SolidWorks包絡倒角在壓力容器設計建模的應用

一、背景知識
| 1.SolidWorks中存在5種類型的倒角 在圓角工具中也存在類似選項,后文將順便提到。 |
| 2.在壓力容器設計標準和理論中,容器開孔位置將產生應力集中;對于一些標準形狀和尺寸,標準規定了開孔尺寸和補強尺寸,并有廠商根據標準提供了補強部件。 這里不去展開標準和理論論述,這個主題存在大量資料。標準和理論基于的邏輯是對開孔引起的應力集中進行強度補償,因此突破標準,采用任何方式進行強度補償都是允許的。 |
| 3.重要的是——設計實踐中,基于功能需求,往往需要突破標準——開孔大小和板厚的選取都無標準可循;而標準也開有一個口子——即允許采用仿真或力學理論進行應力分析。在非標設計中,往往也存在一些經驗公式可用,一般設計過程就是基于經驗公式進行初步設計,然后通過力學理論或者仿真軟件進行驗證和優化。標準開孔補強方案中:貼補強圈的方案簡單、浪費材料少,但貼板與母體材料貼合不嚴密,受力狀態不是最佳的,在開孔處與接管焊接位置焊縫重要卻不容易焊透;還有一種整體鍛件接管,受力狀態很好,但這種方式成本較高,基本用于較小尺寸的設計。 基于力學理論,在開孔位置附近(局部范圍)作較厚的板厚設計,其厚板范圍和厚度可參考貼板補強圈尺寸——這樣的方式成本介于貼板補強圈和鍛件接管之間。在較為重要的非標壓力容器設備中其成本差異往往可以忽略,但能獲得較好的受力狀態。 上述方式涉及不等厚板之間的對接焊連接,壓力容器標準中規定了不等厚板之間連接厚板邊界的過渡倒角尺寸(即,倒角長度≥3倍的板厚差);壓力容器開孔位置往往是曲面板(并且往往是圓柱、橢圓或錐形),開孔處常常是相貫線,后文的實例中將會看到,在SolidWorks建模中,在相貫線上應用普通倒角方式建立的模型是錯誤的。 針對這種相貫線上進行倒角正是倒角的“包絡線控制”選項的具體應用場景;同樣,為了進一步對開孔位置的焊縫進行詳細建模,也是涉及“包絡線控制”的具體應用。下面的實例將以此為應用場景,逐步展開進行論述。 |
二、壓力容器直管上開孔補強板的過渡倒角建模

上圖中,某承壓設備的筒體豎直管需要開一個水平觀察孔(并設置短管法蘭進行封堵),圖中補強板為方案設計,補強范圍(φ460mm)及板厚(30mm)需進行應力分析確認,因此無論是仿真模型還是最終出設計圖,都需要對三維模型進行精確建模。從上圖中可以看到,補強板與殼體連接位置為一條相貫線。
從下圖能夠看出,位置1和位置2尺寸不一樣,而普通倒角方式是沿著倒角線采用統一尺寸掃掠切除,因此采用普通倒角方式形成下圖右邊的樣式——補強板與直管之間并沒有進行無縫過渡連接。這在二維設計剖面圖中看不出來,而三維模型中卻是錯誤的,無論是作為外觀顯示還是要進行仿真應力分析,這個模型都是錯誤的。

包絡線倒角正是為解決這樣的相貫線上倒角切除不一致問題而設計的。
下圖關于包絡線倒角直接引用自SolidWorks文檔。看圖即基本能理解其意思。

現在主要是如何創建包絡線的問題(涉及SolidWorks從曲面和曲線的建模技巧)。下面就我們本例的具體模型來看如何創建包絡線,以實現正確的倒角建模。
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