Параметрическое каркасное твердотельное моделирование водоподготовительной установки в блочно-комплектном исполнении

Глобальные стимулы внедрения новых способов конструирования - это развитие цифровой экономики и обязательное применение информационной модели здания (BIM) в бюджетном строительстве [1]. Рыночные стимулы внедрения новых способов конструирования - это растущий спрос на очистные сооружения, интенсификация проектных работ и изменчивость рынка [2].

Конкурентоспособность бизнеса в строительной отрасли можно повысить за счёт интенсификации процессов проектирования (новые методы конструирования), производства (автоматизация и роботизация) и строительства (метод блочнокомплектного строительства).

При проектировании очистных сооружений в концепции BIM задача конструктора заключается в создании библиотеки (семейства) компонентов сборки (типовых элементов, деталей и узлов), параметрических 3D-моделей технологического оборудования и генеральной сборки [3, 4].

Параметрическое моделирование активно применяется для деталей механизмов, а применение его на сборках имеет особенности. Параметрическую сборку можно реализовать на таблицах с параметрическими деталями или на каркасе. Технологии параметрического моделирования посвящены работы [5–8]. Сущность каркасного моделирования сводится к построению модели в одной системе координат по параметрам из родительского файла. Каркасное 3D-моделирование рассмотрено в работах [9–11]. Модели, созданные по технологии параметрического каркасного моделирования, подходят для индустриального производства [12] и умного производства [13]. Сравнительный анализ графических редакторов Autodesk

Inventor, T-FLEX CAD, AutoCAD представлен в работах [14–17]. Вопросам автоматизации параметрического моделирования с помощью таблиц Exel, iLogic и программирования посвящены работы [18–20].

Целью данной работы является создание параметрической каркасной 3D-модели водоподготовительной установки в блочно-комплектном исполнении (далее по тексту – установка) для подземного водоисточника, реализованное с помощью Autodesk Inventor Professional (AIP). Конструирование установки является логическим продолжением разработанного ранее аэратора подземных вод (АПВ) [3, 21], который предназначен для использования в технологических схемах очистки подземных вод от растворенных газов (радона, сероводорода, углекислоты) и растворенных форм железа и марганца. Поэтому установка наследует предназначение от АПВ. Конструкция установки должна обладать признаками унификации и универсальности. Водозабор осуществляется из скважины, производительность установки 0,5–2,5 м3/ч, что обеспечивает водопотребление небольших объектов (коттедж, ферма, строительный городок, фельдшерский пункт и др.).

Технологическая схема установки (рис. 1), содержащая аэратор, обычно громоздкая, что создает трудности для размещения оборудования в существующих помещениях. Кроме того, отдувка радона или удаление сероводорода требуют интенсивной вентиляции помещения. Поэтому отдельно стоящая от жилых помещений установка водоподготовки в блочно-комплектном исполнении может оказаться наилучшим решением. Задачей работы является создание модели для получения модельного ряда (параметрической сборки).

Методы моделирования

Порядок применения технологии параметрического каркасного твердотельного моделирования неоднозначен. Воспользуемся вариантом, который определен в работе [21] и представлен на рис. 2. Порядок создания модели представлен как линейный последовательный процесс. На начальном этапе создается расчетная схема (эскиз) модели, которая описывается набором параметров. Затем создается и описывается каркас и тестируется каркасная модель. На заключительном этапе создается рабочая модель. В результате моделирования компонуется оборудование на плане (параметрический эскиз), строится металлокаркас, панели и РЧВ (каркасное моделирование), собирается технологическое оборудование (конструктивные пары), прокладываются трубопроводы и электропроводка.

Рис. 1. Технологическая схема установки:

МФ1–МФ3 – магистральный фильтр; М1–М6 – манометр; Н1–Н3 – насос; ГА1–ГА3 – гидроаккумулятор;

АПВ – аэратор подземных вод; УФО – ультрафиолетовый обеззараживатель; ВС1, ВС2 – водосчётчик; ЭМК1, ЭМК2 – электромагнитный клапан; ВР1, ВР2 – вентиль регулировочный; РЧВ – резервуар чистой воды;

К1 – компрессор

Рис. 2. Порядок моделирования

Вставка технологического оборудования в технологический блок осуществляется с помощью конструктивных пар (iMate). При этом конструктивные пары формируются между компонентом сборки и каркасом (вкладка «Управление» панель «Разработка», «Конструктивная пара»).

