（机械电子工程专业论文）石油工程安装决策支持分析系统开发与研究.pdf

摘要 随着市场竞争的加剧，企业越来越注重提高自身的产品开发水平和工作效率。将现 代设计方法应用到生产实际当中，对于提高设计者的技术水平和工作效率将起到积极的 作用。石油化工行业是我国国民经济的支柱产业。如何适应石化行业快速发展的需要， 科学决策，提高企业生产效率，是石油安装企业面临的重要问题。随着计算机应用技术 的深入以及企业信息化水平的不断提高，开发适合企业自身需要的专业设计软件，使设 计者摆脱烦琐的重复劳动，专注于设计创新，成为一种必然的趋势。 本文在进行深入理论研究的基础上，结合工程实际，将参数化技术、有限元理论以 及计算机辅助工程方法应用到石油安装行业的企业生产中，对综合性企业专用软件的开 发做了深入的研究和有益的尝试。论文主要工作如下； ( 1 ) 本文深入研究了过程参数化设计理论，对石油工程机械的过程安装参数化做 了深入的理论研究，建立了科学、优化的数学模型，抽象出实用、可行的多工况参数化 方程实现了对石油工程机械安装的全过程跟踪。 ( 2 ) 提出了利用高级编程语言和常用办公软件实现工程设计计算书的计算机自动 生成技术。实现了“所见即所得”的设计目标。 ( 3 ) 论文还对有限元理论和计算机辅助工程( c a e ) 分析方法进行了深入的理论 研究，利用a n s y s 分析软件对桅杆起重机的结构进行了非标工作状态下的静力学有限元 分析，将理论计算结果、c a e 分析结果与测试结果进行比较，三种分析结果遵循相同的 变化趋势，结论正确、可信。 ( 4 ) 完成了“石油安装工程决策支持分析系统”的开发，实现了桅杆起重机多工 况参数化设计计算、计算报告自动生成以及结构静力学有限元分析三大主要功能，为企 业科学决策提供了有力的支持。 石油安装工程决策支持分析系统的成功开发与研究，为综合性企业专用软件的开发 提供了可以借鉴的成功案例。相信在不远的将来，先进的现代设计方法将以计算机为载 体渗透到各个行业，为国民经济的发展做出贡献。 关键词：参数化设计；计算机辅助工程；桅杆起重机；有限元分析 a b s t r a c t w i t ht h ea g g r a v a t i o no ft h em a r k e tc o m p e t i t i o n ，e n t e r p r i s e sp a ya t t e n t i o n t o i m p r o v i n gt h e i ro w np r o d u c td e v e l o p m e n t1 e v e la n dw o r k i n ge f f i c i e n c ym o r e a n d m o r e a p p l y i n gt h em o d e r nd e s i g nm e t h o dt o t h ep r o d u c i n gp r a c t i c ew i l l i m p r o v et h ee n g i n e e r i n gl e v e la n dw o r k i n ge f f i c i e n c yo ft h ed e s i g n e r t h et r a d e o fp e t r o c h e m i c a li n d u s t r yi sap i l l a ri n d u s t r yo fo u rn a t i o n a le c o n o m y h o wt o i m p r o v ee n t e r p r i s e sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dm a k es c i e n t i f i cd e c i s i o ni sa l l i m p o r t a n tp r o b l e mt h a tp e t r o l e u mi n s t a l l a t i o ne n t e r p r i s e sf a c e w i t ht h ew i d e a p p l i c a t i o no ft h ec o m p u t e r ，d e v e l o p i n gt h ep r o f e s s i o n a ld e s i g ns o f t w a r et h a t s u i t se n t e r p r i s e so w nn e e d sa n dm a k i n gt h ed e s i g n e rg e tr i do fr e p e t i t i o nw o r k a n da b s o r bi n d e s i g n i n gi n n o v a t i o n ，b e c o m eak i n do fi n e v i t a b l et r e n d b a s e do nl u c u b r a t i n gi n t h e o r ya n dp r o j e c ta c t u a l i t y ，t h ea u t h o ra p p l i e s p a r a m e t r i cd e s i g nt e c h n o l o g y ，f i n i t ee l e m e n t