CN101664845A

CN101664845A - 海洋石油平台多几何体相贯钢结构数控切割***

Info

Publication number: CN101664845A
Application number: CN200910308197A
Authority: CN
Inventors: 殷跃红; 陈柳芸; 徐文超; 谢瑾瑜; 陆健
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2029-10-12
Also published as: CN101664845B

Abstract

本发明涉及的是一种海洋石油平台多几何体相贯钢结构数控切割***，包括：***外部存储单元、钢结构描述文件处理模块、数据库模块、几何计算模块、人机交互模块、数控切割文件处理模块和强度校核模块。本发明实现了节点处由任意数量圆柱、圆锥、平面和圆环相贯而成的金属构件的焊接坡口曲面的精确计算；对钢结构模型进行仿真及强度校核；在金属构件上切割端面时，控制切割枪旋转自由度为2个，保证了大厚度金属构件的切割质量；对各个金属构件切割后的模型进行三维实体仿真；提供了节省原材料的模块。

Description

海洋石油平台多几何体相贯钢结构数控切割***

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程装备配套数控技术领域的***，具体是一种海洋石油平台多几何体相贯钢结构数控切割***。

背景技术

由于海洋石油平台要求满足高海况持续作业、13级风浪时不解脱、风暴自存等要求，所以石油平台钢结构在强力区域往往采用节点由多个具有不同几何形状如板、管、椎、环管等的金属构件相贯而成的复杂结构以及选用高强度钢材以满足高强度、高寿命要求。

经对现有技术文献的检索发现，2005年天津大学的刘科在其硕士毕业论文《海洋平台导管架构件自动切割***研究与开发》中，提出了一种海洋平台导管架构件自动切割***。但是该***有以下缺点：将可处理的节点处金属构件的相贯形式局限为“管-管”(两圆柱)、“管板”(一圆柱一平面)、“管管与板”(两圆柱一平面)、“管环”(一圆柱一圆环)、“管锥”(一圆柱一圆锥)、“管多管”(多个圆柱)；没有力学校核功能；在金属构件上切割端面时，控制切割枪旋转自由度仅为1个，切割枪始终指向金属构件旋转中心轴，当切割大厚度金属构件时极容易形成有效切割壁厚极大的区域，导致切割枪火焰穿不透壁厚或穿透不均匀而无法保证切割质量；没有对切割后的金属构件模型进行三维实体仿真；没有考虑原材料的节省。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种海洋石油平台多几何体相贯钢结构数控切割***。本发明实现了节点处由任意数量圆柱、圆锥、平面和圆环相贯而成的金属构件的焊接坡口曲面的精确计算；对钢结构模型进行仿真及强度校核；在金属构件上切割端面时，控制切割枪旋转自由度为2个，保证了大厚度金属构件的切割质量；对各个金属构件切割后的模型进行三维实体仿真；提供了节省原材料的模块。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：***外部存储单元、钢结构描述文件处理模块、数据库模块、几何计算模块、人机交互模块、数控切割文件处理模块和强度校核模块，其中：***外部存储单元与钢结构描述文件处理模块相连传输钢结构描述文件信息；***外部存储单元与数控切割文件处理模块相连传输数控切割文件信息；***外部存储单元与强度校核模块相连传输控制指令信息和数据处理结果信息；钢结构描述文件处理模块与数据库模块相连传输原始基本几何参数信息和完整基本几何参数信息；数据库模块与几何计算模块相连传输完整基本几何数据信息和可还原的焊接坡口曲面数据信息；数据库模块和人机交互模块相连传输用户补充的基本几何参数信息；数据库模块和数控切割文件处理模块相连传输可还原的焊接坡口曲面数据信息；数据库模块和强度校核模块相连传输完整基本几何参数信息；几何计算模块和人机交互模块相连传输加工工艺参数信息、不可还原的几何数据信息以及其引起的异常情况信息；人机交互模块和数控切割文件处理模块相连传输焊接坡口曲面切割轨迹数据信息、数控机床指令格式信息以及套料操作结果信息和套料处理完成信息；人机交互模块和强度校核模块相连传输钢结构的模型数据信息、强度校核操作指令信息和强度校核结果信息；数控切割文件处理模块与强度校核模块相连传输焊接坡口曲面切割轨迹数据信息。

