（机械工程专业论文）石化设备平台梯子的智能化设计及绘图.pdf

火连理工大学硕士学位论文 石化设备平台梯子的智能佬设计及绘图 摘要 压力容器及冀相关静辩 孛豹设计是菪秘工艺装置匏主黉组藏部分，箕使瘸条箨较为 苛刻。而加诸在石化设备的平台梯子的规瓶化设计，因其结构的多样化和图形绘制过程 中瓣复杂秘度露裁为产品滚诗窥实际工幸筝中一令棘手懿弱惩。本文觚 曼诗方法学焱实际 工作中的入手，分析了平台梯子在设计过稷中所需的关键参数，将现代设计方法学与新 墼设诗王爨穗结合，提密了用嚣冀辊完残设诗与绘图豹蓊瓣路，弗爰诗雾统语言缡翻了 实用的平台梯子设计的接口程序。 竣诗弱c a d 一薅纯跫麓登设诗系统及悉缝发震懿娄然趋势。本文糕爝a u t o d e s k 公词所开发的a u t o c a d 图形软件，通过a u t o c a d 的应用程序编稷接口( a d i ) 、数据 文 串方式，建立了一令钢平台搽予强形设诗懿绘强程序，秘步实瑷了平台梯子诗冀税辅 助设计。从而使设计过程更加合理简单，淡化了设计人员的劳动强度，减低设计置期， 提蠢设诗效率。 本文工作，同时也必将推动a u t o c a d 设计图形软件的广泛开发和使用，也将为本 行娥及我嚣戆提关艇蓬提供遴一步戆蔽据。 关键调：谤簿规辕麓设嚣痘鼹纛廖编疆接日 盔垄堡三查堂塑主堂垒笙兰 t h ei c a da n dd r a w i n go fp e t r o c h e m i s t r ye q u i p m e n t s f l a t sa n d l a d d e r s a b s t r a c t t h ed e s i g no ft h ep r e s s u r ev e s s e l sa n de q u i p m e n ta p p u r t e n a n c e si st h em a i nc o m p o n e n t o fs o r t so fu n i t s ，a n dt h e u s i n g c o n d i t i o ni sa l s o v e r yr i g o u r a t t h e m e a n w h i l e ，t h e s t a n d a r d i z a t i o nd e s i g no ft h ef l a t sa n dl a d d e mc o n s t r u c t e do nt h e mh a sb e c o m eah a r dn u tt o c r a c kf o rt h ep r o d u c td e s i g na n dp r a c t i c a lw o r k sb e c a u s eo ft h es t r u c t u r a ld i v e r s i f i c a t i o na n d c o m p l e x i t yi n t h ec o u l e eo fe n g i n e e r i n gd r a f t i n g t h ep a p e ra n a l y s e dt h ek e yp a r a m e t e r s n e e d e di nt h ec o u r s eo f d e s i g n ，b r o u g h tf o r w a r d an e wm e t h o do nt h ec o m p l e t i n gt h ed e s i g n a n d d r a f t i n g ，a n dc o m p i l e ds o m eu t i l i t yi n t e r f a c ep r o g r a m s w i t ht h ec o m p u t e rl a n g u a g e t h e d e s i g n a b l eu n i f i c a t i o nf o rc a d i st h ei n e v i t a b l et r e n df o rt h en e w t y p eo fd e s i g n a b l e s y s t e m sa n dt h i n k i n gd e v e l o p m e n t t oc o m b i n et h ed e s i g nm e t h o d o l o g yw i 也t h em o d e m t o o l si sa ne f r e c t i v em e t h o dt oa