t h e o r y a n d c o m p u t e r - a i d e d e n g i n e e r i n gm e t h o d t ot h e p r o d u c t i o n c o u r s eo fd e t r o c h e m i c a li n s t a l l a t i o n e n t e r p r i s e si nt h et h e s i s i ti sh e l p f u lt ot h ed e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e s p r o f e s s i o n a ls o f t w a r e t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et h e s i sl u c u b r a t e st h ep a r a m e t r i cd e s i g nt h e o r ya n dp a r a m e t r i cd e s i g n o fi n s t a l l a t i o nc o u r s ef o r p e t r o c h e m i c a lm a c h i n e r y ，s e t su ps c i e n t i f i ea n d o p t i m i z e dm a t h e m a t i cm o d e l a b s t r a c t s p r a c t i c a l a n df e a s i b l e p a r a m e t r i c e q u a t i o n sf o rv a r i o u so p e r a t i n gm o d e ，h a v er e a l i z e df o l l o w i n gt h ew h o l ec o u r s e t h a tt h ep e t r o l e u me n g i n e e r i n gm a c h i n e r yi si n s t a l l e d ( 2 ) at e c h n o l o g yw h i c he n g i n e e r i n g r e p o r tc a np r o d u c ea u t o m a t i c a l l yb yu s i n g a d v a n c e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dd a i l yo f f i c es o f t w a r ei sp u tf o r w a r di nt h e t h e s i s i tr e a l i z e st h ea i mo f “w h a ty o us e ei sw h a ty o ug e t ” ( 3 ) t h et h e s i sa l s or e s e a r c h e st h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n d c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ( c a e ) ，u t i l i z e sa n s y st oa n a l y z et h es t r u c t u r eo fm a s tc r a n eu n d e r t h en o n s t a n d a r dw o r k i n gs t a t e ，c o m p a r e st h er e s u l to ft h et h e o r y ，c a ea n a l y s i s r e s u l tw i t ht h et e s tr e s u l t t h r e ek i n d so fa n a l y s i sr e s u l t sf o l l o wt h es a m e v a r i a t i o nt e n d e n c y ，t h ec o n c l u s i o ni sc o r r e c t ，c a r b eb e l i e v e d ( 4 ) t h ea u t h o rh a sf i n i s h e dt h ee x p l o i t a t i o no f ”d e c i s i o ns u p p o r ta n a l y s i s s y s t e mo ft h ep e t r o c h e m i c a li n s t a l l a t i o nm a c h i n e ，r e a l i z e dt h r e em a i nf u n c t i o n s w h i c hi n c l u d ed e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i n gb yp a r a m e t r i cm e t h o d ，c r e a t i n gr e p o r t a u t o m a t i ca n du