大型椭圆形封头放样图参数化绘图的Lisp实现

胡志刚,胡炜

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.贵州电子信息职业技术学院,贵州凯里556000）

大型椭圆形封头放样图参数化绘图的Lisp实现

胡志刚1,胡炜2

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.贵州电子信息职业技术学院,贵州凯里556000）

研究了大尺寸标准椭圆形EHA封头分瓣放样图参数化绘图的尺寸计算、绘图原理和方法.根据公称直径、顶圆直径、分瓣数等初始尺寸参数,给出绘制分瓣放样图所需要的展开半径等关键计算公式,自动计算展开图圆弧半径、各个圆弧的起讫点、圆弧法向距离等其他尺寸和参数；完成了基于AutoLisp及DCL语言的封头放样图的对话框参数输入界面的设计、封头展开图参数化绘图二次开发的程序设计方法,并进行实例验证.

椭圆形封头；放样图；分瓣；Lisp程序

封头是压力容器上的端盖,也是主要承压部件.标准椭圆形封头的使用极其广泛,目前许多封头生产都分布在一些小型企业当中.在封头生产过程中需要绘制放样图和展开图,由于椭圆形封头是标准件,其主要尺寸有公称直径DN（EHA型为内径Di,EHB型为Do）,封头总高度（EHB）或总深度（EHA）H,直边高度h和名义厚度δn,因此开发一个基于AutoCAD的封头放样图的自动参数化绘图命令,对小企业的封头设计生产具有实际意义.

在封头制造过程中,一般采用整体冲压旋压成型,但是对于直径超过4 000 mm的封头往往要进行分瓣制造,然后焊接成型.在封头设计和制造过程中,不同尺寸的大型封头的分瓣下料放样图的绘制是一项繁复的工作,依据一定的分瓣计算方法,利用AutoCAD的二次开发方法,实现大尺寸封头分瓣下料图的参数化设计,将大大提高设计与制图效率,节省设计时间和成本.本文就标准椭圆形封头的分瓣放样图的绘图,介绍一种采用Lisp语言开发的参数化设计与绘图命令的实现方法,它对于其他不同类型大型封头分瓣下料图的参数化绘制也具有普遍的意义.

1 封头瓜瓣展开图的尺寸参数计算

要实现封头放样图的自动绘图,必须给出一些必要的尺寸和参数,下面是标准椭圆形封头的初始尺寸和参数：公称直径DN,顶圆直径d,分瓣数n,封头钢板厚度δ,直边高度h,加工余量e等,如图1所示.

图1 标准椭圆形封头的初始尺寸Fig.1 Initial dimensions of standard elliptical head

基于上述给定的参数,要绘制放样图,还要计算出以下一些必要的尺寸参数,它们是封头椭圆回转面上分段纬线圆高度Hi,如图1所示,瓣片展开图展开半径Ri,封头椭圆回转面上相邻纬线圆的法向弧长距离Li和各展开圆弧的弧长Ai等,如图2所示.

图2 计算出的尺寸Fig.2 Calculated dimensions

1.1 瓣片展开图展开半径Ri

在椭圆形封头曲面上,在对应公称直径DN的大圆和顶圆之间按一定的弧长间距划定k-1个圆,把曲面划分为k个曲面段,这k-1个圆的大圆直径为Di,各个大圆所对应的高度为Hi,底圆（公称直径为DN）高度为H0,顶圆高度为Hk,对每个分段大圆按切于该大圆法向圆弧的圆锥面进行展开,其展开半径用Ri表示（见图1和图2）,经计算得：

1.2 两点间弧长间距Li

设椭圆上任一点到象限点的弧长为li,如图3所示.

图3 椭圆弧长LiFig.3 Elliptical arc length Li

根据勒让德积分计算公式

展开图中相邻两圆弧中点间距为Li,如图2所示,其计算公式为

1.3 展开图中的弧长Ai

弧长如图2所示,其计算公式为

式（3）中：Di为直径,δ为厚度,e为余量,i=1,2,…,k.

2 Lisp程序设计

建立一个基于对话框的基本尺寸参数输入界面,输入基本尺寸参数后,程序执行标准椭圆形封头瓣片展开图的绘制,自动计算出所需尺寸和参数,并以更新或追加方式保存在一个Exel数据文件中.本程序包括定义尺寸参数输入对话框的DCL语言代码和lisp程序段.Lisp程序包括尺寸参数计算、对话框初始化和绘图三部分,其程序框图如图4所示.

图4 放样图的lisp程序Fig4 Lisp programme diagram of mould lofting

计算展开半径的lisp程序段为：

；；；work out Radius

（setqi 0 n 0.0 n_n 0.0 R_list'（））

（repeat 12

（setq n_n（nth i D_list）

n（nth i H_list）

）

（setq Ri（/n_n 2.0（sin（atan（/（-（*4.0（expt n_n 2））（expt（-l_dia（*4.0 n））2））（*4.0 n_n（-l_dia（*4.0 n）））））））