c h i e v et h ea u t o c a du n i f i c a t i o n iu t i l i z e dt h ef a m o u s s o 行l v a r e 一a u t o c a d w h i c hw a sd e v e l o p e db yt h ea u t o d e s k _ t oa c c o m p l i s hp r i m a r i l y t h ec o m p u t e ra d d e dd e s i g nf o rt h ep l a t sa n dl a d d e r st h r o u g ht h eu t i l i t yi n t e r f a c ei n s i d et h e a u t o c a d ，w h i l ec o m p i l e ds o m ep r o g r a m sf o rt h ep l a t sa n dl a d d e r s d r a f t i n gd r a w i n gs y s t e m b a s e do nt h e s ew o r k s ，im a d et h ec o u r s eo f d e s i g nm o r er e a s o n a b l ea n d s i m p l e r t h u s ，1 坚c a n s a v et h el a b o u ri n t e n s i t ya n dt h ed e s i g nt e r m ，b o o s tt h ed e s i g n e f f i c i e n c y a tt h es a m et i m e ，t h ew o r km u s t p r o m o t et h ef a r - r a n g i n gu t i l i z i n ga n de x p l o i t u r et ot h e a u t o c a d t h e y a l s op r o v i d e dm o r ee v i d e r i c et o0 1 1 1 - c o u n t r y ss t a n d a r d s i k e y w o r d s 】i c a dp r o g r a mc o m p i l e r i n t e r f a c e i i 大连理工大学硕士学位论文 第一章综述 1 1平台梯子设计的现状 1 钢平台梯子的概述 钢平台梯子作为压力容器及其他设备的附件，在化工、炼油、轻工、冶金、能源、 石油开采及宇航工程等部门得到了广泛的应用。其基本结构主要是有两部分组成，支撑 结构和保护结构。作为维持工业生产、检修的重要通道，平台梯子的结构在向复杂化、 高参数化、严工况的方向发展，二十世纪九十年代初，平台梯子的设计随着钢结构的研 究与发展，主要体现在以下几个方面： 1 设计的基础准则得到发展，出现了新的设计准则，如疲劳失效设计准则，断裂 失效设计准则等，这些设计准则在设计中已逐步被采用。 2 设计规范的进展迅速，出现了新的设计规范，如分析设计规范、疲劳设计规范、 防脆断设计规范等，并采用现代设计计算方法，如可靠性设计，优化设计等等。 3 新的检测技术的发展迅猛，且与现代物理、力学成果相结合，出现了新的无损 检测方法( n d t ) ，如发射接收检验法、超声全息法等。现代断裂力学的突飞猛进， 使超声检验技术的可靠性大大提高而且扩大了超声检验的应用范围。作为强度与结构的 保证因素，检测技术给钢结构的设计提供了坚实的基础。 钢结构平台梯子作为结构连接件，由于其本身结构的需要，以及连接的复杂性及多 变性，一直是结构设计的重点，自从计算机作为计算和绘图工具在中国近十年来的广泛 使用，同时，借助于各种先进的设计方法及检测手段，钢结构平台梯子的设计也与其他 方面的设计同样更进一步。 2 计算机技术在钢结构设计中的应用 c a d 即计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) ，就是将计算机技术应用到各个 工程设计领域中，它包括计算、统计、分析、优化、制图及技术经济分析等。c a d 技 术的开发与应用、彻底改变了传统的设计方法，无论在设计速度、精度、图面质量、出 错率以及在社会效益和经济效益等方面，都具有传统设计方法无法比拟的优点。 c a d 技术起步于六十年代末期，首先应用于机械和电子行业，而后进入建筑、航 空、航天、汽车等行业。七十年代主要是进行科学计算，设计人员借助计算机提高计算 速度和精度。