Прежде чем приступать к моделированию сложных сборок, необходимо тщательно продумать и определить состав и структуру сборки (рис. 3). Блок обработки стоков, выделенный пунктиром на рис. 3, не рассматривается в настоящей работе.

Параметрическое моделирование. Параметризация модели установки необходима для получения линейки типоразмеров изделия, оптимизации модельного ряда и позволяет автоматически изменять размеры [5]. Параметризация модели установки и её компонентов выполняется с помощью внутреннего функционала AIP методом параметрического ряда (бескодовая параметриза- ция). Классификация методов параметризации дана в работе [6], а суть метода параметризации изложена в работе [7]. На основании технологической схемы (см. рис. 1) и экспликации технологического оборудования необходимо создать обозначения параметров и добавить их в таблицу параметров (вкладка на ленте «Управление», панель «Параметры», иконка «Параметры»). Технологическое оборудование на плане представлено в виде проекции габаритных размеров. Фигуры необходимо сохранить как блоки (команда «Создать блок» доступна на вкладке «Эскиз» панель «Создать») с уникальными именами.

Параметры можно разделить на две группы. Технологические параметры, такие как производительность установки, м3/ч, объем запаса чистой воды, м3, габаритные размеры оборудования и др., определяются технологическими расчетами. Конструкционные параметры (уровни рабочих плоскостей относительно центра координат, координа-

Электротехническое оборудование и автоматика

Рис. 3. Структура водоподготовительной установки в блочно-комплектном исполнении: 1 – блок обработки стоков (не рассматривается в настоящей работе)

ты расположения технологического оборудования в плане, толщины стенок, зазоры и отступы, размеры профиля труб и др.) определяются расчетами на прочность и требованиями по сборке.

Каркасное моделирование. Каркасное моделирование – это разновидность моделирования «сверху вниз», при котором компоненты сборки имеют общую с каркасом систему координат [9, 10]. В AIP под каркасом понимается файл (подоснова) формата ipt, который содержит таблицу пользовательских параметров, эскизы и прочую геометрию, описывающую изделие в полной мере, и набор ссылок от компонентов сборки. Компоненты сборки создаются производными деталями от каркаса с помощью инструмента «Производный компонент». Подоснова создается в генеральной сборке инструментом «Создать компоновку». В случае крупной сборки на одной подоснове объем описательной геометрии (эскизы, плоскости, поверхности) значительно увеличивается. В этом случае полезно применить многоуровневый каркас [9], в котором структурируется описательная геометрия между генеральной сборкой и подсборками по задачам, указанным в табл. 1. Каркас генеральной сборки представлен на рис. 4.

Модельный ряд. Варианты комплектации установки с различным оборудованием под конкретную задачу очистки воды (обезжелезивание, де-манганация, удаление сероводорода, радона, углекислоты или их комбинация) формируются в эскизе компоновки оборудования на плане и значениями параметров, т. е. достаточно изменить габаритный размер оборудования на плане, выбирая значение из ряда параметров, чтобы эскиз перестроился и установка приобрела другие размеры. Если требуется изменить состав технологического оборудования, то достаточно добавить (или убрать) блоки проекций нужного оборудования.

Подготовка библиотек сборочных единиц и материалов. AIP имеет большую библиотеку стандартных деталей. Необходимо создать недостающие сборочные единицы технологического оборудования, арматуры и аппаратов, параметрические детали из древесины и публиковать библиотеки этих деталей (в файле детали или параметрической детали, вкладка «Управление», панель «Библиотека компонентов», «Публикация детали»). По мере накопления опыта моделирования библиотека пополняется новыми элементами.

