（化工过程机械专业论文）基于vb和数据库技术的阀门三维设计及试验仿真系统的研究.pdf

摘要? 2 1 2 3 2 摘要 阀门是各种流体装置中不可缺少的控制设备，在国民经济各个部门中有着广 泛的应用。随着市场需求的不断发展，对阀门产品的要求也越来越高。为了适应 市场变化，使工厂在竞争中求得发展，阀门厂家都开始从产品设计入手，开发了 阀门产品c a d 系统，以缩短产品设计周期，为此，开发出阀门三维设计及仿真 系统来提高阀门产品开发的效率。 本文就对此软件的开发原理、设计方法作以介绍。本软件以w i n d o w s 2 0 0 0 为 支撑平台、以a c c e s s 语言作为设计参数数据库的开发工具：以三维设计软件a n s y s w o r k b e n c h 实现阀门零件( 主要是球阀和蝶阀1 的参数化绘图；利用面向对象的编程 语言v b 来实现用户界面的建立，以及与三维建模软件的连接和利用后台程序将 数据传递到a c c e s s 数据库中，并且在完成阀门主要参数设计计算的基础上进行系 统的总体规划和开发。本软件通过利用参数化设计技术、参数化特征建模技术， 并开发相应软件的接口程序，将平台和支撑软件有机的结合，以数据库技术为支 撑，实现了阀门的参数化零件模型的建立。本文还对后来的工作做了展望和建议， 希望通过阀门三维设计及仿真系统的初步设计，能对阀门行业c a d 系统的发展 做出贡献。 关键词：面向对象的技术工程数据库技术参数化三维造型v b 6 0 a c c e s $ 2 0 0 0阀门 a b s t r a c t a b s t r a c t v a l v ei so n eo f n e c e s s a r yc o n t r o l l i n gm e c h a n i s mo fl i q u i de q u i p m e n t i ti sa p p l y i n m a n yk i n d so ft r a d e w i t hf o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fv a l v em a r k e t ， c o n s u m e r r e q u i r el e v e lo fv a l v ep r o d u c t i o ni m p r o v i n gm o r ea n dm o r e ，m a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yd e v e l o pv a l v ec a dt e c h n o l o g yi no r d e ri os h o r t e nt h et i m eo fp r o d u c t i o n s o t h a t w er e s e a r c h3 dp a r a m e t r i cv a l v e d e s i g ns y s t e m t oi n c r e a s e e x p l o i t a t i o n e f f i c i e n c y t h ea r t i c l ei n t r o d u c et h e o r ya n dd e s i g nm e t h o do ft h i ss o f t w a r e t h et h e s i st a k e s w i n d o w s j l 0 0 0a st h eo p e r a t i o nt e r r a c e ，w i t ha c c e s sd a t a b a s ea n dm o d e l i n gs o f t w a r e a n s y s w o r b e n c ha st h es u p p o r ts o f t w a r e ，c o m p l e t i n gt h ef o u n d a t i o na c c o m p f i s h e st h e m a j o rp a r a m e t e rd e s i g no fv a l v e ( m a i n l yb a l lv a l v ea n db u t t e r 嘶v a l v e ) b yw a y o f u s i n gv b t of o u n du s e ri n t e r f a c e ，a n dc o n n e c tt o3 d m o d e l i n gs o f t w a r e ，t h e nu t i l i z i n g p r o g r a mc o d et r a n s f e rd a t at oa c c e s sd a t a b a s e f i n a l l yw e m a d ew h o l e l a y o u tb a s eo n p a r a m e t r i cd e s i g n c a l c u l a t i o n t h i ss o f t w a r em a k e su s e o f p a r a m e t r i c d e s i g n