基于數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的固定管板換熱器三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

吳 量 任 超 樊新宇

（華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065）

壓力容器是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設(shè)備，其在航空航天、石油化工、能源和醫(yī)藥等領(lǐng)域起到關(guān)鍵作用。壓力容器設(shè)計(jì)作為壓力容器全壽命周期過程中極為重要的一環(huán)，通過工藝計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等產(chǎn)生大量設(shè)備參數(shù)，進(jìn)而依托模型、圖紙等載體完成信息傳遞。壓力容器在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中涉及大量數(shù)據(jù)交互、計(jì)算和分析，隨著我國壓力容器設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和工程項(xiàng)目建設(shè)周期的不斷優(yōu)化，壓力容器的設(shè)計(jì)對數(shù)字化智能化的需求日益增加[1-2]。

以往工程項(xiàng)目實(shí)施過程中，壓力容器的設(shè)計(jì)工作相對獨(dú)立，以固定管板換熱器為例，其設(shè)備信息的傳遞大多以二維圖紙為載體，布管、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、制圖等環(huán)節(jié)均較為離散，其設(shè)計(jì)過程是一個(gè)以數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)、以參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)的過程，其中有大量的設(shè)計(jì)計(jì)算、查圖查表以及工程經(jīng)驗(yàn)分析等工作，借助軟件計(jì)算、人工查值以及專家咨詢是開展上述工作的主要途徑，設(shè)計(jì)人將以上碎片化數(shù)據(jù)或參數(shù)通過人工進(jìn)行整合，制圖，從而完成壓力容器設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏連貫性，利用率低，人工占比過高是當(dāng)前提質(zhì)增效的難點(diǎn)和瓶頸，也是智能化設(shè)計(jì)首先需要解決的問題。

基于數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的參數(shù)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)傳遞，可以將傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化和程序化的流程，提高壓力容器設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，減少人為錯(cuò)誤和重復(fù)性工作，節(jié)省時(shí)間和資源。同時(shí)以壓力容器設(shè)計(jì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)鏈可以支持更精確的模擬和分析，幫助優(yōu)化壓力容器的設(shè)計(jì)，提高其性能和安全性[3]。

此外，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)，可以將壓力容器在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營和維護(hù)階段相關(guān)的數(shù)字信息在全壽命周期內(nèi)得到跟蹤和管理，實(shí)現(xiàn)壓力容器產(chǎn)品全壽命周期的數(shù)字化協(xié)同管理，提高效率和可持續(xù)性[4-5]。

1 固定管板換熱器三維參數(shù)化設(shè)計(jì)開發(fā)

固定管板換熱器作為典型壓力容器，在化工裝置中應(yīng)用廣泛，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作開展過程中占比較高。固定管板換熱器的設(shè)計(jì)包括工藝計(jì)算、布管、管程及殼程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)需要將各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過二維圖紙表達(dá)出來。應(yīng)用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過多個(gè)設(shè)計(jì)子程序的串聯(lián)，結(jié)合對三維設(shè)計(jì)軟件的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)到模型，再到圖紙的全流程參數(shù)化設(shè)計(jì)。

1.1 固定管板換熱器三維參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

固定管板換熱器三維參數(shù)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。工藝參數(shù)經(jīng)過強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維模型參數(shù)化建模、二維圖紙生成等環(huán)節(jié)，完成固定管板換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)。工藝參數(shù)輸入作為固定管板換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)生成的基礎(chǔ)，工藝參數(shù)包含管、殼程基本尺寸參數(shù)、介質(zhì)的類型、溫度、壓力等多個(gè)方面，應(yīng)確保工藝參數(shù)輸入的完整性，對于具備數(shù)據(jù)直接傳遞的應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，對于需要進(jìn)行二次處理的工藝數(shù)據(jù)，應(yīng)完善后輸入。

