（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）导管架节点计算机绘图数学模型及程序设计.pdf

中文摘要 随着计算机应用技术的飞速发展，计算机辅助设计在各个领域中得到了广泛 的应用。相交管件直接应用于海上平台的导管架，其展开相贯线的传统作法是采 用几何作图法，过程复杂、费时，且绘制的展开图精度低。本课题通过对a u t o c a d 进行二次开发，实现了轴相交的管及两端都具有偏心距的管的相贯线展开的参数 化和可视化的计算机辅助设计。本文主要涉及的研究内容如下： 1 本文利用解析画法几何的理论，推导出轴相交的管和两端都具有偏心距的 管的相贯线展开的数学模型，提出了两两相贯的三管相贯线展开坐标的选取办 法。 2 利用v i s u a ll i s p 语言在a u t o c a d 2 0 0 4 平台上开发了轴相交的管和两端都 具有偏心距的管的相贯线展开程序。程序逐点计算展开曲线上一系列离散点的坐 标，再逐点连接绘制出能达到要求精度的相贯线展开图。在生成相贯线的同时输 出相关曲线的数据。 3 程序应用下拉菜单和a u t o c a d 截取点等方式编制了人机交互的界面。这样 可以方便，直观地输入数据。 4 程序输出的数据为钢板的使用提供了板尺，提高了板材使用效率。 通过实践证明，本程序具有以下特点：展开图形参数化，生成图形速度快， 展开相贯线精度高，操作简单，适用范围广。根据所生成曲线，利用数控切割机 切割，可高效的得到精确的管件，也可以绘制放样图，提供板尺，直接用于生产。 关键词：海上平台相贯线展开v i s u a ll i s p a b s t r a c t w i mt h eq u i c kd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g ni s w i d e l ya p p l i e dt oa 1 1k i n d so ff i e l d s t h ei 1 1 t e r s e c t i o n a lp i p ef i t t i n g sa r eu s e di nm e j a c k e t so ft h es e ap l a t f o m ld i r e c t l y f o rt h ed c v e l o p m e n to f 硫e r s e c t i n gc u r v e ，i t s 仃a d i t i o m lm e t h o di s l eg e o m e 仃y 栅i n gm e t l l o d ，w 址c hi sn o t0 1 1 l yc o m p l e xb u t a l s ot i i n et a k i i 玛，逾a d d i t i o l l ，p r e c i s i o no ft h ed e v e l o p e dc u n ，ea r e 】o w w i t h 1 e s e c o n d d e v e l o p m e n to fa u t o c a d ，t h ec a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g l l ) o fd e v e l o p m 肌t o fi m e r s e c t i o n a lc u r v eb e t 、7 l ，e e np i p e sw i mi m e r s e c t i o m la x e sa i l dd i s t 锄c e sb e 似e e n a x e si 1 1b o t l le n d so f p i p e si se s t a b l i s h e di n “sp r o g r 锄，w h i c hi sv i s i b l ea n d p a r 锄e t r i c t h em a i nc o n t e n t sc o v e r e db ym i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 b a s eo nt h et h e o 巧o fa i l a l ”i c a ls p a t i a lg e o m e n y ，t h i sp a p e rd e d u c e s m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rd e v e l o p m e mo fi n t e r s e c t i o n a lc u n r eb e 俩e e i lp i p e sw i m i m e r s e c t i o n a la x e s 趾dd i s t a n c e sb e 铆e e l la x e si nb o t he 1 1 d so fp i p e s 2 o nt h ep l a t