t e c h n o l o g y a n d c o m p i l e dl a n g u a g e t oc o n n e ot w os o f t w a r e s w i t h u t i l i z i n g o f a c c e s s 2 0 0 0t od e s i g nt h ev a l v ed a t a b a s ea n df o r m i n gp a r a m e t e r i z e di n p u ts y s t e m ，s o t h a ta s y s t e m o fp a r a m e t e t i z e dm o d e l i n gc a nb ec r e a t e db y a a s y sw o r k b e n c h s o f t w a r e a n dt h e ni tc a l lc o n s t r u c tt h eb e t t e rf o u n d a t i o nf o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， i m m e d i a t ef o r mo ft h ee l l 西n e e f i n gd r a w i n g k e y w o r d ：v a l v ed e s i g n ，3 dp a r a m e t r i cd e s i g n ，v b 6 0 ，a c c e s s 2 0 0 0 ，o b j e c t o r i e n t e d d e s i g n i 【 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了阀门行业发展的现状，阐述了阀门产品三维参数设计及仿真系统 的研究现状和发展趋势；最后简单介绍了本论文的主要研究工作。 1 1 阀门行业的发展 1 1 - 1 概i 莶 阀门是各种流体装置中不可缺少的控制设备。在国民经济各个部门中有着广 泛的应用。在石油，天然气，煤炭和矿石的开采、提炼加工和管道输送系统中； 在化工产品，医药和食品生产系统工程中；在水电，火电和核电的电力生产系统 中；在船舶，车辆，飞机以及各种运动机械的流体系统中，都大量地使用阀门。 此外，在国防生产系统中和航天等新技术领域里也使用着各种性能特殊的阀门。 因此，阀门是我国国民生产中不可缺少的重要机械产品。 阀门的品种规格很多，从简单的截断装置到极为复杂的自控系统，其品种和 规格众多。阀门可以控制空气、水、各种腐蚀性化学介质，泥浆、液态金属和放 射性物质等各种类型的流体的流动。 改革开放以来，我国阀门行业得到了快速发展，现已基本形成人才培养、科 学研究、产品开发设计和制造较为完善的体系，除少数的特殊阀门产品外，现有 的产品品种和数量基本能满足国民经济各部门的需要，但各类阀门的可靠性和配 套能力与国际水平仍有较大的差距。 b 3 1 1 1 2 阀门c a d 技术的研究概况及发展趋势 1 1 2 1 阀门c a d 技术现状 1 概述 目前我国有相当多的企业从事阀门生产，进行着各种系列规格阀门产品的生 产。阀门品种和规格繁多，并且生产批量小。首先要根据其实际用途及使用工况 进行阀门的选型，其次根据所需求的介质、压力、通径等条件进行参数选择和计 算，然后再选择设计其结构形式。如用传统的设计方法，设计者对产品的结构没 有真实、形象的概念，增加了其设计的难度；另外，由于阀门产品结构的多样化， 用户需求的多变性，使得产品的局部结构需要经常变动，设计参数选择亦经常改 变，这就引起图纸的变更，需要设计者重新绘制一套图纸，增大了设计者的重复 劳动量。而且，随着市场需求的不断发展，对阀门产品的要求也越来越高。为了 适应市场变化，使工厂在竞争中求得发展，阀门厂家都开始从产品设计入手，开 发了阀门产品c a d 系统，以缩短产品设计周期，提高产品标准化和规范化程度， 使设计水平上一个台阶，推动工厂的技术进步和管理水平科学化。【1 j 总体来说，国外工业发达国家开发阀门c a d 较早，从七十年代初就开始研 究开发阀门的辅助设计系统，到现在已经基本形成了较完整的阀门c a d c a m 系 统。而国内从八十年代才开始重视和发展c a d 技术在阀门产品设计过程的应用。 2 c a d 技术在阀门设计中应用的发展 目前，国内己开发的阀门类c a d 系统为数不多，有的系统是单纯的绘图系 统，有的则缺少产品设计、计算和校核环节。或者没有图形管理系统，查阅和维 护极不方便。所以，现在国内开发的阀门类c a d 系统已成为一门综合性应用技 术，它与很多新的技术结合在了一起： 第一章绪论 o ) c a d 与p d m 集成 阀门c a d 系统开发时要有集成化观点，要为c a p p 的开发及 c a d c a p p c a m 的集成作前期考虑，否则，开发出来的c a d 系统沿用的几何模 型虽然对零件的几何属性描述较完整，而对于制造公差及各类技术要求等都表达 不充分，无法实现c a d c a p p c a m 的集成和资源信息共享，不利于企业的长远 发展。 ( 2 ) 工程分析技术 阀门c a d 系统为后续的一些工作做了准备，如有限元分析、优化设计方法、 物理特性计算( 如面积、体积、惯性矩等) 、模拟仿真以及各行各业中的工程分析 等。 ( 3 ) 数据管理与数据交换技术 个有效的产品数据管理系统，能对产品数据进行必要的管理和处理，方便 的解决了不同c a d 系统间的数据交换和接口、计算机网络数据传递等问题。1 4 5 j 1 2 课题来源及意义 阀门( 尤其是蝶阀和球阀1 随着工业化的提高被广泛应用，而大家在选用阀门 时，要求它具有较好的流通性、密封性并且要保证有足够的强度，从而达到密封 性能良好，强度合理，操纵方便、轻便，密封面磨损小，对予各种磨损具有良好 的补偿性能。 随着市场经济的发展，国内外对润门的需求量愈来愈大，用户对产品的质量， 更新速度以及产品从设计到投放市场的周期都提出了愈来愈高的要求。企业的生产 类型也从大批量的生产转化为多品种，小批量或单件生产。这就迫切要求设计出有 竞争力，能满足广大用户需求的新产品。c a d 技术的快速发展和广泛应用，给工程 设计和制造带来了前所未有的生机，使传统的产品设计方法和生产组织模式发生了 深刻的变革。c a d 技术为企业缩短设计周期，增强市场应变能力，参与市场竞争提 供了强有力的技术手段。 利用计算机技术对球阀、蝶阀进行三维参数化设计并进行仿真试验，通过有 限元分析计算，确定阀门产品的应力场与位移场，最终给出阀门密封性能，流阻， 阀杆扭矩大小，以及其主要零部件的强度，变形情况和评价结论。 本项目开发成功后，可利用本软件对球阀、蝶阀进行三维参数化设计和模拟 试验，并通过计算分析，给出试验结果及报告，这样可以大大缩短产品开发周期， 降低开发成本，且可根据试验结果来指导修改设计。 1 3 论文的主要工作 选用具有很强作图功能的a n s y s 软件的w o r k b e n c h 模块作为图形部分的基 本支撑软件；采用高级语言v b 6 0 的面向对象的方法进行编程和建立用户界面处 理参数输入问题：采用a c c e s s 数据库来实现数据的存储。 设计系统的主体思路是利用三种软件为基础，以参数化设计为主流，采用模 块化的结构形式，集数据管理、设计计算和图形生成为一体，增强系统的实用性、 灵活性和扩充性，便于使用。其工作流程图如下所示： 2 第一章绪论 图1 1 工作流程图 基于三种软件的阀门c a d 系统，主要完成以下几方面的工作： 1 1 详细讨论了参数化建模的思想，方法以及实现。 讨论了v i s l l a lb a s i c 编程思想阻及本系统的各功能模块的实现。 3 1 详细阐述了软件的界面设计方法、原则及本系统的界面设计。 4 1 利用a c c e s s 数据库管理系统设计了阀门参数数据库，提出了工程数据库设 计的概念和实施方法。 第二章系统开发工具及运行环境 第二章系统开发工具及运行环境 2 1 面向对象技术 本节首先简要介绍面向对象方法学的基本理论以及面向对象技术发展的概况， 然后分析面向对象的基本要素及其特征，将面向对象的技术作为信息建模的工具， 结合本课题研究的问题，采用面向对象的技术对阀门的设计参数进行分析、归类， 并建立零件模型和阀门的设计参数数据库，以此为基础开发了阀门三维设计及仿真 系统。 2 1 1 面向对象技术的基本观点 2 0 世纪6 0 年代末，面向对象的一些概念已在计算机科学领域内萌芽。1 9 6 7 年开发的s i m u l a 语言中首次提出了“对象”的概念，成为最早的面向对象设计 语言。其后面向对象技术不断发展，到了8 0 年代初x e r o xp a l o a t 公司推出的商品 化的面向对象编程语言s m a u t a l k 8 0 标志着面向对象技术及面向对象编程语言已 发展为有其较完善的概念与理论，并推向具体的编程应用。 目前，面向对象技术的研究领域概括起来主要有：面向对象的程序设计：面 向对象的数据库技术：面向对象的系统分析和设计以及面向对象的操作系统、硬 件系统等主要方向，其应用领域也在不断扩大，尤其是在一些复杂系统：如智能 计算机、计算机辅助系统工程、办公信息系统的应用也愈来愈多。 面向对象是一种认知方法学，它提供了从一般到特殊的演绎手段( 如继承) ， 又提供了从特殊到一般的归纳形式f 如对象类) 。 面向对象方法学认为： 1 ) 客观世界是由各种“对象”所组成，任何事物都可看作对象，每个对象都 有自己的运行规律和内部特点，每个对象都属于某个对象类，都是该对象类的一 个元素。复杂的对象可以是由相对比较简单的各种对象以某种方式而构成，不同 对象的组合相互作用就构成了要研究、分析和构造的客观系统。 2 ) 通过类比，发现对象问的相似性，即对象间的共同属性，这就是构成对象 类的根据。在按“类”、“子类”、“超类”的概念构成对象类的层次关系时，处于 下一层次的对象可自然地继承位于上一层次的对象的属性。 3 ) 对于已分成类的各个对象，可以通过定义一组“方法”来说明该对象的功 能，也就是允许作用于该对象上的各种操作。对象间的相互联系是通过传递“消 息”来完成的，消息是通知对象去完成一个允许作用于该对象的操作。至于该对 象将如何完成这个操作的细节，则是封装在相应对象类的定义中的，对于外界是 隐蔽的。 综上所述，面向对象的方法学比较自然地模拟了人类认识客观世界的方式， 为人们分析、设计和实现系统提供了有效的方法。这正是面向对象技术产生并迅 速发展的重要原因。