圖1 固定管板換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)的生成需要完善相關(guān)強(qiáng)度計(jì)算及查值。強(qiáng)度計(jì)算采用內(nèi)嵌或外接壓力容器強(qiáng)度計(jì)算軟件，相關(guān)軟件或子程序應(yīng)考慮預(yù)留互通接口。對于需要用標(biāo)準(zhǔn)查值或查圖的參數(shù)，將涉及的參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理，保證數(shù)據(jù)同源。計(jì)算完成后的最終參數(shù)作為設(shè)計(jì)參數(shù)參與后續(xù)建模等工作。

在三維參數(shù)化設(shè)計(jì)流程中，應(yīng)按照設(shè)校審習(xí)慣和標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)操作方特點(diǎn)合理設(shè)置操作斷點(diǎn)，避免過度閉環(huán)，影響設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

1.2 固定管板換熱器三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)

固定管板換熱器三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循換熱器設(shè)計(jì)流程及裝配關(guān)系，如圖2 所示，按照基本殼體—布管—穿管束—設(shè)置接管流程進(jìn)行。在三維軟件二次開發(fā)時(shí)應(yīng)驗(yàn)證子程序之間的參數(shù)連續(xù)性，對布管等具有設(shè)計(jì)自主性的部分應(yīng)設(shè)置子程序斷點(diǎn)。

圖2 固定管板換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)子程序示意

在支撐布置及接管設(shè)置時(shí)，應(yīng)梳理智能布置邏輯，自動(dòng)進(jìn)行干涉性提醒，并加入有效補(bǔ)強(qiáng)范圍等判據(jù)。對于標(biāo)準(zhǔn)件模型的引用和裝配，應(yīng)統(tǒng)一索引字符，同時(shí)對標(biāo)準(zhǔn)件模型中的關(guān)聯(lián)參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化，使之與平臺(tái)參數(shù)聯(lián)動(dòng)，確保裝配關(guān)系的匹配。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)件引用具有多目標(biāo)時(shí)，應(yīng)設(shè)置子模型，使目標(biāo)間標(biāo)準(zhǔn)件相互獨(dú)立，避免參數(shù)關(guān)聯(lián)。

1.3 固定管板換熱器二維圖紙生成

固定管板換熱器二維圖紙的生成是在三維模型和參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的完整表達(dá)，二維圖紙的生成從兩方面進(jìn)行。如圖2 所示，一方面沿用三維模型主體，采用合理的剖切視圖，完成固定管板換熱器各個(gè)整體視圖關(guān)系的表達(dá)。另一方面，通過參數(shù)傳遞，對節(jié)點(diǎn)視圖、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表、管口表等一系列參數(shù)信息進(jìn)行更新關(guān)聯(lián)。

經(jīng)三維模型剖切、投影關(guān)系的二維表達(dá)與傳統(tǒng)二維制圖會(huì)有部分差異，對于不影響設(shè)計(jì)意圖表達(dá)的，應(yīng)經(jīng)評估后采納接受(如軸測圖等)；對于影響設(shè)計(jì)意圖表達(dá)或表達(dá)不清的，應(yīng)采用節(jié)點(diǎn)圖、數(shù)據(jù)表等形式補(bǔ)充表達(dá)，避免表達(dá)不清。

三維設(shè)計(jì)軟件生成的二維圖紙應(yīng)完善與不同二維軟件間的格式映射，以實(shí)現(xiàn)二維圖紙的二次編輯和修改。

2 數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)功能建設(shè)

2.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)參數(shù)獲取與整合

依托數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)開展三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)遵循設(shè)計(jì)邏輯傳遞與集成，因此參數(shù)獲取和整合是參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心。圍繞參數(shù)獲取和整合，應(yīng)該關(guān)注上下游專業(yè)數(shù)據(jù)傳遞、參數(shù)化設(shè)計(jì)程序集成和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)等方面問題。經(jīng)過工程項(xiàng)目運(yùn)行調(diào)研，以下列3 個(gè)方面為切入點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)整合與集成。整合不同來源的數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)規(guī)范、工藝要求、歷史數(shù)據(jù)等，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。利用數(shù)據(jù)庫將分散的數(shù)據(jù)整合到一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)中，方便設(shè)計(jì)人員便捷訪問和使用所需參數(shù)。

