等径正交圆柱管道相贯线展开曲线的建模及应用

张宪明 周知进

（贵州理工学院机械工程学院，贵州贵阳 50003）

·交通与建筑科学·

等径正交圆柱管道相贯线展开曲线的建模及应用

张宪明 周知进

（贵州理工学院机械工程学院，贵州贵阳 50003）

本文阐述了通过SolidWorks软件环境对等径正交圆柱管道的相贯线的展开曲线进行建模，并将之应用于生产实践中的一种方法。该方法操作简单，易于实现，可为生产现场的板料下料工序提供理论依据和参考。

等径圆柱正交管道；相贯线的展开曲线；SolidWorks

圆柱管道相交在工业管道结构中应用广泛，尤其是两等径圆柱管道正交的结构最多，管道相交在管道表面形成相贯线，相贯线是一条沿两圆管表面的空间曲线，而管道结构的制造安装一般情况下是从板料展开的情况下着手设计制作的，所以求相贯线在一个平面的展开曲线就成了工业管道结构制造安装的关键和主要工作。相贯线的展开曲线一般是不规则曲线，曲线方程复杂，建立起来比较困难，所以使用解析法求解或用通用软件绘制都比较困难。在施工现场，传统的做法是采用人工几何作图，将圆管N等分，依次测量展开高度值。这种方法虽然能够满足现场施工要求，但需花费大量精力人工绘制展开图样，且绘图精度受实际相贯线位置精度和人工制图误差的影响［1］。在专业化、规模化的生产应用中，有利用计算机进行辅助设计（CAD）、制造（CAM）等的专业数控切割设备，这种方法专业性很强，应用范围小，投入成本高，难以满足生产中的个性化需求。本文阐述了利用Solid⁃ Works软件对等径圆柱管道正交的相贯线的展开曲线建模，再利用描点法，近似的求出相贯线的展开曲线的方法。本方法操作简单，可根据实际管道参数灵活设计，满足个性化的需求。

两等径圆柱管道相贯的形式如图1，两根管道的相贯线是相同的，同一根管道的两端的相贯线形式也是相同的，所以只要求出其中一根管道一端的相贯线即可，其他相同的。

图1 两等径圆柱管道相贯模型

以下示例中管道外径150mm，壁厚5mm，实际应用中可自行设置不同参数。

1 相贯线的展开曲线的建模

1.1 建立管道模型

利用SolidWorks提供的钣金基体法兰工具，建立管道模型，生成基体法兰。

命令：插入-钣金-基体法兰，选一个基准面画草图，如图2所示：

图2 基体法兰草图

图3 Ⅰ局部放大图

根据图3，可以看出在管道圆周方上设计了个缺口，实际的管道圆周上本没有缺口，为了能将管道展开，假想在管道圆周上有个相距0.1mm的缺口，对于半径为150mm、壁厚5mm的管道的展开周长影响可以忽略不计。［2］

生成的基体法兰模型如图4所示：

1.2 求出管道相贯后的模型。

以上建立了管道模型，再利用拉伸切除特征，求出该管道相贯后的形状。

画出与其正交的圆柱管道草图，再拉伸切除，就得到该管道相贯后的模型，如图5所示。

图4 基体法兰模型

图5 管道相贯后的模型

1.3 管道展开，求出相贯线的展开曲线的理论形式

将管道从圆周上相距0.1mm的缺口处展开。

命令：插入-钣金-展开

选取合适的视角方向，查看管道展开图，主要关注相贯线的展开曲线部分。

如图6所示。

图6 管道展开图

以上就是求出的管道一端的相贯线的展开曲线的理论形式。

2 生产实践中，读取理论曲线上若干点，利用描点法，近似求出曲线轨迹

为了使所求的理论曲线应用于实际生产，可通过描点法。即在生产实践中，读取理论曲线上若干个点的坐标值，再将这些点光滑的连接起来所得到的曲线就是近似的相贯线的展开曲线。读取的点越多，所描绘的曲线越接近理论曲线。所取点的数量根据实际的生产精度需求来确定。

2.1 新建坐标系。

在SolidWorks环境下，当新建一文件时，系统会建立一个默认坐标系，但默认坐标系不一定满足和方便使用需求。为了方便读取并记录以上所求理论曲线上点的坐标值，须以理论曲线上的点（如端点，中点等）为坐标原点，建立新的坐标系。以下是以曲线的一个端点作为原点建立新坐标系。

命令：插入-参考几何体-坐标系。

拾取理论曲线的一个端点作为坐标原点，并按需求设置相应的三个坐标轴。点击确定。生成新建坐标系并显示出来，如图7所示。

图7 新建坐标系

2.2 保存文件

为了使用新建坐标系下的数据，需要在新坐标系下保存文件。保存类型选“Parasolid（*，x_t）”，点击选项，弹出输出选项窗口，在该窗口的输出坐标系中选择刚才新建的坐标系，如图8所示，点击确定。弹出输出窗口，选择所有实体选项，点击确定。文件在新的坐标系下保存成功。

图8 新坐标系下保存文件

2.3 打开文件文件类型选“Parasolid（*，x_t，*.x_b，*.xmt_txt，*. xmt_bin）”，打开之前命名的文件。

弹出输入诊断的窗口，点击否。弹出Featurework窗口，点击否。

至此，新坐标系下的文件打开。

2.4 读取并记录理论曲线上点的坐标值

点击草图中的绘制点选项，选择视图正前方的平面作为草图平面，选择新建坐标下的原点。显示该点处的X，Y坐标为0，0，在相贯线上取若干个点，并记录点的坐标［3］。如图9所示。

图9 读取并记录理论曲线上点的坐标值

2.5 在生产实践中，利用描点法，可近似求出相贯线的展开曲线。

在实际的生产下料中，根据以上所取得点的坐标值，描出这些点，光滑连接，即得到相贯线的展开曲线的近似解。

所取点的数量根据实际生产精度需要确定，点数量越多，所描轨迹越接近理论曲线。

3 结语

本文通过SolidWorks软件环境对两等径圆柱管道正交的相贯线的展开曲线进行了建模，在生产实践中，可根据理论模拟曲线，采用描点法，近似地求出相贯线的展开曲线，为生产现场的板料下料工序提供理论依据。本方法新颖、操作简单、易实现、灵活性强，为机械、石油化工等行业的管道结构制作提供了理论基础和方法论。

［1］黄建.圆柱类管道正交相贯的计算机辅助展开［J］.中国高新技术企业，2013，20：84-85

［2］王宏峰.一种相贯线的展开算法［J］.电脑开发与应用，2009，22（2）：59-61

［3］张乐乐，郭北苑，胡仁喜.SolidWorks应用教程［M］.北京：清华大学出版社，2007.

Un folding CurvesM odeling and App lication of EqualDiameter Orthogonal CylindricalPipes Intersecting Lines

Zhang Xianming Zhou Zhijin
(SchoolofMechanical EngineeringGuizhou Instituteof Technology，Guiyang Guizhou 550003)

This paper expounds amethod ofmodeling the unfolding curves obtained by SolidWorks software environment on equaldiameterorthogonal cylindricalpipes intersecting lines，and applying it to practice.Themethod hassimpleopera⁃tion and iseasy to complete，can provide a theoreticalbasisand reference for the sheetblanking processon production site.

equaldiameterorthogonal cylindricalpipes；unfolding curveof intersecting line；SolidWorks

TP391.72

：A

：1003-5168（2015）03-0085-3

2015-2-25

国家自然科学基金项目支持（51479073）。

张宪明（1979-）男，硕士研究生，研究方向：机械设计制造及自动化。