（化工过程机械专业论文）新型换热设备零部件特征建模技术研究.pdf

郑州大学硕士学位论文v ，6 3 5 7 5 9 摘要 换热设备广泛应用于石油、化工、化肥、动力、冶金、环保、轻工等国家支 柱和基础产业中，管壳式换热器由于结构可靠、技术成熟适用面广，是目前国内 换热设备的主要结构形式。换热设备主要作用是完成工艺过程的热量交换和余热 利用，其性能的优劣对于工业过程的投资、能耗、环境、环保及运行等起着重要 的作用。纵流壳程换热设备作为新一代节能降耗设备因其具有优良的防流体诱导 振动性能、传热性能好、流体流动阻力小、抗结垢能力强、使用寿命长、节约材 料、降低能耗等显著优点，而得到了广泛的应用。 c a d 技术是本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技术。c a d 技术开始于2 0 世纪5 0 年代，经历 了5 0 年代与6 0 年代的形成，7 0 年代的发展与8 0 年代的兴起，目前c a d 技术仍 在向前发展，被称之为下一代c a d 系统或第四代c a d 系统，其相关技术还在研究 与发展中。第三代c a d 系统始于8 0 年代中期，在建模方法上分别出现了特征建 模和基于约束的参数化和变量化建模方法，其特点是利用特征来表达产品信息， 建立基于同一产品的信息模型，有利于c a d c a p p c a m 的集成。 本课题来源于河南省重大科技攻关计划重大过程装备c a d c a e c a p p v m 及网络化技术研究与应用，新型换热设备特征建模是其关键技术之一。传统的 几何模型、线框模型、表面模型、实体模型仅能描述零件的几何数据，难以在模 型中表达公差、精度、表面粗糙度和材料热处理等工艺信息，无法实现 c a d c a p p c a m 集成的需要。从c a d c a p p c a m 集成的角度出发，要求从产品整 个生命周期各阶段的不同需求来描述产品，能够完整地、全面地描述产品信息， 即重构零件模型，使得各应用系统可以直接从该零件模型中抽取所需的信息。即 研究开发新型换热设备的特征模型。基于以上分析，本文研究开发了新型换热设 备的特征建模系统。 在对c a d 技术、特征技术、计算机图形学、开发环境、数据库技术等进行综 合分析的基础上，本文着重对以下几个方面的内容做了论述、研究和实践： 1 、论述和研究了新型换热设备特征建模系统开发的相关理论和开发技术， 包括特征技术，参数化技术，面向对象技术，数据库技术。实践了以上 郑州大学硕士学位论文 理论和技术在新型换热设备特征建模系统中的应用。 2 、在分析了新型换热设备零部件形体特点的基础上，抽取出同类零部件的 共性，构建了自定义特征库。依据自定义特征库，根据同类零部件的变 异情况，添加特征即可构成完整的零件信息模型。 3 、由于非几何信息与几何信息可分离，本文抽取出零件信息模型的几何特 征，依据尺寸驱动原理，构建了新型换热设备零部件库，运用u g 二次 开发工具，可方便地实现对零件库的查询，修改与访问。为了更加方便 地实现对几何数据进行管理，以便形成系列化零部件，本文在v c + + 6 o 环境中运用0 d b c 数据库访问技术，开发了数据库访问接口，可以方 便地对数据进行添加、修改与查询。 本文结合特征建模关键技术的深入研究及具体实践，在以下方面进行了创新 性工作： 1 、首次将特征技术引入到新型换热设备计算机辅助设计中。 2 、在深入分析了特征技术及零部件特征表达的关系的基础上，提出了零部 件特征模型的结构模型，在此模型的指导下进行研究与实践。 3 、首次研究开发了新型换热设备的自定义特征库和基于特征的零部件库。 4 、实现了运用v c + + 6 0 与0 d b c 数据库接口技术访问u g 内部数据库。 本文以u g l 8 、v c + + 6 0 、u g o p e n 二次开发工具和o d b c 数据库访问技术研 究开发了新型换热设备特征建模系统。该系统中零部件携带几何信息与非几何信 息，从而为新型换热设备c a d c a p p c a m 信息集成打下了基础。通过数据库技术、 尺寸驱动技术，可以方便地形成系列化零件，构成了零部件库，从而形成了系列 化的基于同一产品信息的的零件信息模型。 关键词：新型换热设备特征建模参数化数据库u g o d b c i i 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t h e a te x c h a n g e ri sw i d e l yu s e di no i lr e f i n i n g ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，c h e m i c a l f e r t i l i z e r , p o w e r , n u c l e a rp o w e r ，m e t a l l u r g y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，l i g h ti n d u s t r y e t c ，w h i c ha l la r eb a s i ci n d u s f f i e sa n dm a i n s t a y si no u rc o u n t r y s h e l l - a n d t u b eh e a t e x c h a n g e ri s t h em a i nf o r mi nt h ed o m e s t i ch e a t e x c h a n g e r s a t p r e s e n t ，w h o s e s t r u c t u r ei s r e l i a b l e ，t e c h n o l o g y i s m a t u r e ，a p p l i c a t i o ns c o p e i sb r o a d i t sm a i n f u n c t i o