s i n gt h ec a em e t h o di nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h es u c c e s so f e x p l o i t i n g t h e s y s t e m o f p e t r o c h e m i c a li n s t a l l a t i o n e n g i n e e r i n g ，o f f e r sa ne x a m p l et ot h ep e r s o n a ls o f t w a r ee x p l o i t a t i o n w ec a n b e l i e v et h a tm o d e r nd e s i g nm e t h o dw i l lb eu s e di nm o r et r a d e si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p a r a m e t r i od e s i g n ；c o m p u t er a i d e de n g in e e r i n g ；m a s tc r a n e ； f i n i t oe i e m e n ta n a i y s is 至塑三堡室茎壅茎塞茎坌堑墨竺墅垄兰堑塞 l 绪论 随着计算机的普及和计算机应用技术的快速发展，计算机在各个领域的应用越来越 广泛。目前，国内外已经有许多的专业机构利用各种编程工具，针对各个领域开发出多 种大型行业软件。但是在许多工程技术领域仍然急需大量适合本领域特点的专业软件， 以减少工程技术人员的重复工作，提高工作效率。 行业软件的开发，也由最初的简单的实现某项功能，趋向于多功能的集成。一个好 的行业软件应该是一个以主行业学科为基础，涉及多个相关学科的综合性知识密集型产 品。 本课题来源于中国石油天然气第七建设公司的实际工程项目。课题以石油化工行业 安装工程现状为背景，研究如何利用参数化技术实现设计、应用过程的参数化，为企业 专用参数化软件的开发做了有益的探索；并运用现代计算机辅助工程手段，将现代结构 分析方法与工程实际报结合，开发了石油工程安装决策支持系统。 本章将概述石油工程安装决策支持系统的研究背景及所涉及到的关键技术。 1 1 国内外石油安装工程现状 六十年代以来，世界科学技术迅速发展，由于化工机械帛4 造工业成功解决了高压离 心式压缩机的转动密封和高温高压废热锅炉的结构强度设计等关键技术，同时由于电子 计算机控制技术的发展和应用，使化肥和石油化工的生产在能量综合利用方面提高到一 个新水平，继而带动了整个石油化工工业生产向大型化方向发展。在当今世界上，乙烯 装置生产规模已达3 0 7 0 万吨，年，炼油装置的年处理能力也达7 0 0 1 0 0 0 万吨。据有 关资料报导，年产6 0 9 0 万吨乙烯工厂，6 0 万吨甲醇工厂，4 5 万吨氯乙烯工厂，3 4 万吨低密度乙烯工厂，3 1 5 万吨苯乙烯以及2 2 5 万吨异丙苯工厂也将相继兴建。 我国的化肥和石油化工工业几十年来发展速度较快，随着国内科学技术的发展和国 外先进技术的引进，我国已相继建成一批大型石油化工基地和大型装置。目前，国内已 有批年产5 0 0 万吨炼油装置，3 0 万吨乙烯装置，1 4 万吨聚乙烯装置，3 0 万吨合成氨 装置等大型装置”1 。 随着装置的大型化，石油化工设备也日趋于更高、更重、更大型化。尤其石化生产 装置的各种设备种类繁多，结构复杂，对石化安装工程提出了更高的技术要求。 由于技术上的绝对优势，西方发达国家从很早就开始研究、设计大吨位起重机进行 设备吊装。在8 0 年代初，美国已设计制造了起重能力3 0 0 0t 级的超大型吊车，该吊车 由多个移动式部件组成，在现场通过拼装投入使用，设备吊装完成后，各部件拆开自行 离开。同样，德国等欧洲发达国家自行设计的8 0 0 1 6 0 0t 级大型吊车已成为欧洲及其 它地区必不可少的大型设备吊装工具，如英国h u m b e r 炼油厂有1 台直径64 m 、高6 8 m ，质量6 4 4t 的吸收塔，使用了起重量为1 0 0 0t 和8 5 0t 级的吊车各1 台，将设备吊 装就位。许多国家在使用大型吊车吊装的同时，也在尝试采用吊装性能更稳定、不占用 石油工程安装决策支持分析系统开发与研究 地面位置的系留式气球或飞艇进行设备吊装。法国科学研究中心制造的“大力神”号飞 艇，直径为2 3 5 m ，体积为1 5 0 3 r f l 3 ，有效起吊载荷可达9 0 0t 。 我国自从8 0 年代初引进首批1 0 0t 级起重机开始，目前国内部分施工企业己拥有起 吊能力1 2 5 0t 级的大型吊车。并且由单个吊车或多台吊车联合吊装的设备吨位越来越 大，安装高度越来越高，在部分地区采用2 台7 0 0t 吊车合力抬吊2 0 0 3 0 0t 的设备已 不鲜见。大型吊车吊装缩短了设备安装周期，节省了人力、物力，是未来设备吊装发展 的主流，但是占用场地大，使它在一些狭窄的旧装置改造中难以施展，同时由于我国自 行制造大型吊车的技术条件不够成熟，大型吊车完全依赖进口，相对增加了企业的成本 2 3 。 因此在一些特定条件和特殊环境下，桅杆仍然是设备吊装的必要手段。桅杆起重机 自身也在不断的完善、创新。国外在传统桅杆的基础上，不仅在桅杆的结构设计上更加 优化、合理，而且致力于将桅杆起重机发展成为机电一体化现代新型机械。