（化工过程机械专业论文）新型换热设备三维造型技术研究与应用.pdf

塑型盔兰堡主兰壁堡苎一苎旦 礤4 2 8 9 6 5 摘要 l 、c a d 是2 0 世纪最杰出的工程技术成果之一，是用高新技术改造 传统产业、加快国民经济发展的一项关键新技术。而换热设备在民用、 工业、国防等部门有着广泛的应用，开发高效换热设备对国民经济建 设具有重要意义。新型高效节能换热设备系我校“热能工程中心”专 利产品，为加快该成果的推广步伐，“中心”曾自主开发了h e c a d 软件系统( h e c a d 是集新型换热设备工艺、机械、零部件及总装图 的一体化二维c a d 系统) 。目前二维c a d 绘图软件的使用已相当普 遍，但二维图形表示三维物体存在许多局限性。随着计算机三维图形 学技术的发展，建立的实体模型能够更直观、全面地反映设计意图， 并且在此基础上还可以进行装配、干涉检查、有限元分析、运动分析 等高级计算机辅助设计工作。j 本文研究课题来源于省重大科技攻关项目“重大过程装备智能化 c a d c a e 集成技术的研究与开发”，三维造型是其关键技术之一，它 是工程设计的重要环节，贯穿了工程设计的核心信息，而信息的完备 性、抽象性和可操作性对于c i m s 的信息集成具有决定性的影响。原 有h e c a d 是基于二维的c a d 系统，三维零部件及结构的表现采用 不同方向投影视图表示，但对于复杂情况，如折流栅装置要清楚地描 述是困难的；在制造及装配过程中，由于新型结构与传统挡板结构不 同，常给制造装配带来不便，如能对动态装配过程进行三维模拟，不 仅能够解决现有问题，而且还能为制定其它新型结构的装配顺序提供 有效手段：此外，在研究开发高效节能换热设备，进行结构改进和优 化时的有限元分析及设备内流场、温度场的数值模拟分析更是离不开 三维建模。基于上述情况，本文研究开发了新型换热设备的三维造型 系统。 郑州大学硕士学位论文第1 1 页 、，在对c a d 技术、计算机图形学、三维造型方法、开发环境、数 据库技术等进行综述分析的基础上，本文着重对以下几方面内容作了 研究及实践： 1 ) c a d 三维造型技术经历了线框造型、曲面造型、实体造型、参数 化造型及变量化造型技术等五个阶段，不同阶段的技术在具体软 件产品中往往是并存的，而非排它的。参数化造型方法注重于几 何图形元素的邻域，使用约束来定义和修改几何模型，适合于已 完全特性化的设计问题。因为新型换热设备专用零部件已经规格 化、系列化，其它常用零部件更有相关手册、国标作为依据，所 以本文采用了参数化实体造型方法。 2 ) 在开发环境及工具方面考虑到a u t o c a d 的简易性和国内的普及程 度，更重要的是考虑到与“中心”在国家九五项目中已完成的大 型软件系统h e c a d 的兼容性和继承性( h e c a d 是在a u t o c a d 提供 的a d s r x 开发工具和v i s u a lv c + + 5 0 的集成设计环境下开发完成 的) ，本文选择a u t o c a d 、3 d sm a x 为平台，o b j e c t a r x2 0 0 0 和v i s u a lc + + 60 为开发工具进行三维系统的开发。a u t o c a d 系统 在三维造型方面提供的实体( s o l i d ) 具有体的特征，能够较全面 地反映形体的物理特性，利用实体造型技术不仅可以生成所需要 的零部件模型，而且还能够对形体进行剖切生成剖视图，以及进 行体积、重心和惯性矩等物性计算和分析。o b j e c t a r x 支持m f c 基本类库，而m f c 类库的强大功能给编程带来很大方便。 3 ) 三维造型系统的数据相当复杂，涉及到工艺设计、机械强度、三 维几何参数等方面的内容，其数据类型包括图形、文件等不同形 式，因此，信息处理和管理一直是三维造型系统必需面对的难题。 在o b j e c t a r x 开发工具中，本文使用了作为内嵌的扩展工程数据 库管理系统( e d b m s 具有强大的图形处理能力) ，同时又结合利 用了外部关系型数据库系统( v i s u a lf o x p r o ) 。 郑州大学硕士学位论文 第1 j i 页 本文通过对三维造型关键技术的深入研究及具体实践，首次完成 了新型换热设备的三维造型系统： 1 )该系统零部件三维实体造型包括简体、管箱、封头、膨胀节、 管板、接管、斜截弯管、变径段、支座及折流栅装置等造型子 模块，在造型中用数据库技术首次实现了二维工程图与三维模 型的相关联。 2 )该系统动态装配模拟不仅包括典型部件( 如折流栅装置) ，还包 括了用于电力工业热力系统及化工、化肥、炼油热力系统的疏 水加热器、冷凝器、主热交换器等九种类型的换热设备的装配 模拟。 3 ) c a d 与c a e 集成是一个发展趋势，本文用紫瑞c a e 教学版对由零 部件三维造型模块完成的筒体进行了有限元分析，结果证明，新 型换热设备零部件三维造型系统能够与现有有限元软件进行无 缝集成，为国产软件的上下游衔接作了有益尝试。 本文以a u t o c a d 、3 d sm a x 为平台，o b j e c t a r x2 0 0 0 和v i s u a l c + + 6 0 为开发工具，研究开发了新型换热设备的三维造型系统。该 系统不仅能全面展示设计结果并进行尺寸装配检查，为开发新结构及 相应的有限元分析，为新型换热设备内的流场、温度场数值模拟与分 析提供真实的三维模型，此外还能为新型换热设备加工制造提供动态 装配模拟。实践证明，在工程设计中，利用三维造型及动画技术进行 设计和动态模拟是可行的，论文成果为新型换热设备的进一步优化和 可靠性分析提供了有效手段。