典型铸造车间仿真设计实例

2014-03-25苏见波徐继龙

中国铸造装备与技术 2014年1期

苏见波，徐继龙，刘建

（机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007）

1 前言

进入21 世纪以来，发达国家纷纷调整其产业政策与技术政策，将高新技术的重点和科技发展的热点转向产业技术，主要是智能化制造技术领域，使智能化制造技术由传统意义上的单纯机械加工技术转变为集机械、电子、材料、信息和管理等诸多技术于一体的先进制造技术，并加速用现代智能化制造技术改造和提升传统制造业，实现制造业的高技术化。我国改革开放以来，机械制造业取得了巨大的成就，从引进消化吸收向自主创新迈出了坚实的步伐[1]。智能化设计将进一步提高制造系统的柔性化和自动化水平，使生产系统具有更完善的判断与适应能力，也将会显著减少制造过程物耗、能耗，提升传统制造业的水平。

济南某铸造公司新建铸造项目厂区用地面积21.6 万m2，总建筑面积6 万m2，年设计生产铸铁件35 000 t，有色铸件1 000 t。项目利用BIM 技术构建三维工业建筑信息模型，进行可视化设计，同时将绿色工业建筑性能模拟应用于方案比选与设计优化，工厂运维管理采用“工厂三维运维管理系统”，全力打造“绿色、节能、环保”的新型数字化工厂。

2 三维工业建筑信息模型

2.1 厂区规划布局可视化

结合济南地区气候特点、地块特点和该厂的生产工艺特点，厂区规划合理利用当地自然条件，采用可视化规划手段，方便直观地为客户展示规划布局（图1），使客户充分理解规划设计意图。

图1 厂区规划布局可视化

2.2 铸造车间工艺布局可视化

车间工艺设备根据各生产系统特点，利用仿真技术进行可视化布局（图2），使整个物流顺畅、路线短捷。可视化的工艺布局也避免了设备在移动过程与钢结构或管线发生碰撞。

图2 铸造车间工艺布局可视化

2.3 铸造车间模拟建造

利用车间模拟建造功能，将各阶段施工工序与BIM 模型关联起来，可合理安排施工、有效控制工期，同时，将建造过程以三维方式展示给业主（图3），也可使业主直观掌握整个项目的进展情况。

2.4 车间公用专业及工艺设备可视化设计

图3 铸造车间模拟建造

车间公用专业管线利用Revit MEP 进行可视化设计（图4），避免了管线之间的“错漏碰缺”现象的发生。在空间狭小的区域也可高效、准确地将各专业管线以最优方式排布，并直观展示，在施工前解决碰撞问题，减少返工，有利于控制建设成本和工期。

图4 车间公用专业及工艺设备可视化设计

车间工艺设备均建立其参数化模型，便于后期运维管理。

3 绿色工业建筑性能模拟

参照《绿色工业建筑评价标准》，对本项目设计方案进行了光环境、建筑物室内外噪声及重点车间内气流组织和温度场等绿色工业建筑性能模拟分析。通过分析结果，对设计方案在建筑材料选用、建筑照明节能、噪声污染防治、气流组织优化、改善工人作业环境等方面提供参考和修改建议，改进建筑性能，达到“绿色、节能、环保”的效果。

厂区环境绿色分析侧重于济南市气象数据的分析、车间采光分析、车间运行时产生的噪音污染情况分析等方面。从而确定厂区建筑最佳朝向、热舒适度、采光方案及噪音污染治理措施等。

3.1 厂区环境绿色分析

由全年各月风频图可知济南主导风向为北风，夏季主导为西南风，设计中加以利用夏季主导风，同时对冬季主导风向加以防范。

各种被动设计策略舒适度百分比影响如图5，在济南地区，自然通风策略与高热容材料运用得当，可大幅度提高室内热舒适度。

图5 被动设计策略分析

通过组织自然通风，在5、6、7、8、9、12 月能大幅改善室内热舒适度。本方案结合建筑布局及平面形状考虑了自然风的导入，以利于室内的通风。

通过利用高热容材料的热惰性,可减小室内环境温度随室外环境温度的波动，提高室内环境的舒适性（1/2/12 月无作用），尤其在4/5/6/9/10 月份。本方案墙体、屋面、地面等实体结构均采用了隔热性能和蓄热性能较好的材料,阻止热量进入室内并降低室外温度波动对室内温度的影响,提高室内热舒适度。

从图6 中可以看出在6/7/8 月通过利用机械通风可满足室内舒适度要求,本工程结合建筑布局进行建筑通风设计，减小空调制冷运行时间，从而降低建筑能耗。各种颜色区块表示所采用的主动式降温策略,蓝线在区块内部的部分,则表明该蓝线所代表的时间段可采用的最佳主动式降温策略。

图6 焓湿图分析

济南光气候区为Ⅲ类，车间采光等级为Ⅲ级，采光形式为侧面采光兼顶部采光。由于各种因素，设计难以满足《建筑采光设计标准》的要求，需辅以人工照明。辅以人工照明后，车间内平均照度大于300lux，满足《建筑采光设计标准》的要求（图7）。

图7 采光分析

落砂机在不影响功能的情况下采用半密闭罩；除尘风机采取密闭罩隔声措施，风机出口设置阻性或阻抗复合式消声器；水泵设置在水泵房内，基础均设置隔声垫，水泵进出水管上设避震喉，可降低水泵的噪声和震动；空压机采用低噪声的螺杆空压机，空压站在建筑上采用隔声门窗及内墙贴附吸声材料等消声降噪措施；各工作时震动大的设备采用减震基础，减少震动时的噪声和减轻振动的传播。

考虑采取以上措施后，模拟分析出厂界噪音白天低于60dB（图8），满足《工厂企业厂界噪声排放标准》Ⅱ类标准要求。

图8 噪音分析

3.2 铸造车间CFD 模拟

铸造车间CFD 模拟分析重点研究车间的主厂房，并根据需要对模型进行了一定的简化，模拟出车间在室外有风和无风两种状态下运行的最不利工况。

（1）工况一：室外无风，熔化、浇铸、开箱同时进行

平衡状态下，铸造车间1.5 m 高度温度分布以发热体为中心呈放射状分布（图9），温度沿放射方向快速递减，辐射范围与发热体体积和温度成正比。车间内大部分区域温度与环境温度相同为35℃，浇铸区温度在40℃以下，熔化区温度在47℃以下，开箱区温度最高，影响范围最大，靠近铸件处温度超过70℃。铸造车间温度分布大致趋势还是以发热体为中心呈放射状分布，但沿竖直方向递减较水平方向缓慢，这主要是受热浮力流动的影响。