CN106383955A - 管道设计中应力分析与三维模型的数据相互转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管道设计中应力分析与三维模型的数据相互转换方法，其中管道设计中应力分析向三维模型的数据转换方法包括：A.建立应力分析模型，遍历应力分析模型获得包括各种等级信息的元件参数；B.将获得的信息按照三维模型软件可解析的格式生成中间文件；C.建立三维模型软件的元件等级数据库；D.根据中间文件中的等级为对应的分支和元件赋予真实的等级模型，在三维软件中生成三维模型。本发明能够大幅度减少数据的重复输入，非常明显的减少了设计人员的工作量，并同时也显著的提高了设计效率、减少人为产生的错误，并且实现了不同软件中数据的互转换贯通，使不同专业实现了协同设计。

Description

管道设计中应力分析与三维模型的数据相互转换方法

技术领域

本发明涉及火力发电厂管道设计的数据一体化处理的转换方法，具体的讲是管道设计中应力分析与三维模型的数据相互转换方法。

背景技术

PDMS(Plant Design Management system)是一种工厂三维布置设计管理软件，广泛用于电力、化工等行业的工程设计中，配管人员可以在该平台上建立详细的三维管道及设备模型。GLIF是东北电力设计院开发的针对电厂动力管道应力分析的专业软件，它是采用结构程序设计方法开发的符合《火力发电厂汽水管道应力计算技术规定》(DL/T5366-2006)动力管道有限元应力计算程序，主要对设备(或端点)接口力和力矩、管道支吊架不同工况荷载，弹簧压缩值及管道冷热位移进行计算并输出结果。

在传统的管道设计流程中有两种设计方式，一种是先在上游系统设计完工艺PID图(管路和仪表流程图)后，各专业的设计人员先用传统的方式(如CAD平台)进行管道设计，将设计好的管道用GLIF等相关应力分析软件进行应力分析计算并不断的调整直至满足应力计算要求，之后再单独手工在PDMS三维模型软件上对照应力计算模型进行单独三维建模，并进行碰撞检测，如果检测不通过，将返回修改，重复进行上述步骤直至满足要求。这种方式存在以下几个缺点：

(1)每次调整管道应力分析模型后都需要重新在PDMS软件中人工建立三维管道模型，存在大量的重复劳动，浪费很多时间，极大的影响工作效率。

(2)在重新建立和修改三维模型的过程中，容易出现差错，细节容易丢失，尤其是当管道布置人员跟三维建模人员不是同一人的时候，更容易导致最终设计成品质量低，错误率高。

(3)由于过程的不可控性，数据经过多次人工传递，容易造成修改和丢失，影响应力分析和三维模型数据的一致性，不利于版本控制和多人多专业的协同。

(4)由于过程的繁琐性，明显增加了设计人员尤其是各个小专业设计人员参与协同设计的复杂性，增加各专业人员工作量。

另一种方式是设计人员先根据工艺PID图手动在PDMS软件中建立三维管道模型，确认管道模型满足工艺要求且无碰撞干涉后，根据建好的管道模型手动填写GLIF等应力分析软件输入文件，再在应力分析软件中进行应力分析计算，得到计算结果后进行数据分析与评定，如果计算结果满足应力标准则无需修改PDMS三维模型，如果不满足应力标准，首先调整输入文件中支吊架型式以及位置，如果还不能满足应力标准，则需要修改PDMS三维模型，如此反复，直到计算结果满足应力标准为止。上述方法存在以下几点不足：

(1)存在管道应力数据文件与三维模型不一致的问题。

(2)手动填写管道应力分析的输入文件工作量大，设计人员需要根据PDMS三维模型的数据手动填写GLIF软件输入文件，涉及到大量数据格式转换。当PDMS三维模型中的管道空间走向因为各种原因发生调整时，又需要多次手动修改管道应力分析输入文件，大大增加了设计人员工作量。

(3)设计成品质量较低，由于PDMS软件中的管道模型与手动填写的管道应力分析输入文件没有关联联系，难免产生错误。尤其对于复杂多分支管系，由于设计人员的能力差异，人为因素增加了计算数据输入的错误率，且多次反复修改容易导致设计人员顾此失彼，从而降低了成品设计质量。

(4)设计过程中数据复用率低，管道设计中包括三维模型数据、应力输入数据、管道应力计算结果数据，这些数据都是独立、无法相互传递的，更无法为后续的采购施工等提供数据支撑。

由此可以发现，目前无论那种管道设计方式，都明显存在有数据重复输入、工作量大、错误率高等缺点，无法满足提高设计效率和质量的要求。

发明内容

本发明提供了一种管道设计中应力分析与三维模型的数据相互转换方法，不用对数据重复输入，使不同软件中的数据能够相互转换，实现数据贯通，提高管道设计效率和成品质量。

本发明管道设计中应力分析向三维模型的数据转换方法，包括：

A.建立满足应力要求的应力分析模型，通过遍历所述应力分析模型，获得其中的管道拓扑结构、各元件的空间坐标及相互关系，以及包括各种等级信息的元件参数。所述的等级信息包括了管道等级、支吊架等级和假三通等级等，每种等级又包括了温度、压力、材料和在三维模型软件等级库的名称等属性。之后按管道分支的顺序依次列出管道中的所有分支及分支下的所有管件的相关属性；

B.将获得的信息按照三维模型软件可解析的格式生成中间文件；

C.建立三维模型软件的元件等级数据库，其中包含了各种元件的名称、描述、温度、压力、外径、壁厚、角度等信息；

D.根据中间文件中的分支等级名称和元件的等级名称遍历所述元件等级数据库，为对应的分支和元件赋予真实的等级模型，再结合所述中间文件中的管道拓扑结构、各元件的空间坐标及相互关系在三维软件中生成三维模型。