所述的钢结构描述文件，是指表达了钢结构中所有金属构件的原始基本几何参数的文件；所述的原始基本几何参数信息，指钢结构中金属构件的回转中心轴几何信息；所述的完整基本几何参数信息包括：钢结构中金属构件的基本几何形状、外壁直径、壁厚和回转中心轴几何信息；所述的用户补充的基本几何参数信息包括：钢结构中金属构件的基本几何形状、外壁直径和壁厚信息：所述的不可还原的几何数据信息包括：不能还原出一个金属构件实体的完整基本几何参数信息和不能还原出一个金属构件实体的焊接坡口曲面数据信息。

所述的钢结构描述文件处理模块包括：文件读取模块和文件生成模块，其中：文件读取模块和***外部存储单元相连传输钢结构描述文件信息，文件读取模块和数据库模块相连传输原始基本几何参数信息，文件生成模块和数据库模块相连传输完整基本几何参数信息，文件生成模块和***外部存储单元相连传输完整基本几何参数信息。

所述的数据库模块包括：原始数据存储模块和计算结果存储模块，其中：原始数据存储模块与钢结构描述文件处理模块相连传输原始基本几何参数信息和完整基本几何参数信息，原始数据存储模块分别与几何计算模块和强度校核模块相连传输完整基本几何参数信息，原始数据存储模块与人机交互模块相连传输用户补充的基本几何参数信息；计算结果存储模块分别与几何计算模块和数控切割文件处理模块相连传输可还原的焊接坡口曲面数据信息。

所述的几何计算模块包括：数据校验模块和焊接坡口曲面计算模块，其中：数据校验模块与数据库模块相连传输完整基本几何参数信息和可还原的焊接坡口曲面数据信息；数据校验模块与人机交互模块相连传输不可还原的几何数据信息以及其引起的异常情况信息；数据校验模块和焊接坡口曲面计算模块相连传输可还原的基本几何参数信息和基本几何参数可还原的金属构件的焊接坡口曲面数据信息；焊接坡口曲面计算模块与人机交互模块相连传输加工工艺参数信息。

所述的人机交互模块包括：模型修改模块、强度校核操作模块、显示模块、加工工艺设定模块、数控机床指令格式设定模块和套料操作模块，其中：模型修改模块与数据库模块相连传输用户补充的基本几何参数信息；强度校核操作模块与强度校核模块相连传输强度校核操作指令信息；显示模块与几何计算模块相连传输不可还原的几何数据信息以及其引起的异常情况信息；显示模块与数控切割文件处理模块相连传输焊接坡口曲面切割轨迹数据信息；显示模块与强度校核模块相连传输钢结构的模型数据信息和强度校核结果信息；加工工艺设定模块与几何计算模块相连传输加工工艺参数信息；数控机床指令格式设定模块与数控切割文件处理模块相连传输数控机床指令格式信息；套料操作模块与数控切割文件处理模块相连传输套料操作结果信息和套料处理完成信息；套料操作模块和显示模块相连传输套料模拟显示请求信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用几何计算模块能精确计算钢结构节点处由任意数量圆柱、圆锥、平面和圆环金属构件相贯而成的焊接坡口曲面数据，使得***不为石油平台钢结构现有的节点相贯形式所限制，能够灵活处理各种复杂结构；利用强度校核模块和人机交互模块能仿真出钢结构施工后的模型，并基于该模型进行模拟实际施工后、应对复杂海况的强度校核，可获得极接近实际情况、极为可靠的强度校核结果；利用几何计算模块能精确计算出金属构件端面处的焊接坡口曲面以切割枪旋转自由度为2个时切割而成的曲面，基于该数据由数控切割文件处理模块输出的金属构件的数控切割文件，可控制切割枪在切割金属构件的孔以及端面时，按两旋转自由度进行切割，解决了传统单旋转自由度切割枪切割过程中容易产生有效切割壁厚较大的区域的问题，极大提高了大厚度管材的切割质量；利用人机交互模块能够精确仿真出单个金属构件切割后的三维实体模型、切割轨迹二维展开图，并以动画方式模拟切割过程，使得用户可以对切割质量进行预览及预评价，有利于及时发现工艺缺陷并改正，防止加工后切割质量不达标而造成切割件报废；利用套料模块提供了切割代码优化功能，有利于大量减少废料，为企业减少原材料成本。