目前英国的 搬杆起重机基本实现了竖立、工作、拆除全部实现p l c 控制，有效的避免了由于人工 操作产生的大误差对吊装过程的影响。国内桅杆起重机的自动化程度还很低，其操作还 是完全由手工完成。但随着新技术的应用，桅杆起重机的结构也在不断进行优化，更加 趋于合理。因此在相当长的一个时期内，桅杆起重机仍然是石化安装工程中主要的安装 饥械。 2 桅杆机械概述 随着人类可利用土地面积的不断减小和科学技术发展的要求，人类逐步在向空问拓 畏。建筑及工业设备的高度在不断增加，安装及施工的技术要求和难度也越来越高。桅 阡机械正是为了适应向空间发展的需要应运而生的机械设备。 2 1 桅杆机械结构介绍口1 桅杆结构由一根直立的细长杆身和几个方向沿高度斜向张拉的数层缆风绳组成，杆 身是主要的承载结构，缆风绳则保证杆身的直立和稳定。 桅杆结构是一种高耸的构筑物，其特点是高度较大，横截面相对较小，杆身长细比 恿常在i 0 0 2 0 0 左右，远大于一般的高耸结构，横向载荷起主要作用。另方面，与 一般结构相比，桅杆结构是受气候影响更显著的高耸结构，如风载荷和裹冰载荷常常是 危杆结构的控制载荷。 桅杆结构的主要功能是：以杆身作为载体，将某种工艺装置举向高空：或将烟气通 立杆身内管道排向高空，以减轻烟气对环境的污染 也可作为安装及施工的起重机结构。 习此，桅杆结构广泛应用于广播电视、通讯、电力、石油、化工等部门，用做电视桅杆、 豆讯桅杆、烟囱、钻井塔、起重机等。 结构主体采用桅杆结构的机械设备，称为桅杆机械。桅杆机械利用桅杆结构易拆卸 勺特点，广泛应用于建筑及石油化工行业的安装施工中。常见的桅杆机械有塔式起重机、 2 石油工程安装决簧支持分析系统并发与研究 门座起重机、桅杆起重机和桁架式履带起重机、钻井塔，石油平台等。 本课题研究的实例桅杆起重机被广泛应用于石油化工行业的安装工程中。它以自重 轻，材料省，构件类型少，工作平稳、安全，容易实现拆卸、移动，制作、安装易于标 准化等优点，长期以来，成为石油化工行业主要的安装设备。随着石油化工行业生产能 力的提高，化工设备更趋于向高耸结构、大吨位起重量发展，对桅杆起重机的结构强度 要求和安装方案设计要求都提出了更高的目标。 1 2 2 桅杆起重机简介 桅杆起重机简称桅杆，又称抱杆。它承载能力大，结构简单，装、拆、运输方便， 安全可靠，特别适合冶金、石油、化工、电力部门各种大型设备的安装。 桅杆起重机的结构已经由过去的木制结构逐渐被金属结构所代替，主体金属结构多 为单向偏心格构式压弯构件，截面为三角形或矩形，用优质结构钢焊接而成。其结构特 点是： ( 1 ) 桅杆配有基本中节，可进行互换，可按一定的长度单位进行变化，适应不同的吊 高要求。 ( 2 ) 桅杆顶部由立轴与缆风盘连接，底部为球铰，可沿自身轴线作3 6 0 。旋转，从而 使吊装过程中工作面始终正对被吊设备受力点，主吊滑车不发生偏斜。 ( 3 ) 桅杆各中节底部设有提升孔，适合采用直立提升倒装和整体卧对扳转两种方式竖 立或拆除。 ( 4 ) 主吊耳一般采用三跨板轴式外伸吊耳，方便主吊绳扣的绑、拆。 ( 5 ) 桅杆底部设有底排。除作为底部支撑结构，绑挂滑车及移位( 行走) 牵引木排以 外，还用于安装直立提升倒装专用提升架的底部支撑“。 桅杆起重机竖立后一般由6 8 根缆风绳进行固定，缆风绳的一端固定在桅杆顶部 的缆风盘上，另一端固定在埋入地下的锚块上，或者周围的固定基础和框架上，缆风绳 的分布应尽量对称。 起升设备一般采用卷扬机，优点是速度较低，平稳性较好但同时受人员操作影响 较大，尤其在双台卷扬机同时工作时，很难满足其同步性要求。 桅杆起重机经常与吊车或尾排配合工作，完成设备由卧态到立态的吊装过程。 1 2 。3 桅杆起重机使用现状分析 大型设备吊装在我国石油化工装置建设中占有一定的地位，并随着装置的大型化， 其地位将逐渐提高。目前，国内大型设备吊装，主要方法有3 种：吊车吊装、桅杆吊装 和利用框架吊装。按各种吊装方法所吊设备重量占全部吊装重量的百分比统计，其中吊 车吊装为1 7 ，桅杆吊装为6 9 ，利用框架吊装或分段吊装占1 4 i ”。桅杆起重机作为 石油工程安装决策支持分析系统开发与研究 我国传统的吊装机具，并未因国外大型自行式吊车的大量引进和广泛应用而取代，对于 炼化化工装置中高、重、大工艺设备的吊装，桅杆起重机仍有优势，并向大型化、高性 能方向发展，即桅杆结构更加合理，操作更方便，可以吊的更重、更高。目前国内单根 桅杆的最大吊装能力是5 0 0 t 5 2 m 。我国吊装界从解放初期只能用木制桅杆和手动绞磨来 吊装1 8t 的反应塔和蒸发塔，发展到近几年用格构式金属桅杆和3 2t 卷扬机整体吊装 1 0 0 0t 级反应器，积累了多方面的吊装经验。 1 3 课题背景及研究价值 1 3 1 参数化设计方法的发展现状 参数化设计是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约束该几何图形的一组结 构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同的参数序列值时，就 可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计信息的模型。