该方法是以元件的等级信息作为索引方式，建立三维模型软件的元件等级数据库，将应力分析数据中的元件等级信息与所述三维模型软件的元件等级数据库对应查询，得到三维模型软件适用的元件信息，通过这些元件信息生成三维模型。

具体的一种方式为，步骤A中遍历应力分析模型获取元件的空间坐标时，先从应力分析模型中读取具有三维坐标的参考点P(x,y,z)，其中x、y、z分别表示参考点P的不同坐标轴上的值，参考点P随遍历应力分析模型的元件的过程移动，当遍历到代表相应元件的数据时，保存此时的参考点P的坐标作为该元件的坐标。对于有长度的元件可以进行单独处理，如阀门的坐标取阀门的中点，大小头坐标取大头所在的P点坐标等，以此作为三维模型中该元件的坐标位置。

在此基础上，步骤A中遍历应力分析模型获取对元件的方向信息时，是对离元件最近的直段的三个坐标轴方向上的增量归一化近似计算，得到的单位向量为该元件的方向，将该方向保存为三维模型软件可识别的格式。为了方便在PDMS等三维模型软件中处理，可以将方向信息转换为“X a Y b Z”的格式保存，其中a、b分别为坐标间的夹角。

进一步的，步骤A中遍历应力分析模型获取元件的等级信息时，在遍历过程中有如温度、压力或材料等任一等级信息发生改变后，将改变后的该等级信息作为所有元件新的等级，直到该等级信息再次改变。对每个元件所需用到的具体信息，针对元件类型各自单独进行获取和处理，如弯头需要记录弯曲角度和半径，大小头记录两端外径，阀门记录其材质等。

进一步的，由于三通的复杂性和特殊性，无论在拓扑结构还是设备元件方面，三通都至关重要，如果处理不好，将导致最后生成结果的整体错误，因此对三通需要进行专门的特殊处理，尤其是经过三通时管道的流向。在步骤A遍历应力分析模型获取三通信息时，先根据三通的直管和支管定义介质出/入情形，遍历三通时在每次进入或离开三通时计算与其最近的直段的方向增量作为三通的方向，通过比较第一和第二次离开或进入三通的方向，结合所述定义的情形，确定直管和支管的实际方向；同时根据介质进入或离开三通时是否有中断来确定所连接分支的类型。

本发明的上述方法，在管道设计中实现了由应力分析数据直接快速准确的生成三维模型，设计人员无需在管道应力分析修改计算模型后手工重复三维建模，极大的提高了设计效率，以及避免了手工建模和数据传递中可能出现的差错，提高了成品质量，减少了后续校审时间。并且各软件之间的数据能够保证一致性，解决了多专业协同的问题。

采用与上述方法相同的以元件等级为索引的方式，本发明还提供了与上述方法设计过程相反的三维模型向应力分析的数据转换方法，包括：

A.以元件的等级名称为索引建立包含各元件参数的元件等级数据库，不同元件等级对应到元件等级数据库的相应数据。元件等级数据库中包含管道壁厚及外径、管件重量、弯头弯曲半径及壁厚、三通应力增强系数、大小头大头外径/小头外径、管道保温厚度、保温层容重等参数属性；

B.在三维设计软件中建立三维模型，三维模型中包括有管道等级、管道保温等级、管道中介质类型、管道材质，管道设计温度、管道设计压力、管件坐标信息、管件方向、管件连接关系、管件公称通径、逻辑支吊架型式、逻辑支吊架节点编号、设备接口附加热位移等参数，并根据三维模型中元件的等级名称，在所述元件等级数据库中获得对应元件的各属性；

C.对所获得的各元件属性通过筛选、分类和组合，解析为包含应力分析软件可识别数据格式的元件属性的应力分析输入文件；

D.通过应力分析软件对所述应力分析输入文件中的数据进行计算，生成包含应力分析数据的应力分析输出文件。

其中在步骤C生成应力分析输入文件时一种具体的解析方法为，在对相邻元件间直段的坐标解析，是从步骤B获得的元件属性中读取元件的坐标和方向，通过所读取的坐标和方向计算出相邻元件间的连接管道在X、Y、Z三个方向分别延伸的长度。

进一步的，步骤C在生成应力分析输入文件时，通过右手定则来确定弯头的走向。通过解析三维模型中ORI Y is N and Z is E属性来确定弯头的方向，默认弯头水平铺在XOY平面，依照流体流向为X-O-Y，X为流体进口方向，Y为流体出口方向，即弯头离开点为N方向。Z方向为E方向，通过右手定则，大拇指指向Z方向，四指从X转向Y，这里可以确定X方向为D方向，即弯头到达点为D方向。通过对ORI Y is N and Z is E属性的解析，确定了弯头的走向。

三通阀与之前的三通一样，也是比较复杂和特殊的元件，如果处理不好，将导致整个计算结果的错误，因此对三通阀需要进行专门的特殊处理，尤其是经过三通阀时介质的流向。步骤C在生成应力分析输入文件时对三通阀数据的解析时，是通过介质流出三通阀时走向的反方向得到三通阀的实际结构。

当三维模型中以弯头直接连接弯头，或者以弯头开头或结尾的时候，步骤C在生成应力分析输入文件时需要根据弯头位于管件的起始端或尾端的不同情况，分别对应在弯头起始位置或弯头末端加一个直线段来确定管件的走向。例如如果是以弯头起始的管件，则在弯头的起始位置加所述的直线段，如果弯头是在管件的尾端，则在弯头的末端加所述的直线段。

