（化工过程机械专业论文）换热设备cad技术及hecad系统升级研究.pdf

摘要 换热设备广泛应用于石油化工、炼油、动力、轻工、原子能、制药、冶金及 其他许多工业部门，在各领域中换热设备的投资占总投资的份额也很大，是一种 重要的过程工业设备。c a d 技术在世界范围内已进入实际应用领域，换热设备 c a d 技术是c a d 技术在换热设备领域的具体应用，换热设备的计算机辅助设计、 制造的研究与开发也是换热设备行业的发展趋势。 热力系统换热设备c a d 系统( 简称h e c a d 系统) 实现了新型高效纵流壳程 换热设备研究开发与工艺设计、机械设计、零部件设计的一体化和集成化。该系 统的的推广应用不仅能达到节能降耗、减少设备投资费用、提高设备的设计质量 与设计效率，且能缩短产品开发周期，优化换热设备设计、降低成本、使工程技 术人员摆脱繁重的重复劳动。 该系统开发以来，在零部件二维图形和总装图的自动化绘制上取得了很大成 功，在对新型高效纵流壳程换热器的设计过程中发挥了重要的作用。但因开发历 时较长，所采用的技术，随着计算机技术的发展，有必要进行一定的更新。另外 该系统只能在a u t o c a dr 1 4 版本下运行，而目前使用较广的c a d 绘图软件是 a u t o c a d2 0 0 0 、a u t o c a d 2 0 0 4 2 0 0 5 ，很不方便工程应用。另外对一些c a e 软件， 在调用时也出现了一些兼容性问题。为解决诸上问题，论文在原代码的基础上， 以a u t o c a d2 0 0 0 为开发平台，运用a u t o d e s k 公司o b j e c t a r x3 0 动态链接库， 以m s v c ( m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 ) 为程序编译环境对h e c a d 系统进行了版本升 级。 论文针对换热设备c a d 系统的现状和发展趋势以及换热设备c a d 系统的 特点，对换热设备c a d 系统及其升级技术进行了研究。阐述了换热设备c a d 技术的基础理论，针对h e c a d 系统的特点探讨了各种开发环境的优劣，并对最 终的开发环境o b j e c t a r x 作了介绍，同时阐述了o b j e c t a r x 应用程序的建立方 法、除错机制及h e c a d 系统中菜单的定制方法，为换热设备c a d 系统的升级 提供了技术和理论支持：阐述了h e c a d 系统由低版本向高版本的升级路线，分 析了低版本中所采用的c a d 技术( 如对话框技术、数据库技术) ，针对它们的缺 点提出了改进意见和升级方法，提升了系统的稳定性，兼容性，更为以后再次升 级打下了基础。 论文由设备技术经济学和设备综合管理角度出发，以纵流壳程换热器的设 备投资作为目标函数，在多约束条件下，采用本中心传热系数及流体流动阻力的 计算公式，对纵流壳程换热器的工艺设计部分进行了优化。在引进m a t l a b 的优 化工具箱，并将m a t l a b 的程序作为m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 的外挂程序与 h e c a d 系统集成方面做了探索。 论文增加了h e c a d 系统的帮助系统，并开发了h e c a d 系统的起动文件和 卸载文件，制作了整个系统的安装程序，与升级前的系统相比，新系统只包含了 可执行程序及相关的辅助文件，占用空间大大减小，使用时更方便，安装时更智 能化。 关键词：换热设备c a do b j e c t a r x i i a b s t r a c t h e a t e x c h a n g ee q m p m e n ti si m p o r t a n tp r o c e s se q u i p m e n tu s e dw i d e l y i n i n d u s t r yo fc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，o i lr e f i n i n ga n de l e c t r i cp o w e r , l i g h ti n d u s t r y , a t o m i ce n e r g y , p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g ye t c i ta m o u n t sh i 【g h e rp o r t i o ni n g r o s si n v e s t m e n to fa ne n t e r p r i s e t h ec a dt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dp r a c t i c a l l yi n e v e r yf i e l d t h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n tf o rd e s i g na n dm a n u n c t u r eo fh e a t e x c h a n g e rb yc a dt e c h n o l o g yi s t h eg e n e r a lt r e n di n f i e l do fh e a t e x c h a n g e e q u i p m e n t h e a t e x c h a n g e rc a ds y s t e mm e c