f o ma u t o c a d 2 0 0 4 ，t 1 1 ec o d eo ft l l i ss y s t e mi sp m 伊觚皿e dw i t l l v i s u a l “s p t l l i ss o f 啊a r ec a nd e v e l o pt h ei n t e r s e c t i n gc u r v eb e m e e i lp i p e sw i m i n t e r s e c t i o n a la x e sa n dd i s t a n c e sb e 铆e e na x e s 协b o t he i l d so f p i p e s b yt h j ss o f t w a r e ， t h ec o o r d i n a t e so fd i s c r e t ep o i l l t so nt h ed e v e l o p e dc u ea r ec a l c u l a t e d ；f u n l l e r ，t h e s e p o i n t sa r ec o m l e c t e dc o m i i l u o u s l ys oa st oo b t a i l lad e v e l o p e di n t e r s e c t i i l gc u e ， w h i c hi su pt o 廿l er e q u i r e dp r e c i s i o n w 1 1 i l et h ei 1 1 t e r s e c t i i l gc u r v ei sd r a w n ，m e r e l e v a n tc u r v ed a t ai sg e n e r a t e da tt 1 1 es a m et i r n e 3 t h ei n t e r f a c eb e t w e e nc o m p u t e ra r l d 叩e r a t o ri sd e v e l o p e dw i m d r o pm e n u a n d 劬c t i o no fc a t c ho fa u t o c a d ，m 印i i lt h i sw a y ，d a t ac a nb eh l p u te a s i l ya i l d v i s u a l l y 4 d a t ao u t p u tp r o v i d e1 1 j l e ro fp l a t ef o rs t e e lp l a t e ，i l n p r o v et 1 1 ee 伍c i e l l c yo f u s i i l gs t e e lp l a t e o nt h eb a s i so f p r a c t i c e ，t m sp r o g r a mi sp r o v e dt oh a v es u c hf e 咖r e sa s p a m m e t r i cd e v e l o p m e i l td r a w i l l g ，f a s td m w i n gg e n e r a t i o n ，l l i 曲p r e c i s i o nd e v e l o p e d i n t e r s e c t i n gc u e s ，e a s yo p e r a t i o na n de x t e i l s i v e 印p l i c a t i o n a c c o r d i n gt 0t 1 1 e g e n e m t e dc u i 。v e s ，t h ed i g i t a lc o m r o l l e dc u t t e rc a np r o d u c ea c c u r a t es h e e tm e t a lp a r t s e m c i e m l y w 1 l a ti sm o r e ，t l l es h e e t m e t a ld r a w i n gc a nb eg e n e r a t e da i l dm l e ro fp l a t e b ep r o v i d e ds 0a st of a c i l i t a t et h ep r o d u c t i o n k e yw o r d s ：o f f s h o r e p l a t f o n n ，i n t e r s e c t i i l gl i i l e ，d e v e l o p ，v i s u a ll i s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：2 咖g 年月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：2 ，p 年6 月够曰签字日期：2 一p 年 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 近海平台导管架节点展开程序发展现状嘲m 如果从打第一口海上油井算起，海洋固定式平台的发展，至今已有一百多年 的历史。