宋 升

（奎屯農(nóng)七師勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），新疆 伊犁 833200）

三維CAD技術(shù)下的水電站壓力岔管設(shè)計(jì)方法

宋 升

（奎屯農(nóng)七師勘測(cè)設(shè)計(jì)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(guò)研究發(fā)現(xiàn)壓力岔管設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)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(xué)技術(shù)發(fā)展三維CAD技術(shù)被應(yīng)用到水電站壓力岔管設(shè)計(jì)中，有效彌補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計(jì)中的不足，還強(qiáng)化了設(shè)計(jì)精度。因此，文章從三維CAD設(shè)計(jì)方法入手，結(jié)合重點(diǎn)研究三維CAD技術(shù)下的水電站壓力岔管設(shè)計(jì)。

三維；CAD技術(shù)；水電站；壓力岔管；設(shè)計(jì)

水電站輸水系統(tǒng)中，應(yīng)用最多的岔管為鋼岔管。盡管這種岔管擁有較強(qiáng)的抗壓能力，但體型卻很復(fù)雜，無(wú)論是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是體型展開(kāi)計(jì)算都很難。如果采用原有設(shè)計(jì)方式，經(jīng)常需要一系列十分復(fù)雜的計(jì)算才能獲得正確的設(shè)計(jì)圖。為解決這一問(wèn)題，強(qiáng)化計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)，應(yīng)將三維CAD技術(shù)應(yīng)用到岔管設(shè)計(jì)中，只有這樣才能真正做好壓力岔管設(shè)計(jì)工作。

1 三維CAD設(shè)計(jì)方法分析

三維CAD技術(shù)出現(xiàn)以后，在設(shè)計(jì)水電站壓力岔管的過(guò)程中主要應(yīng)用圖解法、數(shù)解法、程序開(kāi)發(fā)法以及AutoCAD法。盡管這些設(shè)計(jì)方法都有一定好處，但實(shí)際應(yīng)用起來(lái)卻很困難，精度也不夠，且需要反復(fù)驗(yàn)證[1]，三維CAD設(shè)計(jì)法就可以有效彌補(bǔ)這些不足。三維CAD設(shè)計(jì)中融合了UG、CATIA等軟件，同時(shí)應(yīng)用了較為先進(jìn)的混合建模技術(shù)，并強(qiáng)化了裝配功能，這樣一來(lái)就為復(fù)雜模型的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。CAD技術(shù)的制圖精準(zhǔn)性較好，不僅計(jì)算流程可以省略，所查算的數(shù)據(jù)也十分精準(zhǔn)，且便于攜帶，只要有遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)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(shù)設(shè)計(jì)岔管的過(guò)程中，需要經(jīng)歷以下過(guò)程：①根據(jù)已知幾何條件構(gòu)建立體模型；②獲取主支管，并取得體型圖；③通過(guò)CAD展開(kāi)功能開(kāi)啟表面圖取得主支管展開(kāi)圖；④明確腰梁與U梁之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)好合適的曲線(xiàn)方程。由于三維CAD技術(shù)的帶有立體性，設(shè)計(jì)者可以全面了解設(shè)計(jì)對(duì)象的內(nèi)外結(jié)構(gòu)[2]，如果在設(shè)計(jì)中存在不足，設(shè)計(jì)者也可以聯(lián)系實(shí)際情況做出調(diào)整。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例分析

2.1 設(shè)計(jì)產(chǎn)品介紹

非對(duì)稱(chēng)Y型三梁岔管是水電站應(yīng)用較多的岔管，在本次設(shè)計(jì)中，非對(duì)稱(chēng)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(nèi)徑厚度為2800mm，支管以圓錐管為主，壁厚為20mm，部分壁厚為32mm，內(nèi)徑厚度為2000mm，因此，公切球的內(nèi)半徑則設(shè)定為2000mm[3]。

2.2 設(shè)計(jì)方法

該水電在為奎屯河三級(jí)水電站，發(fā)電流量為55m3/s，發(fā)電水頭148m，裝機(jī)63MW，擁有2大2小機(jī)組，其中大機(jī)容量為20MW，小機(jī)容量為11.5MW。要利用三維CAD技術(shù)完成非對(duì)稱(chēng)Y型三梁岔管設(shè)計(jì)，應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行：

（1）利用零件與裝配設(shè)計(jì)模塊，同時(shí)加強(qiáng)與幾何參數(shù)的聯(lián)系，即在建模以后加入合適的控制參數(shù)，然后用CSV文件實(shí)現(xiàn)批量導(dǎo)入。這樣一來(lái)，所有管節(jié)的模型參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，構(gòu)建合適的立體模型，進(jìn)而獲得Y型岔管立體圖。在這一過(guò)程中還要注意參數(shù)分類(lèi)管理，由于在本次設(shè)計(jì)中需要的設(shè)計(jì)以鋼岔管設(shè)計(jì)為主，所以就要控制好鋼岔管體型參數(shù)，如分岔角等。并注意相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的應(yīng)用，將專(zhuān)業(yè)知識(shí)作為輸入?yún)?shù)，只有這樣才能滿(mǎn)足實(shí)際需求。一般來(lái)講，鋼岔管直觀過(guò)度錐體有2～3個(gè)，但為進(jìn)一步強(qiáng)化本次設(shè)計(jì)，可以將鋼岔管直觀過(guò)度錐設(shè)計(jì)在4個(gè)左右，同時(shí)，確定好鋼岔管模型，并控制好模型參數(shù)，這也是做好本次設(shè)計(jì)中重點(diǎn)[4]。

