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1、精品 料推荐East China University of Science and Technology华 東 理 工 大 学第一届化工设备计算机辅助概念设计大赛设计说明书参赛小组：化工学院工 004 班 张怡 000093工 004 班 徐军 000100工 004 班石路000294联系方式：7 舍 130 室（张怡）Tel:64244493手机：13901664680定稿日期： 2003/11/71精品 料推荐前言：“化工设备的计算机辅助概念设计大赛”一出现，就使大家感到十分的新奇。由于我们大四学生即将面临升入研究生学习的新阶段。因此，我们想通过此次大赛来对我们大学四年来所学知识的具体
2、使用与综合运用能力进行一次检验。希望诸位老师能对您的学生的不足和幼稚之处，多多地批评和指教。1. 塔设备的三维造型设计此次设计大赛要求之一是让各参赛小组对塔设备、扶梯和平台等进行合理美观的三维造型。因此，我们小组决定根据已知条件，利用参考文献，首先做塔设备等的相关设计计算， 然后依据设计计算的具体结果分别在Auto CAD 界面中绘制平面设计图和在Solid Works 界面中绘制三维设计图。1.1 塔设备等的设计与计算1.1.1 已知条件在参赛材料中对塔设备已有一定的造型要求，如下表所示：表 1 塔设备设计的已知条件塔类型板式塔精馏段塔径 /mm塔高 /mm34525提馏段塔径 /mm壁厚
3、/mm14裙座外径 /mm1800220026001.1.2 工艺条件与接管表在参赛材料中对除了上述的已标注尺寸外，其余没有要求，但是要进行塔设备的设计计算， 必须有一定的工艺条件。 所以我们小组根据一般情况拟定了工艺条件，如下表所示：表 2塔设备设计的工艺条件（拟订）物料弱腐蚀性有机溶剂设计压力 /MPa0.1工100设计温度 /艺1000物料重度 /kg m -3条六度以下地震烈度件100保温层厚度 /mm保温层重量 /kg mm -3310-7同时根据设备示意图中已经绘制的管道尺寸，以及一般板式精馏塔的接管情2精品 料推荐况，我们拟订了接管表，如下表所示：表 3塔设备设计的接管表（拟订）
4、符号名称接管公称直径 /mma裙座人孔4501,2b1,2温度计口32c塔顶蒸汽出口450d1-3加料口100接e压力计口251,2管f再沸器蒸汽出口450表g回流口175h取样口251-3i1,2液面计口15j出料口125k1-7人孔450l引流口251.1.3 选择塔体、裙座、扶梯和平台的材料由于暂定的设计压力是常压（ 0.1MPa），且设计温度较低（ 100），介质的腐蚀性也较弱，所以塔体可以选用 20R 钢作材料。由于上海冬季的气温一般不低于 10，所以裙座、扶梯和平台可以采用 A3 钢作为材料。1.1.4 选择塔体、封头、裙座、扶梯踏板和平台踏板的厚度根据已知条件，塔体、封头和裙座的
5、壁厚为 14mm。由参考文献 1 的表 17-1 查得平台单位重量载荷为 150kg/m3，取 A3 钢的密度为 =8000 kg/m3，解得平台踏板厚约 18mm，但是考虑到平台有镂空以便于排水、减重和防滑，所以适当增厚为 24mm。扶梯踏板的厚度同样取 24mm，也必须镂出花纹以起到排水、减重和防滑的作用。1.1.5 基础环设计（1）基础环的内外径根据已知条件：基础环外径 Dob=2600mm；根据参考文献 1 的公式 (17-20)：3精品 料推荐基础环内径 Dib =Dis(200400)mm=2200300=1900mm。（2）基础环的厚度计算采用环上加筋板结构，以n=24 个均布的
6、地脚螺丝，将基础环固定在混凝土基础上。取筋板厚度为=26mm，则基础环上筋板间的距离为：L=Dob/n =3.14 2600/2426=314mm基础环的外伸宽度：b=(DobDos)/2=(26002228)/2=186mm两个筋板间基础环部分的长宽比：b/L=186/314=0.592查参考文献 1 表 17-5，M s=M x=0.265 2.2 1862=20169Nmm/mm 基础环由于也是 A3 钢，则其厚度：b=(6 M s/ b)1/2=(620169/140)1/2=29.4mm考虑腐蚀裕度，取c2=2mm，再圆整至钢板系列尺寸，故取基础环厚度：b=34mm1.1.6 地脚螺