a d ) r e a l i z e st h ei n t e g r a t i o no f t e c h n o l o g i c a l d e s i g n ，m e c h a n i c a ld e s i g na n dc o m p o n e n t sd e s i g nf o rh e a t - e x c h a n g ee q u i p m e n tw i t h l o n g i t u d i n a lf l o wo fs h e l l - s i d ef l u i d w i t l lt h eu s eo ft h es y s t e m n o to n l ye n e r g yc a r l b es a v e d ，e x p e n d i t u r ei n v e s t e di nt h ee q u i p m e n tc a l lb ec u t ，t h ed e s i g nq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo ft h ee q m p m e n tc a l lb ee n h a n t e d ，b u ta l s od e v e l o p m e n tc y c l eo fn e w p r o d u c t i o nc a l lb es h o r t e n e d ，t h ed e s i g no f h e a t e x c h a n g ee q u i p m e n tc a nb eo p t i m i z e d a n de n g i n e e r sc a nb eb r o k e na w a yf o r i l lr e p e t i t i o nb u r d e n s o m el a b o r t h es y s t e mh a ss u c c e e d e di nt w o d i m e n s i o nd r a w i n go fc o m p o n e n t sa n dp l a y e d a n i m p o r t a n tr o l e i nt h ep r o c e s so fd e s i g nf o rh e a t e x c h a n g ee q u i p m e n t 、i t l l l o n g i t u d i n a lf l o wo fs h e l l s i d ef l u i ds i n c ei tw a sd e v e l o p e d b u tn o w i tn e e d st ob e u p g r a d e d t h eo l ds y s t e mc a no n l yb er u ni nt h ee d i t i o no f a u t o c a d r 1 4 a sw ea l l k n o w , t h ec a ds o f t w a r eu s e dw i c l e l va tt h ep r e s c n tt i m ea r ea u t o c a d2 0 0 0 、 a u t o c a d 2 0 0 “2 0 0 5 s oi ti sn o tc o n v e n i e n tt ou s e 。a n dt h e r ei sa l s op r o b l e mj n s o f t w a r ec o m p a t i b i l i t yw h e ni n v o k e db vc a es o f t w a r e s o 恤ed i s s e r t a t i o na d o p t s a u t o c a d2 0 0 0a sd e v e l o p i n gp l a t f o r m ，e x e r t st h et e c h n o l o g yo fo b j e c t a r x3 0 d y n a m i cl i n k1 i b r a r i e so fa u t o d e s ka n dt a k e sm s v c + + ( m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 1a s t r a n s l a t i n ga n de d i t i n gp r o g r a me n v i r o n m e n tt os e c o n d a r yd e v e l o pa u t o c a d2 0 0 0o n t h eb a s i so fo l ds o u r c ec o d e i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n g t ot h es t a t u sq u o ，d e v e l o p i n gt r e n do f h e a t e x c h a n g ee q u i p m e n tc a dt e c h n o l o g ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fh e a t e x c h a n g e r c a ds y s t e m ，t h eu p g r a d et e c h n o l o g yo fh e a t - e