Полная масса изделия используется для расчета нагрузки на фундамент и при грузоподъемных работах. Для тех компонентов сборки, которые моделируются условно и масса их не может быть посчитана AIP автоматически, необходимо вручную указать массу в свойствах сборки (из контекстного меню файла в Проводнике выбрать пункт «Свойства», вкладка «Физические»).

Уровни и задачи подосновы (каркаса)

№ п/п      Уровень	Задачи
1    Генеральная сборка	Содержит технологические, конструкционные параметры установки и описательную геометрию. Выполняет задачи: •    привязывает установку к водозабору в плане и в разрезе скважины; •    стыкует элементы (блоки) генеральной сборки; •    компонует технологическое оборудование в плане
Технологический блок	Содержит конструкционные параметры установки и описательную геометрию. Выполняет задачи: •    описывает объем внутреннего пространства, необходимого для размещения оборудования; •    содержит схему каркаса и закладных креплений для сборочных единиц; •    трассирует трубопроводы и электропроводку к оборудованию; •    определяет габаритные размеры панелей
Блок резервуара чистой воды	Содержит конструкционные параметры установки и описывает компоновку резервуара в плане и в разрезе. Выполняет задачи: •    содержит схему каркаса и закладных креплений; •    трассирует трубопроводы и электропроводку; •    определяет габаритные размеры панелей

Рис. 4. Каркас генеральной сборки: 1, 2, 3, 4, 5... – компоненты сборки, детали и подсборки

Тестирование модели. Обязательной процедурой моделирования является тестирование модели [21]. Тестирование модели, создание модельного ряда и его оптимизация позволяют выявить ошибки в эскизах, соединениях, зависимостях и прочие нестыковки. При создании нового эскиза, нового компонента сборки, вставке компонента в сборку необходимо изменить параметры модели в некотором интервале значений. Компьютер перестроит модель или выдаст ошибку. Устранение выявленных ошибок совершенствует модель. Таким образом, осуществляется проверка каркасной модели на способность трансформироваться без ошибок.

Результаты и обсуждение

Уникальные имена для параметров, описывающих положение оборудования на плане, заданы по схеме: Параметр_ИмяОборудования. В схеме используется оборудование: аэратор подземных вод – АПВ (UWA); магистральный фильтр – BB20; фильтр осветлитель – Ф1 (F1); фильтр умягчитель – Ф2 (F2); бак для соли (salt tank) – ST; ультрафиолетовый обеззараживатель (ultraviolet disinfector) – UD и др. Результат параметризации представлен в табл. 2.

Значительное количество параметров объясняется мультипликацией сборочных единиц и ростом взаимосвязей между ними. Все параметры,

Таблица 2

Фрагмент таблицы параметров модели

Параметр	Ед. изм.	Значение	Описание	Параметр	Ед. изм.	Значение	Описание
D_F1	мм	360	Диаметр, образованный габаритами при вращении управляющего клапана	X_borehole	мм	2000	Положение скважины по оси X
d_F1	мм	206, 257, 308, 334, 360	Диаметр корпуса Фильтра Ф1	Y_borehole	мм	2000	Положение скважины по оси Y
D_F2	мм	360	Диаметр, образованный габаритами при вращении управляющего клапана	H_UWA	мм	1880	Габаритный размер по высоте аэратора АПВ
d_F2	мм	206, 257, 308, 334, 360	Диаметр корпуса Фильтра Ф2	h_UWA	мм	150	Зазор между аэратором и днищем РЧВ для прокладки трубопроводов
X_F1	мм	310	Положение фильтра Ф1 по координате Х	h_00	мм	150	Высота уровня чистого пола над землей
Y_F1	мм	700	Положение фильтра Ф1 по координате Y	h_RCW	мм	500	Высота резервуара чистой воды
X_F2	мм	310	Положение фильтра Ф2 по координате Х	X_UD	мм	1,0	Положение ультрафиолетового обеззараживателя UD по оси Х
Y_F2	мм	700	Положение фильтра Ф2 по координате Y	Y_UD	мм	500	Положение ультрафиолетового обеззараживателя UD по оси Y
D_UWA	мм	1000, 1050	Диаметр, образованный габаритами при вращении АПВ	Z_UD	мм	1500	Уровень ультрафиолетового обеззараживателя UD от пола
d_UWA	мм	610, 660	Диаметр корпуса АПВ	t_1	мм	2	Толщина стенки, лист стальной
X_UWA	мм	0	Положение АПВ по координате Х	t_2	мм	1	Толщина стенки, резерв
Y_UWA	мм	0	Положение АПВ по координате Y	t_3	мм	3	Толщина стенки, резерв
Indent_1	мм	50	Отступ ограждающих конструкций от габаритов технологического оборудования	t_4	мм	8	Толщина стенки РЧВ, лист полипропилен
Indent_2	мм	1,0	Отступ ограждающих конструкций от габаритов технологического оборудования	T_1_1	мм	40	Толщина стенки профильной трубы