附图说明

图1为本发明的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的***进一步描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：***外部存储单元1、钢结构描述文件处理模块2、数据库模块3、几何计算模块4、人机交互模块5、数控切割文件处理模块6和强度校核模块7，其中：钢结构描述文件处理模块2包括：文件读取模块8和文件生成模块9；数据库模块3包括：原始数据存储模块10和计算结果存储模块11；几何计算模块4包括：数据校验模块12和焊接坡口曲面计算模块13；人机交互模块5包括：模型修改模块14、强度校核操作模块15、显示模块16、加工工艺设定模块17、数控机床指令格式设定模块18和套料操作模块19。

本实施例的具体连接方式是：文件读取模块8和***外部存储单元1相连传输钢结构描述文件信息，文件读取模块8和原始数据存储模块10相连传输原始基本几何参数信息；文件生成模块9和原始数据存储模块10相连传输完整基本几何参数信息，文件生成模块9和***外部存储单元1相连传输完整基本几何参数信息；原始数据存储模块10与强度校核模块7相连传输完整基本几何参数信息，原始数据存储模块10与文件生成模块9相连传输完整基本几何参数信息，原始数据存储模块10与数据校验模块12相连传输完整基本几何参数信息，原始数据存储模块10与模型修改模块14相连传输用户补充的基本几何参数信息；计算结果存储模块11分别与数控切割文件处理模块6、数据校验模块12相连传输可还原的焊接坡口曲面数据信息，数据校验模块12与显示模块16相连传输不可还原的几何数据信息以及其引起的异常情况信息，数据校验模块12与焊接坡口曲面计算模块13相连传输可还原的基本几何参数信息和基本几何参数可还原的金属构件的焊接坡口曲面数据信息；焊接坡口曲面计算模块13与加工工艺设定模块17相连传输加工工艺参数信息，强度校核操作模块15与强度校核模块7相连传输强度校核操作指令信息，显示模块16和数控切割文件处理模块6相连传输焊接坡口曲面切割轨迹数据，显示模块16和强度校核模块7相连传输钢结构的模型数据信息和强度校核结果信息，显示模块16和套料操作模块19相连传输套料模拟显示请求信息，数控机床指令格式设定模块18和数控切割文件处理模块6相连传输数控机床指令格式信息，套料操作模块19和数控切割文件处理模块6相连传输套料操作结果信息和套料处理完成信息，数控切割文件处理模块6与强度校核模块7相连传输焊接坡口曲面切割轨迹数据信息，***外部存储单元1与数控切割文件处理模块6相连传输数控切割文件信息，***外部存储单元1与强度校核模块7相连传输控制指令信息和数据处理结果信息。

所述的钢结构描述文件，是指表达了钢结构中所有金属构件的基本几何参数的文件；所述的原始基本几何参数信息，指钢结构中金属构件的回转中心轴几何信息；所述的完整基本几何参数信息包括钢结构中金属构件的基本几何形状、外壁直径、壁厚和回转中心轴几何信息；所述的用户补充的基本几何参数信息包括钢结构中金属构件的基本几何形状、外壁直径和壁厚信息：所述的不可还原的几何数据信息包括：不能还原出一个金属构件实体的完整基本几何参数信息和不能还原出一个金属构件实体的焊接坡口曲面数据信息。

所述的***外部存储单元1是安装了UG(优集)软件的计算机，该软件运用其强大的实体建模功能仿真出钢结构切割后的模型后，又运用其中的焊接模块模拟各金属构件焊接坡口曲面以焊料填充的方式连接，从而可仿真出极度逼真实际情况的钢结构施工后的模型；基于该模型利用UG软件自主开发的力学分析模块或者内嵌的非UG软件自主开发的其它专业力学分析软件进行钢结构的强度校核，可获得极接近实际情况、极为准确的强度校核结果。

所述的“UG”软件，全称为“Unigraphics”软件，是美国EDS公司开发的一款交互式CAD/CAM/CAE(计算机辅助设计/计算机辅助制造/计算机辅助工程)大型***软件。