【6 j 2 1 2 面向对象的基本要素 为了使所介绍的面向对象的概念和本文所研究的问题结合起来，首先对阀门 4 第二章系统开发工具及运行环境 三维设计和仿真系统所涉及的信息及信息的处理方法作简要分析。阀门三维设计 和仿真系统实质上是实现产品设计过程中的信息集成和处理信息方法的集成。为 了和面向对象的概念相一致，称阀门的信息为“数据”，处理信息的方法为“操作 方法”。那么对于阀门来说数据主要有：形状数据、材料数据等，这些数据构成了 阀门数据集合。下面将结合上述分析来介绍面向对象的基本要素： 2 1 2 1 对象( o b 对象是面向对i 象e c 方t ) 法的最基本、最重要的要素。面向对象方法认为世界是一 个复杂对象，世界是由各种对象( o b j e c t ) 组成，任何事物都可用对象来模拟，复杂 对象是由比较简单的对象以某种方式经过层层组合而成。对象的概念具有广泛性， 现实世界的事物在不同的应用领域有不同的信息描述形式。如一个阀门在供货系 统中可用一个型号或价格来描述，而同样一个阀门在c a d 应用领域可能要用通 径、材料、结构等信息来描述。因此，可认为对象是任何事物的抽象，并是该事 物的内在特性在某一应用领域的投影。 无论如何定义对象，都可以抽出如下的共识： 1 ) 对象是人们要进行研究的任何事物。如本文分析的阀门就可以看作是一个 对象。 2 ) 对象实现了数据抽象。如阀门产品这个对象所具有的数据的抽象。 3 ) 对象实现了数据与操作的一体化。如果定义阀门为一个对象后，那么把该 产品对象的数据和对数据的操作封装到一起，由于对象封装了数据及其操作，就 使对象具有较强的独立性和自治性、使其内部状态不受外界的影响，因此，对象 可看作模块化的单位。 2 1 2 2 对象类( o b i e c tc l a s s ) 面向对象另一个重要且具有特色的要素就是对象类。类( c l a s s ) 是一组相同结 构和行为的对象的描述，它是类型的一种实现。类可以是整体地代表一组对象， 提供了所有相似对象的共同结构和行为的描述；也可是一个模板，用以生成给定 类型的对象。 1 1 对象类的定义：将具有相同结构、操作、并遵守相同约束规则的对象聚集 成一组，这组对象的抽象就称为对象类或简称为类( c l a s s ) 。在建立类的概念后， 类中的一个具体对象就称为类。采用类的概念，可以统一地描述具有相同语意性 质的众多对象，从而显著地简化定义对象的工作。 对象类实现了数据与操作的封装( e n c a p s u l a t i o n ) ，并具有抽象数据类型 ( a d t ) 的特性。这主要指允许用户定义复杂的数据类型，这样除系统定义的数据 类型之外，还可以根据复杂系统的要求，定义其复杂的数据类型，使面向对象技 术具有更灵活的表示和可扩充性。 例如，对于成千上万的机械产品，难以，一一定义其数据及操作，但可以用对 象类来对所有的机械产品进行抽象描述。 3 ) 类层次与类格结构：类与类之间的相互关系可具有层次( h i e r a r c h y ) 或类格 f l a t t i c e ) 的结构，它们可与现实世界中普遍存在的“共性个性”现象相对应。 越是上层的类越具有共性，越在下层的类越细化与专门化，也即越具有个性。类 定义了属性，但不接受具体的值，当它们实例化以后，才能接受和存贮具体的值。 第二章系统开发工具及运千亍环境 ，个类实例化后是一个对象，一个类可多次实例化，生成多个实例对象。类可组 成继承层次和复合层次，构成复杂对象。 2 1 2 3 方法( m e t h o d ) 和消息( m e s s a g e s ) 封装( e n c a p s u l a t e d ) t 的外界对对象的操作，称之为方法( m e t h o d ) 。外界与对象 的通讯只能借助于消息( m e s s a g e ) 。消息也称外界对对象进行某一指定操作的请 求。对象接到消息后，调用相应的方法进行相应的操作，返回操作结果。发送一 条消息至少要说明接收对象的名和发送给这个对象的消息名，消息传递是从外部 使得一个对象具有某种主动数据的行为，就对象内部而言，其数据是被动的，而 过程是主动的。 在对缘模型中，方法分为两种：用户定义的方法( u s e r - - d e f i n e dm e t h o d ) 和系 统定义方法( s v s t e m d e f i n e dm e t h o d ) ，用户定义方法封装在用户定义类中：如对 一几何实体对象的旋转、移动、缩放等操作方法。系统定义方法封装在系统定义 的类中：如对象访问、显示、更新、插入、删除等操作。为了适应数据库的统一 处理框架的要求，系统定义方法是基于标识层的，而用户定义方法是基于对象结 构的。因此，阀门三维设计及仿真系统在接到用户对某一对象请求的消息时，必 须通过一定处理才能将消息送到指定的对象上去。 2 。1 2 4 对象状态 在工程应用领域中，总体设计过程往往是自顶而下，详细设计过程是自下向 上。对于工程应用中的设计对象，一般可用状态来描述对象，在对象模型中对象 状态( s t a t e ) 与对象的结构的属性( a t t r i b u t e ) 相联系，对象的状态由属性的当前值组 成。对象中复杂对象的状态取决于组成复杂对象的所有对象的状态。