JP2004243347A

JP2004243347A - ボイラ耐圧部における３次元曲管の自動管曲げ方法及び自動管曲げ装置

Info

Publication number: JP2004243347A
Application number: JP2003033958A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Aida; 清相田; Toru Yabuki; 亨藪木
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】３次元曲管製作における加工精度を保持しつつ、その製作の自動化が可能な３次元曲管の自動管曲げ方法を提供する。
【解決手段】曲管１Ｌの２次元図面に基づいて曲管の３次元ＣＡＤモデルを作成し、その曲管１Ｌの複数箇所の管曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより管のたわみ量を自動計算して管曲げデータを自動作成し、その管曲げデータを管曲げ機４に入力して自動的に管曲げを行なうことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばバーナ開口部などのボイラ耐圧部に係り、特にそのボイラ耐圧部を構成する３次元曲管の自動管曲げ方法及び自動管曲げ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２はボイラ装置の概略構成図で、同図にようにボイラ耐圧部としては、例えば炉壁部２３に形成された多数個のバ−ナ開口部２２などが挙げられる。
【０００３】
図１３に３次元曲管で構成されるバーナ開口部２２の詳細を示す。同図に示すように、バーナ開口部２２には円筒形のバーナ（図示せず）が挿入設置されるため、３次元に折り曲げられた多数本の曲管１Ｌ〜１９Ｌ，１Ｒ〜１９Ｒで構成されている。これらの曲管１Ｌ〜１９Ｌ，１Ｒ〜１９Ｒは複雑な３次元形状をしており、従来この設計ならびに製造過程において、人手を介した多大な労力を要していた。
【０００４】
従来の設計ならびに製造法を以下に具体的に説明する。図１４に示すような３次元曲管１Ｌを管曲げ機（図示せず）により製作する際、図１５に示す過程が実施されていた。
【０００５】
つまり、２次元図面により管の幾何学形状を手動で作成（Ｓ３１）し、管曲げ機で複数箇所の管曲げをする際に加工精度を保持するため、自重及び重心位置を考慮した管のたわみ量を計算して（Ｓ３２）、このたわみ量を考慮した管曲げデータを作り（Ｓ３３）、このデータを管曲げ機に手入力することにより曲管を作製しており（Ｓ３４）、２次元図面の作成から実際の管曲げ作業に至るまで非常に手間がかかっていた。
【０００６】
図１５に示す各過程Ｓ３１〜Ｓ３４を、図１６〜図２１を用いて説明する。最初に、管の幾何学形状（２次元図面）の手動による作成過程（Ｓ３１）を、図１６〜図１９を用いて説明する。
【０００７】
実際に作りたいのは図１４に示す３次元曲管１Ｌであるが、従来では図１６〜図１９のように、２次元の図面情報が作成される。図１６、図１７、図１８及び図１９は、各々、図１４に示す３次元曲管１Ｌの正面図情報１０１、側面図情報１０２、平面図情報１０３及び曲管情報１０４を示す。
【０００８】
これらの情報１０１〜１０４から、設計者の頭中で図２０に示す３次元曲管１Ｌがイメージされる。またこのイメージのもとに、管曲げ機（図示せず）により、管曲げ開始点１０５から、管曲げ作業進行方向１０６に沿って順に複数の管曲げ作業２０１，２０２，２０３，２０４，２０５が実施される。
【０００９】
これらの管曲げ作業２０１〜２０５では、管曲げ機が曲管１Ｌを片持ち支持する形で管１Ｌを曲げる。従って片持ち支持されることにより、曲管１Ｌの自重及び重心位置を考慮したたわみが曲管１Ｌに生じ、これが設定した曲げ寸法に影響を与える誤差要因となる。よって各曲げ作業２０１〜２０５におけるたわみ量が各々計算され、これを補正するように、図２１に示す管曲げ用入力データＳ１〜Ｓ９，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ８を手動で作成する必要がある。
【００１０】
配管の強度設計を行なう演算処理装置としては、例えば下記の特許文献１などを挙げることができる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−３１７５０６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術では、管曲げ機で複数箇所の管曲げをする際に加工精度を保持するため、自重及び重心位置を考慮した管のたわみ量を計算し、このたわみ量を考慮した管曲げデータを作成し、このデータを管曲げ機に手入力することにより曲管を作製しており、管曲げに至るまでに非常に手間がかかり、作業効率が悪いという欠点を有している。
