鍋爐鋼架三維參數(shù)化建模與安裝管理系統(tǒng)

陳杰，巫世晶

(武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢市，430072)

0 引言

二維圖形雖然能清晰地表達(dá)出平面坐標(biāo)參數(shù)與工程局部結(jié)構(gòu)，但不能直觀地反映出鋼架的整體結(jié)構(gòu)、空間位置關(guān)系及裝配關(guān)系等，而且繁冗的查圖過(guò)程、空間坐標(biāo)比較與零件安裝關(guān)系與位置分析為施工帶來(lái)了諸多不便，也增加了工程人員的工作難度與出錯(cuò)率。針對(duì)于火電廠鍋爐鋼架的虛擬仿真，大多建立在三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)軟件的基礎(chǔ)上，利用其三維造型能力，直接模擬出工程的三維圖形［1-2］。但這種方法建模過(guò)程復(fù)雜，手動(dòng)繪圖工作量較大，而且通用性不強(qiáng)，現(xiàn)有的CAD軟件不能滿足指導(dǎo)鍋爐鋼架安裝的要求。在工程管理方面，應(yīng)用了技術(shù)成熟、通用性強(qiáng)的P3管理系統(tǒng)。然而，由于鍋爐鋼架所具有的零件數(shù)目龐大、作業(yè)安排較細(xì)、涉及設(shè)備種類復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)鍋爐鋼架管理系統(tǒng)的針對(duì)性提出了很高的要求。

本文根據(jù)鍋爐鋼架特點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)了鍋爐鋼架安裝仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)集鋼架三維建模、安裝演示、信息管理于一體，實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)環(huán)境中創(chuàng)建虛擬工程，并引入鍋爐鋼架的安裝規(guī)則對(duì)安裝方案進(jìn)行驗(yàn)證，模擬工程的安裝過(guò)程。

1 鍋爐鋼架三維參數(shù)化建模與安裝管理系統(tǒng)功能

采用了系統(tǒng)模塊化思想，將系統(tǒng)劃分為:

(1)三維建模模塊。從二維工程圖紙中讀取零部件的幾何信息和空間坐標(biāo)信息，采用參數(shù)化建模的方式，在CATIA中進(jìn)行鍋爐鋼架零件的參數(shù)化繪制。

(2)安裝方案優(yōu)化模塊。交互式地定義初始裝配序列與關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)對(duì)安裝序列的搜索和優(yōu)化，得到最佳的安裝方案，并將計(jì)算結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，利用安裝過(guò)程仿真來(lái)反映出規(guī)劃結(jié)果。

(3)安裝過(guò)程仿真模塊。根據(jù)安裝方案優(yōu)化模塊得到的安裝規(guī)劃序列，動(dòng)態(tài)演示鋼架的安裝過(guò)程，同時(shí)將仿真結(jié)果回饋、儲(chǔ)存，以便及時(shí)修改方案。最后通過(guò)靜態(tài)干涉檢測(cè)，確保安裝順利。

(4)安裝信息管理模塊。對(duì)各作業(yè)開(kāi)工時(shí)間、完成工程量、剩余工期、人力等資源、費(fèi)用使用等情況進(jìn)行更新，設(shè)定日期進(jìn)行進(jìn)度計(jì)算，過(guò)濾出下期工作計(jì)劃，對(duì)鋼架系統(tǒng)工程費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并以圖形表示。

2 鍋爐鋼架三維參數(shù)化建模與安裝管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用CAA Automation技術(shù)對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)［3］，利用Visual Basic(VB)建立安裝仿真平臺(tái)的接口直接訪問(wèn)Automation對(duì)象，調(diào)用CATIA命令，建立鍋爐鋼架零部件的三維參數(shù)化模型;利用優(yōu)化算法對(duì)安裝序列進(jìn)行規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)安裝的優(yōu)化，并將優(yōu)化序列存入數(shù)據(jù)庫(kù)中;根據(jù)優(yōu)化得到的結(jié)果，調(diào)用CATIA的安裝命令動(dòng)態(tài)演示鍋爐鋼架的安裝過(guò)程;同時(shí)利用VB的強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫(kù)操作能力，調(diào)用鍋爐鋼架管理數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)了鍋爐鋼架的安裝管理模塊，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)三維鍋爐鋼架模型進(jìn)行管理。系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程Fig.1 Realization process for system