文件读取模块8从***外部存储单元1读取钢结构描述文件进行处理，取得原始基本几何参数送到原始数据存储模块10；原始数据存储模块10结合模型修改模块14传给的用户补充的基本几何参数信息得到完整基本几何参数信息，并将完整基本几何参数信息传给文件生成文件模块9、数据校验模块12和强度校核模块7，文件生成模块9将完整基本几何参数信息传给***外部存储单元1，数据校验模块12将得到的可还原的完整基本几何参数信息传给焊接坡口曲面计算模块13，焊接坡口曲面计算模块13结合加工工艺设定模块17传给的加工工艺参数信息计算得到基本几何参数可还原的金属构件的焊接坡口曲面数据信息，数据校验模块12将不可还原的几何数据信息以及其引起的异常情况信息传给显示模块16进行显示，数据校验模块12将可还原的焊接坡口曲面数据信息通过计算结果存储模块11传给数控切割文件处理模块6，数控机床指令格式设定模块18响应用户的相贯线切割机床动作指令格式设定操作，将设定的指令格式输送到数控切割文件处理模块6；数控切割文件处理模块6将处理得到的焊接坡口曲面切割轨迹数据信息分别传给显示模块16和强度校核模块7，强度校核模块7根据强度校核操作模块15传输来的强度校核操作指令，向***外部存储单元1上安装的第三方三维建模仿真和力学分析软件发送对该软件的控制指令信息，使该软件自动进行钢结构建模和强度校核，然后从该软件输入数据处理结果即钢结构的强度校核结果反馈到显示模块16；套料操作模块19向数控切割文件处理模块6输入套料操作结果，即由用户选择套料模式：自动套料或手动套料，当用户选择自动套料模式时，套料操作模块19向数控切割文件处理模块6发送“自动套料”请求使数控切割文件处理模块6自动对所有金属构件的切割轨迹及代码进行套料处理，当从数控切割文件处理模块6反馈回“套料处理完成”信号时，套料操作模块19向显示模块16发送“套料模拟”显示请求，通过用户对金属构件外壁直径以及壁厚的选择来切换显示界面上显示的具有该外壁直径及壁厚的、排列成一行的金属构件的切割轨迹；当用户选择手动套料模式时，由用户选择待进行套料处理的金属构件的外壁直径及壁厚，套料操作模块19向显示模块16发送“套料模拟”显示请求，使显示模块16显示具有该外壁直径的批量金属构件的切割轨迹，然后用户选择其中某一个切割轨迹进行调整，套料操作模块19实时将当前干预的切割轨迹的调整数据输入数控切割文件处理模块6使其实时修改该轨迹数据及代码并在修改完成后立即将“套料处理完成”信号反馈回该模块，再由该模块向显示模块16发送“更新切割轨迹显示”请求使其显示经过修改后的切割轨迹。当用户对该切割轨迹调整满意后，切换到另一个轨迹进行同样的操作直至所有切割轨迹最终相互无干涉的、轴向总长度最短地排列成一行即用户选择修改金属构件的切割轨迹数据及代码，修改完成后向套料操作模块19发送套料处理完成信号并将这些代码处理后生成的数控切割文件输出到***外部存储单元1进行存储，套料操作模块19向显示模块16传输套料模拟显示请求信息。

本实施例可精确计算由任意数量圆柱、圆锥、平面和圆环金属构件相贯而成的焊接坡口曲面，克服了现有技术中对节点处相贯形式限制的不足；尤其该曲面是按照切割枪以两个旋转自由度进行切割的工艺计算所得，该曲面对应的数控切割文件能控制切割枪以两个旋转自由度将其切割成形，克服了现有技术中以单旋转自由度切割金属构件端面导致的切割大厚度管材时容易产生有效切割壁厚较大、火焰无法充分并均匀穿透管壁导致切割质量较低的不足；提供对钢结构施工后的模型的仿真和强度校核，校核结果极接近实际情况，有利于发现设计中的漏洞及不足，可大大降低施工完成后使用过程中的事故发生率，对于对安全性、可靠性要求极高的海洋石油平台钢结构的施工，具有极为重要的意义；提供了友好的三维实体可视化功能，使用户根据多种仿真预览和预评价切割质量，有利于在实际切割前及时发现并修改工艺问题，从而避免金属构件切割后切割质量不过关报废的情况；加入能有效节省原材料的套料处理，克服了现有数控切割中原材料浪费严重的情况，对于原材料成本极高的海洋石油平台钢结构，经过该套料处理，降低的原材料成本极为可观。

