塔設(shè)備的三維造型設(shè)計(jì)

EastChinaUniversityofScienceandTechnology華東理工大學(xué)化工設(shè)備計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)大賽設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)參賽小組：化工學(xué)院前言：“化工設(shè)備的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)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(guò)此次大賽來(lái)對(duì)我們大學(xué)四年來(lái)所學(xué)知識(shí)的具體使用與綜合運(yùn)用能力進(jìn)行一次檢驗(yàn)。希望諸位老師能對(duì)您的學(xué)生的不足和幼稚之處，多多地批評(píng)和指教。1.塔設(shè)備的三維造型設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)大賽要求之一是讓各參賽小組對(duì)塔設(shè)備、扶梯和平臺(tái)等進(jìn)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(xiàn)，首先做塔設(shè)備等的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，然后依據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的具體結(jié)果分別在AutoCAD界面中繪制平面設(shè)計(jì)圖和在SolidWorks界面中繪制三維設(shè)計(jì)圖。1.1塔設(shè)備等的設(shè)計(jì)與計(jì)算1.1.1已知條件在參賽材料中對(duì)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(jì)的已知條件塔類(lèi)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(duì)除了上述的已標(biāo)注尺寸外，其余沒(méi)有要求，但是要進(jìn)行塔設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)的工藝條件（擬訂）工藝條件物料弱腐蝕性有機(jī)溶劑設(shè)計(jì)壓力/MPa0.1設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)的接管表（擬訂）接管表符號(hào)名稱(chēng)接管公稱(chēng)直徑/mma1,2裙座人孔450b1,2溫度計(jì)口32c塔頂蒸汽出口450d1-3加料口100e1,2壓力計(jì)口25f再沸器蒸汽出口450g回流口175h1-3取樣口25i1,2液面計(jì)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(tái)的材料由于暫定的設(shè)計(jì)壓力是常壓（0.1MPa），且設(shè)計(jì)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(tái)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(tái)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(xiàn)[1]的表17-1查得平臺(tái)單位重量載荷為150kg/m3，取A3鋼的密度為ρ=8000kg/m3，解得平臺(tái)踏板厚約18mm，但是考慮到平臺(tái)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(jì)（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(xiàn)[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(jì)算采用環(huán)上加筋板結(jié)構(gòu)，以n=24個(gè)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(gè)筋板間基礎(chǔ)環(huán)部分的長(zhǎng)寬比：b/L=186/314=0.592查參考文獻(xiàn)[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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(xiàn)[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(xiàn)[1]表17-6，選用M48的地腳螺絲。1.1.7計(jì)算部分簡(jiǎn)化的說(shuō)明由于此次設(shè)計(jì)給出了已知條件，而且注重的是塔的外形設(shè)計(jì)，所以我們小組將塔設(shè)備等的設(shè)計(jì)計(jì)算作了簡(jiǎn)化。認(rèn)為塔體強(qiáng)度與穩(wěn)定性已經(jīng)符合工藝要求，故將諸如載荷計(jì)算、各截面軸向應(yīng)力計(jì)算、塔體及裙座強(qiáng)度和軸向穩(wěn)定性計(jì)算和水壓實(shí)驗(yàn)塔體強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算省去。只進(jìn)行了必要的相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算與校核。1.2塔設(shè)備的平面設(shè)計(jì)圖（AutoCAD）（請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)：盤(pán)內(nèi)AutoCAD文件：“平面設(shè)計(jì)圖”）圖1平面設(shè)計(jì)圖1.3塔設(shè)備的三維設(shè)計(jì)圖（SolidWorks）（請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)：盤(pán)內(nèi)Solidworks文件：“三維設(shè)計(jì)圖”）圖2三維設(shè)計(jì)圖（塔身）圖3三維設(shè)計(jì)圖（樓梯）圖4三維設(shè)計(jì)圖（左平臺(tái)）圖5三維設(shè)計(jì)圖（右平臺(tái)）圖6三維設(shè)計(jì)圖（組裝圖）1.4平面和三維制圖的設(shè)計(jì)步驟與過(guò)程說(shuō)明1.4.1AutoCAD平面制圖說(shuō)明此次的AutoCAD平面制圖是我們學(xué)它以來(lái)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(guò)程如下：（1）畫(huà)框圖；畫(huà)標(biāo)題欄、明細(xì)表和管口表；（2）設(shè)計(jì)軸線位置，設(shè)計(jì)主視圖和俯視圖的位置與大?。唬?）根據(jù)圖紙余下空間決定比例選取1：25；（4）先畫(huà)主視圖，再畫(huà)俯視圖；然后斷層進(jìn)行填充；（5）核對(duì)圖紙，確認(rèn)沒(méi)有遺漏后，進(jìn)行標(biāo)注；（6）填寫(xiě)標(biāo)題欄、明細(xì)表和管口表。注：一些不使用或是類(lèi)似的數(shù)據(jù)，沒(méi)有在平面圖上進(jìn)行注明。1.4.2SolidWorks三維制圖說(shuō)明對(duì)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(yùn)用了。