参数化为产品模型 的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段，使用户可以利用以前的模型方便地重建 模型，并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型，生成系列产品，大大提高了 生产效率。参数化概念的引入代表了设计思想上的一次变革，即从避免改动设计到鼓励 使用参数化修改设计。 目前，参数化设计的研究范围己由最初的二维图纸参数化设计发展到了覆盖产品的 整个生命周期参数化设计，研究的对象除了传统的二维图纸、三维零件实体等以外，还 包括零部件间的装配关系，产品特征，产品变型设计等产品层次的参数化表示模型。这 使得参数化自身的含义得到了进一步的拓宽垆】。 参数化设计一般包括产品设计计算过程和参数化绘图。本论文侧重研究设计计算过 程的参数化设计。面向过程的参数化设计是一种新型的设计计算行为，工程设计人员可 以通过对计算对象的分析、提炼，应用成熟的设计计算方法，将设计计算过程的变量参 数化，工程设计人员只需填写原始参数，提交参数化设计系统后台，就可以快速实现计 算结果的输出。它可以改变以往大部分的工程设计人员在进行设计计算时，用计算器进 行计算、伏案绘图、反复筛选设计方案的状况，快速、准确地完成方案设计，大大缩短 设计周期。随着计算机应用技术的飞速发展，面向过程参数化设计的思想正被应用于工 程设计的各个领域。 当前，参数化设计方法的研究已成为研究和开发的热点，并提出基于特征参数化、 基于约束参数化等新的理论。但软件的开发多属行业内通用软件，不能满足用户的特殊 需求，且多集中于在c a d 软件开发方面的研究。实际工程中的设计、应用过程的参数化 受企业技术人员构成等多种因素制约，未能将参数化设计思想有效利用。未来参数化设 计方法将侧重“面向对象”并贯穿到工程设计的各个环节，进一步提高产品的设计和生 产效率，更好地为工程实际服务。 4 石油工程安装决策支持分析系统开发与研究 1 3 2 有限元理论的发展 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e 吣是随着电子计算机的发展而迅速发展起 来的一种现代计算方法。它是近似求解一般连续域问题的数值方法，5 0 年代首先在连续 体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用，随后很快广泛的应用于求解热传导、 电磁场、流体力学等连续域问题。 有限单元法就是把一个连续的介质( 或构件) 看成是由有限数目的单元组成的集合 体，在各单元内假定具有一定的理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过节点相连 接，并藉以实现应力的传递，各单元之间的交接面要求位移协调，通过力的平衡条件， 建立一套线性方程组，求解这些方程组，便可得到各单元和结点的位移、应力。简言之， 就是化整为零分析，积零为整研究。 有限元方法基本思想的提出可以追溯到1 9 4 3 年，数学家c o u r a n t 第一次应用定义在 三角区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解s i v e n a n t 扭转问题。现代有限单元法 的第一个成功尝试是在1 9 5 6 年，t u m e r 、c l o u g h 在分析飞机结构时，将钢架位移法推 广应用于弹性力学平面问题，第一次给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确答 案。1 9 6 0 年c i o l l g h 进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”，使 人们认识到它的功效。今天有限元在工程上已得到广泛应用，经历了四十多年的发展历 史，理论和算法都已经日趋完善。但在巩固有限元方法的物理、数学基础方面，扩大其 应用领域，以及求解诸如非线性、不同物理作用相互耦合、多体机构动态分析以及由材 料微观结构计算其力学性能等复杂问题方面，有限元还会发展并取得成功“1 。 使用有限元计算分析方法优点在于： 有限元法能够给出所需要的模型任意部位的应力和位移状态； 不仅能给出数据结果，还能由计算机自动给出立体图象； 一旦使实际物理模型被转化为数学力学模型，就可反复使用同一模型进行各种加 载荷状况的计算，保证了模型的完全相似； 同一种计算机程序，还可以用来对多种不同模型进行计算分析； 由于使用了计算手段，使大量的数据处理变得较为容易，不管研究对象的几何形 状、材料性质、支承条件和加载荷方式多么复杂，都能进行分析，能迅速得出结果。为 了验证其分析结果是否正确，有时需要用实验应力分析法如光弹法做抽样实验分析，或 用已知的基础知识或实际经验加以验证、判断，得到客观依据，去伪存真，总结出符合 实际的规律性，则更具有科学性和可信性。 随着电子计算机的广泛应用，有限元分析与产品设计结合起来，形成产品分析、设 计、制造一体化，这将是工程生产的发展方向，有限元法在其中将起着重要作用。在我 国经济建设过程中，推广有限元的应用，以改进产品设计、提高产品性能，更是非常现 实的问题。 5 石油工程安装决策支持分析系统开发与研究 1 3 3 计算机辅助工程( c a e ) 技术的发展 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很广，可 以包括工程和制造业信息化的所有方面。但传统的c a e 主要是指工程设计中的分析计 算和分析仿真，其核心是基于现代计算力学的有限单元分析技术【7 】。 