塔設(shè)備的三維造型設(shè)計

EastChinaUniversityofScienceandTechnology華東理工大學(xué)化工設(shè)備計算機輔助概念設(shè)計大賽設(shè)計說明書參賽小組：化工學(xué)院前言：“化工設(shè)備的計算機輔助概念設(shè)計大賽”一出現(xiàn)，就使大家感到十分的新奇。由于我們大四學(xué)生即將面臨升入研究生學(xué)習(xí)的新階段。因此，我們想通過此次大賽來對我們大學(xué)四年來所學(xué)知識的具體使用與綜合運用能力進行一次檢驗。希望諸位老師能對您的學(xué)生的不足和幼稚之處，多多地批評和指教。1.塔設(shè)備的三維造型設(shè)計此次設(shè)計大賽要求之一是讓各參賽小組對塔設(shè)備、扶梯和平臺等進行合理美觀的三維造型。因此，我們小組決定根據(jù)已知條件，利用參考文獻，首先做塔設(shè)備等的相關(guān)設(shè)計計算，然后依據(jù)設(shè)計計算的具體結(jié)果分別在AutoCAD界面中繪制平面設(shè)計圖和在SolidWorks界面中繪制三維設(shè)計圖。1.1塔設(shè)備等的設(shè)計與計算1.1.1已知條件在參賽材料中對塔設(shè)備已有一定的造型要求，如下表所示：表1塔設(shè)備設(shè)計的已知條件塔類型板式塔精餾段塔徑/mm1800塔高/mm34525提餾段塔徑/mm2200壁厚/mm14裙座外徑/mm26001.1.2工藝條件與接管表在參賽材料中對除了上述的已標(biāo)注尺寸外，其余沒有要求，但是要進行塔設(shè)備的設(shè)計計算，必須有一定的工藝條件。所以我們小組根據(jù)一般情況擬定了工藝條件，如下表所示：表2塔設(shè)備設(shè)計的工藝條件（擬訂）工藝條件物料弱腐蝕性有機溶劑設(shè)計壓力/MPa0.1設(shè)計溫度/℃100物料重度/kg·m-31000地震烈度六度以下保溫層厚度/mm100保溫層重量/kg·mm-33×10-7同時根據(jù)設(shè)備示意圖中已經(jīng)繪制的管道尺寸，以及一般板式精餾塔的接管情況，我們擬訂了接管表，如下表所示：表3塔設(shè)備設(shè)計的接管表（擬訂）接管表符號名稱接管公稱直徑/mma1,2裙座人孔450b1,2溫度計口32c塔頂蒸汽出口450d1-3加料口100e1,2壓力計口25f再沸器蒸汽出口450g回流口175h1-3取樣口25i1,2液面計口15j出料口125k1-7人孔450l引流口251.1.3選擇塔體、裙座、扶梯和平臺的材料由于暫定的設(shè)計壓力是常壓（0.1MPa），且設(shè)計溫度較低（100℃），介質(zhì)的腐蝕性也較弱，所以塔體可以選用20R鋼作材料。由于上海冬季的氣溫一般不低于－10℃，所以裙座、扶梯和平臺可以采用A3鋼作為材料。1.1.4選擇塔體、封頭、裙座、扶梯踏板和平臺踏板的厚度根據(jù)已知條件，塔體、封頭和裙座的壁厚為14mm。由參考文獻[1]的表17-1查得平臺單位重量載荷為150kg/m3，取A3鋼的密度為ρ=8000kg/m3，解得平臺踏板厚約18mm，但是考慮到平臺有鏤空以便于排水、減重和防滑，所以適當(dāng)增厚為24mm。扶梯踏板的厚度同樣取24mm，也必須鏤出花紋以起到排水、減重和防滑的作用。1.1.5基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計（1）基礎(chǔ)環(huán)的內(nèi)外徑根據(jù)已知條件：基礎(chǔ)環(huán)外徑Dob=2600mm；根據(jù)參考文獻[1]的公式(17-20)：基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑Dib=Dis－(200~400)mm=2200－300=1900mm。