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EastChinaUniversityofScienceandTechnology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：2003/11/7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AutoCAD界面中绘制平面设计图和在SolidWorks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/mm1800塔高/mm34525提馏段塔径/mm2200壁厚/mm14裙座外径/mm26001.1.2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）工艺条件物料弱腐蚀性有机溶剂设计压力/MPa0.1设计温度/℃100物料重度/kg·m-31000地震烈度六度以下保温层厚度/mm100保温层重量/kg·mm-33×10-7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）接管表符号名称接管公称直径/mma1,2裙座人孔450b1,2温度计口32c塔顶蒸汽出口450d1-3加料口100e1,2压力计口25f再沸器蒸汽出口450g回流口175h1-3取样口25i1,2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ρ=8000kg/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)：基础环内径Dib=Dis－(200~400)mm=2200－300=1900mm。（2）基础环的厚度计算采用环上加筋板结构，以n=24个均布的地脚螺丝，将基础环固定在混凝土基础上。取筋板厚度为δ=26mm，则基础环上筋板间的距离为：L=πDob/n－δ=3.14×2600/24－26=314mm基础环的外伸宽度：b=(Dob－Dos)/2=(2600－2228)/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，Ms=Mx=0.265×2.2×1862=20169N·mm/mm基础环由于也是A3钢，则其厚度：δb=(6Ms/[σ]b)1/2=(6×20169/140)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：δb=34mm1.1.6地脚螺丝强度设计地脚螺丝的材料可以选用16Mn，取[σ]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)：d1=[4×0.785×(Dob2－Dib2)×σB/π×n×[σ]bt]1/2+c2=[4×0.785×(26002－19002)×2.2/3.14×24×147]1/2+3=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。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1.3塔设备的三维设计图（SolidWorks）（请详见：盘内Solidworks文件：“三维设计图”）图2三维设计图（塔身）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）图6三维设计图（组装图）1.4平面和三维制图的设计步骤与过程说明1.4.1AutoCAD平面制图说明此次的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。1.4.2SolidWorks三维制图说明对于Solidworks的界面，我们刚刚接触不久。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。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。2．1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(x1,y1)，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),A2(x2,y2),则AA1=AA2=δ/2,那么A点的坐标可写为：x=x1+δ/2sinφ(2)y=y1+δ/2ccosφ(3)若内母线的椭圆方程写成参数方程的形式：x1=acosθ(4)y1=bsinθ(5)则方程（2），（3）可变化为：x=acosθ+δcosθ/[2(m2sin2θ+cos2θ)1/2](6)y=bsin+mδsinθ/[2(m2sin2θ+cos2θ)1/2](7)理论椭圆壳的面积A1为：A1=2πxds(8)ds=(d2x+d2y)1/2=a/m(1+m2a/(m2sin2θ+cos2θ)3/2)·(m2sin2θ+cos2θ)1/2dθ积分得面积A为：A1=πβα2(9)其中，β=1+ln(2+31/2)/(2*31/2)+4πα+2α2(10)α=δ/Di(11)椭圆直边部分的面积为：A2=π(Di+1)h(12)故椭圆的面积为A=A1+A2=πβα2+π(Di+1)h(13)代入数据得A=3.808m2。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=π（1800+2*7）=5698.85mmds0=dS0/12=474.90mmdS1=5679.00ds1=473.25dS2=5619.10ds2=5619.1dS3=5517.89ds3=459.82dS4=5372.93ds4=447.74dS5=5180.59ds5=431.72dS6=4935.35ds6=411.28dS7=4628.80ds7=385.73dS8=4247.67ds8=353.97dS9=3769.43ds9=314.12dS10=3150.16ds10=262.51dS11=2277.56ds11=189.80两段之间的相对弧长可用三角形法类似求得：l1=38.21l2=39.62l3=41.35l4=44.53l5=48.87l6=52.42l7=64.28l8=71.63l9=85.11l10=105.66l11=144.01l12=364.48所以可得每片微元面积为：S1=18114.41S2=18481.84S3=19188.05S4=20206.82S5=21489.85S6=22095.03S7=25615.92S8=26492.36S9=28430.57S10=30463.36S11=32568.58S12=34589.15则每片类似于扇形的微元面积为：S=S1+S2+S3+…+S11=297735.92mm2=0.2977m2椭球面的总面积A1为：A1=0.2977*12=3.573m2椭圆封头的总面积A’为：A’=3.573+0.228=3.801m2与理论值的相对误差为：(A’-A)/A*100%=-0.2%可见有相对高的精确度，微元中增加计算的部分与省去的部分几乎填平。2.2.2类似于等面积的展开等面积展开时，因为弧长积分遇到困难，所以任以y轴等分为12个圆环，每个圆环分为12个梯形状计算（顶部的圆以三角形计算），所以计算可得与上述等弧度相等的面积A=3.801m2,所以于焊缝的长度讨论两种情况的优劣。2.2.3焊缝长度的比较等弧长的焊缝长度1/4π*907*457*12=3906561.04mm=3.907m类似于等面积的焊缝长度dS0+dS1+dS3…+dS11=50378.48mm=0.504m3.907m所以，从焊缝的长度角度来考虑的话类似于等面积法优于等弧长法，可以减轻焊接的工作量，提高椭圆封头的强度。所以，我们采用类似于等面积法的椭圆展开方法。2.3我们所选择的展开方法综合考虑，我们决定将经圆法和纬圆法结合起来，充分利用两者的优点，扬长避短