在这样长的时间里，海洋固定式平台经历了一个从浅水向深水，从技术 单一到技术密集的发展过程。 平台导管架节点相贯线的展开曲线是把空间的三维相贯线展开在平面上的 二维线段。在管的钣金件的生产中，需要进行毛坯下料展开图的设计，在展开图 设计中，相贯线的展开是其主要工作。展开相贯线的传统作法是采用人工几何作 图法，其过程比较复杂、繁琐、费时，且绘制的展开曲线精度低相贯线的展开 曲线一般是不规则曲线，建立其曲线方程较困难。 现代的展开图设计多利用通用的计算机软件进行绘制。有些程序已经可以绘 制出平台导管架节点的展开图，并在一定程度上降低了绘制展开图的劳动量，提 高了出图的效率和精度。但是在面对高效与快节奏的生产和改图要求时，这些程 序就显得过于繁琐，操作上也很麻烦，缺乏实用性和人性化理念。随着a u t o c a d 的版本的不断更新，功能越来越强，以及更多设计思想的出现，对程序功能的要 求也在不断提升，在原有程序上再添加新的功能成为程序灵活性的崭新体现。如 何提高绘图程序的智能化、人性化、可操作性和程序功能的扩大化成为了设计人 员面临的新的问题。 1 2 c a d 技术特点及应用 1 2 1 c a d 技术的特点1 1 嘲 c a d 技术具有以下特点： 1 c a d 技术是多学科综合性应用技术，经过近5 0 年的不断发展完善，c a d 技术已由初期单一的图形交互处理功能转化为综合性的、技术复杂的技术工程， 所涉及的学科领域在不断扩大，是多学科相互交融、综合应用的产物，并逐渐向 集成化、智能化和网络化发展。c a d 的技术主要涉及的学科领域包括计算机科 学、计算机图形学、计算数学、工程分析技术、数据管理及数据交换技术、软件 工程技术、网络技术、人机工程、人工智能技术、多媒体技术及文本文件处理技 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 术等。 2 c a d 技术是现代设计手法和手段的综合体现。设计是一项复杂的创造性工 作，人们一直在探索各种设计理论，以期利用它们来有效的指导实际的设计工作。 c a d 技术正是计算机的先进设计理论和方法的集中，c a d 技术涵盖了现代产品 设计的主要设计活动，其中包括传统的几何造型设计、工程分析以及目前广泛研 究的支持协同的概念设计和基于w e b 的设计等。 3 c a d 技术使人的创造性思维活动同基于计算机系统的有机融合。随着计算 机的先进设计理论与方法的不断发展，c a d 系统的智能化程度也会越来越高。 但任何智能化的c a d 系统都只是一个辅助设计工具，均离不开使用者( 人) 的创 造性思维活动和主导控制，将人的创造性思维能力、综合分析能力和逻辑判断能 力与c a d 系统强大的数据、图形及文本文件处理能力结合起来、才能使c a d 技术发挥巨大的作用。 1 2 2 c a d 技术的应用 c a d 技术是适应现代生产技术发展和市场需求快速变换的产物。目前，c a d 技术在产品或工程中主要应用于以下几个方面。 1 绘制二维、三维工程图 主要用来取代传统的手工绘图工作，这是最普遍的最广泛的一种应用，也是 企业采用得最多的一种c a d 的应用方式。 2 建立图形及符号库 主要用于建立常用的图形和符号库，以便于设计时调用，提高设计效率。 3 参数化设计 对于那些具有相似结构的标准化或系列化零部件，通过对其结构尺寸和几何 约束关系进行参数化定义，建立专用的图形链接库，调用时通过对设计参数进行 赋值，即可生成所需的几何图形。 4 三位建模 根据设计需要，采用线框、曲面或实体造型技术对产品的零部件进行三维造 型设计，并可进行装配和运动仿真。 5 生成设计文本文件和报表 可以将设计属性制成文本文件或输出报表，其中有些设计参数可以用各种形 式的报表表示。 1 2 3 c a d 技术的优点 从c a d 技术的特点和应用范围来看，采用c a d 技术具有以下优点。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 提高设计效率、缩短设计周期 利用c a d 技术，可减小设计人员的工作量和劳动强度，降低设计成本，从 而能够提高设计效率、缩短设计周期、加速产品的更新换代、增强产品的市场竞 争力。 2 提高设计质量 利用标准数据库、图形库和应用软件提供的优化技术和设计计算功能，可以 减少人为误差，达到最佳设计效果。 3 便于产品标准化、系列化 利用c a d 技术的参数化设计功能，可以方便地实现产品的系列设计；利于 存储于计算机中的标准设计信息，能够实现设计过程中的资源共享。 4 在设计阶段可预估产品的特性 利用c a d 技术中的运动分析、有限元分析、动态仿真等技术，可以在设计 阶段预估产品的特性。因此，可以及早发现设计缺陷，从而能够提高设计质量、 提高产品可靠性、缩短新产品的试制周期。 