这种方法是通过读取三维模型的输出数据，并以元件等级名称对应获得元件等级数据库中的元件参数来生成应力分析输出文件的，保证了数据准确，避免了人工输入应力分析数据的错误，减少了设计工作量，同样实现了管道三维模型、管道应力计算分析等的数据的贯通。

综上所述，本发明管道设计中应力分析与三维模型的数据相互转换方法，能够大幅度减少数据的重复输入，非常明显的减少了设计人员的工作量，并同时也显著的提高了设计效率、减少人为产生的错误，并且实现了不同软件中数据的互转换贯通，使不同专业实现了协同设计。

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1为本发明管道设计中应力分析向三维模型的数据转换方法的流程图。

图2为实施例1的三通中介质的流向情况之一。

图3为实施例1的三通中介质的流向情况之二。

图4为实施例1的三通中介质的流向情况之三。

图5为实施例1的三通中介质的流向情况之四。

图6为实施例1的三通中介质的流向情况之五。

图7为实施例1的三通中介质的流向情况之六。

图8为实施例1的三通中介质的流向情况之七。

图9为本发明管道设计中三维模型向应力分析的数据转换方法的流程图。

图10为实施例2中三通阀管路示意图。

图11为实施例2的三通阀介质流通方式之一。

图12为实施例2的三通阀介质流通方式之二。

图13为实施例2的三通阀介质流通方式之三。

图14为实施例2的三通阀介质流通方式之四。

图15为实施例2的三通阀介质流通方式之五。

图16为实施例2的三通阀介质流通方式之六。

图17为实施例2的对弯头增加直线段计算的示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示本发明管道设计中应力分析向三维模型的数据转换方法，以GLIF应力分析软件和PDMS三维模型软件为例，步骤包括：

A.建立满足应力要求的应力分析模型，通过遍历所述应力分析模型，获得其中的管道拓扑结构、各元件的空间坐标及相互关系，以及包括各种等级信息的元件参数。获取的元件参数包括多个部分，首先在是对应管道中出现的所有管道等级、支吊架等级和假三通等级，每种等级的后面包括了温度、压力、材料和在PDMS软件中对应的等级名称等属性。之后按管道分支的顺序依次列出管道中的所有分支及分支下的所有管件的相关属性，形成属性表，每条信息单列一行，每个管道、分支和管件按“NEW”加分支名或管件类型的格式，例如格式为“NEW BRAN/AutoPipeKopp/B1”。之后属性表中的每列按“属性名”加“属性值”的格式写入相关属性信息。以下举例说明一些具体属性值代表的含义：对于每个分支大部分属性沿用了PDMS三维模型中的数据结构，如“Number”代表参考编号，“Hdirection”代表分支起始方向，“Hposition”代表分支起始方向，“HDw”代表起点外径，“Hbore”代表起点公称通径，“Temperature”代表温度，“Pressure”代表压力，“Tdirection”代表分支尾部方向，“Tbore”代表尾部公称通径，“Tposition”代表分支尾部坐标等。每个分支下，用“ELBO”、“ATTA”、“TEE”分别代表弯头、支吊架、三通。对于管件除了定义一些通用属性如“Number”代表参考编号、“Spref”代表等级等之外，每类管件还定义了特殊的属性，如弯头定义“Radius”代表角度，三通定义了“Arrive”和“Leave”分别代表三通的进入和离开方向，“Cref”确定了三通所连接的另一个分支的参考编号等等。该数据格式包含了后续在PDMS软件中生成数据模型所需的所有位置和等级信息。

A1.对所有需要用到的空间坐标，先设置一个参照点P(x,y,z)，其中x、y、z分别表示参考点P的不同坐标轴上的值。参照点P的起始坐标从应力分析模型中读取。参照点P随着遍历应力分析模型的元件的过程在三个坐标轴上的增量移动，当遍历到代表相应元件的数据时，保存此时的P点坐标作为该元件的坐标。其中对有长度的元件需要做单独处理，如阀门的坐标取阀门的中点，大小头取大头所在的P点坐标等，以此作为生成的三维模型中该元件的坐标位置。最后取计算得到的所有端点的坐标，与应力分析模型中的原始端点坐标进行比对，验证其正确性，坐标误差应小于0.0001。

A2.对所有需要用到的方向信息，取离元件或端点(三通点)最近的直段的三个坐标方向上的增量进行归一化近似计算，得到的单位向量作为方向，并为了方便在PDMS软件中处理，将方向转换为“X a Y b Z”的格式保存，其中a、b分别为坐标夹角。

A3.对每个元件所需用到的具体信息，针对元件类型各自单独进行提取和处理，如弯头需要记录弯曲角度和半径，大小头记录两端外径，阀门记录其材质等。

A4.对所有需要的等级信息，在遍历应力分析模型原始数据的时候遇到温度、压力或材料改变时进行记录，只要温度、压力或材料与保存的等级不一致，就将当前数据作为一个新的等级，在下一次该数据等改变之前经过的所有元件均属于此等级。同时根据不同的温度、压力或材料，可事先人工附上一个在PDMS软件中已经存在的等级名称，如/U4C12，便于后续再PDMS软件中找到该等级,且具有唯一性。