7、丝强度设计地脚螺丝的材料可以选用 16Mn，取 bt=147Mpa，并考虑地面腐蚀裕度较大，取 c2=3mm，则根据参考文献 1 公式 (17-25)：122B bt1/20.785(Dob Dib )2d =4/n + c=4 0.785219002)1/2+ 3(26002.2/3.14 24 147=47.3mm查参考文献 1 表 17-6，选用 M48 的地脚螺丝。1.1.7 计算部分简化的说明由于此次设计给出了已知条件，而且注重的是塔的外形设计， 所以我们小组将塔设备等的设计计算作了简化。认为塔体强度与稳定性已经符合工艺要求，故将诸如载荷计算、 各截面轴向应力计算、 塔体及裙座强度和
8、轴向稳定性计算和水压实验塔体强度和稳定性计算省去。只进行了必要的相关数据的计算与校核。4精品 料推荐1.2 塔设备的平面设计图（AutoCAD ）（请详见：盘内 AutoCAD 文件：“平面设计图”）图 1 平面设计图5精品 料推荐1.3 塔设备的三维设计图（Solid Works ）（请详见：盘内 Solid works 文件：“三维设计图”）图 2 三维设计图（塔身）6精品 料推荐图 3 三维设计图（楼梯）图 4 三维设计图（左平台）图 5 三维设计图（右平台）7精品 料推荐图 6 三维设计图（组装图）8精品 料推荐1.4 平面和三维制图的设计步骤与过程说明1.4.1 AutoCAD 平面
9、制图说明此次的 AutoCAD 平面制图是我们学它以来最复杂的一张。不仅图十分的庞大，而且内容十分多， 最为棘手的是许多的数据我们不知道， 需要有根据的查阅资料后再入手。我们具体的过程如下：（1）画框图；画标题栏、明细表和管口表；（2）设计轴线位置，设计主视图和俯视图的位置与大小；（3）根据图纸余下空间决定比例选取1：25；（4）先画主视图，再画俯视图；然后断层进行填充；（5）核对图纸，确认没有遗漏后，进行标注；（6）填写标题栏、明细表和管口表。注：一些不使用或是类似的数据，没有在平面图上进行注明。1.4.2 Solid Works 三维制图说明对于 Solid works 的界面，我们刚刚接
10、触不久。在尝试性的努力下，我们能熟练地运用了。 此次的三维设计也是比较复杂的。我们通过先画各个零部件， 然后再组装在一起，一步一步的画出来。我们具体的过程如下：（1）画裙座；（2）画提馏段塔体；（3）画精馏段塔体；（4）将裙座、提馏段塔体和精馏段塔体组装成为塔体。（5）画楼梯；（6）画左右两个半圆平台；（7）将楼梯、左右两个半圆平台组装成为楼梯和平台。（8）将楼梯和平台、塔体组装成为总装配图。注：后来，我们通过在上海炼油厂为期十天的实习中， 仔细观察了现场的塔装置，对我们修改作品，开拓思路很有帮助。9精品 料推荐2. 椭圆封头的平面展开椭圆封头的表面是曲线曲面，属于不可展曲面。其近似展开方法有
11、两种，即等面积法和等弧长法。 所谓等面积法是假设零件中性层曲面的面积与零件的展开面积相等，所谓等弧长法是假设零件主断面上的中性层弧长在成型前后相等。其中以等面积法较为准确，因为金属在成型前后的体积不变，而厚度变化很小，有变薄的部分也有变厚的部分， 可以相互抵消。 椭圆封头的展开因为一圆面， 设展开面积为 A。其基本的展开方法有三种，分别是：微元法、经圆法和纬圆法。如下所示：图 7 基本的展开方法示意图而我们在制作的过程中由于弧长曲线积分式为一不可积方程， 利用了类似于等面积的曲面展开方法。21 根据中面母线几何形状推导理论展开面积等厚度的椭圆封头无疑也是一个回转壳体，但无论是冲压还是旋压成型的