对于设计过 程中的对象，根据它的属性值，可将其状态分为三种：空状态( v o i d s t a t e ) 、不完全 状态( i n c o m p l e t es t a t e ) 和完全状态( c o m p l e t e s t a t e ) 。 对象的空状态是总体设计或概念设计时产生的对象所处的状态，所有描述这 个对象的信息为空，这时设计者只知道它的状态空间。不完全状态是对象在设计 过程中所处的状态，部分描述这个对象的信息仍为空。完全状态是设计过程中某 一阶段结束后所处的状态，它的所有信息有一个完整无二义的描述。 2 1 2 5 对象标识 对象标识( o b j e c ti d e n t i f i e r 简记0 d ) 是将一对象和其它对象加以区分的标识 符。在数据库管理系统中，对象标识是由系统产生并进行统一维护的唯一标识符。 为了保证对象引用的完整性，对象标识符在对象消亡时不能被重用。对象标识对 对象模型的引入，丰富了模型的描述方法和实现途径。i b l 2 1 3 面向对象技术的基本特性 面向对象技术的基本特性主要有抽象性、封装性和继承性。 2 1 3 1 抽象性( a b s t r a c t i o n ) 抽象在系统分析、系统设计以及编程语言发展中一直起着主导作用。广义上 说抽象是指对复杂的现实世界的简明表示，也就是强调应用中所关心的信息而忽 略非本质的、与其应用无关的信息。对象类是实现了的抽象数据类型，对象不仅 可以表达对结构化数据的抽象，而且可表达对非结构化数据( 如复杂的阀门实体等) 第二章系统开发工具及运行环境 的抽象。从而使面向对象技术具有很强的建模能力，能够更自然、更直接、更充 分地表达现实世界的事物，而不必象结构化编程语言那样，要经过转换与映射等 处理。 2 1 3 2 封装性佤n c a p s u l a t i o n ) 封装的定义为： 1 ) 一个清楚的边界，所有对象的内部软件的范围被限定在这个边界内： 2 ) 一个接口，这个接口描述这个对象和其它的对象之间相互的作用； 3 ) 受保护的内部实现，这个实现给出了由软件对象提供的功能细节，实现细 节不能在定义这个对象类的外面访问。 封装是一种信息隐蔽技术，用户只能见到对象封装界面上的信息，对象内部 对用户是隐蔽的。封装的目的在于将对象的使用者和对象的设计者分开，使用者 不必知道对象行为实现的细节，只须用设计者提供的消息来访问该对象。例如， 对于阀门对象，其数据和操作方法被分别封装在对象内部。用户不能直接对数据 进行操作或改变操作方法，只能通过接口进行操作。用户通过接口可以改变阀门 的某一参数，显示阀门的三维图形或进行强度校核、有限元分析等。但是如何实 现参数修改、图形显示等操作则是由对象类的方法来实现，通常是由系统开发人 员通过编程实现，用户不必了解其究竟。这有利于用户集中精力去考虑所开发的 系统各模块之间的关系等重要问题。 2 1 3 3 继承性( i n h e r i t a n c e ) 继承性是自动地共享类、子类和对象中的方法和数据的机制。具体表现如下： 1 ) 新对象自动继承己存在类的全部语义。当某个类己定义完毕，若要创建的 新对象是该类的一个实例时，只要声明新对象是该类的实例。则这个新对象就能 共享类定义中的结构特性、操作和约束，亦即自动地完成继承该类的全部语义。 类层次结构中的继承及继承的传递性。所谓类层次的继承性是指类层次结 构中的子类( 亦称下层类或导出类) 能自动地继承其超类( 亦称上层类或基类) 的全 部语义特性；如果类层次具有两层以上时，这种继承还具有传递性，即最低层的 子类可自动地继承其超类，乃至最顶层的超类的全部语义特性。 3 ) 类格的继承性。在类格结构中，子类可继承其多个超类的语义特性。这种 继承也称为多重继承一( ( m u l t i p l e i n h e d t a n c e ) 。【，4 】 2 1 4 基于面向对象的阀门三维设计及仿真系统 以上简要介绍了面向对象方法学的基本观点、面向对象技术的基本要素及特 点，为面向对象技术对阀门三维设计及仿真系统的描述、分析、设计和实现过程 作了铺垫。在建模过程中，虽然阀门的种类很多，形状、结构有很大的差异，但 是它们的设计思路与方法却是一致和相近的。为使系统适应各种阀门的设计，同 时也使程序的源代码简洁、可靠，以及最大程度的代码重用，故阀门的建模可使 用面向对象的技术。利用面向对象的软件开发技术，实现阀门结构的对象建模， 可就阀体、阀杆、阀座分别建立子模型，再将这些子模型的几何结构和数据结构 进行封装，从而获得高性能的子模块。采用这些子模块组装成阀门整体模型，可 7 第二章系统开发工具及运行环境 得到结构、参数能在一定范围内充分变化的阀门三维实体模型。采用面向对象的 技术不仅使软件具有良好的可扩充性和易于维护，而且可以充分发挥己开发模块 的功能，便于集成和实用化。 2 2 可视化技术 2 2 1 可视化技术定义 可视化，也称作科学计算可视化f s i b l i z a t i o i ns c i e n t i f i c a lc o m p u t e r ) 是用计 算机图形学和图象处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图 形或图像，并在屏幕上显示等一系列进行交互处理的理论、方法和技术，它使往 日冗繁、枯燥的数据变成生动、直观的图形或图像。