A5.对所有需要的公称通径信息，处理方法与等级信息类似，在外径改变时进行记录，人工对非标准的外径赋值，如将外径273赋值为外径250。

A6.对所有三通的处理，由于三通的复杂性和特殊性，无论在拓扑结构还是设备元件方面，三通都至关重要，如果处理不好，将导致整个算法最后生成结果的错误，因此对三通需要进行专门的特殊处理，尤其是经过三通时管道的流向。针对每个三通，按PDMS软件的方式将其的三个口分别定义为P1、P2、P3，其中P1和P2为三通直管上的出口方向可视为等同，P3为支管方向。遍历应力分析模型时，介质在一个三通中通常会经过三次，有时连续有时中断，情况众多。通过分析大量数据结合设计人员的习惯，一共包括了如图2至图8所示的7中情形，几本涵盖了所有可能的情况。遍历时，首先需要判断该三通属于哪个情形，方法如下：按步骤A2中所述的方式在每次进入或离开三通点时计算最近的直段的方向增量作为方向并保存，比较第一和第二次离开或进入三通的方向，若方向近似在同一直线上则表示第一次和第二次在同一方向，第三次为支管方向，以此类推；同时判断其是否连续，若连续则当成一次处理，若中断则分开处理。对不同的情形分别处理：若三通点判断为如图2或图3所示情形，则三通是P1点进P2点出，支管为P3，三通属性中“Arrive”设置为途径1，“Leave”设置为途径2。图2中三通是放置在途径1所在的分支下，同时单独作为一个新的途径2所在分支的起点，因此将该三通所连接的分支的参考编号属性“Cref”指向该新分支，以便于在PDMS中进行连接。图3至图5的情形以此类推。图6至8产生了中断，图6中是将途径1和途径2连接到一个分支下作为三通所在的分支，而途径3则作为新的输出分支，图7是将途径1和途径3连接到一个分支下作为三通所在的分支，而途径2则作为新的输入分支，图7是将途径1和途径2连接到一个分支下作为三通所在的分支，而途径3则作为新的输入分支。

A7.对分支的处理，按通常的结构方式，一个管系下存在多条分支，每个管道分支通常起点和终点均为端点或三通点，所有设备、管件、三通等均放置在各自的三通下，需要通过上述方式单独提取每个分支的头和尾所在位置的坐标，方向，等级，公称通径等信息。

B.将上述所有获得的信息按照PDMS三维模型软件可解析的格式生成中间文件；

C.建立PDMS软件的元件等级数据库，其中包含了各种元件的名称、描述、温度、压力、外径、壁厚、角度等信息；

D.PDMS读取中间文件中的分支等级名称和元件的等级名称，如温度、压力、外径的等级名称，遍历所述元件等级数据库，为对应的分支和元件赋予真实的等级模型，针对每个具体的元件，同样需要根据元件的如弯头角度等特殊信息遍历元件等级数据库，找到真实的元件等级模型。得到真实等级信息后，结合所述中间文件中的管道拓扑结构、各元件的空间坐标及相互关系在三维软件中生成三维模型。

实施例2：

如图9所示本发明管道设计中三维模型向应力分析的数据转换方法，以PDMS三维模型软件和GLIF应力分析软件为例，步骤包括：

A.以元件的等级名称为索引建立包含各元件参数的元件等级数据库，不同的元件等级名称对应元件等级数据库的相应数据。元件等级数据库中在对应的等级名称下包含了管道壁厚及外径、管件重量、弯头弯曲半径及壁厚、三通应力增强系数、大小头的大头外径/小头外径、管道保温厚度、保温层容重等参数属性。

B.根据工艺PID图在PDMS三维设计软件中建立三维模型的管道布置，选定管道等级、材质，设定管道温度、压力等管道参数，以及管道中介质类型；确认模型满足工艺要求且无碰撞干涉后，通过计算好的支吊架间距在模型上依次插入逻辑支吊架，设定逻辑支吊架型式，并设定设备接口附加热位移。当PDMS三维管道布置完毕后，对三维管道的空间走向，逻辑支吊架间距、类型等进行校核分析，若管道布置或支吊架设置不合理，则设计人员进行修改。

从PDMS软件中自动输出管道模型数据，包括管道等级、管道保温等级、管道中介质类型、管道材质，管道设计温度、管道设计压力、管件坐标信息、管件方向、管件连接关系、管件公称通径、逻辑支吊架型式、逻辑支吊架节点编号、设备接口附加热位移等信息。以一条管道数据为例，从PDMS软件中输出的数据为(下文中所有涉及到的数据代码均以该数据代码为例)：