c a e 起始于2 0 世纪5 0 年代中期，而真正的c a e 软件诞生于7 0 年代初期，到8 0 年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用c a e 软件。近4 0 年来，c a e 技术结合迅速 发展中的计算力学，计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术，从低效 检验到高效仿真，从线性静力求解到非线性、动力仿真分析、多物理场耦合，取得了巨 大的发展与成就。 在日趋全球化的市场氛围中，企业问的竞争将表现为产品性能和制造成本的竞争。 而c a e 在产品研发及创新设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工业 企业在日趋激烈的市场竞争中取胜的重要条件。利用c a e 软件，可以对工程和产品进 行性能与安全可靠性分析，并对其未来的工作状态和运行行为进行虚拟运行模拟，及早 发现设计缺陷，实现优化设计；在实现创新的问时，提高设计质量，降低研究开发成本， 缩短研究开发周期。它们与c a d c a m c a p p p d m e r p 等软件一起，己经成为 支持工程行业和制造企业信息化的主要信息技术之- - ”。 1 c a e 的发展历程与现状。卜1 ( 1 ) c a e 发展历程 2 0 世纪6 0 一7 0 年代，有限元技术主要针对结构分析进行发展，以解决航空航天技 术中的结构强度、刚度以及模态实验和分析问题。同时针对当时计算机硬件内存少、磁 盘空间小，计算速度慢的特点进行计算方法的改进。在这种技术及商业需求的推动下， 世界上c a e 的三大公司( m s c 公司：产品为m s c n a s t r a n 、s d r c 公司：产品为卜 d e a s 、s a s i 公司：产品为a n s y s ) 先后成立，致力于大型商用c a e 软件的研究与开 发。 2 0 世纪7 0 一8 0 年代是c a e 技术的蓬勃发展时期，这期间许多c a e 软件公司相继 成立。有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从力学模型开始拓 展到各类物理场的分析，从线性分析向非线性分析发展，从单一场的分析向几十场的耦 合分析发展。出现了许多著名的分析软件如n a s t m n 、卜_ d e a s 、a n s y s 、a d i n a 、s a p 系列、d y n a 3 d 、a b a q u s 等。软件的开发主要集中在计算精度、速度及硬件平台的 匹配，使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。从软件结构和技术来 说，这些c a e 软件基本上是用结构化软件设计方法，采用f o r t r a n 语言开发的结构 化软件，其数据处理技术尚存在一定的缺陷，运行环境仅限于当时的大型计算机和高档 工作站。 进入9 0 年代以来，c a e 开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速 发展，对软件的功能、性能，特别是用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充，对软件 6 石油工程安装决鳙支持分析系统开发与研究 的内部结构和部分模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大改造，使得c a e 软件在功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面基本满足了用户的需 要，它们可以在超级并行机、分布式微机群、大、中、小、微等各类计算机和各种操作 系统平台上运行。 ( 2 ) c a e 发展现状 近几年来国际上先进的c a e 软件在单元库、材料库、前后处理，特别是用户界面 和数据音理技术等方面都有了巨大发展，己经可以对工程和产品进行静力和拟静力的线 性和非线性分析；线性与非线性动力分析；稳态与瞬态热分析；静态和交变态的电磁场 和电流分析；流体计算；声场与波的传播计算等。 前后处理是近十多年发展最快的c a e 软件成分，它们是c a e 软件满足用户要求， 使通用软件专业化、属地化，并实现与c a d 、c a m 、c a p p 、p d m 等软件无缝集成的 关键性软件成份。 2 c a e 的应用现状。对0 5 】 c a e 软件技术的发展，促使c a e 在各行各业得到了极为广泛的应用。目前，c a e 软件己在国外广泛应用于核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木 工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。例如在汽车设计行业，通过 采用c a e 技术，极大地缩短了产品的研制周期，减少了开发费用，而且也有利于通过 优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。例如国外著名轿车在豪华轿车的 产品设计中，以前通过经验设计时需要制造2 0 0 多辆样车才能完成汽车的安全碰撞设 计。现在有8 0 辆就够了。