Окончание табл. 2

Параметр Ед. изм. Значение Описание Параметр Ед. изм. Значение Описание Indent_3 мм 1,0 Отступ ограждающих конструкций от габаритов технологического оборудования T_1_2 мм 50 Толщина стеновых панелей A_ST мм 390 Габаритный размер солевого бака 80 л T_2_1 мм 2 Толщина облицовки пола, лист стальной X_ST мм 0 Положение солевого бака ST по координате X T_2_2 мм 40 Толщина половой доски Y_ST мм 700 Положение солевого бака ST по координате Y T_2_3 мм 60 Высота профиля и толщина утеплителя X_BB20 мм 0 Положение магистрального фильтра BB20" по координате X T_2_4 мм 9 Толщина защитного покрытия Y_BB20 мм 600 Положение магистрального фильтра BB20" по координате Y T_2_5 мм 80 Высота профиля основания Y_borehole мм 2000 Положение скважины по оси Y V_РЧВ л 1000 Объем резервуара чистой воды которые влияют на генеральную сборку или её компоненты, содержатся в центре каркаса на первом уровне и транслируются сначала на все уровни, а затем в нужные детали. Кроме того, параметрам задаются значения, а не формулы. Это объясняется необходимостью в больших сборках перейти на автоматизацию параметрического моделирования с помощью внешнего функционала, таблиц Exel, iLogic или программирования [18–20]. Некоторые параметры имеют ряд значений. Это указывает на типовую модельную линейку производителя оборудования.

Компоновка технологического оборудования на плане в виде проекции габаритных размеров представлена на рис. 5. АПВ как самое габаритное оборудование размещено в центре плана. Фильтры Ф1 и Ф2 размещены справа от АПВ и уравновешиваются прочим оборудованием слева (в дальнейшем на эскизе появятся проекции насосов и гидроаккумуляторов).

Проверена способность модели к трансформации. Если, например, изменить размер фильтра на плане (d_F1, диаметр корпуса Фильтра Ф1), эскиз автоматически перестроится, а вместе с ним и каркас корпуса установки, изменятся габаритные размеры установки.

При сборке технологического блока ось Z компонента сборки (оборудования) совмещается с центром его проекции на плане, а плоскость опорной поверхности совмещается с плоскостью эскиза (нулевого уровня). Для ориентации технологического оборудования задается угол между плоскостями YZ компонента и подосновы технологического блока, при необходимости задается уровень над полом. В каждом компоненте перед сборкой заданы конструктивные пары и создано упрощенное представление. Для удобства пользователя конструктивным парам присвоены уникальные имена по принципу: Уровень_Имя Оборудова-ния_Совмещение, Ориентир _ Имя Оборудова-ния_Угол, Место_Имя Оборудования _ Совмеще- ние.

Рис. 5. Расчетная схема (набор эскизов в подоснове, описывающих установку)

На основе параметрической детали созданы профили фасонные для генерации рам и библиотечных деталей Брус (50 х 130, 60 х 130, 50 х 150, 60 х 150 мм), Брусок (25, 40, 50, 60 мм) и Доска обрезная (25 х 100, 40 х 100, 25 х 150, 40 х 150, 25 х 200, 40 х 200 мм) по ГОСТ 8486-86 и опубликованы в библиотеке деталей из древесины. В библиотеке трубопроводов и аппаратов подготовлены элементы технологической схемы, такие как баллоны фильтров (0817, 1054, 1252, 1354, 1465), клапан управления фильтром, насосы, арматура и др. элементы, необходимые для сборки.

