基于Microstation V8i平臺的三維設計軟件二次開發

文｜湖北省電力勘測設計院 李華鋒

隨著信息技術的發展，火力發電廠的設計環境應從二維設計平臺向三維數字化設計平臺過渡，運用三維設計軟件，能夠解決原來設計工作中普遍存在的碰、撞、漏等通病，可進一步提高設計的精細化程度，加快工程建設進度，節約投資成本。火力發電廠煙風煤粉管道中以矩形管居多，而矩形管的管徑沒有嚴格的統一規格，異形件也比較多，進行三維設計有一定的難度，而矩形管加固肋的設計涉及大量計算，為簡化計算，設計人員通常只能采用查表等辦法，沒有一套高效適用的設計解決方案，設計工作強度比較大。

我院的數字化工廠設計采用OpenPlant Modeler工廠信息模型解決方案，該三維工廠設計系統結合了AutoPlant和其他Bentley工廠設計軟件的優點，并且具有更好的開放性和數據互用性。本文提出以MicroStation V8i為基礎平臺，利用C#語言開發煙風煤粉管道數字化設計軟件（六道軟件），完善了Bentley工廠信息模型解決方案。該軟件將煙風煤粉管道設計常用的《煙風煤粉管道零部件典型設計手冊》（74DD和D-LD2000）標準零部件、非標零部件及型鋼數據錄入后臺數據庫，以方便的交互方式讓設計人員實現對煙風煤粉管道的數字化設計；同時該軟件具備加固肋選型計算功能，極大的提高了設計人員的設計精度和效率，完善了我院工廠信息模型解決方案。本文針對六道軟件的數據庫、計算模塊、設計模塊、協同設計做一介紹，以供相關研發及設計人員參考。

1 數據庫結構

軟件的開發工具為Visual Studio，軟件后臺數據庫平臺采用SQL數據庫。數據庫分為元件庫、等級庫、設計庫三種。要進行設計，首先需要有元件庫(存放標準部件的數據庫)，元件庫包含了特性數據，存放了材料、壁厚、重量等應力分所需要的數據；軟件自帶了煙道、冷風道、熱風道、制粉管道、送粉管道等元件等級庫，用戶也可以根據工程需求建立相應的的等級（SPEC）；設計過程中所有的信息保存在設計庫中，一般用戶僅需操作設計庫。

1.1 元件庫

元件庫（Catalog）是指管道零部件總庫，一般按照不同的標準編制，對于煙風煤粉管道零部件可分為74DD和D-LD2000兩個標準。本軟件使用層次數據結構組織元件庫。本質上，對元件庫操作的過程就是操作這些元素的過程。通過軟件提供的元件庫模塊，可以對元件的屬性、用途、圖形表示規則和快速引用進行配置，創建各類元件集合和元件匹配表。對于特殊的管件，已經在庫中定義了其連接點，如圖1所示補償器的連接點為其端面內20mm。

圖1 零部件連接點

1.2 等級庫

等級庫（SPEC），也叫規范庫，可以對具體的項目，從單個或多個元件庫中按照項目要求提取的一部分管件，組成等級庫，它是設計庫與元件庫之間的橋梁。通過軟件提供的數據庫工具，軟件管理員可以方便的建立工程所需的等級庫，以提高設計人員建模的精度和效率。對于汽水管道，一般是按照壓力、溫度等建立等級，對于煙風煤粉管道，由于其特殊性，針對特定工程，一般可按照卷冊建立等級。

1.3 設計庫

設計庫是工程數據庫。設計人員在等級庫中選擇元件后，等級庫中的元件自動找到對應的元件庫中的元件，元件庫中的幾何形狀和數據被設計庫參考。同時設計庫中還存放工程中管道零部件的空間位置信息。

2 計算模塊

我國火力發電廠煙風道設計人員大多采用文獻[1]和文獻[2]推薦的方法進行設計計算。六道軟件將文獻[2]中煙風煤粉管道加固肋的選型計算方法程序化，簡化了加固肋設計計算流程。

2.1 加固肋中心間距計算

矩形煙道道體面板按照四周固定的薄板大撓度塑性變形理論計算，應力應小于等于鋼材在設計溫度下的屈服極限與鋼材抗塑性餃安全系數的比值，面板按照其相對撓度控制在道體計算面板寬度的1/120，并控制面板自振頻率f≥20Hz（常規設計）及f≥40Hz（振動設計）。加固肋中心間距S的實用計算公式（選定值）如下：

對煙道道體分別按照（1）～（3）式計算，以強度和頻率條件作為控制依據，剛度條件作為校核依據。

2.2 加固肋選型計算

形成箍狀的加固肋屬剛架結構，按剛架計算，不形成箍狀的加固肋屬于簡支結構，按簡支梁計算。橫向加固肋應力，理論上為彎曲應力與正應力之和，為便于計算，實際計算中忽略正應力N/F，按純彎曲應力考慮，誤差一般小于10%；加固肋選型的撓度計算分為簡支（鉸接）和半固支（剛接），控制撓度值≤1/400；振動計算分為剛接和鉸接兩種，剛接時按多支點梁的第一自振頻率計算，鉸接時按簡支梁的第一自振頻率公式計算，并控制加固肋的一階自振頻率f≥20Hz（常規設計）及f≥40Hz（振動設計）。加固肋選型的實用計算公式如下：

