SolidWorks包络倒角在压力容器设计建模的应用
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一、背景知识
1.SolidWorks中存在5种类型的倒角,其中最后一种类型——“面-面”倒角,由于图标显得不那么直观,很多人并不知道其应用场景;尤其是“倒角参数”栏中的“包络控制线”选项,很多人可能都没有见过这个选项,即使偶尔点开过的朋友也并不明白其使用方法;帮助文档用一行字作了解释,并给了一个实例,但这个实例比较玩具化,并无具体设计应用场景。 在圆角工具中也存在类似选项,后文将顺便提到。 |
2.在压力容器设计标准和理论中,容器开孔位置将产生应力集中;对于一些标准形状和尺寸,标准规定了开孔尺寸和补强尺寸,并有厂商根据标准提供了补强部件。 这里不去展开标准和理论论述,这个主题存在大量资料。标准和理论基于的逻辑是对开孔引起的应力集中进行强度补偿,因此突破标准,采用任何方式进行强度补偿都是允许的。 |
3.重要的是——设计实践中,基于功能需求,往往需要突破标准——开孔大小和板厚的选取都无标准可循;而标准也开有一个口子——即允许采用仿真或力学理论进行应力分析。在非标设计中,往往也存在一些经验公式可用,一般设计过程就是基于经验公式进行初步设计,然后通过力学理论或者仿真软件进行验证和优化。标准开孔补强方案中:贴补强圈的方案简单、浪费材料少,但贴板与母体材料贴合不严密,受力状态不是最佳的,在开孔处与接管焊接位置焊缝重要却不容易焊透;还有一种整体锻件接管,受力状态很好,但这种方式成本较高,基本用于较小尺寸的设计。 基于力学理论,在开孔位置附近(局部范围)作较厚的板厚设计,其厚板范围和厚度可参考贴板补强圈尺寸——这样的方式成本介于贴板补强圈和锻件接管之间。在较为重要的非标压力容器设备中其成本差异往往可以忽略,但能获得较好的受力状态。 上述方式涉及不等厚板之间的对接焊连接,压力容器标准中规定了不等厚板之间连接厚板边界的过渡倒角尺寸(即,倒角长度≥3倍的板厚差);压力容器开孔位置往往是曲面板(并且往往是圆柱、椭圆或锥形),开孔处常常是相贯线,后文的实例中将会看到,在SolidWorks建模中,在相贯线上应用普通倒角方式建立的模型是错误的。 针对这种相贯线上进行倒角正是倒角的“包络线控制”选项的具体应用场景;同样,为了进一步对开孔位置的焊缝进行详细建模,也是涉及“包络线控制”的具体应用。下面的实例将以此为应用场景,逐步展开进行论述。 |
二、压力容器直管上开孔补强板的过渡倒角建模
上图中,某承压设备的筒体竖直管需要开一个水平观察孔(并设置短管法兰进行封堵),图中补强板为方案设计,补强范围(φ460mm)及板厚(30mm)需进行应力分析确认,因此无论是仿真模型还是最终出设计图,都需要对三维模型进行精确建模。从上图中可以看到,补强板与壳体连接位置为一条相贯线。
从下图能够看出,位置1和位置2尺寸不一样,而普通倒角方式是沿着倒角线采用统一尺寸扫掠切除,因此采用普通倒角方式形成下图右边的样式——补强板与直管之间并没有进行无缝过渡连接。这在二维设计剖面图中看不出来,而三维模型中却是错误的,无论是作为外观显示还是要进行仿真应力分析,这个模型都是错误的。
包络线倒角正是为解决这样的相贯线上倒角切除不一致问题而设计的。
下图关于包络线倒角直接引用自SolidWorks文档。看图即基本能理解其意思。
现在主要是如何创建包络线的问题(涉及SolidWorks从曲面和曲线的建模技巧)。下面就我们本例的具体模型来看如何创建包络线,以实现正确的倒角建模。
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