NEW BRANCH/3号机一段抽汽/B1

HPOS E 19855N 11000U 8440

TPOS E 25700N 19078U 6315

HBOR 125

TBOR 150

HCON BWD

TCON BWD

TEMP 404.2

PRES 3.1

HSTU/U6.4C12/DMPA206PP0

ISPE/PXJ-INSU-SPEC

NEW REDUCER

POS E 19855 N 11000 U 8280

ORI Y is N and Z is W

SPRE/U6.4C 12/CERM202RP0

LSTU/U6.4C12/CEPA203RR0

ARRI 2

LEAV 1

ISPE/PXJ-INSU-SPEC

NEW ELBOW

POS E 19855 N 11000 U 6000

ORI Y is N and Z is E

SPRE/U6.4C 12/CEEA292RR0

LSTU/U6.4C12/CEPA203RR0

ISPE/PXJ-INSU-SPEC

ANG 90

NEW VALVE

POS E 19855 N 12000 U 6000

SPRE/U6.4C 12/SYVZDEBS-H-DN150LSTU/U6.4C12/CEPA203RR0

ISPE/PXJ-INSU-SPEC

NEW REDUCER

POS E 19855 N 14500 U 6000

ORI Y is E and Z is U

SPRE/U6.4C 12/CERM202UR0

LSTU/U6.4C12/DMPA206UU0

ARRI 2

LEAV 1

ISPE/PXJ-INSU-SPEC

NEW VTWAY

POS E 19855N 14920U 6000

ORI Y is W and Z is U

SPRE/U17.15C13/VHB-200T3-DN225

LSTU/U6.4C12/DMPA206UU0

ISPE/PXJ-INSU-SPEC

读取输出的三维模型中的管道等级名称，在所述元件等级数据库中获得对应元件的各属性。以上述从PDMS软件中的输出管道为例：

(1)从所述输出的管道数据中读取第一个分支HSTU的属性，即/U6.4C12/DMPA206PP0，然后管道应力分析计算集成引擎自动解析其数据格式生成DMPA206PP0，再根据DMPA206PP0自动查找管件主数据库中参数属性，得到对应的管道外径为133mm。

(2)读取分支下第一个管件的等级属性，即读取NEW REDUCER下SPRE与LSTU属性(前者为PDMS中的大小头等级，后者为大小头下一个管子等级)，为SPRE/U6.4C12/CERM202RP0和LSTU/U6.4C12/CEPA203RR0，然后管道应力分析计算集成引擎自动解析SPRE数据格式生成CERM202RP0，再根据CERM202RP0自动查找管件主数据库中参数属性，得到大小头大头外径159mm，小头外径133mm。应力分析计算集成引擎继续自动解析数据格式生成CEPA203RR0，再根据CEPA203RR0自动查找管件主数据库中参数属性，得到对应的管道外径为159mm，管道壁厚为5mm，管道单重为18.99kg/m，管道保温厚度120mm，保温容重150kg/m³，保护层厚度0.7mm，保护层容重2700kg/m³。

(3)读取分支下第二个管件的等级属性，即读取NEW ELBOW下SPRE与LSTU属性(前者为PDMS中的弯头等级，后者为弯头下一个管子等级)，为SPRE/U6.4C12/CEEA292RR0和LSTU/U6.4C12/CEPA203RR0。然后管道应力分析计算集成引擎自动解析SPRE数据格式生成CEEA292RR0，再根据CEEA292RR0自动查找管件主数据库中参数属性，得到对应的弯头外径为159mm，弯头壁厚为5mm，弯曲半径为229mm，角度为90度。

(3)读取分支下第三个管件的等级属性，即读取NEW VALVE下SPRE与LSTU属性(前者为PDMS中的阀门等级，后者为阀门下一个管子等级)，然后管道应力分析计算集成引擎自动解析SPRE属性生成SYVZDEBS-H-DN150，再根据SYVZDEBS-H-DN150自动查找主数据库中阀门参数属性，得到对应的阀门长度为450mm，阀门重量为301kg，阀门型号为Z941H-64。

(5)读取分支下第四个管件的等级属性，即读取NEW REDUCER下SPRE与LSTU属性(前者为PDMS中的大小头等级，后者为大小头下一个管子等级)，然后管道应力分析计算集成引擎自动解析SPRE数据格式生成CERM202UR0，再根据CERM202UR0自动查找管件主数据库中参数属性，得到大小头大头外径245mm，小头外径159mm。

(6)读取分支下第五个管件的等级属性，即读取NEW VTWA下SPRE与LSTU属性(前者为PDMS中的三通阀等级，后者为三通阀下一个管子等级)，为SPRE/U17.15C13/VHB-200T3-DN225和LSTU/U6.4C12/DMPA206UU0，然后管道应力分析计算集成引擎自动解析SPRE属性生成VHB-200T3-DN225，再根据VHB-200T3-DN225自动查找主数据库中阀门参数属性，得到对应的阀门本体重量为900kg，电动执行机构重量400kg，阀门总长度1.6m。

C.对所获得的各元件属性通过筛选、分类和组合，解析为包含应力分析软件可识别数据格式的元件属性的应力分析输入文件。

C1.管件及相邻管件间直段的坐标生成方法：

管件坐标及管件方向直接从三维模型数据中读取，并生成GLIF软件的管道输入数据。坐标信息是用来与相邻元件的坐标信息求差值，计算出两个元件间的连接管道在X、Y、Z三维方向分别延伸的长度。例如读取管道三维模型中的等级属性，映射到PDMS软件中的管件主数据库，查找对应的管件参数。然后通过读取管件等级SPREF，到元件等级数据库中查找对应管件参数，得到对应的弯头外径、弯头壁厚、弯曲半径、角度等数据。读取管子等级LSTUBE到元件等级数据库查找对应管道参数，得到管道外径、管道壁厚、管道单重。读取保温等级ISPE/PXJ-INSU-SPEC，到元件等级数据库查找对应管道保温参数，得到保温厚、保温容重、保护层厚度、保护层容重等数据，通过从元件等级数据库得到的参数计算出单位长保温重和水重，进而得到单位长管重。