j 关键词：换热设备c a d 三维造型参数化动态装配模拟 塑型盔兰堡主堂垡鲨窒 笙坐墨 a b s t r a c t c a di so n eo ft h em o s tp r o m i n e n te n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yp r o d u c t i o n s i nt h e2 0 ”c e n t u r y w h i c hi sa nn e wk e yt e c h n o l o g yi na l t e m a t i o no f t r a d i t i o n a li n d u s t r ya n dp r o m o t i o no fn a t i o n a le c o n o m yb ym e a n so f t o p a n dn e w t e c h n o l o g y h e a te x c h a n g e r sa r eu s e dw i d e l yi nc i v i l i n d u s t r i a l a n dn a t i o n a ld e f e n c ed e p a r t m e n t sa n ds 0o n t h ed e v e l o p m e n t so fh i g h e f f i c i e n c yh e a te x c h a n g e r sh a v ei m p o r t a n tm e a n i n g st oc o n s t r u c t i o no f c i v i le c o n o m y t h en e w t y p eh i g he f f i c i e n th e a te x c h a n g e r ( n t h e li s t h e p a t e n td e v e l o p e db y t h et h e r m a l e n e r g y r e s e a r c hc e n t e ro f z h e n g z h o uu n i v e r s i t y i no r d e rt op r o m o t et h ep o p u l a r i z a t i o no ft h e t e c h n o l o g y , h e c a ds o f t w a r es y s t e mw h i c hc o n s i s t so fp r o c e s sd e s i g n m e c h a n i c a ld e s i g n ，c o m p o n e n t sd e s i g na n da s s e m b l yd r a w i n g sd e s i g no f n t h eh a sb e e nc o m p l e t e db yo u rr e s e a r c hc e n t e r n o w 2 dc a d d r a w i n gs o f t w a r e i s v e r yp r e v a l e n t b u tw h i c hh a sm a n yl i m i t s i n e x h i b i t i o no f3 d o b j e c t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r3 dg r a p h i c s t e c h n o l o g y d e s i g n e r sc a ne x p r e s st h e i ri n t e n s i o n sm o r ed i r e c t l ya n d t h o r o u g h l yb v3 db o d ym o d e l s a d v a n c e dc a d t a s k ss u c ha sc h e c k a g e o fa s s e m b l ya n di n t e r f e r e n c e t h e a n a l y s i sb yf e ma n da n a l y s i s o f m o v e m e n t se t c m a yb ec a r r i e do nb a s e do n3 dm o d e l s t h es u b j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o nr o o t si nr & do fc a d c a e i n t e l l i g e n t i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo fi m p o r t a n tp r o c e s se q u i p m e n t sw h i c hi s o n eo f m a g n i t u d e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g yp r o j e c t s o fh e n a np r o v i n c e ，3 d m o d e l i n gt e c h n o l o g yi s o n eo ft h ek e yr e s e a r c hp a r t so ft h ep r o j e c t i ti s a ni m p o r t a n ts e c t o r0 te n g i n e e r i n g d e s i g n i m p e n e t r a t i n g c o r ei n t o r m a t i o n o fe n g i n e e r i n gd e s i g n a tt h es a m et i m e ，t h ei n t e g r a l i t y , a b s t r a c t i o na n d m a n e u v e r a b i l i t y o fi n f o r m a t i o nh a v ed e c i s i v ee f f e c to ni n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o no f c i m s h e c a di sac a