2）標(biāo)準(zhǔn)與知識(shí)庫參數(shù)化。關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)并參數(shù)化，包括與固定管板換熱器設(shè)計(jì)相關(guān)的尺寸、材料規(guī)格、工藝要求等，確保設(shè)計(jì)符合要求。建立知識(shí)庫邏輯，匯集專業(yè)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和最佳方案，為設(shè)計(jì)人員提供參考和指導(dǎo)，保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和一致性。

3）工作流程優(yōu)化。集成專業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)工作流程，通過程序消除煩瑣的手動(dòng)步驟，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和高效的設(shè)計(jì)過程。利用數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)優(yōu)化上下游工作流程，提高設(shè)計(jì)效率，減少重復(fù)性工作，同時(shí)保持設(shè)計(jì)的一致性和準(zhǔn)確性。

通過以上3 個(gè)方面的切入點(diǎn)，數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠整合和獲取固定管板換熱器設(shè)計(jì)所需的參數(shù)和規(guī)范，并提供優(yōu)化的工作流程。這樣的設(shè)計(jì)平臺(tái)可以簡化數(shù)據(jù)獲取過程，提高設(shè)計(jì)精度和效率，促進(jìn)設(shè)計(jì)過程的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性。通過優(yōu)化工作流程，設(shè)計(jì)人員可以更好地利用數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的功能，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率。

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)平臺(tái)兼容性建設(shè)

為實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)與數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的兼容與聯(lián)動(dòng)，應(yīng)該保證數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)上的參數(shù)、架構(gòu)及子程序接口與參數(shù)化設(shè)計(jì)部分匹配，按以下3 個(gè)步驟開展：

1）系統(tǒng)需求分析和規(guī)劃。進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的需求分析，確定兩者在功能和接口方面的兼容性需求。研究現(xiàn)有的固定管板換熱器三維參數(shù)化設(shè)計(jì)子程序和數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，明確軟件間的接口需求和數(shù)據(jù)交互方式。

2）接口設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)交互。設(shè)計(jì)并實(shí)施參數(shù)化設(shè)計(jì)與數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)之間的接口，以確保二者之間的數(shù)據(jù)交換和集成順利進(jìn)行。確定數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口協(xié)議等規(guī)范，保證參數(shù)化設(shè)計(jì)工具與數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)兼容性。開發(fā)和選擇合適的數(shù)據(jù)中間格式，以確保參數(shù)化設(shè)計(jì)工具生成的數(shù)據(jù)能夠被數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)正確識(shí)別和使用[6]。

3）測試和優(yōu)化。在兼容性建設(shè)完成后，進(jìn)行系統(tǒng)測試和驗(yàn)證，確保參數(shù)化設(shè)計(jì)與數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互和功能兼容性達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。通過測試和反饋獲取用戶的意見和建議，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化系統(tǒng)以提升兼容性和用戶體驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行迭代和持續(xù)改進(jìn)，不斷優(yōu)化參數(shù)化設(shè)計(jì)與數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的兼容性，提高數(shù)據(jù)交互的準(zhǔn)確性和效率。

通過以上3 個(gè)步驟，參數(shù)化設(shè)計(jì)與數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的兼容性可以得到建設(shè)和優(yōu)化，確保兩者之間的數(shù)據(jù)交互和功能兼容性，提高設(shè)計(jì)效率和協(xié)同工作的效果。

如圖3 所示，通過將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行數(shù)字化封裝及整合，依托數(shù)據(jù)鏈參數(shù)傳遞，可以實(shí)現(xiàn)一條數(shù)據(jù)鏈、多項(xiàng)專業(yè)工作的集成化設(shè)計(jì)。同時(shí)該工作可分階段、分內(nèi)容開展，在保證數(shù)據(jù)同源、參數(shù)同鏈的情況下，實(shí)現(xiàn)快速投用，逐步拓展。