2．1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

鍋爐鋼架零件信息眾多，包括零件建模參數(shù)信息、安裝序列信息、人機(jī)費(fèi)等信息，因此，系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(kù)作為后臺(tái)支撐，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀、寫和修改等操作，完成快速三維建模、安裝過(guò)程演示、信息的管理等系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)主要功能，將其分為:

(1)零件規(guī)格數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范手冊(cè)》［4］建立用于存放鍋爐鋼架安裝所涉及到零件的尺寸參數(shù)，供建模時(shí)查尋對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)的尺寸參數(shù)信息。

(2)零件信息數(shù)據(jù)庫(kù)。存放零件的標(biāo)號(hào)、規(guī)格、安裝日期、零件重量等信息，系統(tǒng)可以直接對(duì)信息進(jìn)行寫入與刪除。

(3)零件安裝管理數(shù)據(jù)庫(kù)。記錄零件安裝所涉及的人、機(jī)、費(fèi)，工程信息等用于管理與計(jì)算的數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Database structure chart

2．2 三維建模模塊

三維建模模塊提供了2種建模方法:

(1)自動(dòng)建模。利用VB對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從AutoCAD檔中提取出二維圖形關(guān)鍵參數(shù)，并將信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，形成用于建立三維模型的初始信息，并通過(guò)手動(dòng)修改、完善，將完整的零件信息寫入零件信息數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)依次讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)號(hào)，查詢出零件的尺寸參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算，得出零件的尺寸、三維坐標(biāo)、空間方位等數(shù)據(jù)。操作CATIA新建以零件標(biāo)號(hào)為名的Part文檔，并進(jìn)行繪制草圖、三維拉伸等操作，最后在Product文件中完成三維模型裝配。

(2)手動(dòng)建立單個(gè)零件。選擇零件基準(zhǔn)線，交互定義零件的標(biāo)號(hào)、規(guī)格、長(zhǎng)度、安裝日期等信息;查詢零件規(guī)格數(shù)據(jù)庫(kù)，得到零件幾何尺寸參數(shù)，通過(guò)對(duì)CATIA中Product文檔與Part文檔的操作，完成三維模型的繪制與零件的裝配。

通過(guò)系統(tǒng)的交互選擇，可以直接對(duì)模型進(jìn)行刪除、重建、屬性修改及信息查詢等操作，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)同步更新。針對(duì)鋼架的大板梁、底板等特殊零件，可以采用逐個(gè)添加的方法來(lái)建立。

2．3 安裝方案優(yōu)化模塊

通過(guò)人機(jī)交互的方式，定義零件裝配日期，鋼架具體層數(shù)與層高，產(chǎn)生一個(gè)初步的安裝序列;調(diào)用系統(tǒng)裝配順序評(píng)價(jià)功能，根據(jù)連接關(guān)系、優(yōu)先關(guān)系、約束關(guān)系逐級(jí)驗(yàn)證初步序列的合理性;利用可視化功能，提示在驗(yàn)證后安裝序列不符合規(guī)則的零件及與之相關(guān)聯(lián)的零件，并將零件的標(biāo)號(hào)及其信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。評(píng)價(jià)功能的定義規(guī)則主要包括:

(1)符合安裝的邏輯關(guān)系。

(2)安裝應(yīng)分層進(jìn)行，以從下到上為基本規(guī)則。

(3)根據(jù)力學(xué)穩(wěn)定性要求，以角落為起點(diǎn)，逐步拓展延伸。

(4)滿足柱、梁、撐相互之間工藝與幾何關(guān)系。

2．4 安裝過(guò)程演示模塊

(1)讀取優(yōu)化過(guò)的安裝順序，系統(tǒng)按順序?qū)δＰ瓦M(jìn)行加載與移動(dòng)等操作，利用CATIA動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝過(guò)程的演示。

(2)選取某個(gè)時(shí)間段，系統(tǒng)篩選出安裝日期在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的零件，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢出符合時(shí)間要求的零件，批量操作查詢出的零件模型，便可查看這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的工程情況。

(3)通過(guò)比較零件的高度坐標(biāo)，即可判別零件所屬層數(shù)，實(shí)現(xiàn)有選擇性地查看任意一層或者相鄰幾層的工程情況。

(4)利用查詢安裝過(guò)程中所涉及到零件的信息，可計(jì)算出此過(guò)程的吊裝總重，體現(xiàn)作業(yè)量。

2．5 安裝信息管理模塊

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分為定義、計(jì)算、表達(dá)3個(gè)步驟，通過(guò)交互選擇與輸入實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的組織，模塊的功能與結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)定義功能。按照常用工程定義方式，定義整個(gè)工程的基本屬性信息，包括工程代碼、工程名稱、公司名稱、工程的開(kāi)工日期、完工日期以及整個(gè)鍋爐鋼架的層數(shù)等;創(chuàng)建工作分解結(jié)構(gòu)(work breakdown structure，WBS)時(shí)，根據(jù)鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將工作結(jié)構(gòu)分解為4個(gè)層級(jí)，劃分結(jié)果按照邏輯關(guān)系寫入數(shù)據(jù)庫(kù);將工程涉及資源分為3類:人力、材料、機(jī)械，按類別將資源細(xì)化，同時(shí)對(duì)資源添加限制條件及單件。

圖3 管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Management system structure chart

(2)作業(yè)操作。直接對(duì)WBS末層級(jí)進(jìn)行作業(yè)內(nèi)容的添加、修改、刪除等操作，將施工過(guò)程涉及的資源及用量加載到零件信息中，利用數(shù)據(jù)庫(kù)記錄操作過(guò)程，并實(shí)時(shí)更新結(jié)果;根據(jù)對(duì)零件安裝時(shí)間的查詢與修改，可實(shí)現(xiàn)作業(yè)的查詢與工期的調(diào)整。

(3)結(jié)果輸出。采用mshflexgrid部件，對(duì)表格進(jìn)行設(shè)計(jì)［5-8］。根據(jù)表達(dá)內(nèi)容不同，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中作業(yè)信息按一定規(guī)則分類組織，并將分類參數(shù)賦予對(duì)應(yīng)表格，可實(shí)現(xiàn)以報(bào)表的形式顯示數(shù)據(jù)與結(jié)果;利用mschart部件，給其相關(guān)參數(shù)賦值，根據(jù)不同值柱狀圖顯示不同高度來(lái)實(shí)現(xiàn)以圖形的方式表達(dá)匯總結(jié)果;基于Vbnpr32d．ocx插件，對(duì)已生成的表格進(jìn)行編輯，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)匯總結(jié)果的打印功能。

3 結(jié)語(yǔ)

在工程開(kāi)始之前，利用計(jì)算機(jī)三維造型模擬出鍋爐鋼架的實(shí)體模型，通過(guò)觀察三維模型，提高對(duì)工程的整體把握。通過(guò)直接操作三維零件模擬實(shí)際安裝情況，規(guī)劃安裝方案，根據(jù)安裝仿真過(guò)程，分析工程成本，制定并修改安裝計(jì)劃。彌補(bǔ)當(dāng)前二維圖形在指導(dǎo)電廠建設(shè)與管理不足，極大地方便了工作人員對(duì)當(dāng)前工作的了解，提高安裝效率及充分規(guī)劃工程耗資與工期。

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