d s y s t e mb a s e do n2 d i te x p r e s s e s 3 dc o m p o n e n t sa n dc o n s t r u c t i o n sb yp r o j e c t i o n so fd i 脏r e n td i r e c t i o n s b u ti ti sd i f f i c u l tt od i s t i n c t l ye x h i b i ts o m ec o m p l i c a t e ds i t u a t i o n ss u c ha s d e f l e c t i o nf e n c es e t i nt h ec o u r s eo fm a n u f a c t o r ya n da s s e m b l y , t h e d i f r c r e n c eb e t w e e nn e wc o n s t r u c t i o n sa n dt r a d i t i o n a lb a m ec o n s t r u c t i o n c a u s e ss o m et r o u b l e i ft h e r ei sa3 ds i m u l a t i o no fd y n a m i ca s s e m b l y c o u r s e ，t h ep r e s e n tp r o b l e mi sa b l et ob es o l v e d w h a t sm o r e a ne 衢c i e n t m e t h o db yw h i c ha s s e m b l yo r d e ro fn e wc o n s t r u c t i o n sc a nb es e td o w n w i l lb eg a i n e da c c o r d i n g l y i na d d i t i o n w h e nw er e s e a r c ha n dd e v e l o p h i g he f f i c i e n c ya n de n e r g y - s a v i n gh e a te x c h a n g e r , t h ea n a l y s i sb yf e m 郑州大学硕士学位论文第v 页 w h i c ha i m sa tb e t t e r m e n ta n do p t i m i z a t i o no fc o n s t r u c t i o n sn e e d ss o l i d m o d e l s ，t h ea n a l y s i s o fn u m e r i cs i m u l a t i o no ff l u i df l o wf i e l d sa n d t e m p e r a t u r ef i e l d so ft h ew h o l eh e a te x c h a n g e ra l s on e e d s3 dm o d e i s t h e r e f o r e ，t h i s d i s s e r t a t i o nh a sr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d t h e3 d m o d e l i n gs y s t e mo f n t h e b a s e do n s u m m a r y a n d a n a l y s i s o fc a dt e c h n o l o g y ，c o m p u t e r g r a p h i c s ，3 dm o d e l i n gm e t h o d ，d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dd a t a b a s e t e c h n o l o g y , t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a d er e s e a r c h e sa n dp r a c t i c ew i t ht h e e m p h a s i s 0 nt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： t h ed e v e l o p m e n to f3 dm o d e l i n gt e c h n o l o g yo fc a d e x p e r i e n c e s w i r ef r a m em o d e l i n g ，c u r v e ds u r f a c em o d e l i n g ，s o l i dm o d e l i n g ， p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g a n dv a r i a b l em o d e l i n g t h e t e c h n o l o g i e so f d i f 话r e n tp e r i o da r eu s u a l l yc o e x i s t e n ta n dn o te x c l u s i v ei nc o n c r e t e s o f t w a r ep r o d u c t s p a r a m e t e r i z e d m o d e l i n gp a y s a t t e n t i o nt ot h e n e i g h b o r h o o d o f g e o m e t r yg r a p h i c se l e m e n t ，d e f i n i n g a n d m o d i f y i n gg e o m e t r i cm o d e lt h r o u