圖3 數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)基本架構(gòu)

3 基于數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的固定管板換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)

按照本文上述思路，本單位開發(fā)了包含條件接收及發(fā)送、個(gè)人權(quán)限登錄、項(xiàng)目管理、參數(shù)化設(shè)計(jì)、進(jìn)度管理和數(shù)據(jù)分析等功能的壓力容器數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，平臺(tái)主頁面及功能區(qū)劃分見圖4。

圖4 數(shù)字化設(shè)計(jì)工作平臺(tái)界面

平臺(tái)以屬性卡的形式分區(qū)管理多類參數(shù)信息，其中上下游專業(yè)信息可以用于條件接收及發(fā)送，項(xiàng)目及壓力容器信息用于設(shè)計(jì)管理。通過對數(shù)據(jù)流參數(shù)的明確，接入多個(gè)參數(shù)相關(guān)的API 子程序，通過數(shù)據(jù)流和命令流驅(qū)動(dòng)子程序運(yùn)行，按設(shè)計(jì)人設(shè)計(jì)習(xí)慣合理設(shè)置程序斷點(diǎn)，從而完成從平臺(tái)數(shù)據(jù)到模型，再到圖紙的全流程三維參數(shù)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，可直接按規(guī)則輸出輕量化模型數(shù)據(jù)文件，供設(shè)備布置及配管，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流在管口材料表生成等其他多項(xiàng)專業(yè)工作間的聯(lián)動(dòng)，為壓力容器數(shù)字化交付提供支持[7-8]。

與此同時(shí)，針對壓力容器產(chǎn)品的采購、制造、監(jiān)檢等運(yùn)用維護(hù)信息預(yù)留屬性卡，可實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)業(yè)鏈上下游的參數(shù)和數(shù)據(jù)的對接。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用該設(shè)計(jì)平臺(tái)的固定管板換熱器設(shè)計(jì)工作平均人工時(shí)效率提高7 倍，圖面正確率提升顯著。至2023 年11 月底，已在24 個(gè)國內(nèi)外大型工程項(xiàng)目中應(yīng)用，完成模型設(shè)計(jì)200 余臺(tái)。

4 結(jié)論

本文研究了基于數(shù)字化設(shè)計(jì)工作平臺(tái)的固定管板換熱器的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。通過全面描述從工藝參數(shù)到三維模型再到二維工程圖紙的參數(shù)化設(shè)計(jì)全流程，揭示了數(shù)字化轉(zhuǎn)型和參數(shù)化設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的重要作用，主要有以下結(jié)論：

1）本文提出了基于數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的固定管板換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。通過數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，將固定管板換熱器設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)了全流程數(shù)字化。通過合理設(shè)置工藝參數(shù)，利用三維建模軟件創(chuàng)建三維模型，并經(jīng)過參數(shù)化調(diào)整和優(yōu)化，最終生成了二維工程圖紙。通過數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的應(yīng)用，固定管板換熱器的設(shè)計(jì)變得更加高效、準(zhǔn)確和靈活。

2）本文揭示了數(shù)字化轉(zhuǎn)型對固定管板換熱器設(shè)計(jì)過程的重要影響，探討了智能化設(shè)計(jì)在參數(shù)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。平臺(tái)將智能化設(shè)計(jì)與參數(shù)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，進(jìn)一步提升了固定管板換熱器設(shè)計(jì)的水平。通過智能化的參數(shù)設(shè)置、邏輯優(yōu)化和子程序輔助，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化的設(shè)計(jì)過程。這在節(jié)約時(shí)間、提高效率、優(yōu)化性能等方面帶來了明顯的優(yōu)勢。

同時(shí)，壓力容器數(shù)字化轉(zhuǎn)型在設(shè)計(jì)平臺(tái)的進(jìn)一步改進(jìn)和完善，智能化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用等仍面臨復(fù)雜邏輯和圖面處理等方面的一些挑戰(zhàn)和問題。未來的開發(fā)可以進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提升設(shè)計(jì)效率和性能。