八九十年代，随着计算机技术的迅猛发展，c a d 技术得到蓬勃发展，并 大连理工大学硕士学位论文 且己开始商品化和专业化。c a d 技术在国外工业发达国家已被广泛应用于机械、电子、 航空、航天、汽车、船舶、轻工、纺织、建筑及工程建设等各个领域，成为提高产品与 工程设计水平，降低消耗、缩短产品开发与工程建设周期，大幅度提高劳动生产率和产 品质量的重要手段。在国际上，c a d 技术及其应用水平已成为衡量一个国家的科技现 代化和工业现代化水平的重要标志之一。 随着计算机软、硬件技术的发展，计算机的应用己渗透到钢结构的设计、制造、检 验和管理各个方面。 目前，国外计算机技术在设计中的使用情况主要表现在： 1 设计工程由传统的常规设计转向了分析设计和优化设计，并采用包括有限元和 边界元分析法在内的现代数值计算方法。通过计算机模拟工况下的动态分析，从而使产 品具有了更高的安全性和经济性。 2 计算工作计算机化，提高了设计效率，减少了人为因素造成的错误，不仅使设 计更可靠，而且大幅度地缩短了产品的开发周期。 3 开始出现新一代智能c a d 系统，改变了传统设计中过多信赖于经验积累的局面， 通过对专家知识的收集、分类和推理，对产品设计的全过程进行分析管理，从而使得产 品的设计更具有科学性和合理性。 我国计算机技术在钢结构设计中的应用，主要包括以下几个方面： 1 常规设计计算机在常规设计中的应用技术，在我国已经成熟。目前，我国已 开发并较为广泛地使用了若干常规设计软件包，各种用于钢制设备及土建安装等的设计 敬件包正在很多的设计部门运用。 2 分析设计分析设计的核心是对钢结构各处的应力进行具体而详细的计算，根 据各种应力对导致结构失效所起作用的大小，予以分类并给予不同的限制条件。目前， 一般采用有限元、边界元等数值计算手段和电阻应变测量、光弹性等实验应力分析相结 合，详细计算结构中不连续处的应力。 七十年代以来，我国引进了一些通用性很强的有限元分析软件，其中s a p 、 a n a s y s 、a d i d a 、m a r c 和a l g o r f e a s 等大型有限元软件已在科研、设计实践中积 累了丰富的使用经验。这些程序可以解决结构的弹塑性分析、随机振动分析、接触问题 以及瞬态温度场和失稳等一系列常规方法无法解决的问题。八十年代，有限元软件一方 面向应用范围更广、单元形式复杂、计算精度高、前后处理更丰富的方向发展，另一方 面又向专业化方向发展，推出了一大批专用性软件。作为进行结构和应力分析的基础， 有限元已成为一个使用工具。 3 优化设计设计参数优化，是一个崭新的计算机应用领域。它是根据最优化原 理和方法综合各种因素，以人机配合的方式或自动探索的方式，在计算机上进行半自动 或自动设计，从而选出满足工程要求的设计方案。其设计原则是优化设计；设计手段是 2 丕垄里三盔堂堡圭兰焦堡塞 计算机和应用软件：设计方法则是最优化设计方法。目前，设计参数优化还处于早期阶 段，但已在某些结构设计中显出优势。 4 c a d 在工程绘图中的应用由各应用开发软件公司开发推广的各种计算软件包 及图形输出软件包，解决了钢制设备及其附件的一些典型问题，实现了计算机自动绘图。 1 2 本文的主要内容及意义 c a d 技术作为现代设计方法的一种，由于设计者利用具有高速计算能力和显示图 形的计算机作为工具，用各自的专业知识对产品进行规划、分析计算、综合、模拟、评 价、绘图和编写技术文件等设计活动，从而使之具有系统性、社会性、创造性、最优化、 动态化、宜人性及智能化的特点。 本文的主要内容包括两部分： 1 钢平台梯子计算机辅助设计的技术状况分析 c a d 系统的软件主要由系统软件、支撑软件和应用软件组成。在我国，工程设计 中常用的应用软件a u t o c a d 是由美国a u t o d e s k 公司开发的通用的图形系统，它使用于 多种领域和行业。a u t o c a d 是通用的开放式的图形系统，使用于多种领域和行业。用 户可根据自己行业、专业的特点，按本专业的标准和规范，建立适合于本专业的做图环 境，对a u t o c a d 进行定制或开发，使其专业化、用户化。 工程图均由数量繁多的直线、圆、圆弧等这样一些基本的图形元素组成的，也可以 看成是由少量的较复杂的一些图形组成的，a u t o c a d 提供了大量的线型、图案、字体 及符号库，同时，提供了二次开发和定制a u t o c a d 的工具。同时，作为工程设计的主 要辅助手段，c a d 计算机辅助设计的基本任务是把设计中要引用的工程数据( 实验曲 线、图表、各种标准规范、另部件模型数据和加工工艺数据等) 存入计算机内存、数据 文件或数据库中去，以便在设计时由计算机按设计要求自动检索，结合程序进行运算， 加工处理和输出。 