5 易于实现网络化设计 随着网络技术的迅速发展，基于网络的c a d 系统也越来越多。利用这样的 系统，工程技术人员可以实现不同部门、不同地点之间的设计信息交流，提高设 计工作的效率和灵活性，实现设计资源的跨平台共享。 1 3 课题来源及研究意义 海洋平台的制造是一项庞大、复杂、技术含量高的工程，导管架是海洋平台 中的关键结构，导管架建造质量的好坏将直接影响到平台结构的整体质量。因此， 高效、精确的完成对导管架构件的加工是建造海洋平台的必要前提，而平台金属 导管架构件参数的组织和计算，导管架切割后沿内壁的展开图即单件图生成必须 要求有一套自动化、智能化的系统来完成。 在过去海上平台的制造中，金属导管架构件的数据主要依靠图纸来人为管 理，并没有列入计算机的智能化管理范畴，因此，在每一次对构件的加工之前， 都要按照图纸人为输入构件的各种参数到控制加工机器的软件中。其次，导管架 的之间的几何参数通常是通过人为计算的方法输入系统，同时单件图的生成也必 须依靠人为输入管件类型来完成。这无疑增加了制造过程的繁琐性，并且降低了 生产效率。本文针对以上弊端，研究和开发自动化、智慧化的海上平台导管架单 件图自动生成程序。 3 一 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题研究的内容和要解决的问题 本课题研究以下内容： 1 建立了管件展开计算数学模型。 相交管件加工展开c a d 程序设计的基础就是先建立相贯体相贯线的数 学模型。 = c o s 磊( 0 。谚3 6 0 6 ) 咒= s i n 谚 ( 1 - 1 ) 弓2 去( 丽邓吗) ( 0 0 锣o o ) 它是绘制两柱体相贯线的数学基础。 2 以s u a ll i s p 程序设计为基础，依据典型钣金管件数学模型编制自动参 数化设计展开的程序，根据选择自动生成相交管件展开图，然后自动输出所需的 下料相关数据。 在建立了数学模型的基础上，应用v i s u a ll i s p 语言向用户要求已知条件，只 需将半径、管上两点、管壁厚及偏心距等依次输入即可。 将已知条件保存到变量中，利用v i s u a ll i s p 的计算功能进行计算，通过循环， 计算出若干数组数据，并通过a u t o c a d 指令将它们绘制到图纸上。针对以上研究 内容，本课题主要解决以下的问题： 应用合理的展开计算方法进行设计，根据不同种类的管的钣金件，进行合理 的规划和处理，找出解决该问题的一般规律和方法并把这种算法用程序实现。这 与传统的钣金展开相比有着很大的先进性和实用性。 1 5 课题研究的关键技术 本课题有如下难点和关键技术，需在以后的实践中不断总结和优化 1 多个管件相交时的展开算法是本课题的重点和难点所在，这些方面还缺乏 系统理论，这是本课题的难点之处。 2 主管与枝管相贯，枝管两端都是与主管相贯形成的相贯线，程序执行过程 中，要自动展开两端的相贯线从而形成下料图。 3 要实现程序的可应用性和导管架展开的批量绘图，必须使程序在输入已知 条件时简捷明快，这是本课题的又一难点。 4 以文本的形式输出数据表，以各查阅。 天津大学硕士学位论文第二章程序开发平台及语言说明 第二章程序开发平台及语言说明 2 1 原始操作平台a u t o c a d 5 1 6 儿刀 a u t 0 c a d 是目前微机上应用最为广泛的通用交互式计算机辅助绘图与设计 软件。a u t o c a d 的强大生命力在于它的通用性、多种工业标准和开放的体系结 构。其通用性使得它在机械、电子、航空、船舶、建筑、服装等领域得到了极为 广泛的应用。 a u t o c a d 的主要开发工具之一是l i s p 语言。l i s p 语言是从a u t o c a dv 2 1 7 版开始略有雏形的，2 0 年间不断改进翻新。1 9 9 8 年3 月底a u t o d e s k 公司宣布推 出新一代的l i s p 程序语言_ s u a ll i s p 语言。该语言是附加在a u t o c a d 软件 内的程序语言，是一种将专业设计转化成图形的自动画图方式。这种执行一个程 序就可以自动将图画出的方式，对设计绘图者来说，不但可以大大提高绘图效率。 同时还将提高产品设计的精确度。 2 2 v l s u a ll | s p 语言特点及功能 s u a ll i s p 与m i c r o s o ra c t i v e x 、o b j e c ta i 乇x 以及m i c r o s o rv i s u a lb a s i c 一样都 是面向对象程序设计语言。经a u t o d e s k 公司开发的v i s u a ll i s pa c t i v e x 接口使 a m o c a d 的对象模型在交叉应用整合方面将具有更好的适应性，这将使所开发 的应用程序不仅兼容于a u t o c a d 软件，而且与其它a c t i v e x c o m p l i a n t 一样，通 过应用程序整合数据库就可以方便地套用，从而解决了多年应用程序智能化及整 合性差的问题。 