公式（1）～（12）符號：S-橫向加固肋中心間距，mm；δ-道體面板厚度，mm；[σ]t-鋼材在設計溫度下的許用應力，MPa；Σq-道體計算面板上的組合設計荷載，kPa；Σqdl-道體計算面板上的當量設計荷載，kPa；q0-煙道介質設計內壓荷載，kPa；f-道體面板、加固肋的自振頻率，Hz；L-橫向加固肋計算跨度，mm；E-鋼材在不同溫度下的彈性模量，GPa；I-道體計算面板上加固肋截面的斷面慣性矩，cm4；G-加固肋單位長度理論質量，kg/m；Z-道體計算面板上橫向加固肋組合截面的斷面系數，cm3；β-道體臨邊面板加固肋對計算面板加固肋剛度的影響系數。

2.3 軟件計算程序實現

煙風道加固肋設計是一個反復對道體頂、底、側面面板分別進行加固肋設計的過程。設計人員每設計一組道體都要對每一側面板進行荷載計算、加固肋間距的計算、加固肋規格的選取、內撐桿計算以及是否設置縱向肋的計算等等。

本軟件的計算程序主要依據2.1和2.2的計算方法實現加固肋的選型計算，對于標準道體加固肋設計計算流程為：設計人員在參數設置對話框輸入原始設計參數，軟件依次計算出面板頂、底、側各項荷載、組合荷載、當量荷載、加固肋間距、加固肋規格、內撐桿規格、是否設置縱向肋。如果要設置縱向肋，其規格由用戶在參數設置對話框處選擇規格。計算程序總體設計流程圖如下：

圖2 加固肋計算程序總體設計流程圖

3 設計模塊

3.1 管道及零部件建模

對鍋爐專業的數字化設計而言，煙風煤粉管道及零部件布置通常是大中型電廠項目中最費時的工作，也是產生問題最多的部分。管道及零部件建模是六道軟件最強大的功能之一，它最大可能地避免了設計錯誤的產生。依據完備的標準典道元件庫（D-LD2000和74DD）及非標件庫，六道軟件可以方便的實現煙風煤粉管道及零部件的數字化建模。

在六道軟件中，每個管道（PIPE）可以有多個分支（BRANCH），在分支下面才是具體的零部件，分支與管道的不同在于分支只有兩個端點，而管道可以有多個端點，這要看它有幾個分支。管道為管理組織分支的節點，分支為管理組織管件的節點，管道、分支及零部件的組織關系如圖3所示。依據相應的組織關系，逐步創建管道、分支、零部件，完成鍋爐煙風煤粉管道布置建模。

圖3 管道、分支和零部件的組織關系

管道零部件建模采用的是參數化建模方式，界面如圖4所示，管道及零部件的參數可由設計人員根據工程需要進行修改，極大的方便了設計人員對元件庫的擴充和維護，也為今后對MicroStation V8i平臺的二次開發提供了新思路。

圖4 參數化建模

3.2 交互操作

MicroStation V8i的建模定位功能（對元素或實體的移動、旋轉等）是非常強大的，操作方式靈活多樣。六道軟件的交互操作與MicroStation V8i的基本交互操作功能高度集成，利用MicroStation V8i的基本交互操作功能對零部件進行操作時，軟件通過檢測MicroStation V8i的元素選中事件信息，識別元素的空間位置及幾何信息，并利用軟件的數據庫接口，將交互操作后的元素信息即時寫入工程數據庫，從而實現了利用MicroStation V8i的操作功能對六道零部件進行交互式操作。

3.3 加固肋模型

實際工程中，對于較大的煙風道道體，其加固肋規格也較大，在施工時，經常碰到加固肋與設備、執行機構等碰撞現象。本軟件在設計人員進行加固肋參數輸入和計算完成后，點擊生成模型，即可自動進行加固肋空間定位和生成加固肋模型，方便設計人員進行碰撞檢查操作，避免加固肋碰撞現象，提高設計精度。

3.4 發布 i-model模型

i-model是對基礎設施信息進行開放式交換的載體。六道軟件提供了發布i-model的功能，將軟件建立的模型發布成i.dgn的通用文件格式，從而其他專業平臺的設計人員在參考i-model文件后，通過查看元素信息的方式，不但可以查看煙風煤粉管道零部件的幾何信息，而且可以查看其設計溫度、壓力、材料等工程信息（如圖5所示），更好的實現各專業之間的協同設計。

圖5 查看i-model模型信息

4 協同設計

六道軟件支持多人協同設計，多個用戶可以同時登錄一個工程，并且所有用戶設計內容都可以實時保持同步。軟件的配置采取由ProjectWise托管的方式，軟件啟動時向ProjectWise獲取配置文件，軟件與ProjectWise在權限上可實現單點登錄。在協同設計工作模式下，對數據庫及用戶的操作均由管理員在服務器端來完成。

5 總結與展望

本文從六道軟件的數據庫結構、計算模塊、設計模塊、協同設計等方面，對煙風煤粉管道數字化設計軟件的開發思路及功能實現逐步做了詳細介紹。該軟件不僅可以實現煙風煤粉管道的快速數字化建模、加固肋設計計算，并可生成零部件的加固肋模型，解決了鍋爐專業六道零部件建模困難的問題，進一步完善我院Bentley系列軟件的工廠設計系統，同時該軟件還具有發布i-model的功能，從而可實現煙風煤粉管道及零部件的工程設計信息快速、方便、精確的在各專業設計平臺間流轉。

由于煙風煤粉管道的設計計算是一個復雜的過程，在加固肋計算方面，軟件采用的是文獻[2]推薦的簡略計算，今后的開發方向是將六道軟件建立的煙風煤粉管道零部件模型與大型的有限元分析軟件（如ANSYS等）做接口，校核本軟件加固肋計算選型的準確性和合理性；同時由于煙風煤粉管道的非標件較多，需要對軟件的零部件詳圖設計功能做開發，進一步完善軟件的煙風煤粉管道數字化設計功能。