12、椭圆封头只能保证其椭圆壳部分的内表面 ( 或外表面 ) 为椭球面，中面及外表面 ( 或内表面 ) 并非椭球面，即其内表面 ( 或外表面 ) 母线是椭圆，而中面及外表面 ( 或内表面 ) 母线并非椭圆。中面及外表面 ( 或内表面 ) 母线方程可以根据内表面 ( 或外表10精品 料推荐面 ) 母线椭圆按如下方法推出。假定椭圆封头椭圆壳部分的内表面母线是椭圆，见图1。已知内表面母线上一点 Al (x 1,y 1 ) ，其坐标应满足椭圆方程：（ 1）式中 a=Di/2,b=a/2 。过 A 点做内表面母线椭圆的法线 n-n ，该法线与 y 轴的夹角为，分别交中面及外表面的母线于 A(x,y),A 2
13、(x 2,y 2), 则 AA1 =AA2= /2, 那么 A 点的坐标可写为：x=x1+/2sin (2)y=y1+/2ccos (3)若内母线的椭圆方程写成参数方程的形式：x1=acos(4)y1=bsin (5)则方程（ 2），（3）可变化为：x=acos+cos /2(m 2sin 2 +cos2) 1/2 (6)y=bsin+m sin /2(m 2sin 2 +cos2) 1/2 (7)理论椭圆壳的面积A1 为：A1=2xds(8)ds=(d 2x+d2y) 1/2=a/m(1+m2a/(m 2sin 2 +cos2) 3/2 ) (m2sin 2 +cos2) 1/2 d积分得面
14、积 A 为：A1= 2(9)其中，11精品 料推荐=1+ln(2+3 1/2 )/(2*31/2 )+4 +22(10)=/Di(11)椭圆直边部分的面积为： A 2=(Di +1)h(12)故椭圆的面积为 A=A1+A2 = 2+ (Di +1)h(13)2代入数据得 A=3.808m。2.2 其它方法的展开2.2.1 等弧长的展开以 y 轴为中心轴把椭圆分为 12 片类似于扇形的几何图形，为了精确计算再把每片以 y 轴等分为 12 片，每片成环状。计算都以中心母线面为基准，则椭圆的方程可表示为：(x/907) 2+(y/457) 2 =1(14)每段的弧长计算如下：dS0 =（ 1800+
15、2*7） =5698.85mmds0=dS0 /12=474.90mmdS1 =5679.00ds1 =473.25dS2 =5619.10ds2 =5619.1dS =5517.89ds3=459.823dS =5372.93ds4=447.744dS =5180.59ds5=431.725dS6 =4935.35ds6 =411.28dS7 =4628.80ds7 =385.7312精品 料推荐dS8 =4247.67ds8 =353.97dS =3769.43ds9=314.129dS10=3150.16ds10 =262.51dS11=2277.56ds11=189.80两段之 的相
16、弧 可用三角形法 似求得：l 1=38.21l2=39.62l 3=41.35l4=44.53l 5=48.87l6=52.42l 7=64.28l8=71.63l9=85.11l10=105.66l=144.01l12=364.4811所以可得每片微元面 ：S1=18114.41S2=18481.84S3=19188.05S4=20206.82S5=21489.85S6=22095.03S7=25615.92S8=26492.36S =28430.57S10=30463.369S =32568.58S12=34589.1511 每片 似于扇形的微元面 ：22S=S1+S2+S3+S11=29
17、7735.92mm=0.2977m13精品 料推荐 球面的 面 A1 ：A1=0.2977*12=3.573m2 封 的 面 A ：A=3.573+0.228=3.801m 2与理 的相 差 ：(A-A)/A*100%=-0.2%可 有相 高的精确度，微元中增加 算的部分与省去的部分几乎填平。2.2.2 似于等面 的展开等面 展开 ，因 弧 分遇到困 ，所以任以y 等分 12 个 ，每个 分 12 个梯形状 算（ 部的 以三角形 算） ，所以 算可得与上述2等弧度相等的面 A=3.801m, 所以于 的 度 两种情况的 劣。2.2.3 度的比 等弧 的 度1/4 *907*457*12=390
