基于UG的月牙肋岔管参数化设计与库的建立

马　伟　周建方

（河海大学机电工程学院　常州　213022）

1　引言

压力钢管是水电站输水工程重要组成部分，并且由于位置的特殊性，故其安全性和经济性一直受到广大设计人员的重视。当需要对多台的机组进行供水的时候，便需要设置岔管。月牙肋岔管由于具有受力明确，水流状态好等特点，在国内外得到广泛的应用，虽然该岔管计算理论和方法比较成熟，但按照NB/T 35056-2015《水电站压力钢管设计规范》［1］的关于月牙肋岔管的体形设计和肋板的计算过于繁琐，且人机交互能力较差［2～4］。对大型岔管则需要进行有限元分析，根据分析结果对设计结果进行修正，再分析，故需要重复建模。而由于设计经验不足导致的修正量过大，将使上述步骤多次重复，故单纯利用三维软件对岔管进行设计已经不能满足设计要求［5～6］。虽国内也对月牙肋岔管参数化的设计也有一定的研究［7～10］，但其面向对象仍然是有一定设计经验的设计人员，并且对设计方案数据的管理存在着不足。故在本文利用UG强大的参数化设计功能和库管理功能，整合规范中的计算公式、图表和设计者的设计经验，实现月牙肋岔管的快速设计和管理。

2　月牙肋岔管参数化设计的技术与方法

基于UG的参数化建模技术主要有两种思路［11～12］：一种是直接建模，利用各种三维软件二次接口中的各种建模函数，直接在建模模块生成模型。该方法最常使用的宏录制功能，然后读取各建模代码，在此基础上，以变量来控制模型各参数，另一种是模板建模，实现方法是先利用三维软件生成一个零件模板，基于模板的参数化建模是将预先设置好的模板中的关键参数修改后可得到新模型。同一模板下的零件只有尺寸差异没有结构本质差异。其中方法一适用于较为简单的模型，在模型较为复杂，建模步骤较为繁琐的情况下，应用有一定的难度。方法二既适用于简单模型也适用于复杂模型，并且其数据图形交互较为方便，便于设计人员的修改，故本文利用方法二来实现岔管的参数化设计。首先须对岔管的模版进行区分。现如今工程界应用最为广泛的为卜型和Y型，如图1、图2所示，故对两种类型的岔管分别设立模版。

图1　卜型月牙肋岔管

图2　Y型月牙肋岔管

2.1　月牙肋岔管形体的设计

2.1.1建立参数化的岔管模型

以卜型岔管为例，在设计计算中，基本参数为内水压力p，主管半径R1，支管2半径R2，支管3半径R3，支管2和支管2的轴线夹角B。设计参数为主锥11半锥顶角A11，主锥11节距S11，主锥12节距S12，公切球的半径RT，支锥21半锥顶角A21，支锥21节距S21，支锥22节距S22，支管3的设计参数同支管2，各参数的分布如图1所示。利用UG的表达式功能，定义上述参数，并在附注对每个参数加以解释，以方便设计人员进行区分。各参数的取值虽在文献［1］中给出了取值范围，但易造成初始设计方案的不明确，故结合文献［13］中的工程实践经验给出各设计参数的建议取值，以减少设计修改的次数，部分参数如图3所示。

图3　模板中的参数设计

管壳类的建模较为简单，其步骤一般为建立管壳的轮廓线和轴线，利用回转功能画出管壳的实体，利用修剪和抽壳功即可完成管壳的建模，重复上述步骤画出各管节的三维模型，即可得到最终的岔管模型。而在参数化建模的过程中对须对每一个特征和草图利用上述参数表达式和几何关系进行全约束，以完成管壳模板的建立。

2.1.2定义规则和检查

月牙肋岔管结构须满足一定的规则，一方面从结构角度以保证结构的安全性。另一方面若参数输入不当，可能会导致模型的更新失败。故在参数输入完毕后，须对整个模型的主要参数进行检查。根据文献［1］，利用表达式中的“测量角度”的功能将测量的值赋予相应变量，并建立相应的规则。为便于修改和查找原因，本文结合笔者的设计经验为对不合理的结果给出修改意见。以最大腰线折角C0为例，具体如下。

定义结果变量MPC_C0（类型为字符串）：MPC_C0=if（C0≤12）then（“合理”）else if（C0＞12）then（“增大主锥11的半锥顶角，或者支锥31的半锥顶角，同时减小相应管节的节距”）

