三维CAD技术下的水电站压力岔管设计方法

宋 升

（奎屯农七师勘测设计研究院（有限公司），新疆 伊犁 833200）

三维CAD技术下的水电站压力岔管设计方法

宋 升

（奎屯农七师勘测设计研究院（有限公司），新疆 伊犁 833200）

压力岔管是水电站不可缺少的一部分。然而，通过研究发现压力岔管设计中经常出现效率低、误差大等多种情况，并不利于水电站正常使用。随着科学技术发展三维CAD技术被应用到水电站压力岔管设计中，有效弥补了常规设计中的不足，还强化了设计精度。因此，文章从三维CAD设计方法入手，结合重点研究三维CAD技术下的水电站压力岔管设计。

三维；CAD技术；水电站；压力岔管；设计

水电站输水系统中，应用最多的岔管为钢岔管。尽管这种岔管拥有较强的抗压能力，但体型却很复杂，无论是结构设计还是体型展开计算都很难。如果采用原有设计方式，经常需要一系列十分复杂的计算才能获得正确的设计图。为解决这一问题，强化计算效率，实现快速设计，应将三维CAD技术应用到岔管设计中，只有这样才能真正做好压力岔管设计工作。

1 三维CAD设计方法分析

三维CAD技术出现以后，在设计水电站压力岔管的过程中主要应用图解法、数解法、程序开发法以及AutoCAD法。尽管这些设计方法都有一定好处，但实际应用起来却很困难，精度也不够，且需要反复验证[1]，三维CAD设计法就可以有效弥补这些不足。三维CAD设计中融合了UG、CATIA等软件，同时应用了较为先进的混合建模技术，并强化了装配功能，这样一来就为复杂模型的构建奠定了基础。CAD技术的制图精准性较好，不仅计算流程可以省略，所查算的数据也十分精准，且便于携带，只要有远程监控设备或手提电脑就可以，极大的方便了野外使用。利用三维CAD技术设计岔管的过程中，需要经历以下过程：①根据已知几何条件构建立体模型；②获取主支管，并取得体型图；③通过CAD展开功能开启表面图取得主支管展开图；④明确腰梁与U梁之间的关系，设计好合适的曲线方程。由于三维CAD技术的带有立体性，设计者可以全面了解设计对象的内外结构[2]，如果在设计中存在不足，设计者也可以联系实际情况做出调整。

2 设计实例分析

2.1 设计产品介绍

非对称Y型三梁岔管是水电站应用较多的岔管，在本次设计中，非对称Y型三梁岔管的分岔角度为60度，其中主管以圆柱管为主，壁厚为22mm，内径厚度为2800mm，支管以圆锥管为主，壁厚为20mm，部分壁厚为32mm，内径厚度为2000mm，因此，公切球的内半径则设定为2000mm[3]。

2.2 设计方法

该水电在为奎屯河三级水电站，发电流量为55m3/s，发电水头148m，装机63MW，拥有2大2小机组，其中大机容量为20MW，小机容量为11.5MW。要利用三维CAD技术完成非对称Y型三梁岔管设计，应按照以下步骤进行：

（1）利用零件与装配设计模块，同时加强与几何参数的联系，即在建模以后加入合适的控制参数，然后用CSV文件实现批量导入。这样一来，所有管节的模型参数都会发生变化，构建合适的立体模型，进而获得Y型岔管立体图。在这一过程中还要注意参数分类管理，由于在本次设计中需要的设计以钢岔管设计为主，所以就要控制好钢岔管体型参数，如分岔角等。并注意相关专业知识的应用，将专业知识作为输入参数，只有这样才能满足实际需求。一般来讲，钢岔管直观过度锥体有2～3个，但为进一步强化本次设计，可以将钢岔管直观过度锥设计在4个左右，同时，确定好钢岔管模型，并控制好模型参数，这也是做好本次设计中重点[4]。