g hc o n s t r a i n t s ，w h i c hi sf i tt ot h e d e s i g n f i e l dc h a r a c t e r i z e d c o m p l e t e l y b e c a u s e t h e s p e c i a l c o m p o n e n t s o fn t h eh a v eb e e nn o r m a l i z e d ，o t h e rc o m m o n c o m p o n e n t s c a na l s ob ed e s i g n e da c c o r d i n ga sm a n u a la n dg b ，t h e 3 d m o d e l i n gs y s t e m o fn t h e a d o p t sp a r a m e t e r i z e d s o l i d m o d e l i n g 2 1 c o n s i d e r i n gw i d e s p r e a d e x t e n ti no u r c o u n t r ya n df a c i l i t y o f a u t o c a d ，ap r i o rr e a s o ni st h ec o m p a t i b i l i t ya n di n h e r i t a n c eo f b e t w e e n3 d m o d e l i n gs y s t e ma n dh e c a d w h i c hi sa c c o m p l i s h e d b ym e a n s o fa d s r xa n dv i s u a lc + + 5 0 t h i sd i s s e r t a t i o ns e l e c t e d o b j e c t a r x 2 0 0 0a n dv i s u a lc + + 6 0b a s e do i la u t o c a da n d3 d s m a x t h e3 ds o l i d s p r o d u c e db y3 dm o d e l i n go fa u t o c a d s y s t e m h a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fb o d y ，w h i c hc a ne x p r e s st h e p h y s i c a ls p e c i a l i t yo fb o d yt h o r o u g h l y s o l i dm o d e l i n gt e c h n o l o g y c a nn o to n l yp r o d u c er e q u i r e dc o m p o n e n t s m o d e l ，b u ta l s op r o v i d e c u t a w a yv i e wb ys l i t t i n gb o d y , a n dc a n c a l c u l a t ea n d a n a l y z e p h y s i c a lp r o p e r t i e s o f b o d y s u c ha s b u l k ，b a r y c e n t e r a n d m o m e n t o f i n e r t i a e t c 一0 b i e c t a r x s u p p o r t s m f cb a s i cc l a s s l i b r a r i e sw h o s e p o w e r f u if u n c t i o n sf a c i l i t a t eo u rp r o g r a m m e ”t h ed a t ao f3 dm o d e l i n gs y s t e ma r e v e r yc o m p l i c a t e d a n da r e i n v o l v e di n p r o c e s sd e s i g n ，m e c h a n i c a ld e s i g n ，3 d g e o m e t r y p a r a m e t e r sa n d s oo n d a t a s t y l et y p e o ft h e s y s t e m i n c l u d e s 郑州大学硕士学位论文 第v i 页 d i f f e r e n tf o r m a t ss u c ha s g r a p h i c s a n df i l e e t c ，t h e r e f o r e ，t h e d i s p o s a la n dm a n a g e m e n to fi n f o r m a t i o na r ea l w a y sap r o b l e mi n 3 dm o d e l i n gs y s t e m e d b m so fo b j e c t a r xk i t s w a su s e di n d e v e l o p m e n t ，w h i c hh a sp o w e r f u lg r a p h i c sp r o c e s s i n gf u n c t i o n a t t h es a m et i m e t h es y s t e ma l s oc o m b i n e dw i t he x t e m a lr e l a t i o n a l d a t a b a s e sp o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n ga b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o nh a sf i