【００１３】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、３次元曲管製作における加工精度を保持しつつ、その製作の自動化が可能な３次元曲管の自動管曲げ方法及び自動管曲げ装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、ボイラ耐圧部における３次元曲管の自動管曲げ方法において、前記曲管の２次元図面に基づいて曲管の３次元ＣＡＤモデルを作成し、その曲管の複数箇所の管曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより管のたわみ量を自動計算して管曲げデータを自動作成し、その管曲げデータを管曲げ機に入力して自動的に管曲げを行なうことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記管曲げデータを作成する際、前記曲管の３次元ＣＡＤモデルを自動読み込みして管の有限要素モデルを自動作成するとともに、曲管の３次元ＣＡＤモデルから管曲げ寸法を自動抽出して、それを管曲げ機による管曲げ変形量の目標値に設定し、管曲げ機による複数箇所の連続曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより管の自重や重心位置を考慮した管曲げ変形量を推定し、前記設定した目標値との偏差をゼロにするように、管曲げ機に自動入力する管曲げデータを作成することを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第３の手段は、ボイラ耐圧部における３次元曲管の自動管曲げ装置において、前記曲管の２次元図面に基づいて曲管の３次元ＣＡＤモデルを作成する３次元ＣＡＤモデル作成装置と、その３次元ＣＡＤモデル作成装置によって作成された３次元ＣＡＤモデルに基づいて、曲管の複数箇所の管曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより管のたわみ量を自動計算して管曲げデータを自動作成する管曲げデータ作成装置と、その管曲げデータ作成装置で作成された管曲げデータを自動入力して、管の管曲げ動作を行なう管曲げ機とを備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
本発明は、主として次のような構成を有している。
（１）．２次元図面に基づいて設計したボイラ耐圧部の３次元曲管の幾何デ−タを管曲げ機に入力して３次元曲管を作製する方法において、３次元ＣＡＤで設計したボイラ耐圧部の３次元曲管モデルの幾何デ−タを管曲げ機に自動入力する際、管曲げ機による複数箇所の連続管曲げ時における管曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより管のたわみ量を自動計算して、この管のたわみ量を考慮した管曲げデータを自動作成し、この管曲げデータを管曲げ機に自動入力して自動的に管曲げを実施する。
【００１８】
（２）．前記（１）において、管の３次元モデルを自動読み込みして管の有限要素モデルを自動作成するとともに、管の３次元モデルから管曲げ寸法を自動抽出して、それを管曲げ機による管曲げ変形量の目標値に自動設定し、管曲げ機による複数箇所の連続曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより管の自重や重心位置を考慮した管曲げ変形量を推定し、前記設定した目標値との偏差をゼロにするように、管曲げ機に自動入力する管曲げデータを自動作成する。
【００１９】
３次元ＣＡＤで設計したボイラ耐圧部の３次元曲管モデルを用いることにより、管曲げ機による複数箇所の連続管曲げ時における管曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより管のたわみ量の自動計算が可能となる。また、この管のたわみ量を考慮した管曲げデータを自動作成して管曲げ機に自動入力することにより、３次元曲管の自動製作が可能である。
【００２０】
このように３次元曲管製作における加工精度を保持しつつ、その製作の自動化を達成できることから、従来、曲管作製に要していた手間が無くなり、大幅な作業効率化が図れる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るボイラ耐圧部における３次元曲管の自動管曲げ方法及び装置について、図面を参照しながら以下説明する。
【００２２】
図１に実施形態に係る３次元曲管の自動管曲げ装置の概略構成を、図２に３次元曲管の作製過程を示す。図１に示すように本発明に係る自動管曲げ装置１は、３次元ＣＡＤモデル作成装置２と、管曲げデータ作成装置３と、管曲げ機４とから主に構成される。
【００２３】