类似的可以建立分岔角等参数的规则，只有在所有用于检测的规则表达式输出的结果都为“合理”，才能满足设计要求。

2.2　月牙肋岔管肋板的设计

肋板的设计依据规范中相关规定，具体设计步骤如下。

1）区分月牙肋岔管的工况，分为试验工况和运行工况，不同工况下肋宽肋厚的大小有区别，且在岔管体形结构上也有差异，其中运行工况的岔管结构如图1～2所示，试验工况则须在三管端部增设有闷头。为在同一模板下实现不同工况下的岔管的设计，在表达式中设立不同变量代表试验或者运行工况如GC=0（代表运行工况），GC=1（代表试验工况），利用“由表达式抑制”的功能，对闷头相关的特征进行设置。

2）根据文献［1］附录F中的图F.0.3-2的肋板宽度参考曲线，依据分岔角选取肋宽比（肋宽比为肋宽与支锥21，支锥31相贯线在肋板中央截面的投影长度a的比值），继而可求得肋宽BT。曲线图录入UG中可将曲线离散为46个点，利用逻辑语句依次录入表达式中。

3）利用规范中的内力计算公式，计算肋板中央截面的竖向内力V。

肋板的厚度利用式（1）计算。

其中C为壁厚裕量，[σ]1为许用应力。

肋板厚度应不小于管壁厚度的两倍，同样须建立检查规则用以控制壁厚。利用规律曲线，根据所给出的抛物线方程，画出内缘曲线。肋板外缘预留焊接长度100mm即可。至此已完成岔管三维模型模板的建立。

3　工程图的绘制

岔管工程图的绘制主要分为两类，一是肋板的绘制，二是管壳工程图的绘制，其中肋板工程图的绘制较为简单，在UG的制图模块定义好模型的二维工程图布局和标注，经过这样的定义，可以保证新生成的模型能够继承这些布局和标注。但值得注意的是岔管工程图中最关键的是各管节的展开图，是生产的主要依据［14］。而现如今在UG中，可利用其钣金模块，对各管节展开，并绘制展开图，该方法方便快捷，大大提高了设计效率。主锥11的管节展开如图4、图5所示。

图4　主锥11管节示意图

图5　1/2的主锥11管节展开示意图

图中hh'，gg'的长度用“测量距离”的命令，将测量的结果存储于不同的变量，在工程图模块，以表格的形式读取变量值。避免了人工计算，节省了设计时间。

4　月牙肋岔管重用库的建立

UG重用库用以加载常用或者重复使用的部件［15］。重用库一方面可极大地提高产品设计效率，另一方面结合Excel表格，可方便产品的管理归档。以卜型岔管为例，结合部分水电站卜型岔管的设计数据，阐述重用库的建立。

1）在UG软件的安装目录UGSNX8.0LOCALIZATIONprc创建文件夹（命名为bifurcation）。将岔管模型保存于该文件下，命名为LICRB.prt；

2）建立后缀名为bmp的预览图，如图1所示，命名为LICRB.bmp；

3）新建名为LICRB.xls的工作表，表格内容如图6所示；

图6　xls表格内容

4）在重用库管理截面，添加上述岔管文件夹，并为岔管模型配置krx文件，以“PART_NAME”为主参数。具体如下：

＜？xm lversion=“1.0”encoding=“UTF-8”？＞

＜KnowledgeReuse＞

＜ItemData＞

＜Part Location=“LICRB.prt”/＞

＜KeyParameterDescriptiveName=“PART_NAME” ＞

PART_NAME＜/KeyParameter＞

＜DataFile Location=“LICRB.xlsx”/＞

＜/ItemData＞

＜ComponentData＞

＜/ComponentData＞

＜/KnowledgeReuse＞

5）月牙肋岔管重用库的调用，在UG重用库中调取岔管的，弹出如图7所示的对话框，设计参数的输入可以是在工作表中输入，以“PART_NAME”进行选取，也可以在图7示“参数修改”的位置进行修改。但第一中设计方法更为合理，且便于批量输入。同时在对已有设计数据，利用重用库，可仅在表格中输入录入主要参数来保存设计档案，避免大量的模型图纸占用系统空间。

图7　添加可重用组件

5　结语

1）本文利用UG基于模板的参数化设计整合了规范中的公式图表和设计人员的设计经验，实现了月牙肋岔管的快速建模和出图，大大提高了设计效率。

2）利用重用库功能，便于月牙肋岔管的重复调用和数据管理，并且在设计方案较多时，结合Excel表格，可实现对参数批量输入，减小设计出错的可能。

3）月牙肋岔管的参数化设计和库的管理的设计方法，可以借鉴到企业常用产品零件的设计当中，以提高产品的开发效率。

［1］NB/T 35056-2015水电站压力钢管设计规范［M］.北京：中国电力出版社，2015.NB/T 35056-2015 Design code for steel penstocks of hydroelectric stations［M］.Beijing：China Electric Power Press，2015.