（2）基礎(chǔ)環(huán)的厚度計算采用環(huán)上加筋板結(jié)構(gòu)，以n=24個均布的地腳螺絲，將基礎(chǔ)環(huán)固定在混凝土基礎(chǔ)上。取筋板厚度為δ=26mm，則基礎(chǔ)環(huán)上筋板間的距離為：L=πDob/n－δ=3.14×2600/24－26=314mm基礎(chǔ)環(huán)的外伸寬度：b=(Dob－Dos)/2=(2600－2228)/2=186mm兩個筋板間基礎(chǔ)環(huán)部分的長寬比：b/L=186/314=0.592查參考文獻[1]表17-5，Ms=Mx=0.265×2.2×1862=20239N·mm/mm基礎(chǔ)環(huán)由于也是A3鋼，則其厚度：δb=(6Ms/[σ]b)1/2=(6×20239/140)1/2=29.4mm考慮腐蝕裕度，取c2=2mm，再圓整至鋼板系列尺寸，故取基礎(chǔ)環(huán)厚度：δb=34mm1.1.6地腳螺絲強度設(shè)計地腳螺絲的材料可以選用16Mn，取[σ]bt=147Mpa，并考慮地面腐蝕裕度較大，取c2=3mm，則根據(jù)參考文獻[1]公式(17-25)：d1=[4×0.785×(Dob2－Dib2)×σB/π×n×[σ]bt]1/2+c2=[4×0.785×(26002－19002)×2.2/3.14×24×147]1/2+3=47.3mm查參考文獻[1]表17-6，選用M48的地腳螺絲。1.1.7計算部分簡化的說明由于此次設(shè)計給出了已知條件，而且注重的是塔的外形設(shè)計，所以我們小組將塔設(shè)備等的設(shè)計計算作了簡化。認(rèn)為塔體強度與穩(wěn)定性已經(jīng)符合工藝要求，故將諸如載荷計算、各截面軸向應(yīng)力計算、塔體及裙座強度和軸向穩(wěn)定性計算和水壓實驗塔體強度和穩(wěn)定性計算省去。只進行了必要的相關(guān)數(shù)據(jù)的計算與校核。1.2塔設(shè)備的平面設(shè)計圖（AutoCAD）（請詳見：盤內(nèi)AutoCAD文件：“平面設(shè)計圖”）圖1平面設(shè)計圖1.3塔設(shè)備的三維設(shè)計圖（SolidWorks）（請詳見：盤內(nèi)Solidworks文件：“三維設(shè)計圖”）圖2三維設(shè)計圖（塔身）圖3三維設(shè)計圖（樓梯）圖4三維設(shè)計圖（左平臺）圖5三維設(shè)計圖（右平臺）圖6三維設(shè)計圖（組裝圖）1.4平面和三維制圖的設(shè)計步驟與過程說明1.4.1AutoCAD平面制圖說明此次的AutoCAD平面制圖是我們學(xué)它以來最復(fù)雜的一張。不僅圖十分的龐大，而且內(nèi)容十分多，最為棘手的是許多的數(shù)據(jù)我們不知道，需要有根據(jù)的查閱資料后再入手。我們具體的過程如下：（1）畫框圖；畫標(biāo)題欄、明細表和管口表；（2）設(shè)計軸線位置，設(shè)計主視圖和俯視圖的位置與大??；（3）根據(jù)圖紙余下空間決定比例選取1：25；（4）先畫主視圖，再畫俯視圖；然后斷層進行填充；（5）核對圖紙，確認(rèn)沒有遺漏后，進行標(biāo)注；（6）填寫標(biāo)題欄、明細表和管口表。注：一些不使用或是類似的數(shù)據(jù)，沒有在平面圖上進行注明。1.4.2SolidWorks三維制圖說明對于Solidworks的界面，我們剛剛接觸不久。在嘗試性的努力下，我們能熟練地運用了。此次的三維設(shè)計也是比較復(fù)雜的。我們通過先畫各個零部件，然后再組裝在一起，一步一步的畫出來。我們具體的過程如下：（1）畫裙座；（2）畫提餾段塔體；（3）畫精餾段塔體；（4）將裙座、提餾段塔體和精餾段塔體組裝成為塔體。（5）畫樓梯；（6）畫左右兩個半圓平臺；（7）將樓梯、左右兩個半圓平臺組裝成為樓梯和平臺。（8）將樓梯和平臺、塔體組裝成為總裝配圖。