搜索三维螺旋弯管的建模
2013-05-23 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
马彩祝 卢保红 来源:万方数据
关键字: 计算机应用 螺旋弯管 三维建模 MATLAB语言
为了解决弯管在弯曲角度、直径、节数等变化时的三维弯管展平曲线的坐标位置以及函数关系问题,以实现大直径弯管的三维设计与制造的自动化、一体化,通过利用工程数学及画法编写了相应的MATLAB程序.实践证明使用MATLAB解决三维弯管的CAD/CAM问题,比以往解决轴线在同一平面内的弯管问题在工程计算上有一定优势。
较大直径的三维弯管,广泛应用于锅炉蒸汽管网、冷气及通风通道、化工石油、天然气长输管线、水电站引水系统等。近年来我国金属五金制造业有了迅猛发展,但是大直径的弯管制造仍是弯管机所不能胜任的。据了解,我国广州某家大型螺旋钢管制造公司,使用世界先进的中频弯管技术也只能制造钢管直径不大于500mm的弯管。而焊接程控技术的发展和普及为使用钢板制造大直径弯管提供了方便。问题是如何解决大直径三维弯管较高精度的近似展开,如何实现CAD/CAM一体化设计制造,准确、高效、经济、方便地制造大直径弯管。为此,使用MATLAB语言进行研究探讨是有益的, MATLAB语言不仅仅是"矩阵实验室",它在国际科学界,尤其是在自动控制领域具有相当的影响力,从支持概念设计、算法开发到建模仿真,都为拟解决弯管三维空间的坐标变换与交线的函数关系等问题创造了理想的集成环境,从而实现CAD/CAM一体化的设计制造。
1 设计思路
以前关于弯管的研究大都集中在二维管道,或者二维管道的组合(如图1所示)。然而把三维螺旋弯管(如图2所示)作为一个整体来研究,并考虑其工艺制造的可能性,一直以来都是人们不断深入探讨的问题。从画法几何内切球的角度把握设计过程,目的是使弯管中的任何交线都必须准确生成平面曲线-椭圆,同时可以保证弯管中的任何一个管件都是圆柱,避免出现椭圆柱的情况。
具体操作为:画出初始管道的内旋内切球,定出分段数,根据计算的各段的旋转角度及几何关系,画出平面俯视图。在这种情况下建立数学模型,利用线性代数空间坐标变换以及画法解析几何的方法,对交线性质进行研究,依据所建数学模型编写MATLAB,求出以任意内径及螺旋角度、任意节(段)、任意导程设计的三维螺旋弯管的展开坐标以及函数关系。若与UG/CAD结合,通过CAD/CAM集成系统,即可生成焊缝代码文件,实现自动下料及焊接加工。
2数学模型的建立及求解
设所研究的弯管如图2所示,建立如图所示的坐标系,R1为内螺旋内切圆半径,R为圆管的半径,H为螺旋导程,T为旋转角(这里用弧度来表示),N为所选择的分段数,R1, R,H、T、N均为选择的参数,可通过交互式任意调整以上参数。
初始方程是:
坐标旋转矩阵如下:
·绕Y轴旋转(其中δ为负数时逆时针旋转,δ为正数时顺时针旋转)
·绕X轴旋转(其中γ为负数时逆时针旋转,γ为正数时顺时针旋转)
实际操作的物理过程为:先将第k个圆柱在X-Z平面内绕螺旋中心逆时针旋转δ角度,此时第k圆柱己到达第k+1圆柱的Y方向投影位置,再将第k圆柱在与Y-Z平面成δ度角的平面内绕相邻两圆柱空间交线中心顺时针旋转γ度角,第二次旋转目的是使下一节圆柱比前一节圆柱攀升一定的高度,至此所有空间变换已经完成。
由上述过程经过坐标代换可得到第k个圆柱与第k+1个圆柱的方程分别为
由式(8)求出y后带入式(7)得到x, z之间的函数关系如下
其中f(α)f(β)为函数算子,表述为
由方程式(9)可得出x, z之间的关系,由于为四次方程,解析解的书写过于繁琐,这里从略,可简单的理解为Z=g(x)(g(x)为根据式(9)求出的解析解)至此得到全部的函数关系。
编写相应的MATLAB程序即可求出任意两个截面之间的交线的具体数值及空间坐标关系。该段部分相应MATLAB程序如下:
3任选参数的应用举例
下面任意选择参数,内螺旋内切圆半径R1= 30 ,圆管的半径R=10 ,螺旋导程H=20,旋转角T=2∏(这里用弧度来表示),选择的节数(分段数)N=7为例(如图2所示)。运行MATLAB程序后,立即可以得到第2段与第3段之间的三维位置交线如图3(a)所示,第3段与第4段之间的三维位置交线如图3(b)所示。
再画展开图,步骤如下,由上面公式(9)、(11)决定的交线,化为极坐标展开,
据此编写MATLAB程序,运行后可生成展开图如图4所示。
4结论
用更精确的三维定位和CAD/CAM对传统产品进行设计和工艺革新,是现代工程设计、工程制造的大趋势。利用国际上自动控制领域的首选软件MATLAB与传统的作图方法结合,克服了过去管路轴线只在平面内变化的局限.解决了一般弯管制造技术和弯管机所不能解决的问题,真正实现了三维设计的参数化、变量化。为弯管的安装施工、结构紧凑、节省空间、传输稳定创造了方便条件。
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