x c h a n g e rc a dt e c h n o l o g yi s r e s e a r c h e d t h ed i s s e r t a t i o ne x p a t i a t e st h eb a s i ct h e o r yi nc a dt e c h n o l o g yo f h e a t e x c h a n g ee q u i p m e n t ，d i s c u s s e s t h ec h a r a c t e r i s t i co fe v e r y d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tf o rh e a t e x c h a n g ec a ds y s t e m i n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yo f o b j e c t a r x ，e x p a t i a t e st h eu p b u i l d i n gs t e p a n dt h ed i s p o s a lw a yo fe r r o r so f o b j e c t a r xp r o g r a m ，c u s t o m i z e st h em e n uo fh e c a ds y s t e m ，e x p a t i a t e s t h e u p g r a d i n gm e t h o d so fh e c a ds y s t e mf r o ml o w e re d i t i o nt oh i 【g he d i t i o n ，a n a l y s e s t h et e c h n o l o g yo fh e c a ds y s t e m ( d i a l o g ，d a t a b a s ee t c ) u s e di no l de d i t i o n ， p r o p o s e sb e t t e r m e n ts u g g e s t i o na n du p g r a d i n gm e t h o d ，e n h a n c e st h es t a b i l i t ya n d c o m p a t i b i l i t ya n dg i v e sab e t t e rb a s i sf o ru p g r a d i n gl a t e rt oh e c a ds y s t e m i nt h ed i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fe q u i p m e n tt e c h n o l o g ye c o n o m i c s 1 1 1 a n di n t e g r a t i o nm a n a g e m e n to fe q u i p m e n t s ，e q u i p m e mi n v e s t m e n ti st a k e na s t h e o b j e c tf u n c t i o na n dt h ee q u a t i o n so fh e a tt r a n s f e ra n df l u i dr e s i s t a n c ei nt h e r m a l e n e r g ye n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t r ei sa d o p t e d ，t oo p t i m i z et h et e c h n o l o g i c a ld e s i g no f h e a t e x c h a n g ee q m p m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fm d f i n ec o n s t r a i n t s o m ew o r k s a b o u ti n t e g r a t i o no fo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo fm a t l a bw i t hm a i np r o g r a ma r ea l s o d o n e t h e h e l ps y s t e m ，s t a r t u pp r o g r a ma n du n i n s t a l lp r o g r a mo fh e c a ds y s t e ma r e d e v e l o p e dt h en e ws y s t e mo n l yi n c l u d e sn e c e s s a r yp r o g r a m sa n dr e l a t i v ea s s i s t a n t f i l e s ，s oi tt a k e sl e s ss p a c ei nc o m p u t e rc o m p a r e dw i t ht h eo l ds y s t e ma n di sm o r e c o n v e n i e n ta n di n t e l l i g e n tt ou s ea n di n s t a l l k e y w o r d ：h e a t - e x c h a n g ee q u i p m e n t ，c a d ，o b j e c t a r x i v 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任 和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 郑州大学硕士学位论文 1 绪论 1 1c a d 技术发展概况“1 c a d 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，该技术在机械、造船、汽车、建筑、电子等工业领域内都 已得到广泛的应用。