例如在上述的管道输出数据中，由数据：

NEW BRANCH/3号机一段抽汽/B1

HPOS E 19855N 11000U 8440

TPOS E 25700N 19078U 6315

HBOR 125

TBOR 150

HCON BWD

TCON BWD

TEMP 404.2

PRES 3.1

HSTU/U6.4C12/DMPA206PP0

对应到在GLIF应力分析软件中，原点坐标为分支的头位置为：

100,19.855,11.000,8.440

记录形式：NC,XX,YY,ZZ

记录内容：

NC＝100给定原点坐标记录

XX，YY，ZZ––原点坐标

分支的头和尾的公称通径分别为HBOR＝DN125、TBOR＝DN150，温度为TEMP＝404.2℃，压力PRES＝3.1MPa。

通过PDMS三维数据中每一个相邻元件的坐标差值，可以计算出GLIF数据中的管道所走的长度，如上述管道PDMS数据中分支头的位置：

NEW BRANCH/3号机一段抽汽/B1

HPOS E 19855N 11000U 8440

TPOS E 25700N 19078U 6315

到第一个相邻元件：

NEW REDUCER

POS E 19855N 11000U 8280

ORI Y is N and Z is W

再到第二个相邻元件：

NEW ELBOW

POS E 19855N 11000U 6000

ORI Y is N and Z is E

再到第三个元件

NEW VALVE

POS E 19855N 12000U 6000

从分支头到大小头，Z负方向走了160mm，大小头到弯头，Z负方向走了2280mm，弯头到阀门，Y正方向走了1000mm，因此生成的GLIF数据为：

10,501,101,81

1,1,1,0.000,0.000,-0.160

1,1,1,0.000,0.000,-2.051

0,1,1,0.229,90.000,1

1,1,1,0.000,0.771,0.000

此处，-0.16m为第一段，-(2.051+0.229)＝-0.228为第二段，0.771+0.229＝1.000为第三段。

记录形式如下：

NC，ISN，IEN，ITY

记录内容：

NC＝10节点编号记录

ISN––分支始节点号

IEN––分支末节点号

ITY––分支节点类型

NC，IS，IE，X，Y，Z

记录内容：

NC＝1直单元记录

IS＝0(1)––始端无焊缝(始端有焊缝)

IE＝0(1)––末端无焊缝(末端有焊缝)

X，Y，Z––单元分别在三个坐标轴上的投影长(m)

NC，IS，IE，RP，RA，IA

NC＝0弯单元记录

IS＝0(1)––始端无焊缝(始端有焊缝)

IE＝0(1)––末端无焊缝(末端有焊缝)

RP––弯曲半径(m)

RA––弯曲角度(度)

IA––弯单元种类(IA＝1热压弯头，IA＝2弯制弯头，IA＝3焊制弯头)

GLIF中对弯单元记法的处理有两种情况，及(-1,1和-1,2)。

记录内容：

NC＝-1

IWD––弯单元记法

IWD＝1直单元长度不含弯单元弯曲半径

IWD＝2直单元长度包含弯单元弯曲半径

C2.对弯头的方向及角度的判断，是解析输出数据中的ORI Y is N and Z is E，这里用来确定弯头的方向。默认弯头水平铺在XOY平面，依照流体流向为X-O-Y，X为流体进口方向，Y为流体出口方向，即弯头离开点为N方向。Z方向为E方向，通过右手定则，大拇指指向Z方向，四指从X转向Y，这里可以确定X方向为D方向，即弯头到达点为D方向。通过ORI Yis N and Z is E，确定了弯头的走向。

C3.通过等级名称，遍历数据库获取管件具体参数的方法，以及等级改变时获取并记录当前外径，温度，压力等的方法：

1)读取管道模型中的等级属性，映射到管件主数据库，查找对应的管件参数。如上述弯头，读取NEW ELBOW下SPRE与LSTU属性(前者为PDMS中的弯头等级，后者为弯头下一个管子等级)。

对应到GLIF输入数据为：

60,Do,S,GW

61,Do,S,GW

然后管道应力分析计算集成引擎通过读取管件等级SPREF，到元件等级数据库查找对应管件参数，得到对应的弯头外径为Do，弯头壁厚为S，弯曲半径为RP，角度为RA。读取管子等级LSTUBE到元件等级数据库查找对应管道参数，得到管道外径Do，管道壁厚S，管道单重W1。读取保温等级ISPE/PXJ-INSU-SPEC，到元件等级数据库查找对应管道保温参数，得到保温厚，保温容重，保护层厚度，保护层容重。

GW＝W1+W2+W水，其中GW为单位长管重，W1为管道单重，W2为保温保护层重，W水为管道内水重。

通过从元件等级数据库得到的参数计算出单位长保温重和水重，进而得到单位长管重GW。

保温重：3.14×((管径/2+保温厚)2-(管径/2)2)×保温容重

保护层重:3.14×(((管径+2×保温厚)/2+保护层厚)2-((管径+2×保温厚)/2)2)×保护层容重

水重：3.14×((管径-2×壁厚)/2)²×1000

W₂＝保温重+保护层重，W_水＝水重

因此，得到GLIF输入数据：

60,Do,S,W₁+W₂+W_水

61,Do,S,W₁+W₂+W_水

2)读取阀门的等级属性，NEW VALVE下SPRE与LSTU属性(前者为PDMS中的阀门等级，后者为阀门下一个管子等级)，然后管道应力分析计算集成引擎通过管件等级SPREF，到元件等级数据库查找对应管件参数，得到阀门长度L，到达点P_A坐标，离开点P_L坐标，阀门单重W，阀门型号。生成GLIF中阀门记录数据。通过以下公式计算出阀门总重：阀门单重+2×阀门长度×(保温重+保护层重)+法兰重+阀门长度×水重，此处单位长保温重、保护层重和水重为与阀门相连的管道保温、保护层重及水重，保温重、保护层重及水重的算法请参照上述1中的说明，法兰重根据法兰等级查找典管得出。阀门线胀系数一般取0，因为阀门是组合件，各部分膨胀不均匀，且材质膨胀小。