［2］吴启煌.钢岔管展开图的数解法［J］.水利发电，2003，29（7）：49-51.WUQihuang.Mathematical solutions of the developed surface of bifurcated steel pipe［J］.Water power，2003，29（7）：49-51.

［3］宋蕊香，伍鹤皋，苏凯.月牙肋岔管管节展开程序开发与应用研究［J］.人民长江，2009，40（13）：34-37.SONG Ruixiang，WU Hegao，SU Kai.Study on development and application of pipe joint expansion program of crescent rib bifurcated pipe［J］.Yangtze River，2009，40（13）：34-37.

［4］张剑，陆伟.应用CAD提高月牙肋岔管设计效率［J］.人民珠江，2005（S1）：10-11.ZHANG Jian，LUWei.Application of CAD to improve design efficiency of crescent rib bifurcated pipe［J］.Pearl River，2005（S1）：10-11.

［5］杨胜平.三维CAD在月牙肋钢岔管体型设计中的应用［J］.甘肃水利水电技术，2008，44（7）：483-485.YANG Shengping.Application of3D CAD in shape design of crescent rib steelbifurcated pipe［J］.GansuWater Conservancy and Hydropower Technology，2008，44（7）：483-485.

［6］王茜，刘永孝，刘洁玉.基于CAD和三维软件CATIA的月牙肋岔管体型设计［J］.西北水电，2015（6）：32-34.WANG Qian，LIU Yongxiao，LIU Jieyu.Outline Design of Crescent rib Bifurcated Penstock by CAD and CATIA［J］.NorthwestHydropower，2015（6）：32-34.

［7］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，2015，33（3）：174-178.HAN Shoudu，WU Junjie，WANG Xiaojun.Research and application of 3D parametric designmethod for steel bifurcated pipe［J］.Water Resources and Power，2015，33（3）：174-178.

［8］张伟，奇一鹤，刘姝麟，月牙肋岔管三维参数话设计方法的研究［J］.广西大学学报，2015，40（4）：1119-1028.ZHANGWei，QIYihe，LIU Shulin.A 3D parametric design method for crescent rib reinforced branch pipe［J］.JournalofGuangxiUniversity，2015，40（4）：1119-1028.

［9］赵晓慎，王卫东.Y型月牙肋岔管的参数化与自动化设计［J］.黄河水利职业技术学院学报，2006，18（2）：4-6.ZHANG Xiaoshen，WANGWeidong.Parametric and automatic design of Y type crescent rib bifurcated pipe［J］.Journal of Yellow River Conservancy Technical Institute，2006，18（2）：4-6.

［10］伍鹤皋，付山，汪洋，等.基于CATIA的水电站月牙肋钢岔管三维参数化设计［J］.武汉大学学报（工学版），2014，47（6）：738-742.WU Hegao，FU Shan，WANG Yang.3D parametric design of rib reinforced bifurcation using CATIA［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2014，47（6）：738-742.

［11］何丽，孙文磊，王宏伟.基于UG的Web三维零件库系统开发［J］.机床与液压，2012，40（11）：91-95.HE Li，SUN Wenlei，WANG Hongwei.Development of the Three-dimensional Parts Library System on Web Based on UG［J］.Machine Tool&Hydraulics，2012，40（11）：91-95.

［12］陈青，李青祝.基于NX的组合机床智能化设计系统开发［J］.机床与液压，2012，41（19）：122-124.CHEN Qing，LIQingzhu.Development of NX Based Intelligent Design System for Modular Machine Tools［J］.Machine Tool&Hydraulics，2012，41（19）：122-124.

［13］王志国.水电站埋藏式内较强月牙肋岔管技术研究与实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.WANG Zhiguo.Research and practice of buried crescent rib bifurcated pipe in Hydropower Station［M］.Beijing：ChinaWaterPower Press，2011.

［14］文智敏.岔管展开图计算探讨［J］.中国水能及电气化，2013（8）：48-51.WEN Zhimin.Discussion of Bifurcated Pipe Expansion Plan Calculation［J］.China Water Power&Electrification，2013（8）：48-51.

［15］郑德星，唐俊焘，汤小峰.基于NX/PTS的可重用模型库的构建［J］.组合机床与自动化加工技术，2013（1）：45-48.ZHENG Dexing，TANG Juntao，TANG Xiaofeng.Development of Reusable Model Library Based on NX/PTS Technology［J］.Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique，2013（1）：45-48.