（2）將提取技術(shù)應(yīng)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(guān)數(shù)據(jù)，獲得主管與支管的體型圖，并掌握?qǐng)D形的長(zhǎng)度參數(shù)。如在設(shè)計(jì)完成以后可以發(fā)現(xiàn)，支管體型圖中各個(gè)邊長(zhǎng)也可以清晰的體現(xiàn)出來(lái)，由于在本次設(shè)計(jì)中支管共有五個(gè)邊，然后根據(jù)各個(gè)邊長(zhǎng)確定合適的設(shè)計(jì)方式。同樣主管的各個(gè)邊長(zhǎng)也可以體現(xiàn)出來(lái)。這些都是三維CAD技術(shù)所帶來(lái)的好處，設(shè)計(jì)者可以更直觀的看到實(shí)際設(shè)計(jì)情況，如果發(fā)現(xiàn)某些邊長(zhǎng)不合理，相關(guān)人員也可以及時(shí)作出調(diào)整，防止造成人力、物力以及財(cái)力的浪費(fèi)。

（3）主義CATIA功能的引入，將已經(jīng)成型的主管與支管圖展開(kāi)，以便獲得合適的開(kāi)展圖，并繪制出曲線(xiàn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。這樣就可以在相同坐標(biāo)下，利用三維CAD技術(shù)獲得一定的坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，由此得來(lái)的數(shù)值與數(shù)解法所獲的數(shù)值相同，如主管展開(kāi)值是固定的。經(jīng)過(guò)數(shù)值法與CAD法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，兩者的坐標(biāo)值就基本相同。由此可見(jiàn)利用三維CAD法應(yīng)用到岔管設(shè)計(jì)中，可以有效提升設(shè)計(jì)效率，設(shè)計(jì)精度也會(huì)隨之提升。

（4）測(cè)量腰梁和U梁內(nèi)緣長(zhǎng)度，同時(shí)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(shè)計(jì)中，將腰梁的方程設(shè)定為：

而大U梁的方程為：

小U梁的方程為：

由于有了計(jì)算方式，再加上三維CAD技術(shù)中含有計(jì)算功能，很快就會(huì)獲得既定的計(jì)算結(jié)果。

2.3 設(shè)計(jì)效果評(píng)價(jià)

研究發(fā)現(xiàn)三維CAD技術(shù)有如下特點(diǎn)：①隨著三維CAD技術(shù)在壓力岔管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不僅強(qiáng)化了岔管的三維模型順網(wǎng)層，還可以省略公式計(jì)算部分，提高了制圖效率，增強(qiáng)了計(jì)算效率，保證了制圖精準(zhǔn)性[5]；②優(yōu)化了操作步驟，壓力岔管整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)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(guān)工作人員的工作壓力；③在研究中還發(fā)現(xiàn)，利用三維CAD技術(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的岔管施工圖精度也很高，不僅可以實(shí)現(xiàn)直接輸出，還減少了再次繪制，更減少了平面軟件應(yīng)用；④在三維CAD技術(shù)被應(yīng)用到水電站壓力岔管設(shè)計(jì)中以后，可以在自動(dòng)計(jì)算模塊中完成計(jì)算，該模塊不僅計(jì)算速度較快，精準(zhǔn)度也很高，即便是多項(xiàng)運(yùn)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(shù)還具有良好的存儲(chǔ)能力，存儲(chǔ)空間也很大，可以有效滿(mǎn)足實(shí)際計(jì)算與使用需求；⑥三維CAD技術(shù)也可以清楚的為設(shè)計(jì)者展示實(shí)際情況，并在三維動(dòng)畫(huà)的作用下，看到各項(xiàng)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)者也可以利用三維CAD技術(shù)模擬岔管使用環(huán)境，真實(shí)的看到壓力岔管在實(shí)際運(yùn)行中所發(fā)生的變化，如果存在不足，設(shè)計(jì)者可以立即整改。三維CAD技術(shù)效果較好，能夠解決原有設(shè)計(jì)中的不足。因此，應(yīng)重視三維CAD技術(shù)的應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上研究得知，三維CAD技術(shù)具有其他技術(shù)無(wú)法比擬的很多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在三維CAD技術(shù)中融入了一定數(shù)量的先進(jìn)技術(shù)，讓整個(gè)設(shè)計(jì)更顯立體化與真實(shí)化。尤其是在鋼岔管設(shè)計(jì)中，很多計(jì)算公式可以省略，設(shè)計(jì)精度也很高，且可以有效減少再次驗(yàn)證，基本可以一次成型，由此可見(jiàn)，三維CAD技術(shù)是水電站壓力岔管設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分，因此，應(yīng)重視三維CAD技術(shù)的應(yīng)用。

[1]劉姝麟.月牙肋岔管的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)與安全評(píng)估[D].廣西大學(xué),2014.

[2]韓守都,吳俊杰,王小軍.鋼岔管三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究與應(yīng)用[J].水電能源科學(xué),2015,(3):175-178+174.

[3]王巍,周杰,李迪,等.基于CATlA的三維岔管設(shè)計(jì)在水電站的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2015,(10):107-108+114.

[4]張偉,楊綠峰,韓曉鳳.基于彈性補(bǔ)償有限元法的無(wú)梁岔管安全評(píng)價(jià)[J].水利學(xué)報(bào),2009,(10):1175-1183.

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

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2096-2789（2016）11-0188-02