この自動管曲げ装置１による３次元曲管の作製過程は図２に示すように、まず、Ｓ１で３次元ＣＡＤモデル作成装置２により、図１４に示す曲管１Ｌの３次元ＣＡＤモデルを作成する。次にＳ２で管曲げデータ作成装置３により、管曲げ過程を模擬し、有限要素解析に基づく管のたわみ量を考慮した管曲げデータを自動的に作成する。作製した管曲げデータを管曲げ機４に自動入力することにより曲管を自動作製する（Ｓ３）。
【００２４】
次に、管曲げ過程を模擬し、有限要素解析に基づく管のたわみ量を考慮した管曲げデータの自動作成を行なうＳ２について、図３を用いて詳しく説明する。この過程では最初に、Ｓ１０１で既作成である曲管の３次元ＣＡＤモデル（例えば図１４に示す曲管１Ｌのデータ）を自動的に読み込む。読み込んだ３次元モデルに基づいて管の有限要素モデルを自動的に作成するとともに（Ｓ１０２）、管曲げ寸法を自動抽出し（Ｓ１０３）、自動抽出した管曲げ半径を目標値（Ｔｉ、ｉ＝１〜Ｎ；管曲げ点数）に自動設定する（Ｓ１０４）。
【００２５】
次に管曲げを行う順番ｉ（＝１〜Ｎ）に、以下の過程を繰り返し実施する。つまり、有限要素解析に基づく、管の自重や重心位置を考慮した管曲げ半径の推定を実施し（Ｓ１０５）、管曲げ半径の目標値（Ｔｉ）に対する推定値（Ａｉ）の偏差Δｉを計算する（Ｓ１０６）。
【００２６】
ここで図４に示すように、管曲げ半径の目標値（Ｔｉ）に対して推定値（Ａｉ）は、管の自重や重心位置の作用により一致しないため、図３において以下のような過程を実施する。すなわち、管曲げ半径の目標値（Ｔｉ）に対する推定値（Ａｉ）の偏差Δｉを計算し（Ｓ１０６）、その偏差Δｉをゼロにするように管曲げ半径の設定（Ｔｉ’）を再度設定する（Ｓ１０７）。
【００２７】
この繰り返し過程において、実施する有限要素解析シミュレーションの過程を、図５〜図９に示す。詳細は後述するが概略的に云えば、管における各曲げ作業点２０１，２０２，２０３，２０４，２０５で、管の自重及び重心位置の影響を考慮した有限要素解析を各段階で実施し、前述した管曲げ機に入力する管曲げデ−タの補正を行なう。
【００２８】
図５〜図９に示す管曲げ過程の詳細について説明すると、管曲げを実施する前に、管１Ｌを曲げるために管を掴むクランプ（図示せず）は、図５の点線１０５の位置にある。その次の曲げステップとして、管１Ｌを掴むクランプ（図示せず）の位置が図５の管曲げ作業点２０１に移動し、管曲げが実施される。その際、図６の曲げ作業点２０１より紙面左側の管１Ｌの自重および重心位置が、曲げ作業点２０１に与えるたわみが、管曲げの誤差要因として影響するので、精度のよい管曲げを実施するには、このたわみ量を計算して、曲げ設定値を事前に補正することが必要となる。
【００２９】
この曲げ作業は、図６に示す管曲げ作業点２０１に続いて、図７に示す管曲げ作業点２０２、図８に示す管曲げ作業点２０３、図９に示す管曲げ作業点２０４、管曲げ作業点２０５の順に、逐次行われる。そしてその都度、前記の管自重及び重心位置が変化する状態における管たわみ量を計算し、これに対する管曲げの設定値を事前に補正する。
【００３０】
このような管曲げ実施のごとに、手動計算で補正するのは非常に時間とコストがかかるが、本発明の実施形態では、このたわみ補正作業を有限要素解析シミュレーションにて実施することにより、補正作業の自動化が図れる。
【００３１】
この図３〜図９に示す方法により自動解析によって補正された管曲げデ−タを図１０及び図１１に示す。管のたわみ量に基づき自動補正した管曲げ用入力データ２０６（パラメータＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，θ１，θ２，θ３に関する数値情報）を管曲げ機４に自動入力することにより曲管が自動作製できる。
【００３２】
この管曲げ機４への自動入力は、前記管曲げ用入力データ２０６を格納した磁気ディスクカートリッシや電子カードなどの外部記録媒体と、管曲げ機４に設けられて前記外部記録媒体との間でデータの授受ができるパソコンとの共働で行なわれる。
【００３３】
以上説明したように、本発明による３次元曲管の自動製作方法によれば、３次元ＣＡＤで設計したボイラ耐圧部の３次元曲管モデルを用いることにより、管曲げ機による複数箇所の連続管曲げ時における管曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより、管のたわみ量の自動計算が可能となる。
【００３４】
また、この管のたわみ量を考慮した管曲げデータを自動作成してを管曲げ機に自動入力することにより、３次元曲管の自動製作が可能である。
【００３５】
有限要素法は偏微分方程式の解法に１つであり、解くべき連続体の領域を多数個の小さい領域（例えば三角形の要素）に分割し、各要素の頂点の変位、材料特性、荷重および固定条件などの間に成り立つ関係式を作り、それを全領域にわたって纏めて連立一次方程式を作る。その連立一次方程式を解いて、各頂点の変位や各要素の応力などを求める方法である。有限要素モデルの特徴は、要素の大きさ、形状が任意であるから、前述の３次元曲管などの複雑な形状に適用し易いという点にある。
【００３６】
