淺析三維參數(shù)化在脫硝煙道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

宋麗娜

寶武水務(wù)科技有限公司

0 引言

隨著國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，工業(yè)煙氣脫硝的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大，但在脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)在機(jī)組規(guī)模、設(shè)計(jì)條件、脫硝設(shè)備一致的情況下，連接各設(shè)備之間的煙道由于現(xiàn)場(chǎng)條件、功能不同、技術(shù)要求等限制而需要不同走向、不同規(guī)格、不同支撐等方案的煙道。如何有效地利用已有的三維建模來實(shí)現(xiàn)煙道方案是提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性的有效手段，而Inventor三維軟件得益于其強(qiáng)大的參數(shù)化建模、逼真的三維可視化功能使其在設(shè)計(jì)方面得到了廣泛和有效的應(yīng)用。

本文以工業(yè)煙氣脫硝矩形煙道為例，從建模分析到模型復(fù)用對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)說明。

1 建模分析

傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)只是零部件的視覺投影圖，無法捕捉實(shí)體特征信息。在二維設(shè)計(jì)中，一個(gè)新項(xiàng)目會(huì)借鑒規(guī)模類似的圖紙，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，但隨著布置、煙道規(guī)格的不同，相應(yīng)的加固肋、內(nèi)貼角鋼、內(nèi)撐桿等設(shè)計(jì)及詳圖節(jié)點(diǎn)會(huì)不同，這時(shí)二維圖、材料明細(xì)表的改動(dòng)量就較大，修改錯(cuò)誤或漏改在所難免，圖紙、材料量的質(zhì)量無法保證。三維建模能精準(zhǔn)地表達(dá)零部件的實(shí)體特征，模型演示實(shí)時(shí)逼真，并能重復(fù)利用，使繁雜的計(jì)算變得簡(jiǎn)單易行，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，避免了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，大大降低了成本，提高了工作效率。

建模前，應(yīng)先分析煙道路由和規(guī)格，梳理各零件間的關(guān)系，查找共性，以找出構(gòu)思簡(jiǎn)單、有效的模型。矩形煙道作為一個(gè)部件，基本上由煙道母體、橫向/縱向加固肋、內(nèi)撐桿、內(nèi)貼角鋼、托座等零件裝配而成［1］。根據(jù)Inventor建模特性，對(duì)于大截面矩形煙道，可把煙道定義為一個(gè)裝配部件。這個(gè)部件看似復(fù)雜，但仔細(xì)分析可發(fā)現(xiàn)，在建模過程中煙道與加固肋等零件有很多參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，煙道母體即為一個(gè)母體零件，其余零件都隨母體外形尺寸變化而變化。建模時(shí)首先建立煙道母體，再通過衍生零部件生成輔助零件，加固肋、內(nèi)撐桿等在輔助零件的基礎(chǔ)上建模，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。重復(fù)調(diào)用時(shí)僅需修改煙道母體關(guān)鍵尺寸，與之相關(guān)的零件尺寸約束會(huì)隨之調(diào)整更新或僅作少量修改即可。

由以上分析可知，矩形煙道的核心部分就是煙道母體，在建模過程中，母體的參數(shù)是整個(gè)部件的關(guān)鍵，合理引用這些參數(shù)，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為參數(shù)化模型，為以后的重復(fù)利用提供便利是設(shè)計(jì)構(gòu)思的正確表達(dá)。

2 建模過程

2.1 煙道選型

本文以兩段矩形煙道加固肋選型為例，分析如何借助三維軟件進(jìn)行脫硝煙道的參數(shù)化建模及快速變形。

#1煙道基本數(shù)據(jù)：煙氣量600 m3/s，設(shè)計(jì)溫度150℃，煙道壁厚6 mm，Wa×Wb=6×5．8 m，設(shè)計(jì)壓力-3．5 kPa，按照“煙規(guī)”配套法［2］，加固肋選型計(jì)算結(jié)果見表1。

#2煙道基本數(shù)據(jù)：煙氣量485 m3/s，設(shè)計(jì)溫度150℃，煙道板厚5 mm，Wa×Wb=9．8×2．2 m，設(shè)計(jì)壓力-6．38 kPa。按照“煙規(guī)”配套法，加固肋選型計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 #1煙道剛接式加固肋選擇

表2 #2煙道剛接式加固肋選擇

2.2 建立煙道母體

首先建立零件草圖，再對(duì)草圖添加特征實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模。

在Inventor應(yīng)用軟件中新建．ipt文件，即零件環(huán)境下默認(rèn)的草圖模式，繪制矩形煙道截面輪廓，利用水平及垂直約束將矩形寬度與高度中點(diǎn)分別與原點(diǎn)約束，定義輪廓尺寸。需注意的是繪制草圖和建立位置關(guān)系時(shí)必須做到全約束，否則參數(shù)變更時(shí)模型容易出錯(cuò)。草圖結(jié)束后返回到零件環(huán)境中，使用拉伸特征生成煙道母體。打開“iProperties”對(duì)話框定義屬性，在物理特性中選取材料為“鑄鋼”，系統(tǒng)自動(dòng)生成煙道母體質(zhì)量、表面積等數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算零件面積、體積、質(zhì)量等，見圖1。在生成工程圖后調(diào)用BOM即可直接生成煙道母體材料明細(xì)表，包括規(guī)格、數(shù)量、重量，省去了以往二維設(shè)計(jì)材料量的統(tǒng)計(jì)、制表等工作，提高了效率及精度。

圖1 定義零件屬性

圖2 衍生零部件

2.3 建立煙道衍生件

2.3.1建立橫向加固肋

進(jìn)入．ipt文件零件界面開始建立新零件，結(jié)束草圖。在特征工具面板上啟用“衍生零部件”，在“打開”對(duì)話框中選擇母體零件，彈出的“衍生零件”瀏覽器中添加所需草圖，保存為“橫向加固肋輔助件”（見圖2）。注意衍生的草圖必須設(shè)置為“草圖共享/可見”后方可被引用。