ni st oc o m p l e t eh e a te x c h a n g ei nt h ep r o c e s sn e e d e da n dr e u s er e m a i n i n gh e a t ， a n di t sq u a l i t yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ei n v e s t m e n ti ni n d u s t r i a lp r o c e s s ，p o w e r c o n s u m p t i o n a n ds a f ee c o n o m i c o p e r a t i o n e t c a san e w e n e r g y s a v i n ge q u i p m e n t ，t h e t u b u l a rh e a te x c h a n g e rw i t hl o n g i t u d i n a lf l o wo ft h es h e l l s i d ef l u i d ( t h e l f s f ) h a s m a n y r e m a r k a b l e a d v a n t a g e s i tb e t t e r sa n t i - v i b r a t i o na n d a n t i s m u d g e p e r f o r m a n c e s ，e n h a n c e sh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y , a n dr e d u c e st h es h e l ls i d ep r e s s u r e l o s s ，a l s op r o l o n g ss e r v i c el i f e t i m e ，r e d u c e st h ew e i g h ta n d s a v e sm a t e r i a l s ，e t c 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 si nt h e 2 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 r n 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 d p r o m o t i o n f o rn a t i o n a le c o n o m y b y m e a n s o f t o pa n d n e w t e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g y o fc a db e g i n n i n gi nt h ef i f t i e so f2 0 m , t h r o u g ht h ef o r m a t i o ni n5 0t o6 0 ，t h e d e v e l o p m e n t i n7 0a n dt h es p r i n gu pi n8 0 ，i ti sn o w d e v e l o p i n ga h e a d ，c a l l e d t h en e x t g e n e r a t i o no fc a ds y s t e mo rt h ef o u r t hc a ds y s t e m ，w h o s er e l e v a n tt e c h n o l o g i e s a r eb e i n gs t u d i e d t h et h i r dc a ds y s t e mb e g a ni nt h em i d d l eo f1 9 8 0 ，w h i t ht h e f e a t u r e - b a s e dm o d e l i n ga n dp r e f e r e n c er e s t r i c t i o ni nm o d e l i n gm e t h o d t h ec h a r a c t e r o fw h i c hi s e x p r e s s i n gt h ep r o d u c ti n f o r m a t i o nb yf e a t u r e ，s e t t i n gu p t h es a l n e i n f o r m a t i o nm o d e lo f t h e p r o d u c t ，t h u sh e l p i n gt h ei n t e g r a t i o no f c a d c a p p c a m 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 n “t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f c a d c a e c a p p v m o f i m p o n a n t p r o c e s se q u i p m e n ta n dt h en e t w o r kt e c h n o l o g y ”一 w h i c hi so n eo f m a g n i t u d es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t so f h e n a np r o v i n c e t h e f e a t u r e b a s e d m o d e l i n gs y s t e m o fn e wt y p eh e a te x c h a n g e ri s o n eo ft h ek e y t e