Рассмотрим два варианта компоновки оборудования. Для первого варианта принята технология удаления радона и альфа-активности методом отдувки и сорбции. Технологическая схема на рис. 1 содержит 11 компонентов сборки: МФ1; ГА1; Ф1; ST; АПВ; Н2; Ф2; РЧВ; Н3; МФ4; УФО. Фильтры МФ2, МФ3 устанавливаются на трубопроводе, гидроаккумуляторы ГА2, ГА3 устанавливаются на насосах и на компоновку оборудования на плане не влияют. При расходе в 1 м3/час фильтр с катионитом Ф1 будет иметь типоразмер 1054, фильтр с активированным углем Ф2 будет иметь типоразмер 1252, аэратор АПВ-400, фильтры МФ1 и МФ4 марки BB20.

Для второго варианта принята технология обезжелезивания методом упрощенной аэрации. При этом технологическая схема (схема не приводится) будет содержать 9 компонентов сборки: МФ1; ГА1; АПВ; Н2; Ф1; РЧВ; Н3; МФ4; УФО. При расходе в 1 м3/час фильтр Ф1 с каталитической загрузкой Сорбент АС будет иметь типоразмер 1252, аэратор АПВ-300. Остальное оборудование – как в первом варианте.

Результаты моделирования двух вариантов сборки и модель установки в изометрическом виде для первого варианта представлены на рис. 6.

Резервуар чистой воды размещен под кровлей в виде отдельного блока. Если объем резервуара более 1,5 м3, то его следует предусматривать приставным, справа или слева от установки. Из рис. 6 видно, что количество компонентов влияет на массогабаритные характеристики установки.

Выводы

Параметрическое каркасное 3D-моделиро-вание – это сложный процесс, который требует высокой квалификации инженера. В основании твердотельной модели лежит простой теоретический эскиз. Такой приём моделирования позволяет сохранить связь компьютерного моделирования с классическим решением задачи.

Показано, что на подготовительном этапе необходимо проведение технологических и конструкторских расчетов, сбор и анализ проектных данных. Кроме того, требуется создание библиотеки компонентов сборки (технологического оборудования, профилей строительной древесины), расчет массы фильтров. Обязательной процедурой является тестирование параметрических эскизов, при котором отслеживается безошибочность перестройки геометрии при варьировании параметров.

Установлено, что привязка компонентов в сборке к каркасу (подоснове), а не к поверхностям других деталей обеспечивает безошибочную трансформацию модели при изменении параметров. Выработан способ использования конструктивных пар, который обеспечивает быструю замену компонентов в сборке при изменении техноло-

Рис. 6. Изометрический вид установки и варианты компоновки (панели не показаны)

	Вариант 1	Вариант 2
Объем воды в РЧВ, л	966	830
Масса, кг	710	591
Высота, мм	3066	2866
Ширина, мм	1330	1280
Длина, мм	2070	1870

гической схемы установки. Модель должна создаваться инструментами и способами, исключающими ошибки при её трансформации. Например, сварные швы, болтовые соединения следует накладывать после окончания моделирования.

Показано, что модель параметрической сборки позволяет получить модельный ряд установок. При создании новых вариантов установки происходит тестирование модели на способность к трансформации. На этом этапе целесообразно провести исследование модели на технологичность (собираемость) и выявить минимальные остатки при раскрое материалов. Комплект чертежей готовится в рабочей модели после определения оптимальных параметров и устранения дефектов модели. Модель вместе с чертежами копируется и трансформируется под оптимальные параметры.

Таким образом, технология параметрического каркасного твердотельного моделирования может применяться для объектов различной сложности, охватывает все стадии проектирования (эскиз, проект, рабочая документация) и позволяет решать задачи оптимизации модельного ряда. Данная технология является мощным инструментом в арсенале инженера.