CN110688792B - 一种基于catia与ansys的平底对称y型钢岔管的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法，所述方法为在CATIA中建立岔管的二维草图，将控制岔管体型特征的变量参数化，将反映岔管体型是否合理的数据作为参考约束，建立岔管三维模型的标准模板；调整标准模板中的参数，CATIA自动更新生成岔管的三维模型；AUTOCAD导入岔管的三维模型，并将三维模型输出为iges格式，在ANSYS中读取iges格式文件，生成岔管三维模型，通过调整管壁厚度与肋板截面，将应力控制在要求之内，完成计算分析；在CATIA中对空间岔管分片进行展开，得到各个分片岔管平面图，并绘制成施工详图。这种基于CATIA与ANSYS的信息化的设计方法可快速对钢岔管进行建模、计算分析及精确绘制施工图，显著提高效率。

Description

一种基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程的计算机辅助设计技术领域，特别是一种基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法。

背景技术

月牙肋岔管是由三梁式岔管不断演变、改进而来的一种岔管型式，因其结构受力好，管内水流平顺，水头损失小等优点，是目前国内外水利水电工程中应用较多的一种岔管型式。月牙肋岔管的主管与支管的轴线布置在同一高程上(岔管中部上下鼓包)，由于主管半径大于支管半径，钢管检修时，导致管内不能自流排水，多数是采用水泵抽水或在钢岔管上开孔并接专用排水系统的措施排水，给设计、施工与检修等带来了不便，当岔管的规模较大时，主管与支管半径差值增加，岔管最低点与支管的最低点存在较大的高差，淤积物更多，排水设施更易堵塞。针对该问题，国内学者与工程技术人员对月牙肋岔管进行了改进，其中一种平底钢岔管(如图2-4所示，底部是平的，只向上面鼓包)能通过管内水体的自由流动，有效的解决排水问题，但该岔管的形式新颖，国内外没有相关的设计手册对其进行计算分析，同时其空间型式复杂，绘制施工图比较繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法，利用CATIA软件的参数化建模、三维可视化及与有限元软件ANSYS良好的接口，利用ANSYS计算能力强等特性，提高水利工程的设计效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法，所述平底对称Y型钢岔管由主管(1)、主锥(2)、左支锥(3)、左支管过渡管(4)、左支管(5)、右支锥(6)、右支管过渡管(7)、右支管(8)及月牙肋(9)组成，主管内接球、支管过渡管内接球及支管内接球底部共面，平底岔管沿月牙肋(9)所在平面左右对称，平底岔管上下不对称，所述月牙肋(9)为非对称结构，所述设计方法包括以下步骤：

步骤一、在CATIA中建立两个坐标系，两坐标系共原点，XY平面之间的夹角为β，分别在两坐标系的XY平面建立主岔与支岔的二维草图，坐标原点定位在公切球的中心点，将控制岔管体型特征的变量作为参数，将反映岔管体型是否合理的数据作为参考约束，母线与旋转轴定义为输出特征，在CATIA的“线框与曲面设计”模块中通过母线绕旋转轴旋转生成空间曲面圆锥台，利用“创成式外形设计”模块通过相交、切割与对称命令，建立岔管三维模型的标准模板；

步骤二、调整所述标准模板中的参数，将参考约束控制在合理范围之内，CATIA自动更新生成CATPart格式的岔管的三维模型；

步骤三、通过AUTOCAD“输入”命令导入CATPart格式的岔管的三维模型，并将三维模型输出为iges格式的文件，在导入过程中对AUTOCAD与CATIA的单位进行统一，在ANSYS中读取iges格式的文件，生成岔管三维模型，根据锅炉公式计算出岔管管壁初始厚度，设置材料属性、划分网格，岔管与肋板均采用壳单元，施加约束等后进行求解，通过调整管壁厚度与肋板截面，将应力控制在要求之内，完成计算分析；

步骤四、在CATIA中对空间岔管分片进行展开，得到各个分片岔管平面图，并绘制成施工详图。

进一步的，步骤二中当岔管尺寸变化较大时，除了变化参数之外，还需调整草图中母线的长度，保证主岔与支岔管的母线在空间全部相交。

进一步的，步骤三中在导入过程中对AUTOCAD与CATIA的单位进行统一具体为：均设置为mm。

进一步的，步骤三中的月牙肋为非对称结构，月牙肋内、外缘由4个不同的椭圆方程生成，月牙肋采用壳单元划分网格。

进一步的，步骤一中将控制岔管体型特征的变量作为参数，将反映岔管体型是否合理的数据作为参考约束具体为：提取R0，R1，R2，R3，A1，A2，A3，β作为参数，其中R0为公切球的半径；R1为主管内接球的半径；R2，R3分别为支管过渡管及支管内接球的半径；A1为公切球原点到主管内接球原点的距离；A2为公切球原点到支管过渡管内接球原点的距离；A3为支管过渡管内接球原点到支管内接球原点的距离；β为0.5倍的分叉角；将α1，α2，α3设置为参考约束，其中α1为主锥管腰线折角，α2，α3分别为支锥管的腰线折角。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下效果：