这些图形、图像能够帮助人 们理解原本以复杂的数字表达方式所表示的科学概念及结果。 2 。2 2 可视化技术主要内容 可视化技术通常包括两个方面的内容： 1 ) 软件开发阶段的可视化，即可视化编程。在开发软件过程中，开发人员所 进行的编辑、运行、管理等操作不再只是一些抽象的命令序列，它们都被简化成 一系y u 4 , 图标( 操作按钮1 ，每个图标上有与相关命令含义一致的图形，每个图标 按下去就对应一段过程，而且给出每个过程必备的公用程序段。当前比较流行的 可视化编程软件有：v i s u a lb a s i c ，d e l p h i ，v i s u a lc + + ，v i s u a tj + + ，v i s u a lf o x p r o 等。 信息管理系统就属于这一范畴。 2 ) 计算机图形技术和方法，对大量的数据进行处理，并用图形、图像的形式， 形象而具体地显示出来。目前主要有3 d m a x ，p h o t o s h o p 等。 2 2 3 可视化系统的主要要求 1 具有实时要求； 2 具有一个三维的、友好的人机交互界面，即这个界面应该使用方法比较自 然，而给使用者的限制尽量少，并能提供真实的三维显示。1 1 0 】 2 2 4 可视化技术的应用 可视化技术在阀门三维设计及仿真系统中的应用主要体现在以下几点： 1 ) 用户界面是利用v b 6 0 来设计的，由于v b 6 0 语言利用了可视化技术，使 得程序代码的编写与用户界面的设计得到了很好的联系，对于设计人员就能很快 的找出错误所在，进行修改。 2 1 在进行数据库的连接时，可以通过d a o 技术来实现v b 和a c c e s s 数据库 的连接，这些所有的操作都可以在可视化技术的基础上进行。 2 3 机械c a d 技术的发展概况 2 3 1c a d 技术简介 c a d 技术简单地说，就是用计算机来进行各种工业产品的设计和工程设计， 它改变了过去人们在绘图板上用手工的绘图工具和方法进行设计的状况。广义地 第二章系统开发工具及运行环境 说，人们所谓的c a d 蕴涵着更丰富的内容，往往包括c a d 、c a m 和c a e ， 就是用计算机和相应的软件来进行产品的设计、制造和工程分析。往往把计算机 在这些方面的综合应用概括地称为c a d 技术。c a d c a m 技术起源于工业发达 国家5 0 年代的航空工业，这是因为航空工业既有这方面的迫切需要，又有它的技 术优势。例如他们在飞机设计与制造过程中，复杂曲面造型、实体模型的空间布 置、运动机构协调、大型结构有限元分析、计算机辅助工艺过程设计、柔性制造 系统仿真等方面的问题都是非解决不可的，他们在这些方面也确实走在其他工业 部门的前头。c a d c a m 技术日趋成熟，已广泛应用于航空、航天、汽车、造船、 机械、轻工、纺织、电子、电器、建筑和工程设计等领域，成为工业发达国家制 造业保持竞争优势、开拓市场的重要手段，有力地促进了全世界高新技术的发展 和新产品的迅速更新换代。3 0 年来，c a d 技术不断创新，系统不断完善，逐步 发展形成一个从研究开发、生产制造、推广应用到销售服务的完善的高技术产业， 相应产生了一批高技术产业公司，从事于c a d 硬件平台的制造、软件的开发、 市场销售、服务与咨询等方面的工作。f 1 0 1 现在c a d 技术的应用领域进一步扩展，从机械产品的设计、分析、制造和 管理到气象预报、地质绘图等无不涉及。不仅应用领域遍及所有工业部门，而且 在体育、医疗、艺术、电影、动画、电视和广告等领域也有着广阔的应用前景。 c a d 技术的应用已迅速从军事工业向民用工业扩展，由大型企业向中小企业推 广，由高技术领域的应用向日用家电、轻工业产品的设计和制造中普及。p “o 2 3 2 c a d 软件的发展经历 1 c a d 软件的发展大致经历了四个发展阶段： ( 1 ) 二维绘图技术 c a d 技术起源于2 0 世纪5 0 年代后期，当时c a d 技术的出发点就是利用 传统的三视图的方法来表示零件，以图纸为媒介进行技术交流，即二维计算机绘 图技术。 ( 2 ) 曲面造型技术 二十世纪6 0 年代末，出现了线框式系统的三维c a d 系统，其只能表达基 本的几何信息，不能表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的表面信息。二十世 纪7 0 年代，随着飞机和汽车工业的蓬勃发展以及贝赛尔算法的提出，开发出以 表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了曲面造型系统c a t i a 。标志着计算 机辅助设计技术革新从单纯模仿工程图纸的三视图模式解放出来，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。 ( 3 ) 实体造型技术 针对表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以表达零件的其他特性( 如 质量、重心、惯性矩等) ，年d x , ic a e 不利( 特别是分析的前处理特别困难) 等问 题，s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了完全基于实体造型技术的c a d c a m 软件 i - d e a s 。