对于平台梯子的设计，a u t o c a d 的某些功可能很少用到，另一些功能可能频繁地 被使用，调整或修改现有的用户界面，将不常使用的一些功能从界面上卸载、将经常使 用的命令安排更方便、更易调用的位置，通过对a u t o c a d 的开发和定制，提高系统的 运行速度，方便用户对系统的操作。 通过对钢平台梯子计算机技术的发展和应用考察，针对其提出了用c a d 来完成设 计绘图的新方法，应用a u t o l i s p 语言编制了一些实用的程序。 一平台梯子对专业化c a d 设计系统的需求 c a d 的初衷是使设计人员将主要精力用于产品的结构设计上，而不仅仅是将 a u t o c a d 作为取代传统手工绘图的工具，a u t o c a d 所提供的与外部程序或其他系统交 1 大连理工大学硕士学位论文 换图形信息接口，它为用户提供了多种开发和定制a u t o c a d 的工具，在此基础上，本 文对平台梯子的参数化设计进行了二次开发，使之使用于本专业的设计。 平台梯子设计中所涉及的大量的相关支撑结构、结点结构，需要采用a u t o c a d 来 进行多次的复制及保存，建立图形库，各种标准直梯、斜梯的基础数据需要用计算机来 储存调用，用以完成设计。借助于a u t o c a d 附带的可进行二次开发的各种程序软件及 程序语言，可以帮助设计人员进行程序的编制与使用，从而加快设计速度，提高设计质 量。 本文工作的意义 众所周知，作为计算机辅助设计，a u t o c a d 已成为重要的设计手段，同时，各种 设计软件已呈现出由单功能c a d 系统向集成化c a d 系统发展的趋势。就目前状况来说， 大量的设计很多都已广泛采用了c a d 进行计算，借助于各种计算软件，将大量复杂的 计算和数据资料利用计算机进行并存储，但是，对设计和绘图的一体化却仍存在着许多 问题。 另外，面对国际上工业发达国家向“无纸化”设计进军的态势，我国也加速了c a d 技术的研究和应用进程，作为一个目标的实现，到2 0 0 0 年，我国工程设计行业已实现 1 0 0 ，机械制造业7 0 ，电子行业8 0 ，造船、汽车制造业8 0 ，科研院所9 0 应用 c a d 。 作为一个成功的c a d 系统，应该把设计计算与图形绘制紧密结合起来，利用分析 计算与图形的交互性，使设计者可以对已设计好的图形进行编辑，然后再进行分析计算， 绘出图形，直到满意为止。而就我们目前平台梯子的c a d 设计来讲，却与原来的图板 加铅笔的绘图过程基本相似，并未实现c a d 的真正目的，所缺乏的正是c a d 系统的一 体化、智能化、参数化。本文中对平台梯子c a d 的应用软件a u t o c a d 的开发系统进行 了研究，为设计与图形绘制的结合探索出一种可行方法，并提供了经验和有效途径，必 将促进设计和绘图一体化的进程。 大连理工大学硕士学位论文 第二章钢制设备平台梯子设计简述 2 1 钢平台梯子设计的基本要求及原则 1 基本要求 设计钢制平台梯子时，应考虑材料供应、规格统一和施工条件，要满足结构在制造、 安装和使用过程中的强度、稳定和刚度的要求以及减少制造、安装工作量，注意操作和 检修人员的方便和安全性。 钢平台梯子的制造和安装，应遵守相关的钢结构工程施工及验收规范。对有特殊要 求( 如受高温、低温或强烈腐蚀作用) 的钢平台梯子，尚应符合有关专用规定。平台梯 子的基本构成可参回图2 1 。 图2 - 1 立式容器联合平台梯子简图 ( f i g 2 - 1t h e s c h e m a t i c f l g t r a t i o no f u n i t e du p s t a n d i n gf l a ta n dl a d d e r ) 1 1 平台位置应按有关主体专业要求设置，考虑工艺、仪表操作、检维修等的连接、 安装、拆除以及其他特殊情况合理安排。 1 2 平台净宽依据平台上所需完成的工艺以及检修的要求确定，其净宽不得小于7 6 0 毫米。 1 3 平台或走道上部最小净空一般不应小于2 2 0 0 毫米( 应从上面的构件、管线或设 备的最低点量起) 。 1 4 平台梁、架设计时应避开平台的开孔。 1 5 单体平台采用立梯或扶梯上下，联合平台宜采用斜梯上下。 5 大连理t 大学硕士学位论文 1 6 石油、化工厂中的平台梯子，由于受车问内化学气体或大气的侵蚀，在设计刚 必须采取防腐措施( 如彻底除锈、涂以油漆等) ，在结构中尽量避免难于检查、清刷、 油漆以及积留潮气或大量灰尘的死角或凹槽。