3)读取大小头等级属性，NEW REDUCER下SPRE与LSTU属性(前者为PDMS中的大小头等级，后者为大小头下一个管子等级)，然后管道应力分析计算集成引擎通过管件等级SPREF，到元件等级数据库查找对应管件参数，得到大小头长度L，到达点P_A坐标，离开点P_L坐标，大头外径D1，壁厚S1，小头外径D2，壁厚S2，大小头单重W，小头长度l₁，大头长度l₂，管身长度l。

生成GLIF中大小头记录数据为：

5,IS,IE,X,Y,Z,D1,S1,RA1,D2,S2,GW5

大小头到达点P_A坐标(X₁,Y₁,Z₁)，离开点P_L坐标(X₂,Y₂,Z₂)，大小头在三个坐标轴上投影为：

X＝X₂-X₁，Y＝Y₂-Y₁，Z＝Z₂-Z₁

角度RA1为管身和大头间的家教，计算如下：

$tg\∠RA1=\frac{(D1-D2)/2}{l-l_1-l_2},\∠RA1=arctg\[\frac{(D1-D2)/2}{l-l_1-l_2}\]$

GW5＝大小头单重+大小头长度×(保温重+保护层重)+大小头长度×水重

C4.三通阀与三通一样，比较复杂和特殊，如果处理不好，将导致整个算法最后生成结果的错误，因此对三通阀需要进行专门的特殊处理，尤其是经过三通阀时介质的流向。如图10所示，将三通阀的三个口分别定义为P1、P2、P3，P1点为介质流入的方向，P2、P3点为介质流出方向。介质流过三通阀时，可以有几种方向的途径，如图11至16所示的几种情形，涵盖了几乎所有的情形。

如图11至图13所示，首先要判断介质从P1点流经P0点再流向P2点的走向。可以分为3种情况，一种是图11所示通过途径1-2-3到达P2(P1通过途径1到达P0，P0通过途径2到达P2’，P2’通过途径3到达P2)，第二种是图12所示通过途径1-4到达P2，第三种是图13所示通过途径1-5-6到达P2(P1通过途径1到达P0，P0通过途径5到达P2’，P2’通过途径6到达P2)。这里通过与流出P2点后的介质走向的反方向推导出P2点与P0点的连接途径。如果P2点后的介质流向是沿着图示11的方向，途径3应该与介质管道在同一条直线上，且方向相同，再过途径3作P1-P0的垂线，形成途径2。由此便判断出P0点到达P2点是经途径2-3，则P1到达P2是经途径1-2-3。以此类推，可以判断出图14至图16所示的三通阀P1点到达P3点的走向。例如图14所示的情况，P1通过途径1到达P0，P0通过途径2到达P3’，P3’通过途径3到达P3。图16中是P1通过途径1到达P0，P0通过途径5到达P3’，P3’通过途径6到达P3。

将三通阀数据记录为GLIF数据：

NC,IS,IE,X,Y,Z,RLO,ALPHA

NC＝4：刚性件记录

IS＝0(1)：始端无焊缝(始端有焊缝)

IE＝0(1)：末端无焊缝(末端有焊缝)

X，Y，Z：刚性件在三个坐标轴上的投影(m)

RLO：刚性件重量(kg)

ALPHA：刚性件线胀系数(10–4cm/m℃，10–6/℃)

判断三通阀每一段的重量。如图10所示，三通阀分为5段，段1长为L1，段2长L2，段3长L3，段4长L4，段5长L5。电动执行机构垂直于段1位于段1上方，因此重量集中在段2上。而阀门本体重量均布在5段上。此处本体重量是参照步骤C3的2)项所述方法计算得到的阀门总重。

段1重W1：本体重量/(L1+L2+L3+L4+L5)×L1

段2重W2：本体重量/(L1+L2+L3+L4+L5)×L2+电动执行机构重量

段3重W3：本体重量/(L1+L2+L3+L4+L5)×L3

段4重W4：本体重量/(L1+L2+L3+L4+L5)×L4

段5重W5：本体重量/(L1+L2+L3+L4+L5)×L5

P0坐标(X₀,Y₀,Z₀)，P1坐标(X₁,Y₁,Z₁)，P2坐标(X₂,Y₂,Z₂),P2’坐标(X_2’,Y_2’,Z_2’)，P3坐标(X₃,Y₃,Z₃)，P3’坐标(X_3’,Y_3’,Z_3’)。

P1到P0：

4,1,1,X₀-X₁,Y₀-Y₁,Z₀-Z₁,W1，ALPHA

P0到P2：

4,1,1,X_2’-X₀,Y_2’-Y₀,Z_2’-Z₀,W2，ALPHA

4,1,1,X₂-X_2’,Y₂-Y_2’,Z₂-Z_2’,W3，ALPHA

P0到P3：

4,1,1,X_3’-X₀,Y_3’-Y₀,Z_3’-Z₀,W4，ALPHA

4,1,1,X₃-X_3’,Y₃-Y_3’,Z₃-Z_3’,W5，ALPHA

例如上面已读取阀门本体加上保温保护层后重量为1000kg，电动执行机构重量400kg，阀门长度L1+L2+L3+L4+L5＝0.4+0.2+0.4+0.2+0.4＝1.6m。则可计算出段1重250kg，段2重525kg，段3重250kg，段4重125kg，段5重250kg。因此，生成GLIF输入数据为：