作为2 0 世纪全球最杰出的工程技术成果之一，该技术通过 计算机和c a d 软件可以对产品进行分析建模设计、计算与仿真、绘图设计等。 该技术的应用将设计人员的创造性思维、形象思维、经验知识和综合判断与分析 能力与计算机本身的强大记忆和信息检索能力、高速精确计算与处理能力、易于 修改、工作状态稳定等特性结合起来，在提高产品设计水平、缩短产品开发周期、 提高产品设计质量和劳动生产率、实现脑力劳动自动化等方面发挥了极其重要的 作用。 1 1 1c a d 技术的基本概念与特点4 吲 “c a d ”是世界性的通用专业名词，是英文“c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ”的缩 写，中文称之为“计算机辅助设计”。它是指在设计活动中，技术人员利用有高 速计算能力和高效率图形处理能力的计算机为工具，结合各自的专业知识对产品 进行绘图、分析、计算和编写技术文件等设计活动的总称。c a d 技术就是将在 设计过程中进行的创造性思维活动，完成的设计方案构思、工作原理拟定及设计 思想、设计方法等经过综合、分析，转换成计算机可以处理的数学模型和可以解 析这些模型的计算机程序。在程序运行过程中，设计者可以评价设计结果，控制 设计过程；计算机则可以发挥其强大的分析计算和存储信息能力，完成信息管理、 绘图、模拟、优化等任务。对于一个好的计算机辅助设计系统，要求它既能充分 发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算能力，最终要找到人 和计算机的最佳结合点。 计算机辅助设计内容广泛，包括概念设计、优化设计、有限元分析、计算机 仿真、计算机绘图等诸多内容。在计算机辅助设计工作中，计算机的主要任务是 完成大量信息的加工、管理和交换工作，也就是在设计人员的初步构思、判断、 决策的基础上，通过对数据库中大量设计资料进行检索，根据设计要求进行计算、 郑卅l 大学硕士学位论文 分析及优化，并将初步设计结果在显示器上显示，以人机交互方式反复加以修改， 经设计人员确认之后，在自动绘图仪或者打印机上输出设计结果。在c a d 作业 过程中，逻辑判断，科学计算和创造性思维是反复交叉进行的。一个完整的c a d 系统，要求c a d 技术在设计过程中的各个阶段都能够发挥作用。 作为电子信息技术的一个重要组成部分，c a d 技术是促进科研成果的开发 和转化，促进传统产业与传统学科的更新和改造，实现设计自动化，增强企业及 其产品在市场上的竞争能力，加速国民经济发展和现代化建设的一项关键的高科 技术，也是进一步向计算机集成制造( c i m s ) 发展的重要基础技术。广义上说， c a d 技术包括二维工程绘图、三维造型设计、有限元分析、数控加工、仿真与 模拟、产品数据管理、网络数据库以及上述技术的集成技术( c a d c a e c a m ) 等。 c a d 技术的应用使产品的工程设计、制造的工艺内容和方式都发生了根本性的 变革，这一技术也成为工业发达国家制造业保持其竞争优势、开拓市场的重要手 段。这也是在1 9 9 0 年美国国家工程科学院将c a d 技术评为当代十项最杰出的工 程技术成就之一的重要原因。 与传统的机械设计相比，c a d 技术的应用无论在提高生产率、改善设计质 量方面，还是在降低成本，减轻劳动强度方面都显示着其具有的巨大优越性。可 将其优点归纳为如下几个主要方面： ( 1 ) 提高设计质量。在计算机系统内存储的各种有关专业的综合性技术知识 为产品设计提供了科学基础。人机交互更有利于发挥人机各自的特长，使产品设 计更加合理化。c a d 技术采用的优化设计方法有助于一些工艺参数和产品结构 的优化。不同部门可利用同一数据库中的信息，则保证了数据的一致性。 ( 2 ) 节省时间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化大大缩短了设计 时问，c a d 和c a m 的一体化则显著缩短了从产品设计到产品制造所需要的时 间。 ( 3 ) 较大幅度地降低成本。首先，计算机优化设计带来了原材料的节省，而 计算机的高速运算和绘图机的自动工作也大大节省了劳动力。同时，c a d c a m 集成技术的应用，则进一步缩短了生产准备时间，加快了产品更新换代速度，大 大增强了产品在市场上的竞争能力。 ( 4 ) 将设计人员从繁琐的计算和绘图工作中解放出来。c a d 技术的应用节省 2 郑州大学硕士学位论文 了设计绘图时间，使设计人员可以从事更多的创造性劳动。在传统产品设计过程 中，绘图工作量约占全部工作量的6 0 7 0 ，在c a d 过程中这一部分工作由 计算机完成，速度有很大增加，因此产生的效益十分显著。 从以上分析可以看出，c a d 技术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，是跨世纪的国家关键技术。