2 2 1 v i s u a ll l s p 的语言特点 1 s u a ll i s p 是表类型数据处理语言，擅长处理各种结构的数据表。 2 s u a ll i s p 直接针对a 心t o c a d ，易于人机交互。 。 3 可以在s u a ll i 8 p 程序中引用a u t o c a d 的几乎所有功能，可以实现多图 文件下的图形处理自动化，尤其是实现较深层的应用对象数据库、对象反应 器等操作。 4 s u a ll i s p 源程序可以用任何一种文本文件生成，比如e d i t 、d a n a 等。 天津大学硕士学位论文第二章程序开发平台及语言说明 2 2 2 v i s u a ll l s p 可视化编辑的实用功能嗍川伽 1 s u a l “s p 作为个完整的集成开发环境，具有透明的加载编译技术。 2 v i s u a ll i s p 具有强大的语法检查器，可以识别自身语法是否错误，以及调 用参数时是否正确。 3 v i s u a ll i s p 提供文本编译器，可以改善程序运行的速度和提供安全、高效 的交互平台。 4 s u a ll i s p 特别为l i s p 语言提供了源程序调试器。通过应用强有力的中断 处理，可以为程序的调试提供最大的灵活性。 5 s u a ll i s p 支持l i s p 和d c l 语言的文本文件中的彩色代码显示功能。 6 v i s u a ll i s p 提供格式化器，可以设置程序代码的书写结构，使程序具有一 个更容易读懂的格式。 7 v i s u a ll i s p 具有综合的检查器和监视器实用工具，用户可以非常方便地在 浏览和修改数据结构时获得变量和表达式的值。 8 v i s u a l “s p 为函数提供了上下文相关的帮助系统。 9 s u a ll i s p 具有强有力的符号名查找和自动匹配特征。 1 0 v i s u a ll i s p 具有智能的系统控制台，提高了用户开发程序的效率。 2 3 v i s u a ll i s p 程序与a u t o c a d 应用开发 a m o c a d 功能的开发应用可以分为四个阶段： 1 全面模拟手工图形绘制的方法和过程，用纯交互操作生成工程图，提高绘 图效率和质量。 2 根据用户的专业图形模版和常用的绘图工具程序，利用s u a ll i s p 程序， 实现初级应用开发和标准图形结构自动或半自动生成，达到较高的图形生成速度 和精度，制作标准化的局部设计过程的模拟程序，实现常见设计参数的计算机自 动处理，接触过设计师最常做的一些繁琐的工作。 3 建立刚性的、参数化的、柔性的等图形库，制作基于有限参数的设计过程 模拟程序，实现典型设计过程的自动设计处理，实现局部设计经验的可靠传递， 将设计师从早已烂熟的设计中解放出来。 4 引入综合的程序设计模式，使用s u a ll i s p 语言工具，建立基于专家知识 的较大的设计系统，实现典型产品的全自动一体化设计，实现设计专家经验的可 靠传递和应用。 天津大学硕士学位论文第二章程序开发平台及语言说明 2 4 专业应用设计程序的质量要求 1 良好的运行效果 满足用户的应用要求；运行效率高；对硬件和软件条件依赖性较小；用户接 口友好。对于用户的输入，有完整而全面的出错检查和提示恢复功能。 2 良好的可维护性 源程序的可读性好，有充足的内外部支持文档；对于诊断和修改程序中的错 误做了必要的准备；模块结构清晰合理，容易测试和修改。 3 良好的可移植性 能很容易的在其它合理的软硬件配置下运行；程序中尽量多地含有“可再用 的部分。 4 规范的模块接口 规范要简明、清晰、可靠和唯一，使系统控制调度能够比较规范，各模块能 分别制作调试，又能够统一使用。对于整套函数，应当有可靠而简单的外包装。 天津大学硕士学位论文第三章导管架相贯线的数学模型 第三章导管架相贯线的数学模型 3 1 相贯线展开的解析算法川例 在绘制展开图时，要对曲面上的相贯线进行计算，得到在展开平面上的展开 曲线。解析算法一直是人们研究的课题，它是将和展开的曲面相交的所有曲面方 程，变换到要展开的曲面上的坐标系中，通过向坐标面投影，消去坐标参数，得 到相贯线的参数方程。对参数方程进行求导，可得相贯线的切线单位向量，向量 分量即为切线单位向量的方向余弦值。对于可展曲面上的相贯线，在展开平面上 的展开曲线，可以认为是可展曲面在展开平面上作纯滚动后，在展开平面上留下 的印迹。这样，曲面上的相贯线的切线向量与展开平面上的展开曲线的切线向量 的方向相同，即方向余弦值相等。利用几何关系，得到由展开坐标系到曲面坐标 系的变换矩阵，由变换矩阵求出切线单位向量在展开坐标系中的坐标值，便可得 到展开曲线在展开坐标系中的微分方程，求解此微分方程便可得到展开图曲线方 程。但是，到目前为止，对于所有可展曲面的微分方程的求解方法尚未得到完全 解决。因此，有必要利用数值算法对曲面上的相贯线进行计算，求得展开曲线。 基本步骤： 1 变换坐标系 首先，分别在不同的曲面( 包括平面) 上建立各自的坐标系，力求曲面方程最 简单。