c h n o l o g yo f i t t h et r a d i t i o n a lg e o m e t r i c a lm o d e l i n g ，w i r ef r a m em o d e l i n g ，c u r v e d 1 1 1 郑州大学硕士学位论文 s u r f a c em o d e l i n ga n ds o l i dm o d e l i n g o n l yd e p i c tt h eg e o m e t r i c a ld a t ao fp a r t ，h a r dt o e x p r e s st h et o l e r a n c e ，p r e c i s i o n ，r o u g h n e s sa n dh e a tt r e a t m e n t ，e t e t h et r a d i t i o n a l m o d e l i n gm e t h o dc a n t r e a l i z et h ei n t e g r a t i o no fc a d c a p p c a m ，w h i c hr e q u i r et o e x p r e s st h ep r o d u c tf r o me v e r yp l w a s ei nt h ew h o l el i f et i m eo fp r o d u c ti no r d e rt o e x p r e s si tc o m p r e h e n s i v ea n do t h e ra p p l i c a t i o ns y s t e m sc a l le x t r a c tt h ei n f o r m a t i o n w a n t e d b a s e da b o v ea n a l y s i s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d ya n dd e v e l o pt h ef e a t u r e b a s e d m o d e l i n gs y s t e mo fn e wt y p eh e a te x c h a n g e r b a s e do ns u m m a r ya n d a n a l y s i s o fc a dt e c h n o l o g y , f e a t u r e t e c h n o l o g y , c o m p u t e rg r a p h i c s ，d e v e l o p m e n t e 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 s d 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 ee m p h a s i so nt h ef o l l o w i n g s e v e r a la s p e c t s ： 1 、t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd i s c u s s e da n ds t u d i e dt h er e l e v a n tt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo f d e v e l o p i n g f e a t u r e b a s e d m o d e l i n gs y s t e m o fn e wt y p eh e a t e x c h a n g e r , i n c l u d i n gf e a t u r et e c h n o l o g y ，p a r a m e t e rt e c h n o l o g y ，o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ， d a t a b a s e t e c h n o l o g y a n d p r a c t i c e t h ea b o v et h e o r ya n dt e c h n o l o g yi nt h e a p p l i c a t i o no f f e a t u r e b a s e dm o d e l i n gs y s t e m o f n e w t y p e h e a t e x c h a n g e r 2 、o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so i lt h ep a r to fn e w t y p eh e a te x c h a n g e r ，t h e c o m m o n n e s so ft h es a m ek i n do f p a r ti se x t r a c t e da n d t h eu d f l i b r a r yi ss e tu p p a r ti n f o r m a t i o nm o d e lc a nb er e a l i z e dw i mt h eh e l po fu d fl i b r a r y a d d i n g f e a t u r e sn e e d e d 3 、b e c a u s et h e n o n g e o m e t r i c a li n f o r m a t i o n a n dt h eg e o m e t r i c a li n f o r m a t i o nc a nb e s e p a r a t e d ，t h i s d i s s e r t a t i o ne x t r a