0 引言

　　水電站月牙肋鋼岔管是由三梁式岔管不斷改進(jìn)演變而成的一種新型的岔管，具有受力條件好，制作簡(jiǎn)單，岔管內(nèi)流體流態(tài)較好，水頭損失較小等優(yōu)點(diǎn)，在大中型水電站和抽水蓄能電站中得到廣泛的應(yīng)用。但月牙肋岔管體形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)隨著月牙肋岔管形式的演變，設(shè)計(jì)和計(jì)算的工作量逐步加重，如何快速、正確地完成岔管設(shè)計(jì)已成為迫切需要解決的問(wèn)題。

　　CATIA軟件在汽車(chē)、航空、航天等一些高端技術(shù)制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，它具有強(qiáng)大的曲面造型功能和先進(jìn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)理念，并且為了滿(mǎn)足用戶(hù)專(zhuān)業(yè)化設(shè)計(jì)需要，它提供了多種二次開(kāi)發(fā)接口。CATIA主要的二次開(kāi)發(fā)方式有：自動(dòng)化對(duì)象編程(Automation API)和開(kāi)放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程(CAA-RADE)，前者功能有限，卻足以滿(mǎn)足該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求，且較容易掌握，后者功能強(qiáng)大，但應(yīng)用難度較大。我國(guó)水電行業(yè)自2006年引入CATIA以來(lái)，在廠房、大壩、閘門(mén)和地質(zhì)等方面的三維可視化設(shè)計(jì)取得了一定的進(jìn)展，但在岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域還缺乏基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的研究和應(yīng)用。針對(duì)以上情況，本文以蟠龍抽水蓄能電站月牙肋鋼岔管為例，利用Automation API二次開(kāi)發(fā)接口，在Visual Basic 6.0的程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，著重進(jìn)行了水電站Y形月牙肋鋼岔管輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的CATIA二次開(kāi)發(fā)。

1 開(kāi)發(fā)思路

　　(1)深入研究月牙肋鋼岔管的幾何體形，確定岔管幾何體形控制參數(shù)。

　　(2)運(yùn)用CATIA交互式操作尋找初步設(shè)計(jì)方案。

　　(3)利用VB語(yǔ)言編寫(xiě)主程序（部分代碼段可以利用宏），并驗(yàn)證初步方案的可行性，最終確定設(shè)計(jì)方案。

　　(4)提取CATIA幾何建模、網(wǎng)格剖分及導(dǎo)出ANSYS的命令流所需要的控制參數(shù)。

　　(5)進(jìn)行程序界面設(shè)計(jì)，完善程序的各項(xiàng)功能，最終完成調(diào)試。

　　最終確定的程序設(shè)計(jì)方案為：通過(guò)VB語(yǔ)言中g(shù)etobject()函數(shù)和creatobject()函數(shù)的聯(lián)合使用實(shí)現(xiàn)對(duì)CATIA二次開(kāi)發(fā)接口的連接：在自制程序界面上輸入?yún)?shù)后，可實(shí)現(xiàn)在CATIA中自動(dòng)建模和網(wǎng)格自動(dòng)剖分，再通過(guò)自制程序的一鍵轉(zhuǎn)換功能將CATIA中網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)信息文件轉(zhuǎn)換為ANSYS可讀入的*.dat命令流文件，該命令流導(dǎo)入ANSYS后生成的為已經(jīng)完成前處理和荷載加載的網(wǎng)格模型，可直接進(jìn)行有限元計(jì)算。為了較好地模擬管殼受力，管殼和肋板均采用殼單元進(jìn)行有限元計(jì)算。模型主要包括管殼、肋板和水壓試驗(yàn)工況的悶頭。管殼由對(duì)各管段兩端的曲線曲面橋接得到，在肋板中面繪制外輪廓草圖進(jìn)而曲面填充操作得到肋板，對(duì)直管段端口平面上的草圖圓進(jìn)行半球操作得到悶頭。

2 三維建模特征參數(shù)計(jì)算

　　月牙肋岔管包括殼體和月牙肋板兩部分，月牙肋岔管殼體又分為主錐管和支錐管兩部分。主錐管一般由一個(gè)倒錐管組成，支錐管由兩個(gè)正錐管組成，三者有一個(gè)公切球。肋板由月牙狀的鋼板做成，肋板的外緣線以相貫線為基礎(chǔ)向管殼外適當(dāng)加寬50～100mm，以滿(mǎn)足管殼與肋板焊接縫的位置要求，內(nèi)緣則為一拋物線。

　　CATIA具有先進(jìn)的草圖設(shè)計(jì)理念，可將三維設(shè)計(jì)通過(guò)骨架設(shè)計(jì)理念簡(jiǎn)化為較易的二維設(shè)計(jì)。為了便于在CATIA中建模計(jì)算，本文共采用三個(gè)計(jì)算坐標(biāo)系，如圖1所示。主管C的計(jì)算坐標(biāo)系為XYZ，支管A的計(jì)算坐標(biāo)系為X＇Y＇Z，支管B的計(jì)算坐標(biāo)系為X＂Y＂Z，其中Z軸垂直紙面向外，并將坐標(biāo)系XYZ定為全局坐標(biāo)系統(tǒng)。求出主（支）管在相應(yīng)坐標(biāo)系下的關(guān)鍵點(diǎn)（岔管平面圖上的腰線轉(zhuǎn)折點(diǎn)和直管段的端點(diǎn)）坐標(biāo)進(jìn)而精確定位草圖平面。