其次，列出要展开的曲面上的坐标轴、在其它曲面的坐标系中的坐标值、 原点坐标值，最终得到坐标变换式。最后，将其它曲面方程变换到要展开的曲面 上的坐标系中。 ( 1 ) 主管坐标系 其原点位于节点处，主管杆轴线为z 轴，z 轴上的单位矢量记为，设枝管 的单位矢量为萨( 离开轴点) ，则主管x 轴上的单位矢量为： 瓦：篱 ( 3 1 ) i 能彰i 主管y 轴单位矢量为： 主杆坐标系各坐标轴方向数为： 虿2 黼 ( 3 2 ) 天津大学硕士学位论文 第三章导管架相贯线的数学模型 e 1 ) = ( 3 3 ) ( 2 ) 枝管坐标系 其原点为其轴与主杆的公垂线和枝管的交点。各坐标轴的方向数为： e ) = 虿，虿，虿) ( 3 - 4 ) 其中为轴线上的单位矢量 虿2 甬 万2 甬 ( 3 5 ) ( 3 ) 坐标系间相互转换公式 幽2 叫刚) ( 3 6 ) 【 i ) = e 7 ) 7 x 7 ) + 砭) 。 式中： x 一第i 号坐标系下的点的坐标 x 一同一点在绝对坐标系下的坐标 e 一第i 号杆坐标系各轴在绝对坐标系中的方向数 砭 一第i 号杆坐标系原点在绝对坐标系下的坐标 2 求截交线或相贯线的点 用要展开的曲面上的素线方程去和其它已变换的曲面方程联立解，便可得到 截交线或相贯线的点的坐标值。 3 求展开平面上的展开图形 由截交线或相贯线的点的坐标值，可得展开平面上的对应点的坐标，即可求 得展开图形。 天津大学硕士学位论文第三章导管架相贯线的数学模型 3 2 异径斜交管数学模型的建立n 町1 5 1 n 帕 图3 1 投影图 图中各参数几何意义： 口。一枝管上的任意点距相贯线展开起始点的角度 d 一主管的直径 d 一枝管的直径 一主管与支管相交轴的夹角 日一枝管轴上选取的一点距主管轴的距离 五一枝管轴上选取的一点到主管与枝管交点的距离 z ；一计算相贯线轴向坐标的中间参数 f 一枝管厚度 。 ， ? m 扣 ：， ：i 、 ：。 、 ： 1 1 图3 2 展开图 天津大学硕士学位论文第三章导管架相贯线的数学模型 图中各种参数的几何意义： 乞一计算相贯线轴向坐标的中间参数 厅一枝管轴上选取的一点到主管与枝管交点的距离 是一枝管的周长 根据图3 1 和图3 2 建立枝管相贯线坐标方程： ：要c 。s 瓯 ( o 。3 6 0 。) 2 i c o s 瓯 【us s 的u ) d 儿2 i s m z 。= 办一 1 s i n 建立异径斜交管相贯线坐标通用参数方程： = ic o s ( o 。3 6 0 。) ( 昙) c 。s 瓯 山j l - 一 t a l l ( o 。9 0 。) ( 3 7 ) = ls m ( 3 - 8 ) 气母( 矗两+ 寄) ( o o 岛鲫。) 式中：( ，) 一i 号管坐标系下的相贯线坐标 f i 号管半径 。一i 号管上的任意点距相贯线展开起始点的角度 j i z ，一i 号管轴上选取的一点到i 号管与j 号管交点的距离 孱一i 号管与j 号管相交轴的夹角 尺，一j 号管半径 天津大学硕士学位论文第三章导管架相贯线的数学模型 3 3 异径错心斜交管数学模型的建立 图3 3 投影图 图中各参数几何意义： 口。一枝管上的任意点距相贯线展开起始点的角度 尺一主管的直径 r 一枝管的直径 j ，一主管与枝管的偏心距 一主管与支管轴的夹角 办一枝管轴上选取的一点到枝管与偏心距线交点的距离 z i 一计算相贯线轴向坐标的中间参数 d 一主管的直径 d 一枝管的直径 天津大学硕士学位论文第三章导管架相贯线的数学模型 z z z ， z b | z t | 歹 伯 全 | | | h 图3 4 展开图 图中各种参数的几何意义： 毛一计算相贯线轴向坐标的中间参数 办一枝管轴上选取的一点到枝管与偏心距线交点的距离 是一枝管的周长 根据图3 3 和图3 - 4 建立枝管相贯线坐标方程： ：要c 。s 瓯 ( o 。3 6 0 。) 2 i c o s 瓯 s s3 6 u ) d 蚝2 i 8 m 瓯 z 。= 而一 1 s i n 上垒兰 t a n 建立异径错心斜交管相贯线坐标通用参数方程： ( 0 。9 0 。) ( 3 9 ) 天津大学硕士学位论文第三章导管架相贯线的数学模型 = ，；c o s 呸。( 0 。3 6 0 。) 2is m 母( 南厣丽+ 寄) ( o o 岛鲫。) 式中：( 艺，z 。，) 一i 号管坐标系下的相贯线坐标 ，：一i 号管半径 。一i 号管上的任意点距相贯线展开起始点的角度 一i 号管轴上选取的一点到i 号管与j 号管交点的距离 岛一i 号管与j 号管轴的夹角 尺，1 号管半径 虼一i 号管与j 号管的偏心距 3 4 相贯线展开坐标参数方程1 7 1 嘲1 9 1 剐2 小翻 柱蔫瀑开点 图3 5 展开图 根据图3 5 建立相贯线展开坐标参数方程： ( 3 1 0 ) 展并终止点 繇，豇丢) 天津大学硕士学位论文第三章导管架相贯线的数学模型 i = ；+ 等( ) y n = y + z t n 一一 ( 3 - 1 1 ) z 九= z 式中：( 毛，咒，z 。) 