(1)利用CATIA强大的参数化设计功能，将控制岔管体型的变量作为参数，反映岔管体型特征的数据作为参考约束，建立岔管三维模型的标准模板，针对各个不同尺寸的岔管，只需改变标准模板中的参数(尺寸变化较大时，还需更改草图中母线的长度)，将参考约束控制在规范之内，就能自动更新生成岔管的三维模型，无需一步一步的建立三维模型，减少了重复工作，提高了建模速度。

(2)CATIA在网格划分、计算及后处理方面存在不足，将模型导入ANSYS进行计算分析，无需在ANSYS中重新建立三维模型，也省去了解析法将岔管简化为平面问题的繁琐工作。

(3)CATIA能将空间曲面展开为平面，可迅速、准确的得到岔管展开图，方便下料和拼接，而在CAD中采用画法几何方法进行展开存在误差，且工作量大。

附图说明

图1为本发明基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法的流程图；

图2为本发明所要设计的平底对称Y型钢岔管的立体结构图；

图3为本发明所要设计的平底对称Y型钢岔管的俯视图；

图4为本发明所要设计的平底对称Y型钢岔管的主视图；

图5为本发明所要设计的平底对称Y型钢岔管的非对称月牙肋；

图6为本发明步骤1中主管与主锥的二维草图及标准模板中的参数与控制约束；

图7为本发明步骤1中支管、支管过渡管与支锥的二维草图及标准模板中的参数与控制约束。

图5中：月牙肋外缘1、2为不同的椭圆方程；月牙肋内缘3、4为不同的椭圆方程；

图6中：R0为公切球的半径；R1为主管内接球的半径；A1为公切球原点到主管内接球原点的距离；α1为主锥管腰线折角。其中R0，R1，A1为参数，α1为参考约束；

图7中：R0为公切球的半径；R2，R3分别为支管过渡管及支管内接球的半径；A2为公切球原点到支管过渡管内接球原点的距离；A3为支管过渡管内接球原点到支管内接球原点的距离；α2，α3分别为支锥管的腰线折角。其中R0，R2，R3，A2，A3为参数，α2，α3为参考约束。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明，但要求保护的范围并不局限于所述。

一种基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法，如图3所示，所述平底对称Y型钢岔管由主管1、主锥2、左支锥3、左支管过渡管4、左支管5、右支锥6、右支管过渡管7、右支管8及月牙肋9组成，主管内接球、支管过渡管内接球及支管内接球底部共面，平底岔管沿月牙肋9所在平面左右对称，平底岔管上下不对称，所述月牙肋9为非对称结构。如图1所示流程，本发明设计方法具体步骤如下：

(1)在CATIA中建立两个坐标系，两坐标系共原点，XY平面之间的夹角为β，分别在两坐标系的XY平面建立主岔与支岔的二维草图，坐标原点定位在公切球的中心点，如图6和图7所示，提取R0，R1，R2，R3，A1，A2，A3，β作为参数，其中R0为公切球的半径；R1为主管内接球的半径；R2，R3分别为支管过渡管及支管内接球的半径；A1为公切球原点到主管内接球原点的距离；A2为公切球原点到支管过渡管内接球原点的距离；A3为支管过渡管内接球原点到支管内接球原点的距离；β为0.5倍的分叉角。

将α1，α2，α3设置为参考约束，其中α1为主锥管腰线折角，α2，α3分别为支锥管的腰线折角；将母线与旋转轴定义为输出特征，在CATIA的“线框与曲面设计”模块中通过母线绕旋转轴旋转生成空间曲面圆锥台，利用“创成式外形设计”模块通过相交、切割与对称等命令，建立岔管三维模型的标准模板，该模型具有修改参数，能自动重新生成模型的功能。

(2)调整所述标准模板中的参数，将参考约束控制在规范之内，CATIA自动更新生成CATPart格式的岔管的三维模型，当岔管尺寸变化较大时，除了变化参数之外，还需调整草图中母线的长度，保证主岔与支岔管的母线在空间全部相交。

