Excel表鏈接功能，盡可能減少參數(shù)數(shù)量并保證模型特征與參數(shù)關(guān)聯(lián)，提高參數(shù)化裝配的效率及穩(wěn)定性。

2.5 設(shè)計變形

不同的項目改變煙道方案時可通過調(diào)整煙道母體尺寸來快速改變煙道形狀，并根據(jù)煙道母體其他衍生件的尺寸快速形成新的煙道裝配圖。由圖6煙道變形前后對比圖可看出，將已建成的6×5．8 m規(guī)格的煙道模型通過調(diào)整母體長、寬尺寸，對橫向/縱向加固肋及內(nèi)撐桿的規(guī)格稍作調(diào)整即可快速生成9．8×2．2 m規(guī)格的煙道模型。

圖6 煙道變形前后對比圖

3 結(jié)論

煙道設(shè)計過程中巧妙運用Inventor衍生零部件、插入結(jié)構(gòu)件，及基于特征的參數(shù)化建模可極大縮短模型建模和修改時間，提高模型使用效率。實體模型不僅可對客戶展示，還可在零件裝配時進行干涉檢查，評價設(shè)計的合理性，直觀體現(xiàn)了設(shè)計現(xiàn)狀。在大力推廣數(shù)字化的今天，設(shè)計從2D到3D是必然趨勢，是提高設(shè)計效率和準確率的最好選擇。