此次的三維設(shè)計(jì)也是比較復(fù)雜的。我們通過(guò)先畫(huà)各個(gè)零部件，然后再組裝在一起，一步一步的畫(huà)出來(lái)。我們具體的過(guò)程如下：（1）畫(huà)裙座；（2）畫(huà)提餾段塔體；（3）畫(huà)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(huà)樓梯；（6）畫(huà)左右兩個(gè)半圓平臺(tái)；（7）將樓梯、左右兩個(gè)半圓平臺(tái)組裝成為樓梯和平臺(tái)。（8）將樓梯和平臺(tái)、塔體組裝成為總裝配圖。注：后來(lái)，我們通過(guò)在上海煉油廠為期十天的實(shí)習(xí)中，仔細(xì)觀察了現(xiàn)場(chǎng)的塔裝置，對(duì)我們修改作品，開(kāi)拓思路很有幫助。2.橢圓封頭的平面展開(kāi)橢圓封頭的表面是曲線曲面，屬于不可展曲面。其近似展開(kāi)方法有兩種，即等面積法和等弧長(zhǎng)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(kāi)面積相等，所謂等弧長(zhǎng)法是假設(shè)零件主斷面上的中性層弧長(zhǎng)在成型前后相等。其中以等面積法較為準(zhǔn)確，因?yàn)榻饘僭诔尚颓昂蟮捏w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(kāi)因?yàn)橐粓A面，設(shè)展開(kāi)面積為A。其基本的展開(kāi)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(kāi)方法示意圖而我們?cè)谥谱鞯倪^(guò)程中由于弧長(zhǎng)曲線積分式為一不可積方程，利用了類(lèi)似于等面積的曲面展開(kāi)方法。2．1根據(jù)中面母線幾何形狀推導(dǎo)理論展開(kāi)面積等厚度的橢圓封頭無(wú)疑也是一個(gè)回轉(zhuǎn)殼體，但無(wú)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(jiàn)圖1。已知內(nèi)表面母線上一點(diǎn)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(guò)A點(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo)可寫(xiě)為：x=x1+δ/2sinφ(2)y=y1+δ/2ccosφ(3)若內(nèi)母線的橢圓方程寫(xiě)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(kāi)2.2.1等弧長(zhǎng)的展開(kāi)以y軸為中心軸把橢圓分為12片類(lèi)似于扇形的幾何圖形，為了精確計(jì)算再把每片以y軸等分為12片，每片成環(huán)狀。計(jì)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(zhǎng)計(jì)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(duì)弧長(zhǎng)可用三角形法類(lèi)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(lèi)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(duì)誤差為：(A’-A)/A*100%=-0.2%可見(jiàn)有相對(duì)高的精確度，微元中增加計(jì)算的部分與省去的部分幾乎填平。2.2.2類(lèi)似于等面積的展開(kāi)等面積展開(kāi)時(shí)，因?yàn)榛￠L(zhǎng)積分遇到困難，所以任以y軸等分為12個(gè)圓環(huán)，每個(gè)圓環(huán)分為12個(gè)梯形狀計(jì)算（頂部的圓以三角形計(jì)算），所以計(jì)算可得與上述等弧度相等的面積A=3.801m2,所以于焊縫的長(zhǎng)度討論兩種情況的優(yōu)劣。2.2.3焊縫長(zhǎng)度的比較等弧長(zhǎng)的焊縫長(zhǎng)度1/4π*907*457*12=3906561.04mm=3.907m類(lèi)似于等面積的焊縫長(zhǎng)度dS0+dS1+dS3…+dS11=50378.48mm=0.504m<3.907m所以，從焊縫的長(zhǎng)度角度來(lái)考慮的話類(lèi)似于等面積法優(yōu)于等弧長(zhǎng)法，可以減輕焊接的工作量，提高橢圓封頭的強(qiáng)度。所以，我們采用類(lèi)似于等面積法的橢圓展開(kāi)方法。2.3我們所選擇的展開(kāi)方法綜合考慮，我們決定將經(jīng)圓法和緯圓法結(jié)合起來(lái)，充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。而評(píng)判的核心是使橢圓封頭的焊縫長(zhǎng)度和面積體積改變量能達(dá)到最優(yōu)。圖8結(jié)合法的展開(kāi)示意圖2.4工廠的部分實(shí)例圖9工廠中橢圓封頭的實(shí)例之一圖10工廠中橢圓封頭的實(shí)例之二3.心得體會(huì)此次參加化工設(shè)備設(shè)計(jì)大賽，對(duì)我們化工學(xué)院四年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一次極好的鍛煉機(jī)會(huì)。在大學(xué)四年來(lái)，我們有沒(méi)有真正學(xué)到知識(shí)，會(huì)不會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際，能不能盡快接受和掌握新的知識(shí)技術(shù)，此次大賽就是一桿度量的天平。通過(guò)具體使用已學(xué)知識(shí)，綜合運(yùn)用分析與學(xué)習(xí)的能力，經(jīng)過(guò)一個(gè)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(jì)大賽主要的心得體會(huì)就是——我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)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(lái)遇見(jiàn)許多和此次大賽的新問(wèn)題、新學(xué)問(wèn)，我們能在較短的時(shí)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(huì)我們?cè)趦赡昵敖佑|了AutoCAD，發(fā)現(xiàn)它在平面制圖方面的功能十分的強(qiáng)大，在錢(qián)自強(qiáng)老師的悉心指導(dǎo)下，我們都學(xué)會(huì)了熟練操作AutoCAD界面。不過(guò)，我們覺(jué)得AutoCAD對(duì)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(lái)轉(zhuǎn)去，比較麻煩。此次大賽現(xiàn)在通過(guò)對(duì)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(jiǎn)單多了。真是一個(gè)優(yōu)秀的軟件。我們?cè)谇皫滋斓腟olidWorks的三維制圖中，不是很熟練。常常明明可以簡(jiǎn)單的選平面進(jìn)行草圖繪制的，我們還是設(shè)立新基準(zhǔn)面，一時(shí)忘不了AutoCAD的制圖方法，后來(lái)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(cuò)誤，盡管系統(tǒng)已經(jīng)提示了，但是由于我們對(duì)Solid