）

（set_tile（strcat"rd"（itoa i））（rtos Ri 2 2））；为12个圆弧显示其值

（setq R_list（cons Ri R_list）i（1+i））

）

（setq R_list（reverse R_list））

（terpri）

（print R_list）

绘制各展开半径的lisp程序段为：

（setq Ri（car R_list））

（command"-layer""set"0"color"7""""）

（command"-color""bylayer"）

（setq Hi（/（*297.0（*4.0（last pnt_list）））420.0））

（command"limits"'（0 0）（list（*4.0（last pnt_list））Hi））

（command"grid"（fix（/（*4.0（last pnt_list））40.0））""）

（setq dmscale（/（*2.0 Ri）420.0）bscale（/（*4.0（last pnt_list））420.0））；尺寸标注比例

（command"erase""all"""）

（command"zoom""all"""）

（setq pt0（list（*1.5（last pnt_list））（*0.75 Hi）））

（command"osnap""off"""）

（setq agl（*0.5（/（car L_list）Ri）））

（command"arc"pt0"C"（list（car pt0）（-（cadr pt0）（car R_list）））"angle"（RtoD agl）""）

（setq pt1（list（car pt0）（+（cadr pt0）straight_edge）））

（command"arc"pt1"C"（list（car pt1）（-（cadr pt1）（car R_list）））"angle"（RtoD agl）""）

（setq pt1（polar（list（car pt0）（-（cadr pt0）（car R_list）））（+（/pi 2.0）agl）Ri））；第2圆弧左端点

（setq pt03（osnap pt1"mid"））

（setq pt00（list（car pt1）（+straight_edge（cadr pt1））））；第1圆弧左端点

（setq pt01（polar（list（car pt0）（-（cadr pt0）（car R_list）））（-（/pi 2.0）agl）Ri））

（setq pt01（list（car pt01）（+（cadr pt01）straight_edge）））

（setq ptt_list'（））

（setq ptt_list（cons pt00 ptt_list））

（setq ptt_list（cons pt1 ptt_list））；形成端点表

（setq i 0）

（repeat 11

（setq pti（list（car pt0）（-（cadr pt0）（nth i pnt_list））））

（setq agl（*0.5（/（nth（1+i）L_list）（nth（1+i）R_list））））

（command"arc"pti"C"（list（car pti）（-（cadr pti）（nth（1+i）R_list）））"angle"（RtoD agl）""）

（setq pt1i（polar（list（car pti）（-（cadr pti）（nth（1+i）R_list）））（+（/pi 2.0）agl）（nth（1+i）R_list）））

（setq ptt_list（cons pt1i Ptt_list））

（setq i（+i 1）））

（setq pt1i（osnap pti"mid"））

（command"spline"）

（foreach pt2 ptt_list（command pt2））

（command""""""）

（command"mirror""all"""pt0 pti"no"""）

（command"line"pt0 pti""）

3 实例验证

以下是绘制公称直径为7 300 mm,顶圆直径5 500 mm,分瓣数是12,厚度71 mm,加工余量50 mm的标准椭圆形封头瓣片的展开图,在AutoCAD绘图界面中执行“封头展开图”菜单项或者在命令行中输入“head”命令,显示出参数输入对话框,如图5所示,输入上述尺寸和参数后,自动绘制出带有图框标题栏的展开图,展开图如图6所示.

图5 初始尺寸参数输入对话框Fig.5 Dialog box of initial dimensions and parameters’entry

图6 公称直径为7 300的封头瓣片Fig.6 Head section development for nominal diameter 7 300

分瓣放样图程序经过某封头生产企业在大型标准椭圆形封头设计过程中应用,得到的数据稳定可靠,自动生成的图样与设计人员按设计要求绘制的原始图样进行比较,尺寸和形状相同,满足参数化设计与绘图的需要.

4 小结

利用该参数化绘图应用程序进行大型标准椭圆封头的瓣片设计和绘图,满足标准椭圆形封头不同尺寸的分瓣图的设计绘图要求,并实现了将设计数据以更新或追加方式自动写入Excel数据文件的功能.除此之外,该应用程序的开发方法和步骤,对其他类型封头的参数化设计与绘图软件的二次开发也具有普遍意义.据此,可以以AutoCAD作为平台,开发出椭圆形、蝶形、球形等诸多类型封头设计与绘图的分系统,从而大大提高封头设计及绘图效率,节省生产时间和成本.

[1]胡志刚.基于AutoCAD的椭圆形封头图样参数化绘图命令的二次开发[J].河南科技学院学报：自然科学版,2012,40（2）：59-62.

[2]孙新铭.设计与工艺实用数学讲座第三讲椭圆封头[J].机械工艺师,1996（9）：31-33.

[3]张淑莲.标准椭圆封头瓣片的计算[J].石油化工设备,1995,24（3）：42-44.

[4]朱军,王金环,刘宏莉,等.特大型椭圆封头的分瓣计算[J].化工设备与管道,2001,38（5）：19-20.

[5]陆博福,陆平.非标准椭圆及标准椭圆型封头冲压展开下料尺寸的计算[J].压力容器,2008,25（6）：56-58.

[6]张卢伟,顾守岩,陈莹.椭圆封头展开计算方法论述和对比分析[J].辽宁化工,2009,38（11）：809-810.

[7]国家经济贸易委员会.JB/T4746-2002钢制压力容器用封头[S].北京：中国标准出版社,2002.

（责任编辑：卢奇）

Lisp programming of parametric drawing of large standard elliptical heads'mould lofting

Hu Zhigang1,Hu Wei2
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Guizhou Vocational Technical Collage of Electronic Information,Kaili 556000,China）

Dimension calculation,drawing principle and method of parametric drawing of large sized standard elliptical EDA heads'mould lofting are delivered.Arc radii formula needed for sectional heads'development drawing are derived of nominal and top circle diameters,petal number and other initial parameters.In drawing the arc radii of head development,arc start points&end points,arc normal distances and other parameters are calculated automatically.On the basis of Autolisp and DCL a dialogue box of basic parameters&dimensions input is designed, programming method of head development drawing is given along with two key programme lists attached,and a verification for this command application running is made.

elliptical head；mould lofting；head petal；lisp programme

TP391.7

A

1008-7516（2013）05-0053-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.05.013

2013-07-25

胡志刚（1962-）,男,江西进贤人,副教授.主要从事机械设计、CAD及工程图学研究.