空心形状的构件，要完全封闭，防止气体 侵入其内部腐蚀构件。 1 7 设计设备平台梯子时，必须考虑由于设备或结构温差而引起的伸缩变形，平台 应尽可能断开。 1 8 设备平台用双线或单双线相结合的画法：设备外轮廓用双点划线表示；栏杆立 柱用粗实线表示；扶手、护圈、护脚板沿立柱连续画出，用双点画线表示。 2 基本原则 2 1 设计设备平台梯子时应考虑的荷载包括恒载、活荷载、起吊重物的冲击力以及 由于温度变化而产生的推力，同时，应根据使用过程中可能同时作用的恒载、活荷载及 其它荷载和力进行组合，并取其最不利者进行设计。平台上荷载的确定可根据平台上活 动区域的不同来进行。 2 2 平台梯子的施工及检验参照相关国家标准。 2 3 制造平台梯子的结构材料一般为q 2 3 5 a f ；连接件( 粗制螺栓、螺母、垫圈等) 材料为q 2 3 5 一a ；许用应力按相关行业标准确定。 2 4 在计算一些特殊情况的平台梯子构件和连接时，应对材料的许用应力适当折减。 3 材料损耗及消耗指标 3 1 材料净用量( 指图纸上材料实际用量) 加上材料损耗率，即为工程材料用量。 主要材料损耗率，如表2 1 所示。 表2 - 1 主要材料损耗率 ( t a b l e2 - 1t h e w a s t a g e r a t ef o rt h em a i nm a t e r i a l ) 序号材料名称损耗率各注 1 型钢 5 2圆钢3 3钢板 4 加工裕量另加 4碳素钢管3 5连接件1 0 包括螺栓、螺母、垫圈等 查垄型三丕堂塑主望堡堡苎 3 2 消耗材料指标，如表2 2 所示。 表2 - 2 消耗材料指标 ( t a b l e2 - 2t h et a r g e tf o re x p a n d a b l em a t e r i a l s ) 序号材料名称 用量( k g ) 备注 l红丹漆( 一遍)55 1 每吨钢结构 2油性调和漆( 铅油) ( 一遍)62 第二遍的漆用量为第 3电焊条2 4一遍的9 0 2 2 钢结构平台梯子计算机辅助设计的基本功能 1 平台支撑的基本型式及节点 平台梯子的支撑结构是建立节点库的主要内容，由于大量的不同的连接结构所形成 的支撑结构的差异主要体现在以下几方面。 1 1 立式设备平台支撑型式 1 1 1 环形平台( 或扇形平台) ，一般采用悬臂梁( 如图2 - 2 ) 或三角形悬臂梁( 如 图2 3 ) 支撑，悬臂支架基本参数见表2 3 ，三角形支架基本参数见表2 - 4 。 图2 - 2 悬臂支架 g 2 - 2a r m h a n 由 驴j 1 7 么 _ 。1 1 。一 i n li l 一 f li 。_ i， j _- - 纠t h ， 一 加 寸 挎 l hj1 0 - 图2 - 3 三角形支架 ( f i g 2 - 3t r i g o n a la f r oh a n 酌 大连理工大学硕士学位论文 表2 - 3 悬臂支架基本参数 ( t a b l e2 - 3t h eb a s i cp a r a m e t e r so f a r mh a n g s ) 型主要尺寸m m 材料净重k g 总重 号l h ih 2h 梁( 重量)垫板及连接板 al 1 2 0 01 6 08 01 6 02 2 0 8 0 x 4 3 x 5 ( 8 0 4 ) 331 1 3 4 b1 2 0 0 i 1 5 0 02 0 01 0 02 0 02 6 0 | 0 0 x 4 9 x 5 3 ( 1 0 )4 51 4 5 c1 5 0 0 l 1 8 0 02 4 01 2 02 4 03 0 0 【1 2 0 x 5 3 x 5 5 ( 1 2 0 6 ) 5 8l7 8 6 d1 8 0 0 s s l0 ) ( s e t qt e m p ( s s n a m ea s s e t ( s e t qs s l ( 1 一s s l ) ) ) ) ( s e t qn u m b e r ( a t o f ( c d r ( a s s o c1 ( e n t g e tt e m p ) ) ) ) ) ( i f ( = 0n u m b e r ) ( s e t qs s l l ( 卜s s l l ) ) ( s e t qt o t a l ( + t o t a ln u m b e r ) ) ) ) ；显示和及加数的个数，便于用户检查是否多选或漏选。 ( p r i n c8 n t h et o t a li s ”) ( p r i n ct o t a l ) (