c t g e o m e t r i c a l f e a t u r ef r o mt h ei n f o r m a t i o n m o d e lo f t h ep a r t o nt h eb a s e so f d i m e n s i o nd r i v i n gt h e o r y ，t h en e w t y p eh e a t e x c h a n g e rp a r t sl i b r a r yi ss e tu p a n di ti sv i s i t e d ，q u e r i e da n dc h a n g e de a s i l yb y u g d e v e l o p e dt o o l s i no r d e rt om a n a g et h eg e o m e t r i c a ld a t ae x p e d i e n t l ya n d f o r ms e r i e so f p a r t ，t h i sd i s s e r t a t i o na p p l yo d b c d a t a b a s ev i s i t i n gt e c h n o l o g yt o a d d c h a n g e o rd e l e t et h ed a t ai nv c + + 6 0e n v i r o n m e n t t h i sd i s s e r t a t i o nc o m b i n e g o i n gd e e p i n t ot h er e s e a r c ho ff e a t u r ek e yt e c h n o l o g y a n d p r a c t i c a lp r a c t i s e ，m a i ni n n o v a t i v ew o r k a sf o l l o w s ： i v 郑州大学硕士学位论文 1 、t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yi n t r o d u c ef e a t u r et e c h n o l o g yi n t ot h ec o m p u t e ra i d e d d e s i g no f t h e n e w t y p e h e a te x c h a n g e r 2 、o nt h eb a s i so f g o i n gd e e pi n t ot h er e s e a r c ho f f e a t u r ek e yt e c h n o l o g ya n dt h e f e a t u r ee x p r e s s i o nr e l a t i o no f p a r t ，t h es t r u c t u r em o d e l o f p a r tf e a t u r em o d e l i s p u tf o r w a r d t h i s d i s s e r t a t i o np r a c t i c er e s e a r c ha n d p r a c t i c ei nt h ed i r e c t i o n o f t h em o d c l 3 、t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yr e s e a r c ha n dd e v e l o pt h eu d f l i b r a r ya n d f e a t u r e b a s e d p a r tl i b r a r yo f t h e n e w t y p e h e a te x c h a n g e r 4 、t h i sd i s s e r t a t i o nr e a l i z et h eu gi n n e rd a t a b a s eb yv c + + 6 0m a do d b c t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c ha n dd e v e l o pf e a t u r em o d e l i n gs y s t e mo ft h en e wt y p e h e a te x c h a n g e rb yu g l 8 ，v c + + 6 0 ，u o o p e nd e v e l o pt o o l sa n do d b c d a t a b a s e v i s i t i n gt e c h n o l o g y t h ep a r t t a k ew i t h n o n g e o m e t r i c a l i n f o r m a t i o na n dt h e g e o m e t r i c a l i n f o r m a t i o ni nt h e s y s t e m ，s o t h ei n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n o f c a d c a p p c a mi sr e a l i z e d t h es e r i e so fp a r t i s e a s i l y f o r m a t t e db yd a t a b a s e t e c h n o l o g y ，d i m e n t i o nd r i v i n gt e c h n o l o g y ，s o t h ep a r tl i b r a r yi ss e tu pa n ds od o e st h e s e r i e so f t h es a m ei n f o r m a t i