等徑正交圓柱管道相貫線展開曲線的建模及應(yīng)用

張憲明 周知進(jìn)

（貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 50003）

·交通與建筑科學(xué)·

等徑正交圓柱管道相貫線展開曲線的建模及應(yīng)用

張憲明 周知進(jìn)

（貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 50003）

本文闡述了通過SolidWorks軟件環(huán)境對(duì)等徑正交圓柱管道的相貫線的展開曲線進(jìn)行建模，并將之應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中的一種方法。該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的板料下料工序提供理論依據(jù)和參考。

等徑圓柱正交管道；相貫線的展開曲線；SolidWorks

圓柱管道相交在工業(yè)管道結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，尤其是兩等徑圓柱管道正交的結(jié)構(gòu)最多，管道相交在管道表面形成相貫線，相貫線是一條沿兩圓管表面的空間曲線，而管道結(jié)構(gòu)的制造安裝一般情況下是從板料展開的情況下著手設(shè)計(jì)制作的，所以求相貫線在一個(gè)平面的展開曲線就成了工業(yè)管道結(jié)構(gòu)制造安裝的關(guān)鍵和主要工作。相貫線的展開曲線一般是不規(guī)則曲線，曲線方程復(fù)雜，建立起來比較困難，所以使用解析法求解或用通用軟件繪制都比較困難。在施工現(xiàn)場(chǎng)，傳統(tǒng)的做法是采用人工幾何作圖，將圓管N等分，依次測(cè)量展開高度值。這種方法雖然能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，但需花費(fèi)大量精力人工繪制展開圖樣，且繪圖精度受實(shí)際相貫線位置精度和人工制圖誤差的影響［1］。在專業(yè)化、規(guī)模化的生產(chǎn)應(yīng)用中，有利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)（CAD）、制造（CAM）等的專業(yè)數(shù)控切割設(shè)備，這種方法專業(yè)性很強(qiáng)，應(yīng)用范圍小，投入成本高，難以滿足生產(chǎn)中的個(gè)性化需求。本文闡述了利用Solid? Works軟件對(duì)等徑圓柱管道正交的相貫線的展開曲線建模，再利用描點(diǎn)法，近似的求出相貫線的展開曲線的方法。本方法操作簡(jiǎn)單，可根據(jù)實(shí)際管道參數(shù)靈活設(shè)計(jì)，滿足個(gè)性化的需求。

兩等徑圓柱管道相貫的形式如圖1，兩根管道的相貫線是相同的，同一根管道的兩端的相貫線形式也是相同的，所以只要求出其中一根管道一端的相貫線即可，其他相同的。

圖1 兩等徑圓柱管道相貫?zāi)Ｐ?/p>

以下示例中管道外徑150mm，壁厚5mm，實(shí)際應(yīng)用中可自行設(shè)置不同參數(shù)。

1 相貫線的展開曲線的建模

1.1 建立管道模型

利用SolidWorks提供的鈑金基體法蘭工具，建立管道模型，生成基體法蘭。

命令：插入-鈑金-基體法蘭，選一個(gè)基準(zhǔn)面畫草圖，如圖2所示：

圖2 基體法蘭草圖

圖3 Ⅰ局部放大圖

根據(jù)圖3，可以看出在管道圓周方上設(shè)計(jì)了個(gè)缺口，實(shí)際的管道圓周上本沒有缺口，為了能將管道展開，假想在管道圓周上有個(gè)相距0.1mm的缺口，對(duì)于半徑為150mm、壁厚5mm的管道的展開周長(zhǎng)影響可以忽略不計(jì)。［2］

生成的基體法蘭模型如圖4所示：

1.2 求出管道相貫后的模型。

以上建立了管道模型，再利用拉伸切除特征，求出該管道相貫后的形狀。

畫出與其正交的圓柱管道草圖，再拉伸切除，就得到該管道相貫后的模型，如圖5所示。

圖4 基體法蘭模型

圖5 管道相貫后的模型

1.3 管道展開，求出相貫線的展開曲線的理論形式

將管道從圓周上相距0.1mm的缺口處展開。

命令：插入-鈑金-展開

選取合適的視角方向，查看管道展開圖，主要關(guān)注相貫線的展開曲線部分。

如圖6所示。

圖6 管道展開圖

以上就是求出的管道一端的相貫線的展開曲線的理論形式。

2 生產(chǎn)實(shí)踐中，讀取理論曲線上若干點(diǎn)，利用描點(diǎn)法，近似求出曲線軌跡

為了使所求的理論曲線應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，可通過描點(diǎn)法。即在生產(chǎn)實(shí)踐中，讀取理論曲線上若干個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，再將這些點(diǎn)光滑的連接起來所得到的曲線就是近似的相貫線的展開曲線。讀取的點(diǎn)越多，所描繪的曲線越接近理論曲線。所取點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)精度需求來確定。