由于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 的模型表达问题。 ( 4 ) 基于约束的实体造型技术 其主要表现为二十世纪9 0 年代以来以p t c 公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 的p r o e 为代表的参数化造型理论和以s d r c 公司的i - d e a s 为 第二章系统开发工具及运行环境 代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术。参数化技术的主要技 术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。变量化技 术保留了参数技术的基于特征、尺寸驱动设计修改、全数据相关的优点，而将约 束分为形状约束和尺寸约束。f 1 2 i 2 3 3 c a d 技术的发展趋势 计算机软、硬件水平的不断提高为c a d 技术的发展提供了必要条件，全球 化激烈的市场竞争为c a d 的普及应用提供了动力。c a d 技术在现代制造系统 起着举足轻重的作用，伴随着制造业信息化的进程，c a d 将获得更大的发展和 更广泛的应用。 t 3 1 c a d 技术在近期的发展趋势可概括为如下几方面： ( 1 ) 微机化 过去，c a d 主要以工作站为硬件平台，目前，以w i n d o w s 体系为主的微机 已经占有计算机应用的大部分市场，随着微机硬件水平的不断提升，随着 w i n d o w s 技术的发展，使得微机环境的可靠性、安全性和运行效率得到极大改善。 微机作为c a d 平台已为广大c a d 用户接受。为此，不少c a d 软件商将工作 站上的c a d 软件移植到微机上，如i - - d e a s 、u gi i 、p r o e 等。也出现不少 直接在微机上开发出来的新的c a d 软件，如m d t 、s o l i d w o r k s 等。微机化促进 了c a d 的广泛应用，是c a d 技术发展的一个最重要的特点和趋势。 f 2 ) 集成化 集成化就是共享数据。针对制造业而言，集成化就是把设计、工艺、加工、 管理等各个环节的各种功能软件有机地结合起来，统一数据的描述及交换，协调 各功能软件有效运行。其中计算机集成制造系统( c i m s ) 是c a d 系统集成发展 的一个重要方向。集成化c a d 能缩短产品研制周期，增强企业的竞争力。 f 3 ) 智能化 初级的智能化表现在c a d 软件的人性化、使用方便，最典型的是应用动态 导航技术，弓1 导设计者一步步进行设计。更进一步，根据具体设计方法、技术及 经验，在处理数值性的_ 作的基础上，进行推理型工作，包括方案构思与拟订、 最佳方案选择、结构设计、评价、决策以及参数选择等。这些工作需要知识、经 验与推理将专家系统技术与c a d 技术结合起来，是智能化c a d 系统发展的 必然趋势。f 1 4 】 ( 4 ) 规范化 规范化的趋势体现在数据模型的标准化、数据交换格式的标准化及c a d 资 源的规范化三个方面。 ( 5 ) 个性化 对于c a d 软件供应商来说，c a d 软件的通用化可以使c a d 产品占领更 广阔的c a d 用户市场。而对于c a d 的具体用户来说，又希望c a d 软件个性 化，即具有更强的针对具体产品的设计功能。因此，对已有的c a d 系统进行二 次开发成为企业提高设计能力的重要手段。 ( 6 ) 嘲多子化 计算机网络是现代计算机技术与通讯技术相结合的产物。网络的最大作用是 实现资源共事。c a d 系统只有通过网络互连起来，才能达到资源共享和协同作 用，发挥更大的效益。c a d 的公用信息、图形、编码、标准零部件等都存贮在 1 0 第二章系统开发工具及运行环境 服务器的公用数据库中，用户c a d 工作站通过网络共享其中的数据，进行各自 的工作，交换所需的中间处理数据和最终结果。网络化为应用计算机的各部门实 现信息共享、协同作业提供了物质基础条件。 ( 7 ) 并行化 并行设计作为并行工程在产品设计开发活动中的体现，是从传统串行顺序方 式演化到合作并行求解方式的一项重要技术。c a d 的集成化与网络化为c a d 实 现并行设计提供了软硬件基础。c a d 并行设计实现产品的方案设计、概念设计、 详细设计、分析设计、工艺设计、加工仿真各阶段工作在各设计部门同步进行， 各个设计部门的设计信息共享，并以规定流程实现交流、反馈，牵一发动全身， 同时对各阶段设计中的问题进行修正，保证能在方案完成的同时，产品即可加工 出来。并行化c a d 是全新的c a d 组织形式，最大程度缩短产品研制周期，是 大型企业实施c a d 的发展趋势。5 ，”】 总之，随着网络技术、i n t e m e t 技术和可视化技术的发展和普及，c a d 系统 将更加广泛地采用越来越开放的体系结构，以及基于w e b 的信息管理和智能化 设计制造等技术，最终发展成为集设计绘图、分析计算、智能决策、产品可视化、 数据交换、远程异地协同设计为一体的综合性系统。