o nm o d e lo f p r o d u c to f p a r ti n f o r m a t i o n k e y w o r d ：n e wt y p e h e a te x c h a n g e rf e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g p a r a m e t e r i z e d d a t a b a s eu go d b c v 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1c a d 技术发展概述及趋势1 1 9 计算机辅助设计( c o m p m e r a i d e d d e s i g n ，简称c a d ) ，是指工程技术人员以计算 机为工具，用各自的专业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文挡等 设计活动的总称。c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 技术起源于2 0 世纪5 0 年代后期， 是随着计算机及其外围设备的发展而形成的一门新技术，c a d 技术的广泛应用已经 引起了一场工程设计领域的技术革命，特别是近二十年来，由于计算机硬件性能的不 断提高，c a d 技术有了大规模的发展。目前c a d 技术己经应用于许多行业，如机械、 汽车、飞机、船舶、电子、轻工、建筑、化工、纺织及服装等。c a d 技术应用于机 械类产品设计的比例最大，机械c a d 在按个工程c a d 中占有比较重要的地位。作 为2 0 世纪全球最杰出的工程技术成果之一，c a d 在提高产品设计水平、降低消耗、 缩短产品开发周期，提高产品质量和劳动生产率、实现脑力劳动自动化等方面发挥了 极其重要的作用。c a d 技术的发展和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。c a d 技术经历了形成、发展、 提高和集成等阶段。 从2 0 世纪5 0 年代开始到6 0 年代早期c a d 技术处于形成阶段。第一代c a d 系 统出现于6 0 年代，其主要功能是二维设计和绘图，其技术特征是利用解析几何的方 法定义有关点、线、圆等图素。这时期的c a d 系统仅为设计人员提供交互式的工程 绘图系统，软件的设计思想基本停留在用计算机模拟人工己有的设计方法上，不能从 根本上改进传统的工程设计和制造方法，效率低、不直观，不能生成完整的机械零件 的几何描述，零件信息难以被后续生产环节直接引用。 6 0 年代中期到7 0 年代中期，是c a d 技术逐步成熟的阶段，第二代c a d 系统开 发于7 0 年代，这代系统直到目前还在广泛应用，其技术也在不断发展。它们主要 有三维几何造型系统，二维交互绘图系统，有限元分析和数控加工编程。在几何造型 方面采用了三维线框模型、曲面模型和实体模型。在实体造型方面采用了边界表示法 b r e p ( b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n s ) 、构造实体几何法c s g ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 。 郑州夫学硕士学位论文 它是多数据库系统，从设计到加工的全过程采用传统的循序方式即串行方式进行。此 时，为了适应设计和加工的要求，发展起来了三维几何处理软件并提出了实体造型思 想。 实体造型是以方体、柱体、锥体、球体、环状体等多种基本体素为单位体素，通 过集合运算( 拼合或布尔运算) ，生成所需要的集合形体。这些形体具有完整的几何信 息，是真实而唯一的三维物体。实体造型包括两部分内容：即体素定义和描述，以及 体素问的布尔运算( 并、交、差) 。目前常用的实体造型方法主要有：边界表示法、 构造实体几何法、c s g 与b - r e p 混合造型方法和扫描法。 1 边界表示法 边界表示法是以物体边界来定义和描述几何形体的方法。这种方法给出物体完 整、显式的边界描述。其原理是：每个物体都由有限个面构成，每个面( 平面或曲面) 由有限个边围成的有限个封闭域定义。用边界法描述实体的条件是：封闭、有向、不 自交、有限、相连接，并能区分实体边界内、边界外、和边界上的点。实体的数据结 构可用体表、面表、环袁、边表、顶点表五个层次的表描述。记录的信息包括几何信 息和拓扑信息。几何信息是指点的坐标、曲线和曲面的数学方程式等；拓扑信息是指 几何体顶点、边、面的数目、类型以及相互间的连通关系。根据这些明确的信息，可 以知道几何体表面的范围及其邻接情况。 2 构造实体几何法 构造实体几何法把复杂的实体定义为较简单实体( 体素) 的组合。使用布尔算子实 现这种组合。将体素施以交、并、差运算，生成一个二叉树结构，树的叶结点是体素 或变换参数，中间结点是集合运算符号，树根是生成的几何实体。c s g 表示法与机 械装配的方法相似。对机械产品来说，先设计制造零件，然后将零件装配成产品。用 c s g 表示构造几何型体时，则是先定义体素，然后通过布尔运算将体素拼接成所需 的几何体。 3 c s g 与b r e p 混合造型方法 b r e p 法在图形处理上有明显的优点：这种方法与工程图的表示法相似，根据 b r e p 数据町迅速转换为线框模型，尤其在曲面造型领域，便于计算机处理、交互设 计与修改。而c s g 表示法在几何形体定义方面具有精确、严格的优点。其基本定义 单位是体素和面，但不具备面、环、边、点的拓扑关系。因此，其数据结构比较简单。 郑州大学硕士学位论文 c s g 模型是由各个体素构成的，而体素正是零件基本形体的表示，因此从中很容易 抽象出零件的宏观形体和具体形体。c s g 信息和b r e p 信息互相补充，各有所长，许 多系统采用两种方法综合进行实体造型，确保了几何模型信息的完整与精确。 4 扫描表示法 扫描表示法是沿某一轨迹移动一个点、一条曲线或一个曲面，由此所产生的那些 点的轨迹定义一维、二维或三维的实体。