因此，c a d 技术的发展和应用水 平己成为衡量一个国家工业现代化的重要标志，在一定程度上也反映出一个国家 的综合实力。 1 1 2 国内外c a d 技术的发展概况5 ，6 1 c a d 的产生与发展与计算机辅助绘图( c a g ) 的产生与发展是密不可分的。 计算机辅助绘图起源于5 0 年代。1 9 5 2 年，美国麻省理工学院研制成功了第一台 数控铣床，随后一奥地利人根据数控机床原理在美国研制成功了世界上第一台平 台式绘图机，1 9 5 9 年美国一家公司根据打印机原理研制成功了世界上第台滚 筒式绘图机。这两种自动绘图机的出现，标志着计算机辅助绘图时代的开始。 早期的计算机绘图主要是被动式的，或者说是静止的。人们根据计算机所提 供的绘图软件用高级语言编程，然后进行编译、链接，最后通过绘图机输出目的 图形，在整个绘图过程中人们是无法进行干预的。 6 0 年代初期，美国麻省理工学院林肯实验室的一名博士研究生提出了第一 个人机交互式c a d 系统，首创了交互式图形学领域。交互式计算机图形系统是 以计算机为主，具有图形生成和图形显示功能并且可以实现人机交互对话的计算 机系统。1 9 6 3 年，美国麻省理工学院的研究小组在美国计算机联合会年会上发 表的有关计算机辅助设计项目的五篇论文揭开了计算机辅助设计的序幕。不久， 美国通用汽车公司和i b m 公司率先设计了d a d 一1 系统，利用计算机辅助技术 来设计汽车外形和结构，该系统的开发成为c a d 技术用于工程设计的最早例子。 与此同时，有关c a d 的理论研究有了较大进展，这为以后的c a d 技术发展奠 定了基础。7 0 年代开始出现了基于小型机的c a d 成套系统一“交钥匙系统”， 这种系统具有完整的硬件和软件，特别适用于软件包。该系统只要接上电源，打 开“钥匙”，就可进行设计，使用非常方便。该系统的出现，揭开了第二代c a d 序幕。这期间，中、小企业也开始关注并使用c a d 技术，从而使c a d 技术在 郑州大学硕士学位论文 机械与电子行业得到了较为广泛的应用。8 0 年代初至今是c a d 技术高速发展的 阶段，这期间微型机和超微型机的大量涌现，为c a d 的应用推广开辟了更为广 阔的领域，使c a d 从大、中型系统向微型化发展。其中以i b mp c 系列微机为 主流开发的c a d 工作站进展惊人，这种微型机c a d 系统以其优越的性价比受 到了工程界的欢迎。如今它已取代了“交钥匙系统”，成为c a d 系统的主流。 在过去短短的几十年时间内，c a d 技术得到了突飞猛进的发展，先后推出 了多种适用于大、中、小型计算机和工作站的商用支撑软件，如美国h p 公司开 发的机械设计软件m e l 0 3 0 、美国i n t e r g r a p h 公司开发的用于机械设计和国防 工业的c a d 软件包i e m s 等。从八十年代开始，随着微型计算机性能的不断提 高、价格的不断下降，以个人计算机为基础的计算机辅助设计系统得到了快速发 展，微机上使用的图形支撑软件不断涌现，如通用绘画软件a u t o c a d 、p e r s o n a l d e s i g n e r 交互图形软件包、k a k e y 交互图形软件包、印刷电路设计软件包 t a n g o 等。这些软件均有完善的菜单和交互命令功能，基本上能够适应机械、 电子工业的应用需要。 世界各国在发展c a d c a m 技术方面采用了不同的方针策略。如美国是以 研究c a d c a m 支撑软件为主；德国则把重点放到c a d 技术的应用与系统集 成方面；而英国则以微机c a d 系统为突破口，研制出了完整的机械设计p c c a d 系统，与广泛流行的a u t o c a d 系统兼容，可以实现二维图形、三维实体造型、 仿真模拟等一系列功能；日本学者则在建筑c a d 技术方面进行了大量的研究工 作，提出了完整的建筑设计c a d c a m 系统软件。 我国c a d 技术的研究和应用起步较晚，7 0 年代才开始尝试c a d 的研究工 作，“七五”期间进行了有计划、有组织的研究。作为“七五”重点科技攻关项 目之一，我国学者围绕c a d 支持系统、机械产品共性技术研究和重点机械产品 的开发和应用等方面进行了深入研究。如我国研制成功了多套c a d 支持系统 ( c i e m 、c a d i s e n 、p l l c a d 、z d - - m c a d 等) ，可分别用于小型机、工作站 和微型机环境。这些支持软件都较为成功地解决了图形系统与工程数据库、有限 元分析及前后处理、物性计算、优化设计等子系统的接口，初步形成了开发c a d 支撑软件的能力。为配合产品设计的需要，我国学者还开展了材料性能、机械强 度、疲劳、金属材料的腐蚀、摩擦磨损、金属切削等方面的数据采集、测试和建 郑州大学硕士学位论文 库工作，为我国c a d 设计提供了可靠的基础。在“七五”期间，国家组织各方 力量，对数量大、系列化程度高、设计方法相对成熟的且较有有代表性的重点机 械产品进行了c a d 应用系统的开发。 8 0 年代是我国c a d 技术蓬勃发展的时期。“八五”期间，我国学者在8 6 3 基金及国家自然基金的支持下，把先进制造技术的重点放在c a d c a p p 、c a m 、 c a d c a p p c a m 、c a e 等方面的引进、消化和创新上，相继开发了多种实用的 c a d 系统，取得了令人瞩目的成就。在应用软件开发方面也取得了较大发展， 开发出了许多具有自主版权的应用软件。 9 0 年代以来是我国c a d 技术发展的高潮阶段，c a d 技术在机械、电子、 建筑、汽车、服装等行业的广泛应用使我国国民经济得到迅猛发展，在工业过程 中应用c a d 技术也已成为势不可挡的潮流。 