一相贯线展开后各点坐标 ( x ，j ，z ) 一相贯线展开图的基点坐标 一一i 号展开管半径 z 抽一i 号展开管坐标下相贯线z 轴坐标 一i 号展开管周长被分成的份数 n = 1 ，2 。3 n 3 5 多管相交的相贯线数学模型建立 3 5 1 如何判断多管相贯 7 一 多7 ，i t _ j7，i，+二。孑：i，。j，7 图3 6 天津大学硕士学位论文第三章导管架相贯线的数学模型 图3 7 以三管相贯为例，首先转换坐标系，转换到主管的俯视图，比较和若 嘭 ，则进行下一步判断。 y 图3 8 天津大学硕士学位论文 第三章导管架相贯线的数学模型 图3 9 第二步继续转换坐标系。转换到主管的主视图当中，比较枝管与主管的交点 的纵坐标。如图3 - 8 所示，若儿 y ：，则可判断三个管两两相贯；如图3 9 所示， 若咒j ) 、 s 一。7 蕾、一- 一 一一 、 ： ，7 ) j 展开终止点 8 2 非理想状态下，枝管相贯线展开坐标的选取及展开图的绘制 。 最初划分枝管和搭管为n 个单元，在分别计算出枝管和搭管与主管的相贯 线展开坐标后，在多数情况下，无法得到k 一嘭j = o ，从而也就无法确定出两相 贯线的交点和枝管相贯线展开坐标。在这种情况下，则采取插入点的方法进行计 算。 天津大学硕士学位论文第三章导管架相贯线的数学模型 选取插入点： 1 只一z i 占 ( 3 1 2 ) 式中：y 。一枝管与主管的相贯线展开纵坐标 z 一搭管与主管的相贯线展开纵坐标 f 一展开精确度 当3 1 2 式成立时，则确定( ，y 。) 和( ，z ) 点。前者是枝管与主管的相贯线 展开坐标中的一点，后者是搭管与主管的相贯线展开坐标中的一点。这种相互对 应的点有2 组，如果多于2 组则要采取减小g ，增大单元划分数n 的方法直到确 定只有2 组这样的对应点。 通过( ，以) 和( ，y ：) ，可确定( - p 儿q ) 、( 毛y 槲) 和( 毛巾z 一，) 、 ( 矗小y ：+ 1 ) 。如图3 - 1 2 所示。 对阴影部分进行离散，得到z ，和z ： 图3 - 1 2 展开终止点 天津大学硕士学位论文第三章导管架相贯线的数学模型 ( xn l ，vn j ) ( n 一1 。v ，n 一1 ) 图3 1 3 n + i ，y ，n o 童，t 3 1t j i 、 忆、辩 一一7 一 图3 1 5 展开终止点 e 天津大学硕士学位论文第四章软件结构框图及程序说明 第四章软件结构框图及程序说明 4 1 海上平台导管架单线图 海上平台是由若干根导管架通过焊接而形成的框架结构，导管架的形式多种 多样，包括管、板、环、锥等结构。由于海上平台制造中所使用的零件均由 a u t o c a d 设计，结果一般为三维图形，但由于海洋平台是一个庞大、复杂的体 系，如果用三维图形来表示平台的整体结构，必然会使图形变的异常复杂，降低 了直观性和操作性。因此本程序所直接处理的是单线图，即每一个零件都用一维 图形表示，几乎所有的零件都抽象为线段，如图4 1 所示为平台导管架结构单线 图。 4 2 软件主程序说明 l 钎专习 f 1 + 一、j t 。j 哆谶； 麟攀、 潞谚_ 1 _ 裔 图4 _ l 本软件使用s u a ll i s p 语言开发完成的软件主程序比较简洁，主要完成调 用对话框以选择相贯类型，然后调用相应子函数。 天津大学硕士学位论文第四章软件结构框图及程序说明 4 2 1 主程序框图 图4 2 天津大学硕士学位论文第四章软件结构框图及程序说明 4 2 2 轴相交相贯线展开程序操作框图 截取展开基点 主管1 编号 主管2 编号 是 图4 3 2 4 _ 枝管编号 天津大学硕士学位论文第四章软件结构框图及程序说明 程序说明： 枝管一端参数计算程序主要计算枝管与主管l 的夹角、以枝管截取点为原 点，枝管内外壁与主管1 相贯线各点的坐标、；枝管另一端参数计算程序主要计 算枝管与主管2 的夹角、以枝管截取点为原点，枝管内外壁与主管2 相贯线各点 的坐标；数据输出程序主要统计主管l 的信息、主管2 的信息、枝管的信息、主 管1 、2 与枝管的夹角、枝管内外壁展开面积、枝管展开基点的坐标、在绝对坐 标系下枝管内外壁分别与主管l 、2 相贯线各点坐标。 天津大学硕士学位论文第四章软件结构框图及程序说明 4 2 3 两端都具有偏心距的管的相贯线展开程序操作框图 截取展开基点 主管l 编号 主管2 编号 是 枝管编号 程序说明： 枝管一端参数计算程序主要计算枝管与主管1 异面轴的夹角、以枝管截取 2 6 习 大律大学硕e 学位论文 第四章软件结构框刚厦程序说明 点为原点柱管内外壁与主管1 相赁线各点的坐标、：枝管另一端参数计算程序 主要计算枝管与主管2 异面轴的夹角、以枝管截取点为原点枝管内外壁与主管 2 相贯线各点的坐标：数据输出程序主要统计主管l 的信息、主管2 的信息、枝 管的信息、主管l 、2 与枝管的夹角、主管l 、2 与枝管的偏心距、枝管内外壁展 开面积、枝管展开基点的坐标、在绝对坐标系下枝管内外壁分别与主管】、2 的 相贯线各点坐标。 4 3 下拉菜单设计说明 此程序的下拉菜单分为两部分：主菜单和于菜单。