r s t l y a c c o m p l i s h e d3 dm o d e l i n gs y s t e m o f n t h eb ym e a n so fd e e pr e s e a r c h e sa n dm a t e r i a lp r a c t i c e o fk e y t e c h n o l o g yo f 3 d m o d e l i n g 113 dm o d e l i n gm o d u l eo fc o m p o n e n t so fn t h ei n c l u d e sc y l i n d e r , t u b ep l a t e ，d e f l e c t i n gf e n c es e te t c t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n2 d d r a w i n ga n d3 dd e s i g ni sf u l f i l l e db ym e a n s o ft h ea s s u r a n c eo ft h e c o n s i s t e n c y o fd i m e n s i o n p a r a m e t e r s o f2 d d e s i g n a n d3 d m o d e l i n g 2 1t h ed y n a m i ca s s e m b l ys i m u l a t i o nm o d u l eo fn t h ei n c l u d e sn o t o n l ys o m et y p i c a lc o m p o n e n t ss u c ha sd e f l e c t i n gf e n c es e t ，b u ta l s o n i n ek i n do f6 e a fe x c h a n g e r ss u c ha sw a t e r h a t i n gh e a te x c h a n g e r c o n d e n s e r , m a i nh e a te x c h a n g e re t c 3 1t h ei n t e g r a t i o no fc a da n dc a ei sat r e n d t h i sd i s s e r t a t i o n f i n i s h e da n a l y z eb yf e m c y l i n d e rp r o d u c e db y3 dm o d e l i n gs y s t e m o fn t h e b yz rc a e ( e d u c a t i o nv e r s i o n ) t h er e s u l ts h o w st h a t 3 dm o d e l i n g s y s t e mo a nb em a d eas e a m l e s si n t e g r a t i o n w i t h p r e s e n tf e m s o f t w a r e t h e3 d m o d e l i n gs y s t e mo f n t h ei sr e s e a r c h e da n da c c o m p l i s h e di n t h ed i s s e r t a t i o n b ym e a n so fo b j e c t a r x2 0 0 0a n dv i s u a i c + + 6 o b a s e do na u t o c a da n d3 d s t h es y s t e mi sa b l et oe x h i b i td e s i g ne f f e c t t h o r o u g h l ya n dc h e c kd i m e n s i o na s s e m b l y , a n d c a r la l s op r o v i d ear e a l3 d m o d e if o rd e v e l o p m e n to fn e ws t r u c t u r ea n dt h ea n a l y s i s b yf e m w h a t sm o r e i tc a na l s oo f f e r d y n a m i cs i m u l a t i o n f o rm a n u f a c t u r e a s s e m b l yo f n t h e t h er e s u l tp r o v e st h a ti n t r o d u c t i o no f3 dm o d e l i n g a n da n i m a t i o n t e c h n o l o g y i n t o d e s i g n a n ds i m u l a t i o ni sf e a s i b l ei n e n g i n e e r i n gd e s i g n w h i c hp r o v i d e s a ne m c i e n tm e a n sf o rf u r t h e r o p t i m i z a t i o na n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i so f n t h e k e yw o r d s ：h e a te x c h a n g e ，c a d ，3 dm o d e l i n g , d y n a m i cs i m u l a t i o nf o r a s s e m b l y 郑州i 大学硕士学位论文第l 垩 第一章绪论 1 1 国内外c a d 技术及三维造型技术发展概况 自从1 9 6 3 年，美国麻省理工学院l v a ns u t h e r l a n d 博士首次提出c a d 的概念以来，随着计算机图形学理论、大规模集成电路、微型计算机的 迅猛发展，c a d 应用已相当普遍1 “。