接下來借助衍生而來的草圖，創(chuàng)建“橫向加固肋”部件，新建．iam文件進(jìn)入部件環(huán)境，在【裝配】模式下放置上面保存的“加固肋輔助件”，切換到【設(shè)計(jì)】界面，在“插入結(jié)構(gòu)件”中選擇Inventor自帶標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的型鋼，選取輔助件中的矩形外輪廓，生成一圈橫向加固肋，再對(duì)插入后的結(jié)構(gòu)件末端進(jìn)行“修剪/到面”處理（見圖3）。采用衍生草圖的好處在于當(dāng)原始草圖被修改后，所有利用這個(gè)草圖衍生的零件都將作關(guān)聯(lián)修改，所有零件都能按照整體設(shè)計(jì)的變化而變化。

圖3 結(jié)構(gòu)件末端處理對(duì)比圖

2.3.2建立內(nèi)撐桿

合理使用煙道內(nèi)撐桿可減小外部加固肋尺寸。內(nèi)撐桿長(zhǎng)度與煙道母體尺寸息息相關(guān)，內(nèi)撐桿的建模同樣可以利用衍生草圖來完成，步驟參考2．3．1。如表1所示，煙道頂、底、側(cè)均設(shè)置1個(gè)內(nèi)撐點(diǎn)，即常見的十字形內(nèi)撐桿，這就需要在衍生草圖中進(jìn)行二次加工，添加內(nèi)撐桿所需的路徑，形成內(nèi)撐桿布置方案，內(nèi)撐桿長(zhǎng)度需扣除墊板厚度。

同2．3．1創(chuàng)建新的部件步驟相同，在【裝配】界面放置“內(nèi)撐桿輔助件”，切換到【設(shè)計(jì)】界面，在“插

圖4 內(nèi)撐桿

2.3.4其他

參照前面步驟，根據(jù)需要依次新建縱向加固肋、貼角角鋼、防磨角鋼等零件。

2.4 部件裝配

所有零件建模完成后，新建部件文件對(duì)煙道零部件進(jìn)行組裝。首先放置“母體”作為部件的第一個(gè)零部件，部件的裝配坐標(biāo)系將與母體的坐標(biāo)系重合，然后按裝配順序依次放置其他零部件。裝配時(shí)，除首先放置的零部件自動(dòng)固定外，其余的均未被約束，需應(yīng)用裝配約束對(duì)零部件進(jìn)行定位。因每個(gè)零件建模都是基于母體的，所以原始坐標(biāo)系是一致的，只需添加表面齊平約束即可。每個(gè)零件裝配時(shí)應(yīng)盡量與原始坐標(biāo)系中各平面約束，各個(gè)零部件入結(jié)構(gòu)件”中選擇標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的鋼管，選取輔助件中的十字路徑，生成十字內(nèi)撐桿，再對(duì)十字交叉處的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行“端部”處理（如圖4）。

2.3.3建立內(nèi)撐桿襯板

通常內(nèi)撐桿支撐在母體壁板的位置需配套相應(yīng)襯板，以增加內(nèi)撐桿與母體壁板的接觸面積，防止局部應(yīng)力集中。新建．iam部件文件對(duì)襯板進(jìn)行裝配，先放置“內(nèi)撐桿輔助件”零件，再放置“襯板”零件，根據(jù)輔助件草圖相關(guān)定位完成“襯板”裝配約束，即襯板在煙道中的定位可依靠?jī)?nèi)撐桿的參數(shù)來驅(qū)動(dòng)（詳見圖5）。之間盡量不添加約束，這樣就可避免調(diào)整或刪除某個(gè)零部件時(shí)出錯(cuò)。

圖5 內(nèi)支撐襯板

不好的設(shè)計(jì)規(guī)劃易導(dǎo)致建模復(fù)雜、裝配困難等，而優(yōu)質(zhì)的建?？山鉀Q這些問題。建模中需注意新的特征要盡可能利用已有的參數(shù)，必要時(shí)引用參數(shù)方程或Excel表鏈接功能，盡可能減少參數(shù)數(shù)量并保證模型特征與參數(shù)關(guān)聯(lián)，提高參數(shù)化裝配的效率及穩(wěn)定性。

2.5 設(shè)計(jì)變形

不同的項(xiàng)目改變煙道方案時(shí)可通過調(diào)整煙道母體尺寸來快速改變煙道形狀，并根據(jù)煙道母體其他衍生件的尺寸快速形成新的煙道裝配圖。由圖6煙道變形前后對(duì)比圖可看出，將已建成的6×5．8 m規(guī)格的煙道模型通過調(diào)整母體長(zhǎng)、寬尺寸，對(duì)橫向/縱向加固肋及內(nèi)撐桿的規(guī)格稍作調(diào)整即可快速生成9．8×2．2 m規(guī)格的煙道模型。

圖6 煙道變形前后對(duì)比圖

3 結(jié)論

煙道設(shè)計(jì)過程中巧妙運(yùn)用Inventor衍生零部件、插入結(jié)構(gòu)件，及基于特征的參數(shù)化建模可極大縮短模型建模和修改時(shí)間，提高模型使用效率。實(shí)體模型不僅可對(duì)客戶展示，還可在零件裝配時(shí)進(jìn)行干涉檢查，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的合理性，直觀體現(xiàn)了設(shè)計(jì)現(xiàn)狀。在大力推廣數(shù)字化的今天，設(shè)計(jì)從2D到3D是必然趨勢(shì)，是提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確率的最好選擇。