18、6561.04mm=3.907m 似于等面 的 度dS0+dS1+dS3+dS11=50378.48mm=0.504m3.907m所以，从 的 度角度来考 的 似于等面 法 于等弧 法，可以减 接的工作量， 提高 封 的 度。 所以，我 采用 似于等面 法的 展开方法。2.3 我们所选择的展开方法 合考 ，我 决定将 法和 法 合起来，充分利用两者的 点， 扬14精品 料推荐长避短。而评判的核心是使椭圆封头的焊缝长度和面积体积改变量能达到最优。图 8结合法的展开示意图2.4 工厂的部分实例图 9工厂中椭圆封头的实例之一图 10工厂中椭圆封头的实例之二15精品 料推荐3. 心得体会此次参加化工设
19、备设计大赛， 对我们化工学院四年级学生来说无疑是一次极好的锻炼机会。在大学四年来，我们有没有真正学到知识， 会不会理论联系实际，能不能尽快接受和掌握新的知识技术，此次大赛就是一杆度量的天平。通过具体使用已学知识， 综合运用分析与学习的能力， 经过一个星期的努力，我们学到了很多很多。 我们参加此次参加化工设备设计大赛主要的心得体会就是我们发现通过大学四年的学习能掌握一种学习方法与技巧，将来遇见许多和此次大赛的新问题、新学问，我们能在较短的时间内做出较好的解答。3.1 学习 Solid Works 绘制三维图的体会我们在两年前接触了AutoCAD ，发现它在平面制图方面的功能十分的强大，在钱自强老
20、师的悉心指导下，我们都学会了熟练操作AutoCAD 界面。不过，我们觉得 AutoCAD 对于三维立体制图造型功能略显得普通，一张很平常的三维图在 AutoCAD 界面上就是要靠 UCS 坐标转来转去，比较麻烦。此次大赛现在通过对Solid Works 的三维制图学习，我们一下子发现它在三维制图方面比 AutoCAD 操作简单多了。真是一个优秀的软件。我们在前几天的 Solid Works 的三维制图中，不是很熟练。常常明明可以简单的选平面进行草图绘制的，我们还是设立新基准面，一时忘不了AutoCAD 的制图方法，后来才慢慢地习惯了。可以从我们的裙座零件图中发现有一些重复标注的错误， 尽管系统
21、已经提示了，但是由于我们对 Solid Works 不熟悉，所以当时不知道如何修改。后来的楼梯、平台等零件的设计中再也没有出现上述的错误， 是因为我们的操作已经十分的上手了。我们发现， Solid Works 确实是可以大大简化三维制图的时间，效果也十分的好。对于我们这群喜欢画图的同学来说， 能通过此次大赛掌握一门有用的软件真的是很好的一件事， 现在 Solid Works 和 AutoCAD 、3D MAX 、Photoshop等一样，已经成为我们制图工具软件中的一员。3.2 椭圆封头平面展开设计的体会16精品 料推荐此次的椭圆平面展开向我们展示了一个工业实际的问题。 在工业的设计、 制造过
22、程，发现理论的面积计算和实际的工业制造有误差， 所以争取去最为合理和省材的曲面展开方法获得制造的最佳方案。 所以，从材料的合理利用以及设备的强度（主要是焊缝长度） 方面考虑，采用了结合经圆法和纬圆法的曲面展开方法。后来，我们去了上海炼油厂， 在那里作了为期十天的实习考察。 现场观察中，我们不仅仔细看了多种塔设备、 平台和扶梯，而且对圆型和椭圆封头的展开制造，专门问了领队老师和工厂师傅们， 对工业实际的生产与应用有了一定的认识。 回来后就进一步修改了我们的设计说明书与设计图纸。参考文献1 汤善甫、朱思明等编 化工设备机械基础 华东化工学院出版社 1991.122 华东理工大学等联合编写 过程设备机械设计基础 化学工业出版社 2001.33 陈英南等编 常用化工单元设备的设计 华东理工大学出版社 2000.14 化工设备标准手册 化学工业出版社5 李启炎、李光耀主编 Solid Works2003 三维设计教程 机械工业出版社 2003.66 高炳军等 椭圆封头几何形状讨论及展开面积计算石油化工出版社 1999.217