(3)由于ANSYS直接读取CATIA三维模型存在数据丢失问题，因此通过AUTOCAD“输入”命令导入CATPart格式的岔管的三维模型，并将三维模型输出为iges格式的文件，AUTOCAD与CATIA中的单位均设置为mm，在ANSYS中读取iges格式的文件，生成岔管三维模型，根据锅炉公式计算出岔管管壁初始厚度，肋板的厚度是大体为管壁厚的2～2.5倍，设置材料属性、划分网格，岔管与肋板均采用壳单元(通过比较分析，在不影响计算精度的前提下，为了简化计算，有限元分析时，岔管管壁与肋板均采用壳单元)，施加约束等后进行求解，通过调整管壁厚度与肋板截面，将应力控制在要求之内，完成计算分析；如图5所示，月牙肋为非对称结构，月牙肋内、外缘由4个不同的椭圆方程生成(月牙肋外缘1、2为不同的椭圆方程；月牙肋内缘3、4为不同的椭圆方程)，月牙肋采用壳单元划分网格。

(4)在CATIA中对空间岔管分片进行展开，得到各个分片岔管平面图，将岔管三维图与展开图导入到工程图模块，标出展开后的零件尺寸，以便工厂下料制作，并绘制成施工详图。

因此，将CATIA的三维建模功能及ANSYS强大的计算能力等引入到水利工程中显得有一定的必要性，不仅能有效解决二维图的直观性问题，也避免了重复性的建模工作，同时克服了现有设计手册无法对平底岔管进行受力分析。

以上详细描述了本发明的实施方式，但是，本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可轻易对本发明的技术方案变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法，所述平底对称Y型钢岔管由主管(1)、主锥(2)、左支锥(3)、左支管过渡管(4)、左支管(5)、右支锥(6)、右支管过渡管(7)、右支管(8)及月牙肋(9)组成，主管内接球、支管过渡管内接球及支管内接球底部共面，平底岔管沿月牙肋(9)所在平面左右对称，平底岔管上下不对称，所述月牙肋(9)为非对称结构，其特征在于所述设计方法包括如下步骤：

步骤一、在CATIA中建立两个坐标系，两坐标系共原点，XY平面之间的夹角为β，分别在两坐标系的XY平面建立主岔与支岔的二维草图，坐标原点定位在公切球的中心点，将控制岔管体型特征的变量作为参数，将反映岔管体型是否合理的数据作为参考约束，母线与旋转轴定义为输出特征，在CATIA的“线框与曲面设计”模块中通过母线绕旋转轴旋转生成空间曲面圆锥台，利用“创成式外形设计”模块通过相交、切割与对称命令，建立岔管三维模型的标准模板；

步骤二、调整所述标准模板中的参数，将参考约束控制在合理范围之内，CATIA自动更新生成CATPart格式的岔管的三维模型，其中月牙肋为非对称平面；

步骤三、通过AUTOCAD“输入”命令导入CATPart格式的岔管的三维模型，并将三维模型输出为iges格式的文件，在导入过程中对AUTOCAD与CATIA的单位进行统一，在ANSYS中读取iges格式的文件，生成岔管三维模型，根据锅炉公式计算出岔管管壁初始厚度，设置材料属性、划分网格，岔管与肋板均采用壳单元，施加约束等后进行求解，通过调整管壁厚度与肋板截面，将应力控制在要求之内，完成计算分析；

步骤四、在CATIA中对空间岔管分片进行展开，得到各个分片岔管平面图，并绘制成施工详图。

2.如权利要求1所述的基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法，其特征在于：步骤二中当岔管尺寸变化较大时，除了变化参数之外，还需调整草图中母线的长度，保证主岔与支岔管的母线在空间全部相交。

3.如权利要求1所述的基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法，其特征在于：步骤三中在导入过程中对AUTOCAD与CATIA的单位进行统一具体为：均设置为mm。

4.如权利要求1所述的基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法，其特征在于：步骤三中的月牙肋为非对称结构，月牙肋内、外缘由4个不同的椭圆方程生成，月牙肋采用壳单元划分网格。

5.如权利要求1所述的基于CATIA与ANSYS的平底对称Y型钢岔管的设计方法，其特征在于：步骤一中将控制岔管体型特征的变量作为参数，将反映岔管体型是否合理的数据作为参考约束具体为：提取R0，R1，R2，R3，A1，A2，A3，β作为参数，其中R0为公切球的半径；R1为主管内接球的半径；R2，R3分别为支管过渡管及支管内接球的半径；A1为公切球原点到主管内接球原点的距离；A2为公切球原点到支管过渡管内接球原点的距离；A3为支管过渡管内接球原点到支管内接球原点的距离；β为0.5倍的分叉角；将α1，α2，α3设置为参考约束，其中α1为主锥管腰线折角，α2，α3分别为支锥管的腰线折角。

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