锅炉CAD三维造型系统的开发与研究

　　锅炉在国民经济各个领域具有广泛的用途，是热能生产与转换过程中不可缺少的热力设备，锅炉作为一个复杂的热工机械系统，设计方法与一般机械设备有所不同。设计工作量非常大。为缩短锅炉行业的设计周期、提高锅炉的设计质量，浙江大学和国家九五CAD应用示范点之一的杭州锅炉厂合作开发的锅炉CAD应用系统项目，包括计算、设计、绘图和管理功能的交互式CAD系统，利用先进的人机界面技术和I-DEAS提供的各种功能，设计人员实现对链条炉、煤粉炉、燃机余热锅炉、硫化床、硫酸炉及干熄焦余热锅炉等典型锅炉进行参数化和系列化设计。

　　统，三维模型的表现仍是采用传统的方法在图纸上利用几个不同的投影视图来表示，但对于较为复杂的部件，正确的描述三维模型是困难的。在锅炉设计中需要解决的另一个问题是，如何对空间管路进行碰撞和干涉检查。这些都涉及到锅炉的三维造型，基于上述要求，作为锅炉CAD应用系统的子系统，我们设计开发了锅炉CAD三维造型系统，主要功用是：为锅炉设计提供真实三维模型，包括零部体和总装模型，进行尺寸装配检查；对部件进行有限元受力分析；提供空间管路造型和干涉检查1系统的功能实现锅炉CAD应用系统的硬件平台为Pentium微机，操作系统为WindowsNT，CAD软件支撑平台为I-DEAS三维造型主要利用I-DEAS提供的实体造型模块和零件装配模块进行，I-DEASMasterMoldeler软件是基于形状特征及用尺寸驱动进行设计的工具，具有综合的零件造型功能，可以满足锅炉三维造型的需求而I~DEAS无专门的管路造型功能系统，一般管子的造型是通过扫掠形成，对如何快速构造空间管子中心线，必须通过二次开发一构造工具来实现另外，根据管路问题的需求，应建立一常用管子的数据库，并对管子数据库进行管理。

　　2典型部件的三维造型锅炉的典型部件主要包括：钢架、平台扶梯、锅筒（汽包）集箱、过热器、水冷器（模式壁）省煤器、空气预热器等典型部件的三维造型，主要利用I-DEAS的Master Modeler模块进行，当修改模型零件特征时I4）EAS不仅可以方便地修改几何尺寸，而且可修改设计的过程及零件的拓扑结构。为加快造型速度，实现参数化造型，用户应自己定义参数化的零件库，典型的部件或构造做成一个Part，放入Catslog，选择参数，建立以表格驱动的参数化零件库或特征，调用时只需输入选择零件参数在具体设计时，需考虑的几个问题有：根据设计和用户需求，将典型部件的三维模型分成二类，一类是仅提供演示作用的三维模型；另一类是必须进行结构分析和干涉检查的装配模型。

　　类模型的构造以堆砌为主，尽量少用布尔运算，这种造型方法不改变数据结构，占用存储空间小，简单易行且可靠迅速。

　　对装配模型的构造，应分析各种锅炉部件结构，抽取出共同的结构特征，建立特征尺寸驱动参数进行零件及装配的参数化造型。

　　下面以两个典型部件的造型为例，对上述问题加以说明。

　　2.1锅炉总体模型锅炉总体模型主要是演示用，用户和设计人员在产品制造前，采用不同的显示方式，即可观察光照真实模拟、内部线框结构、扶梯位置等情况。因此，产品造型主要采用堆砌方式，利用系统的平移（Move）旋转（Rotate）对齐（Align）等定位操作功能，装配完成结构尺寸可以根据需要进行修改，重新定位装配为减少数据量，可将楼梯的一节做成一个Part，建立参数化尺寸，造型时调入，定位后沿楼梯方向拷贝（Copy）生成2.2空气预热器的管箱部分空气预热器的管箱部分用装配方法实现，管箱内的管板分为上、中、下管板，除了板的厚、宽和高外，其穿管数量及结构形状是相同的；管箱内的管子除定距管外，都是相同的。因此，可以将它们分别做成Part，进行参数化调用装配设计，在多个装配中使用，每个装配中的部件只是实际Part的一个实例（Instarice）部分产品及零件装配的造型图如3空间管路的造型和干涉检查由于锅炉管路空间走向复杂，管数众多，如何在设计过程中判断空间管路的碰撞和干涉问题是锅炉设计迫切需要解决的问题，这在传统的三维工程视图中是难以做到的。利用计算机CAD技术解决管路问题也成为锅炉三维造型的题：管子的三维造型，要求提供快速空间管子（中心线）构造工具（直接构造、人机交互构造法），管子的内外径可以直接驱动，同时也可以考虑设计一些常用的典型弯管结构，以便直接驱劝调用参数化设计。

　　干涉检查，主要是怎样判断计算空间管路是否碰撞并以什么方式来提示（显示）告诉用户。

　　I-DEAS提供的管路构造方法是首先建立管路路径（扫掠路径），通过扫掠（Sweep）方式形成管路，扫掠路径可以是二维和三维空间曲线，曲线由坐标输入形成也可以采用样条曲线和参数曲线方程的形式，如何快速地构造扫掠路径，成为空间管路造型的关键在基于I~DEAS功能的基础上，开发设计了一个空间管路造型辅助工具，其构成框图如，进行管路构造时，根据管路初始设计，选取构造方式。对一般简单的管路（空间点易于捕捉），直接通过I-DEAS提供的管路构造模块（Sweep方式）进行造型；对较复杂的管路，调用管路构造辅助工具，进行人工交互式造型，通过提供管路线段起始点坐标，弯头半径，由系统指示的箭头选取和设定路径方向进行中心线构造。构造过程中，两种方式随时可以转换。

　　直管、弯管和弯头组成这里的弯管指中心线由圆弧线组成的管，如二次、三次曲线及样条曲线，因此，管路造型系统只针对直管和弯管的快速造型。若设计中需构造复杂管路，则调用I-！DEAS的空间曲线模块（3D.Dspline三维样条等）构造管路扫掠中心线即可计，可以建立常用弯管及连接件不同结构尺寸的参数化特征库，以便于修改和调用根据设计要求，设立管路小间隙控制值，当空间管系中相邻管之间距离小于此值时，装配图中的相应位置以高亮显示，同时可以利用Info和Measure功能，测量查询各有关管路点的间隙情况在管路造型时，在不影响分析的情况下，也可以将管子重点，根据需求分析，管路造型和干涉检查应解决以下问4结束语构造成实心管，以减少数据量。

　　由于锅炉产品不是一个复杂的装配件，也无CAM的要求，整个设计系统对三维造型要求不高，但锅炉CADS维造型系统丰富了锅炉CAD应用系统的功能，使用户在产品设计时可见到产品的真实模型，特别是对设计过程中空间管路的造型和干涉检查的难题，提供了一个有效的解决方案。

　　（上接第655页）（上接第658页）