注：后來，我們通過在上海煉油廠為期十天的實習(xí)中，仔細觀察了現(xiàn)場的塔裝置，對我們修改作品，開拓思路很有幫助。2.橢圓封頭的平面展開橢圓封頭的表面是曲線曲面，屬于不可展曲面。其近似展開方法有兩種，即等面積法和等弧長法。所謂等面積法是假設(shè)零件中性層曲面的面積與零件的展開面積相等，所謂等弧長法是假設(shè)零件主斷面上的中性層弧長在成型前后相等。其中以等面積法較為準(zhǔn)確，因為金屬在成型前后的體積不變，而厚度變化很小，有變薄的部分也有變厚的部分，可以相互抵消。橢圓封頭的展開因為一圓面，設(shè)展開面積為A。其基本的展開方法有三種，分別是：微元法、經(jīng)圓法和緯圓法。如下所示：圖7基本的展開方法示意圖而我們在制作的過程中由于弧長曲線積分式為一不可積方程，利用了類似于等面積的曲面展開方法。2．1根據(jù)中面母線幾何形狀推導(dǎo)理論展開面積等厚度的橢圓封頭無疑也是一個回轉(zhuǎn)殼體，但無論是沖壓還是旋壓成型的橢圓封頭只能保證其橢圓殼部分的內(nèi)表面(或外表面)為橢球面，中面及外表面(或內(nèi)表面)并非橢球面，即其內(nèi)表面(或外表面)母線是橢圓，而中面及外表面(或內(nèi)表面)母線并非橢圓。中面及外表面(或內(nèi)表面)母線方程可以根據(jù)內(nèi)表面(或外表面)母線橢圓按如下方法推出。假定橢圓封頭橢圓殼部分的內(nèi)表面母線是橢圓，見圖1。已知內(nèi)表面母線上一點Al(x1,y1)，其坐標(biāo)應(yīng)滿足橢圓方程：（1）式中a=Di/2,b=a/2。過A點做內(nèi)表面母線橢圓的法線n-n，該法線與y軸的夾角為，分別交中面及外表面的母線于A(x,y),A2(x2,y2),則AA1=AA2=δ/2,那么A點的坐標(biāo)可寫為：x=x1+δ/2sinφ(2)y=y1+δ/2ccosφ(3)若內(nèi)母線的橢圓方程寫成參數(shù)方程的形式：x1=acosθ(4)y1=bsinθ(5)則方程（2），（3）可變化為：x=acosθ+δcosθ/[2(m2sin2θ+cos2θ)1/2](6)y=bsin+mδsinθ/[2(m2sin2θ+cos2θ)1/2](7)理論橢圓殼的面積A1為：A1=2πxds(8)ds=(d2x+d2y)1/2=a/m(1+m2a/(m2sin2θ+cos2θ)3/2)·(m2sin2θ+cos2θ)1/2dθ積分得面積A為：A1=πβα2(9)其中，β=1+ln(2+31/2)/(2*31/2)+4πα+2α2(10)α=δ/Di(11)橢圓直邊部分的面積為：A2=π(Di+1)h(12)故橢圓的面積為A=A1+A2=πβα2+π(Di+1)h(13)代入數(shù)據(jù)得A=3.808m2。2.2其它方法的展開2.2.1等弧長的展開以y軸為中心軸把橢圓分為12片類似于扇形的幾何圖形，為了精確計算再把每片以y軸等分為12片，每片成環(huán)狀。計算都以中心母線面為基準(zhǔn)，則橢圓的方程可表示為：(x/907)2+(y/457)2=1(14)每段的弧長計算如下：dS0=π（1800+2*7）=5698.85mmds0=dS0/12=474.90mmdS1=5679.00ds1=473.25dS2=5619.10ds2=5619.1dS3=5517.89ds3=459.82dS4=5372.93ds4=447.74dS5=5180.59ds5=431.72dS6=4935.35ds6=411.28dS7=4628.80ds7=385.73dS8=4247.67ds8=353.97dS9=3769.43ds9=314.12dS10=3150.16ds10=262.51dS11=2277.56ds11=189.80兩段之間的相對弧長可用三角形法類似求得：l1=38.21l2=39.62l3=41.35l4=44.53l5=48.87l6=52.42l7=64.28l8=71.63l9=85.11l10=105.66l11=144.01l12