　　肋板外緣由管殼與肋板相貫線CD外延d形成，肋板內(nèi)緣為一條拋物線，該拋物線經(jīng)過(guò)C點(diǎn)正下方并與管殼內(nèi)表面相切且關(guān)于xoy面對(duì)稱(chēng)，因而只需知道拋物線的頂點(diǎn)即可確定該拋物線方程。 

3 軟件介紹

　　3.1 整體框架

　　最終確定的程序方案是在Microsoft Windows 7操作系統(tǒng)下，利用Visual Basic6.0程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和CATIA V5 R17平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出的水電站月牙鋼岔管計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可視化系統(tǒng)。

　　軟件擁有美觀、簡(jiǎn)便的基于Windows操作系統(tǒng)的交互式界面，程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)月牙肋岔管的快速自動(dòng)建模和網(wǎng)格剖分，以及一鍵轉(zhuǎn)換生成能被ANSYS直接讀入的節(jié)點(diǎn)信息文件，并且能夠在ANSYS中直接進(jìn)行有限元計(jì)算。文件均以*.dat的形式保存。

　　3.2 界面設(shè)計(jì)

　　本程序包括登陸界面，主界面和參數(shù)輸入界面3個(gè)界面。登陸窗口是在未授權(quán)的計(jì)算機(jī)打開(kāi)該程序時(shí)出現(xiàn)，一旦計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)授權(quán)后，則程序每次啟動(dòng)直接進(jìn)入主界面。主界面是參數(shù)輸入界面的入口，本次程序只設(shè)計(jì)了一個(gè)過(guò)渡管節(jié)的Y形的月牙肋鋼岔管模塊。參數(shù)輸入界面包含菜單欄、選項(xiàng)卡。菜單欄包括參數(shù)檢驗(yàn)，CATIA成圖，一鍵轉(zhuǎn)換等功能。選項(xiàng)卡則包括岔管幾何體形參數(shù)，網(wǎng)格剖分參數(shù)和荷載以及材料參數(shù)輸入界面。

　　3.3 網(wǎng)格剖分

　　網(wǎng)格剖分順序?yàn)椋褐惫芏?過(guò)渡管段一錐管段一肋板一悶頭。網(wǎng)格剖分幾個(gè)控制參數(shù)分別為：GlobalSize（全局尺寸）、tolerance（容差）、Constraint sag（控制垂度）。

　　本程序使用CATIA的surface mesh網(wǎng)格劃分方式，該方式將默認(rèn)盡量保證網(wǎng)格為正方形，所以對(duì)于管殼，只要指定相應(yīng)管段的環(huán)向份數(shù)即可。岔管腰線轉(zhuǎn)折角比較小，相鄰管節(jié)管徑變化不大，為了保證網(wǎng)格的均勻，過(guò)渡平順，主（支）管各管段建議采用相同的剖分份數(shù)，再根據(jù)設(shè)置好的環(huán)向份數(shù)推算出相應(yīng)管節(jié)的網(wǎng)格全局尺寸大小，即GlobalSize=2×π×Ri/Nr，其中，Ri為管段進(jìn)口半徑。肋板的形狀不太規(guī)則，且由于共節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，肋板網(wǎng)格的全局尺寸要受支錐網(wǎng)格大小影響，故肋板的網(wǎng)格全局尺寸Globalsize（肋板）=GlobalSize（支錐）xa，其中，a(0～1)為肋板網(wǎng)格大小率，推薦取值0.6～0.8。悶頭是與直管段連接的半球面，故悶頭網(wǎng)格全局尺寸要和相應(yīng)直管段的網(wǎng)格全局尺寸相等。每次劃分網(wǎng)格需要設(shè)置好相應(yīng)的tolerance（容差）和Constraint sag（控制垂度），推薦tolerance=GlobalSize/5，Constraint sag=GlobalSize/10。

4 工程實(shí)例

　　本文選取重慶市蟠龍抽水蓄能電站工程實(shí)例進(jìn)行分析。在軟件界面設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，即可快速完成月牙肋岔管模型的建立和網(wǎng)格的剖分，一鍵生成*.dat文件后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元計(jì)算，網(wǎng)格剖分結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果。在管殼體形和管壁厚度等條件相同的情況下，將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)院提供的結(jié)果（肋板采用實(shí)體單元）作對(duì)比，管殼關(guān)鍵點(diǎn)為管殼外輪廓的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和相貫線的交點(diǎn)。

　　從表1可以看出，本程序計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)院的計(jì)算結(jié)果相比，各關(guān)鍵點(diǎn)Mises應(yīng)力值及其他控制應(yīng)力值大小相差不超過(guò)3%，在工程設(shè)計(jì)誤差允許的范圍內(nèi)，證明了本程序的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

　　基于CATIA的二次開(kāi)發(fā)的月牙肋鋼岔管輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)充分利用了CATIA的建模優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的網(wǎng)格自動(dòng)剖分功能，可快速得到用戶(hù)所需要的有限元網(wǎng)格，同時(shí)它又很好地實(shí)現(xiàn)了CATIA到ANSYS的連接，最終在ANSYS中快速完成有限元計(jì)算，省去了重復(fù)的手工操作，縮短了設(shè)計(jì)周期。

　　利用Automation API進(jìn)行CATIA的二次開(kāi)發(fā)工作，開(kāi)發(fā)模式簡(jiǎn)單、界面友好。從本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和結(jié)果來(lái)看，以CATIA為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)月牙肋鋼岔管三維參數(shù)化設(shè)計(jì)是可行的，同時(shí)此系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)思路也可以運(yùn)用到其他工程構(gòu)件尤其是其他形式的水電站鋼岔管的輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，具有廣闊的應(yīng)用前景。