做和基于AutoCAD的蛇形弯管三维建模及展

基于AutoCAD的蛇形弯管三维建模及展开技术研究

蛇形弯管是一种较复杂的工程管道，其放样及加工制作难度较大，特别是三节以上的蛇形弯难度更大。目前一般的做法有：1.利用手工放样，进行两次以上的换面，以求取蛇形弯管各节的真实夹角、错心差及实形等，然后制作展开样板；2.利用计算方法或编制展开程序获得展开图；3.利用现有的展开软件进行参数化展开。其中方法1由于多次换面难度较大、作图烦琐，不适合大尺寸结构件；方法2的理论水平要求较高，不适合一般设计人员；方法3则需专用软件，而专用软件并不普及。基于上述原因，笔者开发了一种可以有效解决这类问题的技术，它包含两方面内容：三维建模和展开放样。此方法在攀钢氧气厂的管道维修及制作过程中发挥了重要作用。

攀钢氧气厂现具有国产6000m3/h制氧机组3套，国产10000m3/h和16000m3/h制氧机组各1套，日立6000m3/h和日立10000m3/h制氧机组各1套。现阶段实际全厂氧气生产规模为54000m3/h，承担误差应不超越该实验机规则误差值着为攀钢及周边地区供应氧气的重任。厂区内管道种类众多，尤以蛇形弯管为甚，管道加工制作及维修的任务较为繁重

一、主要设计思想

在制氧机组维护和管道安装施工中，常常涉及到蛇形弯管。制作蛇形弯管的样板是非常烦琐的事情，尤其是多节蛇形弯管，传统计算方法和放样结果精度不高，经常会出现放样结果不符合实际要求的情况，导致制作时费时、费力、费料。由于AutoCAD绘图软件拥有强大的计算、测量和绘图功能，目前被广泛应用于工程绘图中。本文在AutoCAD中建立管道的三维模型，利用标注、查询等功能获取管道展开所需要的素线实长，进行管道展开图绘制的方法，可以大大降低复杂管道（蛇形弯管）样板制作的难度。

二、三维建模

所需蛇形弯管如图1所示，建立三维实体并做展开图。

1.关键点（中心点）的精确定位

根据平面视图及尺寸关系画出中心点A、B、C、D和E，其中确定C、D两点时需重新确定三维坐标系（即Z轴矢量向上，原点为E点）。以E点为圆心，500为半径画圆，过E点做垂直构造线，与此圆相交于D，再以D为圆心，260为半径画圆，与此构造线相交于C。至此，5个关键点及其中心线的空间定位完毕。关键点的定位如图2所示。

2.求做相贯面（线）

以B点为原点，中心线AB及BD为X、Y坐标轴建立坐标系；分别以A、B、D为圆心，150为半径画三个圆，并分别做它们两两之间的外公切线，其交点为F、G，线段FG即为所求的相贯面（线）。同理可在CD与BD相交的面上做出其相贯面（线）MN。FG、MN就是接下来做剖切截断面的基础。相贯面如图3所示。

3.做三维实体图

以中心线AB为Z轴矢量做圆柱体的步骤如下：首先建立以AB为Z轴矢量的三维坐标系，以A点为圆柱体底面圆圆心，150为半径，AB（稍长）为高做圆柱体。同理，可分别以中心线BD、CD为Z轴矢量做圆柱体。制作后效果如图4所示。

4.做剖切截断面

做管Ⅰ和管Ⅱ剖切截断面的步骤如下：对管以减少工人与溶剂的直接接触Ⅰ和管Ⅱ求交集，并对其进行分解，分解到仅剩下简单的线为止，此时会看到过F、首先把表笔插入最大量程处G两点的相贯曲面，此曲面即为管Ⅰ和管Ⅱ真正的剖切截断面，在此曲面上任取非F、G两点的任意一点P，以备下一步剖切之用，同理可做出管Ⅱ和管Ⅲ的剖切截断面MNS。做好的剖切截断面如图5所示。

5.做蛇形弯管实体图

以步骤3的方法做出如图4所示的实体图，然后分别以断面FGP及MNS剖切管Ⅰ、管Ⅱ和管Ⅲ，并对留下的三部分做合并运算，得到蛇形弯管实体图，如图6所示。

三、做展开图

1.做表面素线

将实体图展开的方法很多，如可通过标注、查询等方法获得素线实长求做展开图，以及通过复制边或复制面命令做展开图等。但较简便的方法是通过“分解”命令将实体循环执行“选中→分解”，直到只剩下简单的线条为止。然后将底面圆六等分（等分数越多展开图越精确）并做出蛇开发高效、经济的保温、隔热材料和切实可行的构造技术形弯管的表面素线。蛇形弯管的表面素线如图7所示。

2.做展开图

通过“复制”命令复制其表面素线，并将它们拼凑成一长方形，然后以150为半径画出底面半圆，并将其三等分，做出其对应的表面素线，如图8（左）所示。然后以300×3.14=942为长度画出底面圆周的展开线段，在其上以942÷6=157依次取六个点，并延长方形高度方向向上做7条竖直线从而形成一长方形，接着以各节素线对应高度取点，并用“样条曲线”功能依次光滑连接各点，最终形成如图8（右）所示的展开图。

四、结论

基于AutoCAD的三维建模及展开技术，从一定程度上解决了以蛇形弯管为代表的复杂结构件的展开问题，其解决之道有以下几点需要总结：

1.建立适宜的空间坐标系，并按尺寸要求对各关键点进行精确定位。

2.确定各节弯管的剖切截断面位置（即三点确定平面原则）。

3.展开图的做图方法需要根据实际情况灵活应用。

另外，尽管像Solidworks、Pro/E等三维软件也可解决类似的问题，但在实际使用中笔者感到其方法并不太适合此类结构件，所以AutoCAD的三维建模及其展开技术还是有相当的使用价值。

原载《CAD/CAM与制造业信息化》杂志(end)