2.1 新建坐標(biāo)系。

在SolidWorks環(huán)境下，當(dāng)新建一文件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)建立一個(gè)默認(rèn)坐標(biāo)系，但默認(rèn)坐標(biāo)系不一定滿足和方便使用需求。為了方便讀取并記錄以上所求理論曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)值，須以理論曲線上的點(diǎn)（如端點(diǎn)，中點(diǎn)等）為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立新的坐標(biāo)系。以下是以曲線的一個(gè)端點(diǎn)作為原點(diǎn)建立新坐標(biāo)系。

命令：插入-參考幾何體-坐標(biāo)系。

拾取理論曲線的一個(gè)端點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，并按需求設(shè)置相應(yīng)的三個(gè)坐標(biāo)軸。點(diǎn)擊確定。生成新建坐標(biāo)系并顯示出來，如圖7所示。

圖7 新建坐標(biāo)系

2.2 保存文件

為了使用新建坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，需要在新坐標(biāo)系下保存文件。保存類型選“Parasolid（*，x_t）”，點(diǎn)擊選項(xiàng)，彈出輸出選項(xiàng)窗口，在該窗口的輸出坐標(biāo)系中選擇剛才新建的坐標(biāo)系，如圖8所示，點(diǎn)擊確定。彈出輸出窗口，選擇所有實(shí)體選項(xiàng)，點(diǎn)擊確定。文件在新的坐標(biāo)系下保存成功。

圖8 新坐標(biāo)系下保存文件

2.3 打開文件文件類型選“Parasolid（*，x_t，*.x_b，*.xmt_txt，*. xmt_bin）”，打開之前命名的文件。

彈出輸入診斷的窗口，點(diǎn)擊否。彈出Featurework窗口，點(diǎn)擊否。

至此，新坐標(biāo)系下的文件打開。

2.4 讀取并記錄理論曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)值

點(diǎn)擊草圖中的繪制點(diǎn)選項(xiàng)，選擇視圖正前方的平面作為草圖平面，選擇新建坐標(biāo)下的原點(diǎn)。顯示該點(diǎn)處的X，Y坐標(biāo)為0，0，在相貫線上取若干個(gè)點(diǎn)，并記錄點(diǎn)的坐標(biāo)［3］。如圖9所示。

圖9 讀取并記錄理論曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)值

2.5 在生產(chǎn)實(shí)踐中，利用描點(diǎn)法，可近似求出相貫線的展開曲線。

在實(shí)際的生產(chǎn)下料中，根據(jù)以上所取得點(diǎn)的坐標(biāo)值，描出這些點(diǎn)，光滑連接，即得到相貫線的展開曲線的近似解。

所取點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)精度需要確定，點(diǎn)數(shù)量越多，所描軌跡越接近理論曲線。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過SolidWorks軟件環(huán)境對(duì)兩等徑圓柱管道正交的相貫線的展開曲線進(jìn)行了建模，在生產(chǎn)實(shí)踐中，可根據(jù)理論模擬曲線，采用描點(diǎn)法，近似地求出相貫線的展開曲線，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的板料下料工序提供理論依據(jù)。本方法新穎、操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、靈活性強(qiáng)，為機(jī)械、石油化工等行業(yè)的管道結(jié)構(gòu)制作提供了理論基礎(chǔ)和方法論。

［1］黃建.圓柱類管道正交相貫的計(jì)算機(jī)輔助展開［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2013，20：84-85

［2］王宏峰.一種相貫線的展開算法［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2009，22（2）：59-61

［3］張樂樂，郭北苑，胡仁喜.SolidWorks應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

Un folding CurvesM odeling and App lication of EqualDiameter Orthogonal CylindricalPipes Intersecting Lines

Zhang Xianming Zhou Zhijin
(SchoolofMechanical EngineeringGuizhou Instituteof Technology，Guiyang Guizhou 550003)

This paper expounds amethod ofmodeling the unfolding curves obtained by SolidWorks software environment on equaldiameterorthogonal cylindricalpipes intersecting lines，and applying it to practice.Themethod hassimpleopera?tion and iseasy to complete，can provide a theoreticalbasisand reference for the sheetblanking processon production site.

equaldiameterorthogonal cylindricalpipes；unfolding curveof intersecting line；SolidWorks

TP391.72

：A

：1003-5168（2015）03-0085-3

2015-2-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持（51479073）。

張憲明（1979-）男，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。