=364.48所以可得每片微元面積為：S1=18114.41S2=18481.84S3=19188.05S4=20236.82S5=21489.85S6=22095.03S7=25615.92S8=26492.36S9=28430.57S10=30463.36S11=32568.58S12=34589.15則每片類似于扇形的微元面積為：S=S1+S2+S3+…+S11=297735.92mm2=0.2977m2橢球面的總面積A1為：A1=0.2977*12=3.573m2橢圓封頭的總面積A’為：A’=3.573+0.228=3.801m2與理論值的相對誤差為：(A’-A)/A*100%=-0.2%可見有相對高的精確度，微元中增加計算的部分與省去的部分幾乎填平。2.2.2類似于等面積的展開等面積展開時，因為弧長積分遇到困難，所以任以y軸等分為12個圓環(huán)，每個圓環(huán)分為12個梯形狀計算（頂部的圓以三角形計算），所以計算可得與上述等弧度相等的面積A=3.801m2,所以于焊縫的長度討論兩種情況的優(yōu)劣。2.2.3焊縫長度的比較等弧長的焊縫長度1/4π*907*457*12=3906561.04mm=3.907m類似于等面積的焊縫長度dS0+dS1+dS3…+dS11=50378.48mm=0.504m<3.907m所以，從焊縫的長度角度來考慮的話類似于等面積法優(yōu)于等弧長法，可以減輕焊接的工作量，提高橢圓封頭的強度。所以，我們采用類似于等面積法的橢圓展開方法。2.3我們所選擇的展開方法綜合考慮，我們決定將經(jīng)圓法和緯圓法結(jié)合起來，充分利用兩者的優(yōu)點，揚長避短。而評判的核心是使橢圓封頭的焊縫長度和面積體積改變量能達到最優(yōu)。圖8結(jié)合法的展開示意圖2.4工廠的部分實例圖9工廠中橢圓封頭的實例之一圖10工廠中橢圓封頭的實例之二3.心得體會此次參加化工設(shè)備設(shè)計大賽，對我們化工學(xué)院四年級學(xué)生來說無疑是一次極好的鍛煉機會。在大學(xué)四年來，我們有沒有真正學(xué)到知識，會不會理論聯(lián)系實際，能不能盡快接受和掌握新的知識技術(shù)，此次大賽就是一桿度量的天平。通過具體使用已學(xué)知識，綜合運用分析與學(xué)習(xí)的能力，經(jīng)過一個星期的努力，我們學(xué)到了很多很多。我們參加此次參加化工設(shè)備設(shè)計大賽主要的心得體會就是——我們發(fā)現(xiàn)通過大學(xué)四年的學(xué)習(xí)能掌握一種學(xué)習(xí)方法與技巧，將來遇見許多和此次大賽的新問題、新學(xué)問，我們能在較短的時間內(nèi)做出較好的解答。3.1學(xué)習(xí)SolidWorks繪制三維圖的體會我們在兩年前接觸了AutoCAD，發(fā)現(xiàn)它在平面制圖方面的功能十分的強大，在錢自強老師的悉心指導(dǎo)下，我們都學(xué)會了熟練操作AutoCAD界面。不過，我們覺得AutoCAD對于三維立體制圖造型功能略顯得普通，一張很平常的三維圖在AutoCAD界面上就是要靠UCS坐標(biāo)轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去，比較麻煩。此次大賽現(xiàn)在通過對SolidWorks的三維制圖學(xué)習(xí)，我們一下子發(fā)現(xiàn)它在三維制圖方面比AutoCAD操作簡單多了。真是一個優(yōu)秀的軟件。我們在前幾天的SolidWorks的三維制圖中，不是很熟練。常常明明可以簡單的選平面進行草圖繪制的，我們還是設(shè)立新基準(zhǔn)面，一時忘不了AutoCAD的制圖方法，后來才慢慢地習(xí)慣了。可以從我們的裙座零件圖中發(fā)現(xiàn)有一些重復(fù)標(biāo)注的錯誤，盡管系統(tǒng)已經(jīng)提示了，但是由于我們對Solid