主菜单和a u t o c a d 的主 工具栏在起，了菜申f 有两个功能：轴相交相贯线展开和两端都具有偏心距的 管的相贯线展开。只需要点击选项就可以自动执行该命令。如图4 5 所示。 雹：噩! * _ 三i 编4 ) 祝目) 勘t 叫工星o i 瓣睃相贯线展开t l ， 4 4 程序加载说明 幽4 5 l 加载菜单程序。打开a u i o c a d ，敲击m e n u l o a d 命令选择“菜单组”， 选择“浏览”，选择菜单程序“x g xm n u ”，选择“打开”。选择“菜单栏”，在菜 单栏下的菜单组下拉选项卫选择“x g x ”，选择“插入”，点击关闭。 2 加载主程序。在a u 仲c a d 的主工具栏里点击“工具”，选择 “a u t o l j s 口”选择加载，点击“轴相交相贯线展开程序”，选择“加载”，点 击芙闭。同理可加载“两端都具有偏心距的管的相贯线展开”程序。 3 主程序和菜单程序都加载后可直接在下拉菜单中选择展开类型， 进行工作。 天津大学硕士学位论史第五章群序的功能及操作界面 第五章程序的功能及操作界面 5 1 程序的主要功能m l m m ” 程序的主要功能是对轴相交的管的相贯线和两端都具有偏心距的管的相贯 线进行展开。并在输入枝管厚度及枝管两端的主管信息的情况f ，输出枝管两端 的内表面和外表面不同的相贯线。井用颜色和层方式对内表面和外表面展开的 相贯线进行区分。 5 2 程序操作界面和使用方法 5 2 1 类型选择 通过平台导管架单线圈，可以判断出导管架节点的具体类型是轴相交型式还 是两端具有偏心的形式，从而选择出合适的程序进行绘图。如图5 一i 所示可点击 选项进行类型选择。 茹：互譬! * 4 ) 缩哐 坦目幢) 插 qj 捂i 工且q 1 轴t 曰变l 丑贯蜣甓开k l ， 两蔫# 且i 蝙- 0 的i 目嚣冁* b ， ： 。童一里到下拉菜单【 o o 刨地邢旷可可唧铀 西0 ；妇0 i 零0 t 、，_ ， ， 5 2 2 点截取 - t ：嘎 v 茹毒 细归国d 出l 曲吐喏妒。 图5 在点的截取e ，采用与a u 协c a d 结台的方式，直接在导管架单线图上抓取 点的坐标。这一方式解决了比较传统的输入坐标的方式提高了程序的町澡作性 和实用性，使操作e 更加灵活。使用上更加方便快捷。如图5 - 2 和图5 _ 3 所示。 天津大学硕l 学位论文第五章程序的功能及操作界面 嗡八檀管上一点 u-u=-，。-一 删! 旦l 盟塑! ! 塑，旦塑盟一墼矍整垂窭獭| 对象捕捉封妻追踪 图5 0 枝管点的截取 喃八两誓的变点 2 5 2 。3 5 帆l 唑lo 3 ，o ! 珊# 艇碍拮正变檐轴i 对妻捕捉对雾追镕 田5 3 两管交点的截取 5 2 3 尺寸参数输入 在参数信息的输入上，通过提1 i 町直接输入数字来表示各管信息。如图5 4 所示可直接输入枝管厚度的信息。 天津大学硕士学位论文第五章程序的功能及操作界面 5 2 4 判断语句 此程序中出现多处判断语句，用广町根据自己的需要按提示语做出选择。此 方式使程序更加灵活可按用户自己的需要操作程序，减少r 许多不必要的过程。 如图5 5 图、5 6 和图5 7 所示。 捕提惜格正立极轴隔i ；匪对象追踪d 圈5 5 天津大学硕士学佗论文 第五章程序的功能厦操作界面 a i 萋i 判断是否输出数据j 隆妻罨f 两手可丌， k 是吾辅七数据y “” 5 2 4 1 6 0 0 一9 45 t t t0 口0 0 0 捕提播掊正变柱对妻# 提对象喧踪 圈5 7 5 3 数据输出 在程序完成展开后，将m 现是否输h 数据的提示。在实际的生产中可能需要 天津太学硕士学位论文第五章程序的功能及操作界面 手工放样，这样就需要曲线坐标。本程序提供了数据输出的功能，输出点坐标 io 、，口b o 川。 崮5 8 图5 9 当输入完输出路径和数据文件名后，程序将自动提示给丰管和枝管命名。 一办式使输出柏数据更加清晰每个技管的展开数据能够很容易的对号入座 会出现棍淆数据的情况。如闰5 9 所示正在输入枝管和主管的编弓。 天津大学硕士学位论文 第五章程序的功能及操作界面 立件嫡辑坦) 桔式唑) 查看世) 帮助 幽5 1 。 如吲5 1 0 所示，数据丰要输出主管和枝管的信息、相贯线展开后的斗标，相 贯线展开面积等。 5 4 本程序的特点 本系统有咀下特点 和” ” 队讣札标 j 呻”o 出一 ： 晶展酿矾一黜 青自 互”l 相 巾最。寰o o 震卵壁 ”的l的l扎的的盯外 叭帖盯帖惦l。线线佧j晶如；蚤费矗 们们径生星一是一位度相相标管o，柚半枝半枝外_eu厚壁壁坐棱 导垂trm肖佛屿们呐呐岍臻屿 偏唰躺圳瑚|耄瑚斟圳 一喜冒喜百莺扯啦童直置置直百开管 主皇枝主王兰主枝植辏#耸|i；主 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 日0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 口口 b 0 b 0 0 0 0 0 0 0