c a d 技术是通过计算机和c a d 软件对 设计“产品”进行分析、计算与仿真、产品结构和性能的调整与优化以 及绘图，把设计人员所具有的最佳特性( 创造性思维、形象思维与经验 知识、综合判断与分析能力) 同计算机的强大记忆与检索信息能力，大 量信息的高速精确计算与处理能力、易于修改设计、工作状态稳定且不 疲劳的特性结合起来，从而大大提高了设计速度与效率，提高了设计质 量，降低了设计成本。如今，c a d 在航空、机械、造船、机床等行业广 泛应用于结构有限元分析、设计数据库的建立、图形输入和编辑、三维 图形生成和显示、自由曲面设计、构件受力变形、甚至动态振动等方面。 计算机辅助设计几乎推动了一切领域的设计革命。“3 c a d 是2 0 世纪全球最杰出的工程技术成果之一，它是电子技术的一 个重要组成部分，是用高新技术改造传统产业、加快国民经济发展的 项关键新技术。c a d 能够提高产品的设计 质量，缩短科研和新 产品开发周期，降低 消耗，提高新产品的 可信度，大幅度提高 劳动生产率，实现脑力劳动 自动化，是跨世纪的国家关 图1 16 a d 市场目前在全球的分布 郑州大学硕士学位论文 第2 页 键技术。因此c a d 技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家工业现代 化的重要标志，在一定程度上反映出一个国家的综合实力。1 。图1 1 是 目前c a d 市场在全球的分布。相比之下，我国在c a d c a m 技术方面起步 比较晚，与工业发达国家相比约有l o 年- 1 5 年的差距。因此推广c a d 技 术是提高产品和工程设计技术水平的一项重大措施，企业在激烈的市场 竞争中想要立于不败之地，就必须以新产品为龙头，以c a d 技术应用为 手段，使其转化为生产力，推动企业快速发展”1 。 广义c a d 的应用已从绘制二维工程图纸的一般应用开始，逐步深入 到图纸文档电子化管理、三维造型、装潢渲染、有限元分析与优化设计、 工艺设计、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、制造资源管理、企业 资源管理、异地协同虚拟设计制造等内容。总体上讲，c a d 技术的发展 趋势是参数化、智能化、三维化、网络化和标准化”。 目前二维绘图软件的使用相当普遍，这主要是由于工程设计上传统 的绘图习惯。从设计的观点看，人们头脑中所构思的设计对象是三维物 体，用二维图形表示三维物体存在许多局限性。随着三维图形学技术的 发展，在计算机内部建立相应三维实体模型能够更直观、全面地反映设 计意图，在三维模型的基础上还可以进行装配、干涉检查、有限元分析、 运动分析等高级计算机辅助设计工作。建立三维实体模型后，根据需要 可以由该模型方便地生成加工制造过程中所使用的工程图。大型波音7 7 7 客机的设计、制造、装配、实验，已经全面使用了三维化的c a d 技术， 实现了百分之百的数字化和无纸化设计，研制周期缩短到4 年左右。随 着计算机软硬件技术的发展，二维绘图将很快被三维实体造型所代替“。 从历史上看，c a d 三维造型技术的发展经历了线框造型、蓝面造型、 实体造型、参数化造型及变量化造型技术等五个阶段。值得注意的是， 不同阶段的技术在具体软件产品中往往是并存的，而非排它的，以下分 郑州大学硕士学位论文箜! 夏 别详述： 线框造型技术 早期三维c a d 技术是由点、线集合方法构成的线框式系统，这种方法 符合人们的思维习惯。很多复杂的产品设计往往用线条勾画出基本轮廓， 然后逐步细化。线框的数据存储量小，操作灵活，响应速度快。由于线 框的形状用棱线表示，只能表达基本几何信息，因而在使用时存在很大 的局限性。 曲面造型技术 7 0 年代，在飞机及汽车等制造业中遇到了大量的自由曲面问题，当 时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。 由于三视图方法不能完整地表达此类零件信息，因而设计完成后，制作 出来的样品与设计者所期望的存在很大差异，此时，法国人提出了贝塞 尔算法，这样人们可以用计算机来处理曲线及曲面问题。曲面模型利用 各种特征表面来描述图形，基本面有平面、圆柱面、旋转面等。法国的 达索飞机制造公司率先推出了三维曲面造型系统c a t l a ，该系统标志着 计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首 次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技术的 开发有了现实的基础。 曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段比旧的模式有了质 的飞跃，新车型开发速度大幅度提高，许多车型的开发周期由原来的六 年缩短至约三年。 实体造型技术 曲面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特 性，如质量、重心、惯性矩等。例如，在模拟齿传动等物理机构中，需 要计算它们的体积和质心等特性。s d r c 公司基于对c a d c a m 一体化技术 郑州大学硕士学位论文 第4 页 发展的探索，发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件一i d e s a 。实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上 有助于统一c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，给设计带来了极大便利，视觉 上也更加具有真实感。因此可以说实体造型技术代表着c a d 技术的发展 方向，而实体造型技术的普及应用标志着c a d 发展史的又一次技术革命。 参数化技术 前面所述几种造型技术均属于无约束自由造型技术，c v 公司提出了 一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法参数化实体造型方法。 