大部分的设计内容都是通过有限元分析软件在电脑中模拟实 现的，这样可以节约2 3 的资金和大量研制时间。 随着c a e 软件的应用领域越来越宽，其使用者也从绝大多数为分析专家转变到目 前的设计者和设计工程师占多数，软件也变得更加易于使用，界面更加友好和智能化， 朝着适应用户要求的方向发展。 3 发展趋势【1 4 】 扩大仿真分析的范围 未来的产品设计所需的分析模拟范围将远远超出今天的范围。工程师必须能够真实 地模拟产品的所有性能，结合贯穿产品生命周期的各种因素，获得对各种设计的模拟结 果。c a e 软件也将由单一零件的虚拟样机朝着整机虚拟样机的方向发展。 多物理场耦合分析模拟 任何一个更杂的工程和产品大都是处在多物理场耦合，其运行行为绝非是多个单一 物理场问题。对于这些问题，目前尚没有成熟可靠的理论，还处于基础性前沿研究阶段， 但由于其强烈的工业背景，它们己经成为国内外科学家研究的主要目标。 高度集成化 7 石油工程安装决镱支持分析系统开发与研究 包括两方面的含义。狭义上的信息集成，即实现c a e 与c a d 、c a m 、c a p p 、e r p 等各单元信息的集成，减少之间的数据传输与转换。未来的趋势应该是实现技术、人和 管理的集成。 智能化、人性化 未来的大型通用c a d c a e c a m 软件是个多学科交叉的，综合性知识密集型 产品，因此，开发更有效的支持用户使用这些软件的专家系统显得十分必要。智能化将 是c a e 发展的一个必然趋势。 同时，要以符合人们思维习惯的方式去判断、思考、表达与操作，以更强的用户界 而提供更强的直观、直感、直觉性，使得软件趋向于人性化。 网络化 互联网的普及改变着工程设计人员完成模拟仿真分析的传统方式。基于网络的远程 计算与分析设计将得到进一步发展，异地协同设计、分析、制造将成为现实。 企业的创新需求为c a e 技术的发展提供了强大的动力，可以预见，随着科学技术 的迅速发展和全球信息化，c a e 必将取得更为巨大的成就，并继续对国民经济的发展做 出重要贡献。 1 3 4 课题的研究价值 石油化工行业是我国国民经济的支柱产业，随着石化设备设计技术的提高，带动了 石化装置生产能力的大幅提高，石化设备日趋向大、高、重的方向发展，从而为石化装 置的建设安装提出了更高的技术要求。由于我国的石化安装队伍起步较晚，机械化程度 相对较低，安装工人的技术水平也普遍较低，安装方法基本凭借传统经验，没有形成行 业性的技术规范。为了保证大型石化装置的安全施工，提高安装水平，将传统的安装技 术进行科学的论证，加以继承，同时提高安装技术人员的工作效率，将更多的精力投入 到新技术的创新当中，石化行业迫切需要一套行业专用安装计算分析软件，为企业提供 可靠的技术支持，提高企业的生产效率，降低企业的技术风险。 本课题选用石化安装工程中经常使用的桅杆起重机为研究对象，针对桅杆起重机在 应用计算方面，具有多工况、计算过程复杂、重复计算率高的特点，应用现代计算机技 术，结合参数化技术、有限元理论，提出了使用桅杆起重机进行设备安装方案设计的科 学方法，为石化安装企业提供技术决策支持。 国内部分建设单位在这方面也做了有益的探索。在归纳我国石化工业多种成功吊装 方法的基础上开发研制了“吊装工艺过程专家系统”。其中包括：起重工技术档案管理系 统，吊装工艺设备原始数据输入、比较系统，吊装工艺选择和制定系统，施工准备各项 数据记录表格汇编系统等。该专家系统具有下列功能：1 ) 进行起重工总体、局部和个人 情况的检索，随时掌握起重工的吊装质量以进行监控。2 ) 将多项吊装工艺结果集中于一 个数据系统，便于检索、追加和不断完善，工艺资料相互补充，扩大覆盖面，避免重复 性的工艺设计。3 ) 吊装工艺方案的计算机自动处理及编制。4 ) 对吊装过程中的特殊状态 进行多方面的分析、比较，便于实际吊装过程中更好地监控。由于该专家系统着力于人 石油工程安装决策支持分析系统开发与研究 员、资料的管理，且已无法适应现代计算机技术的发展，因此未能在行业内推广使用。 我国石化工业在未来1 0 年中将有较大的发展，大批大型石化新项目的建设，将在 设备、工艺、方法等方面对吊装技术提出更高的要求，也势必推动石化建设安装技术的 一次飞跃性发展。为适应这种变化，首先应改变观念，掌握更多的新知识，在传统的吊 装工艺向现代化的吊装工艺过渡中，能够适应市场发展。通过本课题的研究，希望能为 石化行业提供一套实用、通用的行业软件，为企业专用参数化软件的开发做有益的探索， 为现代科技与企业需求更好地结合找到适合的切入点。 9 石油工程安装决策支持分析系统开发与研究 2 参数化模型的建立 2 1 桅杆起重机常用吊装方法简介 ” 我国大型设备仍以桅杆起重机吊装为主，在石油化工建设中桅杆吊装的主要工艺有 以下l o 种。( 1 ) 单桅杆倾斜直吊法；( 2 ) 单桅杆倾斜夺吊法：( 3 ) 单桅杆直立夺吊法；( 4 ) 单桅杆直立偏心夺吊法；( 5 ) 双桅杆直立对称抬吊法；( 6 ) 双桅杆直立对称夺吊法；( 7 ) 单 桅杆或双桅杆扳转法 ( 8 ) a 型桅杆双转法 ( 9 ) 1 3 式桅杆滑移法吊装；( 1 0 ) 推举法。 在这些吊装工艺中，以倾斜单桅杆直吊法、单桅杆夺吊法和双桅杆抬吊法采用最广， 运用时间最长。但随着吊装技术的发展，相继出现了单桅杆扳转法，倾斜单桅杆偏心夺 吊法，推举法和a 型桅杆双转法、三桅杆、双门式桅杆等多种吊装新工艺，这些新工艺， 经不断应用和完善，已成为一种独特的吊装工艺，在石油化工建设中发挥了极大的作用。 