用扫描法构造实体易于理解、易于执行，为 开发新方法提供了一个富于创造性的领域。扫描表示法与加工方法也有一定联系，沿 预定轨迹移动的刀具扫描出的体积与零件的毛坯相交的体积表示零件上切除的部分。 扫描法实体造型需要两个要素：被移动的形体和移动该形体的轨迹，形体可以是一条 曲线，一个曲面或者一个实体，轨迹是可解析定义的路径。 利用实体造型软件进行产品设计是工程设计方法的一个突破，将从根本上改变传 统的设计方法：设计人员可以在计算机上直接进行三维设计，在屏幕上见到所设计产 品的真实三维模型。 实体造型方法能正确描述机械零件的三维几何模型，但存在以下不足之处： 1 实体模型仅提供产品的几何形状信息，不能显式地标注尺寸，不提供公差、 表面粗糙度、材料性能和加工要求等重要的产品制造信息，因此不能完整的 表达产品信息。 2 b r e p 实体模型仅存储点、边和面的几何信息及有关的拓扑信息，c s g 模型 存储基本几何体和布尔运算的二叉树。这些信息都不具备高级的工程意义， 不便于工程设计应用和推广。 3 利用实体造型软件构造好产品几何模型后，要对它进行设计修改很不方便。 而产品的设计是一个反复修改、逐步求精的过程。因此不能提供一个灵活而 富有创造性的设计环境。 8 0 年代到9 0 年代初期是c a d 技术迅速发展的阶段。第三代c a d 系统始于8 0 年 代中期，其在软件设计技术上有了重大突破，以三维设计为基础，采用了特征建模和 基于约束的参数化和变量化建模方法，把所有功能在单一的公用数据库下集成起来， 在内部统一的数据结构下工作，实现了二、三维模型修改的关联和c a d c a m 的信 息集成，使从设计到制造的全过程中的所有工作能同时开展，体现了并行工程的思想， 彻底改变了传统的循序工作方式。 1 郑州大学硕士学位论文 特征建模( f e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g ) 是以实体模型为基础用具有一定工程意义的特 征建立零部件的几何模型的造型方法。这种方法以形状特征为载体，加上精度、工艺、 材料、管理等信息进行造型，以工程师所熟悉的方式直接进行设计，比实体造型有更 好的设计效率，所建立的几何模型包括几何信息和工艺加工等非几何信息，有助于加 强设计、加工、检验等各个部门间的联系，为c a d c a p p c a m 集成系统创造了前提。 基于特征的设计，为整个设计制造中的各个环节提供了同一产品信息模型，为 c a d c a p p c a m 的真正集成化、组织实施并行工程成为可能。 实体造型法所建立的几何模型具有确定的形状和大小，一旦建立，即使结构相似 要想改变某些形状的尺寸，也只能重新建模，不能满足机械设计中反复修改和形成系 列化的要求。为此将参数化造型的思想用到特征造型中来，用尺寸驱动、变量设计的 方法定义特征并进行类似的操作，这样就形成了参数化特征造型。由于特征均采用参 数化定义，因此对形状、尺寸、公差、表面粗糙度等均可随时修改，最终达到了修改 零件的目的。 新一代c a d 系统被称作第四代c a d 系统或下代c a d 系统，是一种支持新 产品设计的综合性环境支持系统，能全面支持异地、数字化、采用不同设计哲理与方 法的产品设计工作，目前其相关技术正处于研究与发展之中，未能提供商品化的c a d 系统。 不同阶段的技术在具体的软件产品中往往是并存的，而非排它的。 c a d 技术的发展方向是集成化、智能化、柔性化、网络化和并行设计等。以下 是几个显著的发展趋势： 1 c a d c a p p c a m 系统集成 c a d 系统集成化是当前c a d 技术发展的主要趋势之一，目的是提高产品设计的 自动化程度，逐步形成一个以工厂生产自动化为目标的计算机集成制造系统 ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ，c i m s ) 。 2 建立和应用网络化c a d 系统 将多台微型机c a d 工作站联网或多台微型机c a d 工作站和工程工作站联网， 构成分布式c a d 系统，已成为一种趋势。每个工作站可单独使用，也可相互配合， 实现资源和信息共享，也可实现并行设计和协同工作。c a d 网络的建立以及设计管 理和协同设计功能的实现，将大大促进企业经济效益的提高。 d 郑州大学硕士学位论文 3 人工智能与专家系统技术的应用 在c a d 系统中引入人工智能技术，使机械c a d 系统利用专家的经验，模拟人 的行为进行思考和推理，也就是人工智能( a i ) 、专家系统( e s ) 和基于知识的系统 ( k n o w l e d g e - b a s e ds y s t e m ，k b s ) 技术。这为c a d 技术的发展开辟了新的途径，是c a d 技术的重要发展趋势。 1 2 特征建模技术的发展概述1 1 0 1 7 i 1 9 7 8 年m i t 的g o s s a r d 教授指导的学士论文“c a d 中基于特征的零件表示”中 首次提出了特征( f e a t u r e ) 的概念。1 9 8 8 年末，特征在国际标准化组织i s o 颁布的 p d e s s t e p ( p r o d u c td a t ae x c h a n g eu s i n gs t e p s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u c t m o d e ld a t a ) 标准草案中被正式列为产品信息模型的构成要素，从此特征获得了国际标 准的法定地位，特征技术广泛用于c a d 、c a m 的各个方面，成为c a d 发展的关键 技术。特征技术是c a d c a p p c a m 技术发展中的一个新里程碑，它是在 c a d c a p p c a m 技术发展和应用达到一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化， 自动化的历史进程中孕育成长起来的。 