Claims

1.一种海洋石油平台多几何体相贯钢结构数控切割***，其特征在于，包括：***外部存储单元、钢结构描述文件处理模块、数据库模块、几何计算模块、人机交互模块、数控切割文件处理模块和强度校核模块，其中：***外部存储单元与钢结构描述文件处理模块相连传输钢结构描述文件信息；***外部存储单元与数控切割文件处理模块相连传输数控切割文件信息；***外部存储单元与强度校核模块相连传输控制指令信息和数据处理结果信息；钢结构描述文件处理模块与数据库模块相连传输原始基本几何参数信息和完整基本几何参数信息；数据库模块与几何计算模块相连传输完整基本几何数据信息和可还原的焊接坡口曲面数据信息；数据库模块和人机交互模块相连传输用户补充的基本几何参数信息；数据库模块和数控切割文件处理模块相连传输可还原的焊接坡口曲面数据信息；数据库模块和强度校核模块相连传输完整基本几何参数信息；几何计算模块和人机交互模块相连传输加工工艺参数信息、不可还原的几何数据信息以及其引起的异常情况信息；人机交互模块和数控切割文件处理模块相连传输焊接坡口曲面切割轨迹数据信息、数控机床指令格式信息以及套料操作结果信息和套料处理完成信息；人机交互模块和强度校核模块相连传输钢结构的模型数据信息、强度校核操作指令信息和强度校核结果信息；数控切割文件处理模块与强度校核模块相连传输焊接坡口曲面切割轨迹数据信息。

2.根据权利要求1所述的海洋石油平台多几何体相贯钢结构数控切割***，其特征是，所述的钢结构描述文件处理模块包括：文件读取模块和文件生成模块，其中：文件读取模块和***外部存储单元相连传输钢结构描述文件信息，文件读取模块和数据库模块相连传输原始基本几何参数信息，文件生成模块和数据库模块相连传输完整基本几何参数信息，文件生成模块和***外部存储单元相连传输完整基本几何参数信息。

3.根据权利要求1所述的海洋石油平台多几何体相贯钢结构数控切割***，其特征是，所述的数据库模块包括：原始数据存储模块和计算结果存储模块，其中：原始数据存储模块与钢结构描述文件处理模块相连传输原始基本几何参数信息和完整基本几何参数信息，原始数据存储模块分别与几何计算模块和强度校核模块相连传输完整基本几何参数信息，原始数据存储模块与人机交互模块相连传输用户补充的基本几何参数信息；计算结果存储模块分别与几何计算模块和数控切割文件处理模块相连传输可还原的焊接坡口曲面数据信息。

4.根据权利要求1所述的海洋石油平台多几何体相贯钢结构数控切割***，其特征是，所述的几何计算模块包括：数据校验模块和焊接坡口曲面计算模块，其中：数据校验模块与数据库模块相连传输完整基本几何参数信息和可还原的焊接坡口曲面数据信息；数据校验模块与人机交互模块相连传输不可还原的几何数据信息以及其引起的异常情况信息；数据校验模块和焊接坡口曲面计算模块相连传输可还原的基本几何参数信息和基本几何参数可还原的金属构件的焊接坡口曲面数据信息；焊接坡口曲面计算模块与人机交互模块相连传输加工工艺参数信息。

5.根据权利要求1所述的海洋石油平台多几何体相贯钢结构数控切割***，其特征是，所述的人机交互模块包括：模型修改模块、强度校核操作模块、显示模块、加工工艺设定模块、数控机床指令格式设定模块和套料操作模块，其中：模型修改模块与数据库模块相连传输用户补充的基本几何参数信息；强度校核操作模块与强度校核模块相连传输强度校核操作指令信息；显示模块与几何计算模块相连传输不可还原的几何数据信息以及其引起的异常情况信息；显示模块与数控切割文件处理模块相连传输焊接坡口曲面切割轨迹数据信息；显示模块与强度校核模块相连传输钢结构的模型数据信息和强度校核结果信息；加工工艺设定模块与几何计算模块相连传输加工工艺参数信息；数控机床指令格式设定模块与数控切割文件处理模块相连传输数控机床指令格式信息；套料操作模块与数控切割文件处理模块相连传输套料操作结果信息和套料处理完成信息；套料操作模块和显示模块相连传输套料模拟显示请求信息。