2 1 1 单桅杆倾斜直吊法 此方法的特点是：桅杆轴线相对于底排是倾斜的；主吊滑车在水平面的投影点与设 备基础的中心重合：设备直立后可以直接安装就位。它所需机具少，桅杆移动方便t 连 续吊装经济性好，但所需桅杆高度高( 当设备直径在3 4 m ，桅杆比设备应高出1 2 3 m ) ，因此对高设备吊装时受到桅杆吊装能力限制。中国石化一公司在镇海炼油厂曾用 3 5 0t 6 4 m 倾斜单桅杆吊装巾4 2 58 m c 高4 1 8 m 分馏塔，重1 7 3t 。图2 1 所示的是单 桅杆倾斜直吊方法。 图2 1 单桅杆倾斜直吊法 f i g 2 1h o i s t i n gs t r a i g h te q u i p m e n t sb ys i n g l eg r a d i e n t m a s tm e t h o d 1 0 石油工程安装决繁支持分析系统开发与研究 近年来，随着桅杆吊装能力的不断提高，所吊装设备的吨位也在逐年增大。该方法 所需的配套机具在所有吊装方法中是最少的，吊装所需时间也是最短的。因此，只要桅 杆吊装能力和现场条件允许，采用此种吊装方法是最经济、快捷的。 2 1 2 单桅杆倾斜夺吊法 单桅杆倾斜夺吊一般用于基础较高、直径较大的设备的吊装。主要用于解决桅杆中 心距离基础中心较远、夺距过大的问题，通过将桅杆倾斜，以达到减小夺距和主吊角的 目的，从而降低夺绳和桅杆受力，避免夺绳坑设置过大，降低锚坑的设计吨位，节约成 本。图2 2 所示是该方法的一个吊装实例。 图2 2 单桅杆倾斜夺吊法 2 1 3 单桅杆直立夺吊法 单桅杆直立夺吊法是石油化工建设中最常用、最成熟的吊装方法，它适用于完成高 基础设备的吊装工作。为了使设备不与桅杆相碰，并保持一定的间隙，在起重滑车组的 动滑车上设置一套夺绳，夺绳另一端的系结点可选用地面上的锚点，也可选用现场的构 筑物做锚点，做向下倾斜夺，桅杆呈直立状态站立，因此称为单桅杆直立夺吊法。 采用单桅杆直立夺吊法可以根据需要设置多根夺绳，在吊装过程中轮流使用，可以 实现设备在桅杆3 6 0 。范围内的转动，从而消除安装场地对设备摆放位置的限制，方便 石油工程安装决策支持分析系统开发与研究 调节设备在空中的方位，控制设备准确就位。 如图2 、3 所示是某常减压装置中减压塔的吊装，设备从摆放位置到就位位置，绕桅 杆旋转了9 0 。，准确就位。 图2 3 单桅杆直立夺吊法 f i g 2 3h o i s t i n gw i t hd r a g g i n gc a b l eb ys i n g l es t r a i g h ts a s t e t h o d 2 1 4 单桅杆直立偏心夺吊法 单桅杆直立偏心夺吊方法特点是设备吊耳接近重心，因此可用低桅杆吊装高设备， 扩大单桅杆的适用范围。它不受基础高度的限制，不需要特殊机索具及大型锚点。设备 除掉溜尾后自然倾斜，需要在设备尾部倾斜的反方向设置一下夺绳锚点，用下夺绳将其 直立就位。该方法是单桅杆吊装中计算最复杂的一种，对桅杆的站立位置要求比较严格。 图2 4 为中石油第七建设公司在临邑2 0 万吨年重油催化裂化装置中应用单根 1 5 0 t 6 2 m 桅杆直立偏心夺吊高6 0 m 、重9 0t 钢烟囱的现场。 1 2 石油工程安装决策支持分析系统开发与研究 图2 , 4 单桅杆直立偏心夺吊法 f i g 2 4f i o i s t i n gd e f l e c t i v eb a r y c e n t e re q u i p m e n t sw i t hd r a g g i n gc a b l eb ys i n ，g l es 扛a i g h tm a s t 2 1 5 双桅杆直立对称抬吊法 双桅杆抬吊由于吊装工艺成熟，吊装空间较大。吊装能力大，所以成为目前大型设 备吊装的主要方法，特别是3 0 0t 以上重型设备吊装几乎都用这种方法。虽然吊装方法 所需机索具多，但由于吊装能力大，机具设备受力较好，特别适用于设备基础过高的吊 装，在近阶段它仍是吊装重型设备的主要方法。使用该方法对两桅杆站位的位置的对称 度要求比较严格。 8 0 年代在盘锦天然气化工厂乙烯装置项目中，丙烯精馏塔，由4 9 5 m ，高1 0 8 4 3 m ， 吊耳设置距裙座座面6 5 i t l 标高，重3 0 4t ，中国化学工程第九建设公司采用2 0 0t 8 0 m 双桅杆抬吊次成功( 为国内目前双桅杆抬吊较高的塔类设备) 。 9 0 年代末期，在大庆油田石化总厂a r g g 装置中，中石油第一建设公司采用5 0 0 t 5 2 m 双桅杆抬吊重千吨、高6 0 余米的再生器一次成功。 1 3 石油工程安装决策支持分析系统开发与研究 图25 双桅杆直立对称抬吊法 f i g 2 5h o i s t i n gb yd o u b l es t r a i g h ta n ds y m m e t r i c a lm a s tm e t h o d 2 1 6 双桅杆直立对称夺吊法 双桅杆直立对称夺吊法主要应用于设备吨位较大，同时设备基础周围障碍较多，桅 杆无法实现对称于基础站立或者由于场地狭窄，设备吊耳无法与两桅杆站立点摆放到一 条直线上的情况，需要设置夺绳防止设备发生窜动或帮助设备就位。 该方法可分为单侧夺吊和双侧夺吊两种情况。单侧夺吊是指只在桅杆的一侧设有夺 绳，在设备直立前或设备直立后使用；双侧夺吊是指在桅杆