この有限要素法についての基本的事項は、例えば「基礎工学におけるマトリックス有限要素法」培風館発行１７〜３３ページに記載されている。
【００３７】
前記実施形態ではボイラ耐圧部としてバーナ開口部の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の小径管における曲管構造などのボイラ耐圧部を構成する３次元曲管にも適用可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は前述のような構成になっており、３次元曲管製作における加工精度を保持しつつ、その製作の自動化を達成できることから、従来、曲管作製に要していた煩雑な手間が無くなり、大幅な作業効率化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る３次元曲管の自動管曲げ装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る３次元曲管の自動製作方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に係る３次元曲管の自動製作方法の手順を示すフローチャートである。
【図４】管曲げの事前シミュレーションに基づく管曲げデータの補正方法を説明する図である。
【図５】管曲げの事前シミュレーションの過程を示した図である。
【図６】管曲げの事前シミュレーションの過程を示した図である。
【図７】管曲げの事前シミュレーションの過程を示した図である。
【図８】管曲げの事前シミュレーションの過程を示した図である。
【図９】管曲げの事前シミュレーションの過程を示した図である。
【図１０】管曲げの事前シミュレーションに基づいて補正した管曲げデータの各パラメータを示す説明図である。
【図１１】管曲げの事前シミュレーションに基づいて補正した管曲げデータを示す図である。
【図１２】ボイラ装置の概略構成図である。
【図１３】３次元曲管で構成されるバーナ開口部の斜視図である。
【図１４】その３次元曲管のうちの１本の曲管の斜視図である。
【図１５】従来技術に関する３次元曲管の手動製作方法の基本的な流れを示すフローチャートである。
【図１６】従来の方法で作成された曲管の正面図情報を示す図である。
【図１７】従来の方法で作成された３次元曲管の側面図情報を示す図である。
【図１８】従来の方法で作成された３次元曲管の平面図情報を示す図である。
【図１９】従来の方法で作成された３次元曲管情報を示す図である。
【図２０】従来の方法での管曲げ作業位置を示す図である。
【図２１】従来の方法での３次元曲管の管曲げ用入力データを示す図である。
【符号の説明】
１：自動管曲げ装置、２：３次元ＣＡＤモデル作成装置、３：管曲げデータ作成装置、４：管曲げ機、２２：バーナ開口部、２３炉壁部、１０５：管曲げ開始位置、２０１〜２０５：管曲げ作業点、２０６：管曲げ機に自動入力するデータ、１Ｌ〜１９Ｌ、１Ｒ〜１９Ｒ：曲管、Ｔｉ：管曲げ半径の目標値、Ａｉ：管曲げ半径の推定値、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，θ１，θ２，θ３：管曲げ用入力データのパラメータ

Claims

ボイラ耐圧部における３次元曲管の自動管曲げ方法において、
前記曲管の２次元図面に基づいて曲管の３次元ＣＡＤモデルを作成し、
その曲管の複数箇所の管曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより管のたわみ量を自動計算して管曲げデータを自動作成し、
その管曲げデータを管曲げ機に入力して自動的に管曲げを行なうことを特徴とする３次元曲管の自動管曲げ方法。
請求項１に記載の３次元曲管の自動管曲げ方法において、
前記管曲げデータを作成する際、前記曲管の３次元ＣＡＤモデルを自動読み込みして管の有限要素モデルを自動作成するとともに、曲管の３次元ＣＡＤモデルから管曲げ寸法を自動抽出して、それを管曲げ機による管曲げ変形量の目標値に設定し、管曲げ機による複数箇所の連続曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより管の自重や重心位置を考慮した管曲げ変形量を推定し、前記設定した目標値との偏差をゼロにするように、管曲げ機に自動入力する管曲げデータを作成することを特徴とする３次元曲管の自動管曲げ方法。
ボイラ耐圧部における３次元曲管の自動管曲げ装置において、
前記曲管の２次元図面に基づいて曲管の３次元ＣＡＤモデルを作成する３次元ＣＡＤモデル作成装置と、
その３次元ＣＡＤモデル作成装置によって作成された３次元ＣＡＤモデルに基づいて、曲管の複数箇所の管曲げ過程を模擬した有限要素解析シミュレーションにより管のたわみ量を自動計算して管曲げデータを自動作成する管曲げデータ作成装置と、
その管曲げデータ作成装置で作成された管曲げデータを自動入力して、管の管曲げ動作を行なう管曲げ機とを備えたことを特徴とする３次元曲管の自動管曲げ装置。