P1到P0，段1走的Y正方向：

4,1,1,0.000,0.400,0.000,250.000,0.000

P0到P2，段2走的Z正方向，段3走的Y正方向：

4,1,1,0.000,0.000,0.200,525.000,0.000

4,1,1,0.000,0.400,0.000,250.000,0.000

P0到P3，段4走的Z负方向，段5走的Y负方向：

4,1,1,0.000,0.000,-0.200,125.000,0.000

4,1,1,0.000,-0.400,0.000,250.000,0.000

C5.对PDMS三维模型中以弯头直接连接弯头，或者以弯头开头或结尾的元件，如果是以弯头起始的管件，则在弯头的起始位置加一个直线段，如果弯头是在管件的尾端，则在弯头的末端加一个直线段，用来确定管件走的方向。

如图17所示，L为带有方向的直线段，假设X、Y、Z都是等长，长度均为a，方向均为正向。则I长为L长为L为长为0.001的直线段，X、Y、Z长度分别为

生成的GLIF数据为：

$1,1,1,\frac{0.001\sqrt{3}}{3},\frac{0.001\sqrt{3}}{3},\frac{0.001\sqrt{3}}{3}$

而直线段方向为图中L方向。

同理，若直线段方向为l方向，l长0.001，X长为Y长为Z长为0.001×0＝0。

生成GLIF数据为：

$1,1,1,\frac{0.001\sqrt{2}}{2},\frac{0.001\sqrt{2}}{2},0$

若直线段为X方向，X长为0.001×1＝0.001，Y长为0.001×0＝0，Z长为0.001×0＝0。

生成GLIF数据为：

1,1,1,0.001,0.000,0.000

D.通过应力分析软件对所述应力分析输入文件中的数据进行计算，生成包含应力分析数据的应力分析输出文件。

Claims (10)

1.管道设计中应力分析向三维模型的数据转换方法，其特征包括：

A.建立满足应力要求的应力分析模型，通过遍历所述应力分析模型，获得其中的管道拓扑结构、各元件的空间坐标及相互关系，以及包括各种等级信息的元件参数；

B.将获得的信息按照三维模型软件可解析的格式生成中间文件；

C.建立三维模型软件的元件等级数据库；

D.根据中间文件中的分支等级名称和元件的等级名称遍历所述元件等级数据库，为对应的分支和元件赋予真实的等级模型，再结合所述中间文件中的管道拓扑结构、各元件的空间坐标及相互关系在三维软件中生成三维模型。

2.如权利要求1所述的管道设计中应力分析向三维模型的数据转换方法，其特征为：步骤A中遍历应力分析模型获取元件的空间坐标时，先从应力分析模型中读取具有三维坐标的参考点P(x,y,z)，其中x、y、z分别表示参考点P的不同坐标轴上的值，参考点P随遍历应力分析模型的元件的过程移动，当遍历到代表相应元件的数据时，保存此时的参考点P的坐标作为该元件的坐标。

3.如权利要求1所述的管道设计中应力分析向三维模型的数据转换方法，其特征为：步骤A中遍历应力分析模型获取对元件的方向信息时，是对离元件最近的直段的三个坐标轴方向上的增量归一化近似计算，得到的单位向量为该元件的方向，将该方向保存为三维模型软件可识别的格式。

4.如权利要求1所述的管道设计中应力分析向三维模型的数据转换方法，其特征为：步骤A中遍历应力分析模型获取元件的等级信息时，在遍历过程中有任一等级信息发生改变后，将改变后的该等级信息作为所有元件新的等级，直到该等级信息再次改变。

5.如权利要求1所述的管道设计中应力分析向三维模型的数据转换方法，其特征为：步骤A中遍历应力分析模型获取三通信息时，先根据三通的直管和支管定义介质出/入情形，遍历三通时在每次进入或离开三通时计算与其最近的直段的方向增量作为三通的方向，通过比较第一和第二次离开或进入三通的方向，结合所述定义的情形，确定直管和支管的实际方向；同时根据介质进入或离开三通时是否有中断来确定所连接分支的类型。

6.管道设计中三维模型向应力分析的数据转换方法，其特征包括：

A.以元件的等级名称为索引建立包含各元件参数的元件等级数据库；

B.在三维设计软件中建立三维模型，并根据三维模型中元件的等级名称，在所述元件等级数据库中获得对应元件的各属性；

C.对所获得的各元件属性通过筛选、分类和组合，解析为包含应力分析软件可识别数据格式的元件属性的应力分析输入文件；

D.通过应力分析软件对所述应力分析输入文件中的数据进行计算，生成包含应力分析数据的应力分析输出文件。

7.如权利要求6所述的管道设计中三维模型向应力分析的数据转换方法，其特征为：步骤C在生成应力分析输入文件时对相邻元件间直段的坐标解析，是从步骤B获得的元件属性中读取元件的坐标和方向，通过所读取的坐标和方向计算出相邻元件间的连接管道在X、Y、Z三个方向分别延伸的长度。

8.如权利要求6所述的管道设计中三维模型向应力分析的数据转换方法，其特征为：步骤C在生成应力分析输入文件时，通过右手定则来确定弯头的走向。

9.如权利要求6所述的管道设计中三维模型向应力分析的数据转换方法，其特征为：步骤C在生成应力分析输入文件时对三通阀数据的解析，是通过介质流出三通阀时走向的反方向得到三通阀的实际结构。

10.如权利要求6所述的管道设计中三维模型向应力分析的数据转换方法，其特征为：步骤C在生成应力分析输入文件时对以弯头起始或结尾的管件，根据弯头位于管件的起始端或尾端的不同情况，分别对应在弯头起始位置或弯头末端加一个直线段来确定管件的走向。