i 4 ”l 2 3 4 c a d 技术在阀f - - - 维设计及仿真系统中的应用 c a d 技术在本系统中的应用主要是体现在a n s y sw o r k b e n c h 模块生成阀门三 维参数化模型上。 a n s y sw o r k b e c h 被称为二次开发的利器，设计人员负责对自己设计的零 部件进行分析，已成为企业的迫切需求，应该为他们量身订制和使用c a e 分析工 具，a n s y s 公司解决的方案就是“通用程序专用化”。为此，a n s y s 公司创新 性地推出一款专用的“现代c a e 应用程序开发平台w o r k b e n c h ”。 w o r k b e n c h 是专门为重新组合这些组件而设计的专用平台。毫无疑问，开发 出来的软件产品在易用性和功能性之间将可以取得很好的平衡。w o r k b e n c h 提供 了一个加载和管理a p i 的基本框架。在此框架中，各组件( a p i ) 通过j s c r i p t 、 v b s c r i p t 和h t m l 脚本语言组织，并编制适合自己的使用界面( g u i ) 。a n s y s 公司提供的c a d 链接器、参数管理器、各类a p i 以及用户自己知识产权的a p i 在w o r k b e n c h 环境下集成，形成应用程序，然后提交给希望的求解器求解。计算 结果返回w o r k b e n c h 程序进行结果显示。若用户对当前的设计方案不满意，可重 新设置参数，再求解，直到对当前的设计方案满意为止。这些满意的设计参数在 此处可以直接返回对应此模型的c a d 软件中( 双向互动参数传递功能) ，生成候 选的设计方案。 2 4 小结 本章通过介绍面向对象技术、可视化技术，以及c a d 技术的定义、特点、 发展趋势，探讨了这些技术在阀门三维设计及仿真系统中的应用。 第三章数据库技术在软件系统设计中的应用 第三章数据库技术在软件设计中的应用 3 1 数据库技术 3 1 1 数据库技术的基本概念 要掌握数据库技术，必须理解数据库技术的一些基本概念。 3 1 1 1 数据、数据处理和数据管理 数据是描述现实世界中各种具体事物或抽象概念的可存储并具有明确意义的 代码组合。 数据处理是对数据施加各种有效操作以改变其状态的行为。 数据管理是通过对数据篪加操作使数据保持有序或方便使用的状态。从这些 概念可看出数据是基础，是数据处理和数据管理的对象，数据管理包含数据处理。 3 1 1 2 数据库、数据库管理系统和数据库系统 数据库( d a t a b a s e - - d b ) 是为满足某一组织中多个用户的多种应用需要，在计 算机系统中由数据库管理系统按照一定的数据模型建立、运用、管理和维护的相 互联系的数据集合。 数据库管理系统a t ab a s em a n a g e m e n ts y s t e m - - d b m s ) 是一组专门处理访 问数据库的程序，它能够对数据库进行有效的管理，是数据库系统的核心。它的 功能包括存储管理、安全性管理以及完整性管理。 数据库系统( d a t ab a s es y s t e m - - d b s ) 是组织、存取和维护数据库中数据的人 机管理系统，是由计算机硬件、软件、数据库和有关人员组成的有机整体。数据 库系统中的人员包括数据库管理员、系统分析员、应用程序员以及用户，软件包 括操作系统、数据库管理系统应用开发工具及应用程序。1 1 _ 3 1 1 3 数据模型 数据模型是描述数据的一组概念和定义。一般来讲，数据描述包括两方面， 即对数据的静态特性和动态特性的描述。数据静态特性指数据的基本结构、数据 间的联系以及数据间的约束，而数据的动态特性指定义在数据上的一组操作，完 成数据的使用和维扩，。数据模型是数据库系统的基础。在数据库系统中，针对不 同的使用对象和应用层次，可采用三级数据模型。 ( 1 ) 概念数据模型 概念数据模型是针对用户、方便用户与数据库之间进行通信的最外层数据模 型。一般非计算机专业用户很难理解面向计算机的逻辑和物理数据模型，采用概 念数据模型使数据库设计人员在设计的开始阶段就能集中精力描述用户所要求的 现实世界，以便更好地满足用户需要。 f 2 ) 逻辑数据模型 逻辑数据模型是用户从数据库中所看到数据的数据模型，如层次、网状和关 系数据模型。它与d b m s 有关，d b m s 常以所采用的逻辑数据模型进行分类。在 概念数据模型中描述的数据必须转化为逻辑数据模型描述的数据，才能在d b m s 中实现，逻辑数据模型既要面向用户又要面向实际。 ( 3 ) 物理数据模型 物理数据模型是数据存贮结构的数学模型，数据库中的数据最终必须存储在 物理存贮介质上。每种逻辑数据模型实现时，必须有对应的物理数据模型。物理 1 2 第三章数据库技术在软件系统设计中的应用 数据模型不但与d b m s 有关，而且还与操作系统和硬件有关。 3 1 i 4 数据模式 数据模式是按照给定的数据模型对具体的数据进行描述的结果，是数据模型 在某一特定条件下的实例。在d b m s 中，常常采用三级数据模式。 ( 1 ) 概念模式 概念模式是用逻辑数据模型对一个单位所用到的数据进行描述。概念模式设 计是数据库设计的基本任务。概念模式又称为逻辑模式，它是数据库的全局模式， 负责外模式与内模式之间的映射转换。 ( 2 ) 外模式 外模式是用逻辑