鍋爐鋼架三維參數化建模與安裝管理系統

陳杰，巫世晶

(武漢大學動力與機械學院，武漢市，430072)

0 引言

二維圖形雖然能清晰地表達出平面坐標參數與工程局部結構，但不能直觀地反映出鋼架的整體結構、空間位置關系及裝配關系等，而且繁冗的查圖過程、空間坐標比較與零件安裝關系與位置分析為施工帶來了諸多不便，也增加了工程人員的工作難度與出錯率。針對于火電廠鍋爐鋼架的虛擬仿真，大多建立在三維計算機輔助設計(computer aided design，CAD)軟件的基礎上，利用其三維造型能力，直接模擬出工程的三維圖形［1-2］。但這種方法建模過程復雜，手動繪圖工作量較大，而且通用性不強，現有的CAD軟件不能滿足指導鍋爐鋼架安裝的要求。在工程管理方面，應用了技術成熟、通用性強的P3管理系統。然而，由于鍋爐鋼架所具有的零件數目龐大、作業安排較細、涉及設備種類復雜等特點，對鍋爐鋼架管理系統的針對性提出了很高的要求。

本文根據鍋爐鋼架特點，研究開發了鍋爐鋼架安裝仿真系統，系統集鋼架三維建模、安裝演示、信息管理于一體，實現了在計算機環境中創建虛擬工程，并引入鍋爐鋼架的安裝規則對安裝方案進行驗證，模擬工程的安裝過程。

1 鍋爐鋼架三維參數化建模與安裝管理系統功能

采用了系統模塊化思想，將系統劃分為:

(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信息，采用參數化建模的方式，在CATIA中進行鍋爐鋼架零件的參數化繪制。

(2)安裝方案優化模塊。交互式地定義初始裝配序列與關鍵參數，通過對安裝序列的搜索和優化，得到最佳的安裝方案，并將計算結果寫入數據庫，利用安裝過程仿真來反映出規劃結果。

(3)安裝過程仿真模塊。根據安裝方案優化模塊得到的安裝規劃序列，動態演示鋼架的安裝過程，同時將仿真結果回饋、儲存，以便及時修改方案。最后通過靜態干涉檢測，確保安裝順利。

(4)安裝信息管理模塊。對各作業開工時間、完成工程量、剩余工期、人力等資源、費用使用等情況進行更新，設定日期進行進度計算，過濾出下期工作計劃，對鋼架系統工程費用進行統計計算，并以圖形表示。

2 鍋爐鋼架三維參數化建模與安裝管理系統設計

采用CAA Automation技術對CATIA進行二次開發［3］，利用Visual Basic(VB)建立安裝仿真平臺的接口直接訪問Automation對象，調用CATIA命令，建立鍋爐鋼架零部件的三維參數化模型;利用優化算法對安裝序列進行規劃，從而實現安裝的優化，并將優化序列存入數據庫中;根據優化得到的結果，調用CATIA的安裝命令動態演示鍋爐鋼架的安裝過程;同時利用VB的強大數據庫操作能力，調用鍋爐鋼架管理數據庫，開發了鍋爐鋼架的安裝管理模塊，實現了通過計算機對三維鍋爐鋼架模型進行管理。系統的技術實現流程如圖1所示。

圖1 系統的技術實現流程Fig.1 Realization process for system

2．1 數據庫設計

鍋爐鋼架零件信息眾多，包括零件建模參數信息、安裝序列信息、人機費等信息，因此，系統以數據庫作為后臺支撐，通過對數據庫進行讀、寫和修改等操作，完成快速三維建模、安裝過程演示、信息的管理等系統功能的實現，數據庫結構如圖2所示。根據數據庫主要功能，將其分為:

(1)零件規格數據庫。根據《鋼結構規范手冊》［4］建立用于存放鍋爐鋼架安裝所涉及到零件的尺寸參數，供建模時查尋對應標號的尺寸參數信息。

(2)零件信息數據庫。存放零件的標號、規格、安裝日期、零件重量等信息，系統可以直接對信息進行寫入與刪除。

(3)零件安裝管理數據庫。記錄零件安裝所涉及的人、機、費，工程信息等用于管理與計算的數據。

圖2 數據庫結構圖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)自動建模。利用VB對AutoCAD進行二次開發，從AutoCAD檔中提取出二維圖形關鍵參數，并將信息寫入數據庫，形成用于建立三維模型的初始信息，并通過手動修改、完善，將完整的零件信息寫入零件信息數據庫。系統依次讀取數據庫中的標號，查詢出零件的尺寸參數，進行計算，得出零件的尺寸、三維坐標、空間方位等數據。操作CATIA新建以零件標號為名的Part文檔，并進行繪制草圖、三維拉伸等操作，最后在Product文件中完成三維模型裝配。