（2）将提取技术应用其中，并绘制草图，主要用于确定体型图，然后量取控制体型的相关数据，获得主管与支管的体型图，并掌握图形的长度参数。如在设计完成以后可以发现，支管体型图中各个边长也可以清晰的体现出来，由于在本次设计中支管共有五个边，然后根据各个边长确定合适的设计方式。同样主管的各个边长也可以体现出来。这些都是三维CAD技术所带来的好处，设计者可以更直观的看到实际设计情况，如果发现某些边长不合理，相关人员也可以及时作出调整，防止造成人力、物力以及财力的浪费。

（3）主义CATIA功能的引入，将已经成型的主管与支管图展开，以便获得合适的开展图，并绘制出曲线坐标数据。这样就可以在相同坐标下，利用三维CAD技术获得一定的坐标值，经过验证发现，由此得来的数值与数解法所获的数值相同，如主管展开值是固定的。经过数值法与CAD法计算发现，两者的坐标值就基本相同。由此可见利用三维CAD法应用到岔管设计中，可以有效提升设计效率，设计精度也会随之提升。

（4）测量腰梁和U梁内缘长度，同时确定合适的方程，而U梁又分大U梁与小U梁两种，这也意味着需要U梁需要两种方程。如在某次设计中，将腰梁的方程设定为：

而大U梁的方程为：

小U梁的方程为：

由于有了计算方式，再加上三维CAD技术中含有计算功能，很快就会获得既定的计算结果。

2.3 设计效果评价

研究发现三维CAD技术有如下特点：①随着三维CAD技术在压力岔管设计中的应用，不仅强化了岔管的三维模型顺网层，还可以省略公式计算部分，提高了制图效率，增强了计算效率，保证了制图精准性[5]；②优化了操作步骤，压力岔管整个设计过程仅需要四步就可完成，所需工作量也很小，工作效率也很高，极大的减轻了相关工作人员的工作压力；③在研究中还发现，利用三维CAD技术设计出来的岔管施工图精度也很高，不仅可以实现直接输出，还减少了再次绘制，更减少了平面软件应用；④在三维CAD技术被应用到水电站压力岔管设计中以后，可以在自动计算模块中完成计算，该模块不仅计算速度较快，精准度也很高，即便是多项运算也可以顺利完成，为快速制图提供了一定有利条件；⑤三维CAD技术还具有良好的存储能力，存储空间也很大，可以有效满足实际计算与使用需求；⑥三维CAD技术也可以清楚的为设计者展示实际情况，并在三维动画的作用下，看到各项设计细节，设计者也可以利用三维CAD技术模拟岔管使用环境，真实的看到压力岔管在实际运行中所发生的变化，如果存在不足，设计者可以立即整改。三维CAD技术效果较好，能够解决原有设计中的不足。因此，应重视三维CAD技术的应用。

3 结束语

通过以上研究得知，三维CAD技术具有其他技术无法比拟的很多优点，同时在三维CAD技术中融入了一定数量的先进技术，让整个设计更显立体化与真实化。尤其是在钢岔管设计中，很多计算公式可以省略，设计精度也很高，且可以有效减少再次验证，基本可以一次成型，由此可见，三维CAD技术是水电站压力岔管设计中不可缺少的一部分，因此，应重视三维CAD技术的应用。

[1]刘姝麟.月牙肋岔管的三维参数化设计与安全评估[D].广西大学,2014.

[2]韩守都,吴俊杰,王小军.钢岔管三维参数化设计方法的研究与应用[J].水电能源科学,2015,(3):175-178+174.

[3]王巍,周杰,李迪,等.基于CATlA的三维岔管设计在水电站的应用[J].水利规划与设计,2015,(10):107-108+114.

[4]张伟,杨绿峰,韩晓凤.基于弹性补偿有限元法的无梁岔管安全评价[J].水利学报,2009,(10):1175-1183.

[5]韩晓凤,文强,厉海元.基于知识工程模板的月牙肋岔管参数化设计[J].水利水电技术,2015,(11):50-55.

[TM622]

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2096-2789（2016）11-0188-02