从算法上来说，这是一种很好的思想。它主要具有以下特点：基于特征、 全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。最具有代表性的是 p r o e n g i n e e r 参数化软件。该软件是一整套机械设计自动化软件产品， 它以参数化和基于特征建模的技术，提供给工程师一种革命性方法来实 现机械设计自动化。 变量化技术 参数化技术也存在一些不足之处。首先，“全尺寸约束”这一硬性规 定干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。全尺寸约束，既设计者 在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺 寸约束来控制形状、通过尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸( 即 所谓的“参数”) 为出发点。一旦所设计的零件形状过于复杂，面对满 屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观。 众所周知，已知全参数的方程去顺序求解比较容易。但在欠约束的情 况下，方程联立求解的数学处理和软件实现的难度是可想而知的。s d r c 攻克了这些难题，并就此形成了一整套独特的变量化造型理论及软件开 发方法。变量化技术即保持了参数化技术的原有优点，同时又克服了它 的一些不足之处。它的成功应用，为c a d 技术的发展提供了更大的空间 郑州大学硕士学位论文 第5 页 和机遇o “。 我国c a d 技术起步于6 0 年代末期，当时只有为数不多的几个产业部 门( 如机械、航空、船舶等) 和几所高等院校在研究c a d 技术。经过三 十多年来的努力，我国c a d 技术无论是在硬件生产，还是在应用软件开 发方面都取得了较大进展，开发出许多三维c a d 软件产品，如开目c a d 系列产品、集成化c a d c a m 软件系统g h c a d m i s l 0 、计算机辅助产品造 型系统g h g e m s 4 0 、有限元分析软件j f x 9 5 一w 等。但是，总体来说，我 国在三维c a d 系统的研究与开发上还相对落后，目前尚无可与国外公司 匹敌的产品”“。 1 2 新型换热设备三维造型系统开发背景和意义 随着我国国民经济的快速发展，能源供应形势严峻，按照目前的能 耗水平，能源供应缺口较大。要解决我国的能源问题，必须坚持能源开 发与节约并重的方针，下大力气抓好节能降耗工作。 在化工、炼油、电力等工业中，都必须通过相应的热力系统完成其 生产工艺过程。而热力系统中，换热设备的投资约占企业总投资的2 0 3 0 左右”1 。随着国民经济支柱产业，如电力、化工化肥、炼油、冶金等 企业的生产规模的不断扩大，相应热力系统中换热设备的规模也越来越 大。对于热力系统中的换热网络及其换热设备的传统半经验为主的设计 手段，设计的热力系统能耗高、换热设备体积庞大、投资费用高、设计 周期长，造成材料和能源的极大浪费。与国外相比我国能源利用率低、 产品单耗高、经济效益较差。因此，降低电力、化工化肥、炼油、冶金 等企业的能耗是迫切需要解决的问题。 随着计算机的推广应用，利用计算机辅助设计技术，研究开发热力 系统中换热设备的c a d 技术是今后的一个发展趋势。它不仅能够达到节 郑州大学硕士学位论文 第6 页 _ _ 一一 能降耗、减少设备投资费用、提高设备设计质量与设计效率的目的，而 且能够缩短新产品开发周期、使工程技术人员摆脱繁重的重复劳动a 这 对提高我国节能降耗技术手段，推动国民经济发展都具有现实的作用和 意义。热力系统c a d 技术研究与开发有助于新产品的推广和普及，从而 推动生产力的发展。目前，在热力系统领域中，已经在很大范围局部地 应用了c a d 技术。例如在换热设备的工艺计算、物性参数的检索、大型 容器的有限元应力分析、设备的强度和结构设计、以及设备的绘图系统 等，尤其是对于绘图系统的应用开发是如今c a d 研究开发的热点和重点， 其中有代表性的如化工部设备中心站组织开发的化工设备c a d 绘图软件 包( p v c a d ) ，己在全国许多化工设备设计单位得到广泛应用。 由于管壳式换热器结构可靠，技术成熟，适用面广，为目前换热器 的主要结构形式。其壳程主要为折流板结构，流体主流为横向流动，流 动阻力大，管子易发生振动破坏，传热面积利用率低，仅为7 0 左右。 针对此缺点，美国飞利浦公司开发了折流杆管壳式换热器，如图1 2 ( a ) 所示，其壳程主要为折流栅结构，流体主流为纵向流动如图1 ( b ) 所示， 该结构具有优良的传热及防流体诱导振动性能；同时流体流动阻力小、 图1 2 ( a ) 结构简图 抗结垢能力强，此外还有使用寿命长、 推广】。 ( b ) 壳程流体流动示意图 节材等显著优点，因此迅速得以 我们中心从8 6 年开始研究纵流壳程换热器，在前人的研究基础上， 对其结构进行了系统优化，在优化过程中始终把工艺参数作为一个重要 郑州大学硕士学位论文 第7 页 因素来考虑，根据工艺过程要求，研究出了由杆圈( 杆栅、圈) 支承壳 程、变截面导流筒与夹套三元件组合的新结构，该结构已获得国家专利 z l 9 1 2 1 9 3 0 0 x 。经过工业实际应用，这种新型纵流壳程换热器传热效果 大大提高，其n a p 提高了5 0 ，而设备重量减轻4 0 ”，该成果曾获 国家科技进步三等奖，并被列入“国家九五科技成果重点推广计划”。为 加快推广步伐，“中心”自主开发了从新型换热设备工艺设计、机械设计 到零部件图及总装图的一体化自动设计h e c a d 软件系统( 该系统已于 2 0 0 1 通过国家科委验收) 。 在原有国家九五攻关成果h e c a d 的基础上，本论文研究课题来源 于河南省“十五”重大科技攻关项目“重大过程装备智能化c a d c a e 集成技术的研究与开发”，为了实现该科技攻关项目，新型高效节能换热 设备三维造型是其关键技术之一，它是工程设计的重要环节，贯穿了工 程设计的核心