(2)手動建立單個零件。選擇零件基準線，交互定義零件的標號、規格、長度、安裝日期等信息;查詢零件規格數據庫，得到零件幾何尺寸參數，通過對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。

通過系統的交互選擇，可以直接對模型進行刪除、重建、屬性修改及信息查詢等操作，后臺數據庫會同步更新。針對鋼架的大板梁、底板等特殊零件，可以采用逐個添加的方法來建立。

2．3 安裝方案優化模塊

通過人機交互的方式，定義零件裝配日期，鋼架具體層數與層高，產生一個初步的安裝序列;調用系統裝配順序評價功能，根據連接關系、優先關系、約束關系逐級驗證初步序列的合理性;利用可視化功能，提示在驗證后安裝序列不符合規則的零件及與之相關聯的零件，并將零件的標號及其信息寫入數據庫。評價功能的定義規則主要包括:

(1)符合安裝的邏輯關系。

(2)安裝應分層進行，以從下到上為基本規則。

(3)根據力學穩定性要求，以角落為起點，逐步拓展延伸。

(4)滿足柱、梁、撐相互之間工藝與幾何關系。

2．4 安裝過程演示模塊

(1)讀取優化過的安裝順序，系統按順序對模型進行加載與移動等操作，利用CATIA動態顯示整個操作過程，實現對安裝過程的演示。

(2)選取某個時間段，系統篩選出安裝日期在這個時間段內的零件，在數據庫中查詢出符合時間要求的零件，批量操作查詢出的零件模型，便可查看這個時間段內的工程情況。

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

(4)利用查詢安裝過程中所涉及到零件的信息，可計算出此過程的吊裝總重，體現作業量。

2．5 安裝信息管理模塊

系統的實現分為定義、計算、表達3個步驟，通過交互選擇與輸入實現數據的組織，模塊的功能與結構如圖3所示。

(1)定義功能。按照常用工程定義方式，定義整個工程的基本屬性信息，包括工程代碼、工程名稱、公司名稱、工程的開工日期、完工日期以及整個鍋爐鋼架的層數等;創建工作分解結構(work breakdown structure，WBS)時，根據鍋爐鋼架結構特點，將工作結構分解為4個層級，劃分結果按照邏輯關系寫入數據庫;將工程涉及資源分為3類:人力、材料、機械，按類別將資源細化，同時對資源添加限制條件及單件。

圖3 管理系統結構Fig.3 Management system structure chart

(2)作業操作。直接對WBS末層級進行作業內容的添加、修改、刪除等操作，將施工過程涉及的資源及用量加載到零件信息中，利用數據庫記錄操作過程，并實時更新結果;根據對零件安裝時間的查詢與修改，可實現作業的查詢與工期的調整。

(3)結果輸出。采用mshflexgrid部件，對表格進行設計［5-8］。根據表達內容不同，對數據庫中作業信息按一定規則分類組織，并將分類參數賦予對應表格，可實現以報表的形式顯示數據與結果;利用mschart部件，給其相關參數賦值，根據不同值柱狀圖顯示不同高度來實現以圖形的方式表達匯總結果;基于Vbnpr32d．ocx插件，對已生成的表格進行編輯，便可實現對匯總結果的打印功能。

3 結語

在工程開始之前，利用計算機三維造型模擬出鍋爐鋼架的實體模型，通過觀察三維模型，提高對工程的整體把握。通過直接操作三維零件模擬實際安裝情況，規劃安裝方案，根據安裝仿真過程，分析工程成本，制定并修改安裝計劃。彌補當前二維圖形在指導電廠建設與管理不足，極大地方便了工作人員對當前工作的了解，提高安裝效率及充分規劃工程耗資與工期。

［1］趙衛東，李啟炎．面向對象技術在鍋爐鋼架CAD系統中的應用［J］．計算機輔助工程，1998，3:70-74．

［2］張維錦，徐海燕，劉迎春，等．鍋爐鋼架分析軟件的三維建模［J］．華東交通大學學報，2003，20(2):33-35．

［3］胡挺，吳立軍．CATIA二次開發技術基礎［M］．北京:電子工業出版社，2007:18-22．

［4］戴維森·歐文斯．鋼結構設計手冊［M］．北京:中國電力出版社，2009:176-193．

［5］Michael H． VisualBasic 2008［M］． Washington:Microsoft Press，2007．

［6］廖桔．基于CATIA/CAA的虛擬裝配環境研究與實現［D］．南京:南京航空航天大學，2005:13-22．

［7］Li J S，Chen L H，Li L．Parametric design of tractor configuration using APIbasedonCATIA［J］． ManufacturingAutomation Technology Development，2011，455(12):411-416．

［8］Yang X，Wang L F，Zhang Y B．Roll pass design in CATIA application［C］//International Forum on ComputerScience-Technology and Applications，Chongqing，China，2009:152-154．