特征建模( f e a t u r e b a s e dm o d e l i n g ) 是将特征( f e a t u r e ) 技术引入到产品设计中， 用更高一层次的具有工程意义的特征来描述零件的一种建模方法。从工程的角度讲是 对形体的组织及整体信息完整表达，使所描述的信息更具工程含义，当前特征建模技 术的研究主要是在实体建模的基础上展开的。 与传统的几何造型系统相比，特征建模具有如下特点： 1 着眼于更好地表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信 息服务。其目的是用计算机可以理解和处理的统一的产品模型替代传统的产 品设计和施工成套图纸以及技术档案使设计和生产准备的各个环节可以并 行展开。 2 使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线 条和体素，而是产品的功能要素。特征的引用体现了设计意图，使得建立的 产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样容易修改。设计人员可以 将更多的精力用在创造性构思上。 郑州大学硕士学位论文 3 有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各个部门之间的联系， 更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反 馈，为开发新一代基于同一产品信息模型的c a d c a p p c a m 集成系统创造 前提。 4 有助于推动行业内的产品和工艺方法的规范化、标准化和系列化使得产品设 计中及早考虑制造因素，保证产品结构有更好的工艺性。 5 推动各行业实践经验的归纳、总结、从中提炼出规律性知识。对于c a d 应 用，特征建模系统要求能方便地生成特征、进行删除、修改、变换、复制、 查询等，并允许将尺寸、公差、加工要求等属性附加于其上，并要求可以兼 顾后续应用的需要。 国外许多研究单位和学者对特征技术的发展和应用做出了贡献。例如，英国的 c r a n f i e l d 理工学院的p r a t t 和w i l s o n 为c a m i 提出了一个按形状和构造特点对形状 特征分类的模式；美国的a r i z o n a 州立大学的s h a h 探讨了特征表达和解释问题，开 发出a u s 特征试验台；芬兰赫尔辛基技术大学的m a n t y l a 教授研制了特征造型系统 e x t d e s i g n ；意大利热亚那应用数学研究所的f a l c i d i e n o 等人提出了边界模型表示特 征对象的描述方法：特征识别方法，并开发了相应的系统；德国柏林技术大学b e i t z 开发了基于特征的造型系统g e k o ；d o u g l a s 等人研究了特征模型建立的问题；r o y 等人研究了尺寸及公差表示处理的问题；j a r o s l a w 等人研究了特征编辑与查询技术； 美国的p u r d u e 大学的a n d e r s o n 等人研究了基于特征设计工艺规程的几何推理问题。 在国内，北京航空航天大学、清华大学、华中科技大学、浙江大学、上海交通大 学、西北工业大学等，以及其他一些单位也发表了一些关于特征技术研究的论著，并 开发了一些特征建模系统。近年来，商业c a d 软件及工具都融入了特征的思想和方 法。例如，p t c 公司的产品s o l i d w o r k s ，p r o e n g i n e e r ，s d r c 的产品i - d e a s m a s t e r s e r i e s ；u g s 公司的产品u n i g r a p h i c s ；i b m 公司的产品c a t l a c a d a m ；a u t o d e s k 公司的产品m d t ；中国广州红地技术有限公司的产品“金银花( l o n i c e r a ) ”系 统，等等。 郑州大学硕士学位论文 1 3 论文的研究背景和意义1 1 8 2 5 1 重大过程装备一换热设备广泛用于石油、化工、化肥、动力、冶金、环保、轻工 等国家支柱和基础产业中，是诸多过程装备中应用最广的一类设备，占工厂设备投资 比例高达3 0 4 0 。换热设备主要作用是完成工艺过程的热量交换和余热利用，其 性能的好坏与工业过程的投资、能耗、环保及安全经济运行起着重要作用。 目前在役的换热设备8 0 以j 二属于挡板式换热设备，其壳程主要为折流板结构， 流体主流为横向流动，挡板式换热设备具有传热死区大、换热效率低、流体阻力大、 管束诱导振动大等缺点，造成能源投资和设备投资的巨大浪费。针对此缺点，美国菲 利浦公司开发了折流杆管壳式换热器，其壳程主要为折流栅结构，流体主流为纵向流 动。郑州大学热能工程研究中心对折流杆换热器结构进行了系统优化，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，其综合指标n p 提高了5 0 ，设备重量减轻2 0 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”自主开发了从工艺设计、机械设计到零部件图及总装图一 体化自动设计的新型换热设备软件h e c a d 系统，该系统已于2 0 0 1 年通过国家科委 验收，并荣获国家科技进步二等奖。 换热设备采取典型的订货型生产( m a k e t o o r d e r ，m t o ) 方式，具有非标准件多， 单件小批生产，制造工艺复杂，生产周期长，设备资金占用量大等特点。为了使新型 换热设备得到迅速推广，达到节能降耗、减少设备投资的目的，应用现代先进计算机 集成制造( c i m ) 技术对传统生产方式进行改造。c i m 的核心是实现c a d c a p p c a m 的集成。其关键是建立基于同一产品信息模型的特征建模系统。 本论文研究课题来源于河南省重大科技攻关计划重大过程装备 c a d