基于CATIA二次开发的月牙肋钢岔管辅助设计系统开发与应用

0 引言

　　水电站月牙肋钢岔管是由三梁式岔管不断改进演变而成的一种新型的岔管，具有受力条件好，制作简单，岔管内流体流态较好，水头损失较小等优点，在大中型水电站和抽水蓄能电站中得到广泛的应用。但月牙肋岔管体形结构复杂，同时随着月牙肋岔管形式的演变，设计和计算的工作量逐步加重，如何快速、正确地完成岔管设计已成为迫切需要解决的问题。

　　CATIA软件在汽车、航空、航天等一些高端技术制造领域得到广泛的应用，它具有强大的曲面造型功能和先进的参数化设计理念，并且为了满足用户专业化设计需要，它提供了多种二次开发接口。CATIA主要的二次开发方式有：自动化对象编程(Automation API)和开放的基于构件的应用编程(CAA-RADE)，前者功能有限，却足以满足该系统的开发要求，且较容易掌握，后者功能强大，但应用难度较大。我国水电行业自2006年引入CATIA以来，在厂房、大坝、闸门和地质等方面的三维可视化设计取得了一定的进展，但在岔管结构设计领域还缺乏基于CATIA二次开发的研究和应用。针对以上情况，本文以蟠龙抽水蓄能电站月牙肋钢岔管为例，利用Automation API二次开发接口，在Visual Basic 6.0的程序开发平台下，着重进行了水电站Y形月牙肋钢岔管辅助设计系统的CATIA二次开发。

1 开发思路

　　(1)深入研究月牙肋钢岔管的几何体形，确定岔管几何体形控制参数。

　　(2)运用CATIA交互式操作寻找初步设计方案。

　　(3)利用VB语言编写主程序（部分代码段可以利用宏），并验证初步方案的可行性，最终确定设计方案。

　　 (4)提取CATIA几何建模、网格剖分及导出ANSYS的命令流所需要的控制参数。

　　(5)进行程序界面设计，完善程序的各项功能，最终完成调试。

　　最终确定的程序设计方案为：通过VB语言中getobject()函数和creatobject()函数的联合使用实现对CATIA二次开发接口的连接：在自制程序界面上输入参数后，可实现在CATIA中自动建模和网格自动剖分，再通过自制程序的一键转换功能将CATIA中网格单元节点信息文件转换为ANSYS可读入的*.dat命令流文件，该命令流导入ANSYS后生成的为已经完成前处理和荷载加载的网格模型，可直接进行有限元计算。为了较好地模拟管壳受力，管壳和肋板均采用壳单元进行有限元计算。模型主要包括管壳、肋板和水压试验工况的闷头。管壳由对各管段两端的曲线曲面桥接得到，在肋板中面绘制外轮廓草图进而曲面填充操作得到肋板，对直管段端口平面上的草图圆进行半球操作得到闷头。

2 三维建模特征参数计算

　　月牙肋岔管包括壳体和月牙肋板两部分，月牙肋岔管壳体又分为主锥管和支锥管两部分。主锥管一般由一个倒锥管组成，支锥管由两个正锥管组成，三者有一个公切球。肋板由月牙状的钢板做成，肋板的外缘线以相贯线为基础向管壳外适当加宽50～100mm，以满足管壳与肋板焊接缝的位置要求，内缘则为一抛物线，如图1所示。

图1 岔管计算参数示意

　　CATIA具有先进的草图设计理念，可将三维设计通过骨架设计理念简化为较易的二维设计。为了便于在CATIA中建模计算，本文共采用三个计算坐标系，如图1所示。主管C的计算坐标系为XYZ，支管A的计算坐标系为X＇Y＇Z，支管B的计算坐标系为X＂Y＂Z，其中Z轴垂直纸面向外，并将坐标系XYZ定为全局坐标系统。求出主（支）管在相应坐标系下的关键点（岔管平面图上的腰线转折点和直管段的端点）坐标进而精确定位草图平面。各坐标系下关键点坐标和相贯线方程推导如下（取中面）：

　　主锥管C的方程为

　　支锥管A在全局坐标系下的方程为

　　式中，t₁₁为主锥C厚度；t₂₁为支锥管A厚度；θ为X轴与X＇轴逆时针所成的角。

　　支锥管A与XZ平面相交即得两支管的相贯线CD，方程为

　　点A的坐标为主锥管C和支锥管A的腰线相交点，坐标记为XA，YA，ZA。点C为相贯线CD与主锥管C的交点，坐标记为Xc，Yc，Zc。所以相贯线CA所在面的方程为

　　方程(1)和方程(4)联立可得相贯线AC的方程，相贯线BC的方程也同理可求。

　　肋板外缘由管壳与肋板相贯线CD外延d形成，如图1，肋板内缘为一条抛物线，该抛物线经过C点正下方并与管壳内表面相切且关于xoy面对称，因而只需知道抛物线的顶点即可确定该抛物线方程。顶点坐标为(XD-bt，0)抛物线的焦距为

　　式中，XD为D点的X方向坐标。