王奔奔

(上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海200090)

0 概况

集管和蛇形换热管是蛇形管高压加热器(下简称“高加”)中的管程的重要组成部分，其安全性和性能的好坏直接决定了整台设备的性能[1]。集管上面短接管数量众多，给二维出图造成了一定的难度，目前主要依靠由三维模型导出二维图纸的方式出图，因而有必要快速建立集管的三维模型，减少出图所用的时间。同时，相比于U形管换热器[2]，蛇形管换热器的换热管种类较多，目前已有UG程序，可以根据数据生成单根管子的三维模型，但是后续装配需要很多时间。同时考虑到部门的实际情况，三维软件以INVENTOR为主，因此有必要开发基于INVENTOR的三维建模程序，用于生成集管和换热管的三维数字模型以及装配模型。

VBA是VISUAL BASIC FOR APPLICATION的简称，它是开发语言VB的子集，同时是很多软件的自带的二次开发功能模块，在使用的过程中不需要安装额外的编程软件，在日常工作中有着十分广泛的应用，尤其是对于一些规律性、重复性的工作，可以大大节约工作时间，提高工作效率。

本次对蛇形管高加集管和换热管快速建模程序的开发，节省了大量建模时间，提高设计人员的工作效率，从而可以将时间及精力花在更有意义的工作上面。

1 建模

1.1 换热管建模

换热管的尺寸参数及结构形式由蛇管热性能计算程序生成，鉴于换热管形式及弯曲方向的多变性，单台设备的换热管的种类有40种以上，因此换热管的建模没有办法采用模型驱动的方式进行，只能采用程序自动建模的方式进行，换热管的结构形式见下图1。

图1 单根换热管结构示意图

热计算程序生成的换热管的数据保存在EXCEL里面。考虑到在EXCEL里面进行数据处理和程序编写比较方便，并且EXCEL可以通过加载宏的方式进行移植安装，不用安装新的软件，便于推广使用，因此采用在EXCEL里面编写程序，并做成加载宏面板工具按钮。

蛇管热计算程序生成的换热管数据保存在EXCEL里面，但仅仅有单根管子的数据文件，没有管子的数量文件。为了减少装配的工作量，在生成单根管子的三维模型后，对其进行阵列，从而生成单排管子的数据模型。考虑到集管短接头和换热管的一一对应关系，换热管的数据文件中保存了每个短接头的空间位置信息，可以Inventor.R6.VBA程序设计VBA代码从集管的数据文件中提取换热管的单根管子的数量及两根管子之间的间距信息，并将其保存在EXCEL中。之后再在EXCEL中通过VBA程序调用INVENTOR程序生成单排换热管的三维模型。

蛇管换热管建模路径如图2所示。

图2 换热管建模路径

单排管子建模介绍

在EXCEL中通过VBA程序调用INVENTOR后，首先根据初始位置参数建立基准面，主要是为了基于同一个坐标系建立管子的模型，这样当生成全部的管子之后，装配时只需将所有的管子放在统一坐标系固定即可，而不用添加装配关系，减少了系统资源的占用，同时也节省了人力资源。建立基准面之后，在基准面上绘制单根管子的中心线，用作扫描路径。相关数据由EXCEL中直接读取，根据读取的数据，判断换热管的类型，根据换热管的类型和管子数据，可以直接确定每个换热管的弯曲处的弯曲方向，从而生成管子的中心线路径草图。生成路径草图之后，在路径一段插入垂直于路径的参考面，并在参考面上绘制截面草图，之后进行扫描生成单根管子，并对其进行阵列。阵列的时候要特别注意阵列方向的准确性，完成后利用程序将其保存为单个的零件，之后利用循环开始下一排管子的建模工作，直至生成全部的管子三维模型即可。

最终生成的单排换热管的三维模型如图3所示。

图3 单排换热管模型

1.2 集管建模

集管与换热管接口一一对应，也是接口众多，某高加设备的集管二维图如图4所示。

图4 集管二维图

可见最好的方法就是利用三维模型导图的方式生成集管的二维图纸，集管相比于换热管结构上相对很规律，因此可以采用参数驱动的方式生成集管的三维模型。

具体实施路径如图5所示。

图5 集管建模路径

手动建立基础模型，并对一些关键的参数进行重命名，做到见名知意，同时也是为了在做程序驱动时对参数名称进行识别。在热计算程序中，在沿集管轴线方向上的投影上，相邻的两个短接头的夹角为特定的范围，假设为N°，由于接头沿着圆周方向夹角不变，因此圆周方向最多有360/N个短接头。建立集管的轮廓模型并建立360/N个短接头的阵列特征，除了集管的轮廓尺寸外，对于单排短接头有以下参数需要控制：起始位置、外径、开孔大小、阵列个数、阵列间距。

数据处理。蛇形管热计算程序输出的集管的信息中，除了必要的外形参数信息，就是每个集管上短接管的三维空间坐标。利用VBA程序对这些信息进行读取，并对所有的三维空间坐标点进行处理，将其转化为包含单排短接头的起始位置、阵列间距、阵列个数、起始角度的二维数组，并将其存在内存中，以备使用。

生成模型。用程序选择建立的集管模板，根据内存中集管的参数信息对打开的集管模型中的参数进行更改，更新，并将多余的短接头阵列特征进行删除，从而得到所需要的集管的三维模型，将得到的三维模型进行另存，命名，避免对基础模型的更改。最终生成的集管三维模型如图6所示。

图6 集管数字模型

根据得到的集管三维模型，将其进行投影，并标注尺寸，从而得到集管的二维加工图纸。

2 装配

通常，在做装配体的时候都是一个零件一个零件地进行装配，装配耗时长，并且需要添加的约束关系多，当零件较多时，会造成软件负荷大、卡顿等现象，极大地影响了工作效率。本次蛇管的建模及装配过程中，采用了一种新的装配方法，即基于坐标系的装配方法。在前期的建模过程中充分考虑了后期的装配问题，所有的蛇管换热管和进口集管是基于同一个坐标系建模的，在装配的过程中不用去添加约束，只需要直接与坐标系对齐，在放入零件的时候选择对齐到原点即可。在整个集管与换热管的装配过程中只需要增加出口集管的约束。换句话说，只需要在装配体里面约束出口集管一个零件。

3 小 结

本次蛇形高加集管和换热管快速建模，采用了VBA程序作为辅助工具，快速建立了集管和蛇形换热管的三维模型，并采用了基于坐标系的建模及装配办法，极大地提高了建模及装配速度和效率，解决了部门内软件三维软件不统一带来的阻碍；同时，也在程序辅助建模方面做了探索，为今后蛇形管高加项目的集管和换热管的快速建模奠定了坚实的基础，且提高了设计工作效率。