1 2 换热设备c a d 技术的发展背剽7 2 1 】 c a d 是广泛应用于化工、机械、炼油、动力等多个领域的工程技术，该技 术在提高产品设计水平、缩短开发周期、提高产品设计质量和劳动生产率、实现 脑力劳动自动化等方面发扬了极其重要的作用。所以c a d 技术经面世，便迅 速的应用于各行各业，各种专业的c a d 软件也层出不穷。 换热设备c a d 技术是c a d 技术在换热设备设计中的具体运用。随着计算 机的推广应用，利用计算机辅助设计来研究开发换热设备c a d 技术将是今后换 热设备设计行业的发展趋势。它不仅能够达到节能降耗、减少设备投资、提高设 计质量与设计效率的目的，还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，从而对整个国民经济的发展起到积极的推动作用。 随着科学技术的迅猛发展，传统资源的日见枯竭，买方市场又不断强化。换 热设备的设计也面临着新的挑战，企业要赢得市场，走技术创新之路是必须的， 技术创新又主要体现在产品设计的创新上。因此，尽量减少传统设计中简单的、 繁琐的、重复性的劳动，使设计者的注意力集中到核心的设计活动中，从而提高 设计的效率和质量。在此背景下，可以创新产品设计的换热设备c a d 技术应运 而生了。 郑州大学硕士学位论文 1 2 1 国内c a d 技术在换热设备设计中的应用现状 应用于换热器的设计的c a d 技术，由早期的工程绘图，到现在的一体化设 计，国外在此方面一直领先，但因设计标准的不统一，尚不能简单的引进。 我国的c a d 技术起步较晚，因此早期国内使用的c a d 系统及软件都是国 外产品。现在，随着c a d 技术的推广应用，国内c a d 产品市场得到了开发， 国产c a d 软件也已开始蓬勃成长起来。比如中国科学院凯恩软件集团的p i c a d 软件，其总装量已超过5 0 0 0 套，p i c a d 系统及其系列产品的用户遍及全国多个 省、市、自治区，应用范围涉及到机械、电子、设备、工程、建筑等众多行业。 在国内换热设备设计领域内，c a d 技术的应用也有了很大的发展。从8 0 年 代起，国内工程设计人员已经开始用a u t o c a d 作为工具，采用交互式方法绘制 一些简单的换热设备零部件图和装配图。目前，换热设备系统领域内已经在很大 范围内应用了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、设备图的绘制等方面，c a d 技术均有涉及。尤其是设备的绘图系统已成为如今机械c a d 的研究开发重点， 其中有代表性的是全国化工设备设计技术中心站组织开发的化工设备c a d 绘图 软件包( 简称p v c a d ) 、茂名石化公司机械厂开发的浮头式换热器c a d 软件、 中国石化总公司开发的v c a d 3 0 、机电部合肥通用机械研究所的压力容器c a d 的研究与开发等。这些软件系统已经商品化，在全国许多石油、化工设备设计单 位得到较广泛的应用。 1 2 2c a d 技术在换热设备设计中的应用 c a d 技术在换热设备设计中的应用主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 二维绘图 二维绘图是c a d 技术最普遍最广泛的一种应用，用来代替传统的手工绘图。 传统的手工绘图效率低、易出错，绘图工作完成后，如在审核时发现设计方案不 太完善或产品要进行改型设计需对某部分进行修改时，设计者将不得不进行大量 的重复绘图。而c a d 技术使用灵活、操作方便、易于修改的优点在很大程度上 克服了上述缺点，从而极大地改善了设计人员的工作环境，提高了工作效率。 ( 2 ) 建立图形及符号库 6 郑州大学硕士学位论文 在换热设备装配图中，涉及到大量的标准件，如法兰、接管、换热管、封头 等。由于这些标准件数量大，类型和尺寸也有差异，在设计时不得不根据需要绘 制一幅幅的图形，甚至多次重复画一种图形，这使得绘图结构形式繁多。尤其是 一些零部件在设计和绘制时，需要反复查手册、图表，进一步增加了设计与绘图 的复杂度。考虑到这些零部件有一定的国家标准可供遵循，因此在a u t o c a d 软 件上开发一种可以直观方便，快速准确的绘制标准件的图形库在换热设备c a d 系统中是很必要的。 考虑到换热设备c a d 系统所需要的图形库是变参数的图形库，因此建库工 作量很大。为此，采用规范化方法建库，即采用将图形库的程序分为若干段，使 每段完成一定的功能的方法建立该系统的图形库，以减少建库的工作量。根据系 统图形的不同特点，将换热设备设计中最常用的几种标准件和常用图形采用参数 化绘图的方法生成，分别存入库中，制作成标准件库和常用图形库，以便于需要 时调出，从而使图形设计更加方便。 ( 3 ) 参数化设计 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，是指设计对象的结构形状比较定型，可以 用一组参数来约定尺寸的关系，参数与设计对象的控制尺寸有明显的对应，设计 结果的修改受尺寸驱动的影响，所以也称为参数化尺寸驱动。 换热设备零部件大都是系列化、标准化的国标零部件，同一系列的零部件具 有相同的拓扑关系和几何约束，因此采用参数化绘图方法，只需对某一系列的零 部件编写一个应用程序，用户就可以通过同一系列不同组的几何尺寸来进行尺寸 驱动，从而生成相应的零部件，达到一劳永逸的效果。另外用户通过合理地修改 几何参数，可以创建非标准零部件的模型，并且可以通过修改参数来修改模型。 换热设备中有相当一部分非标准零部件，在对非标准零部件进行有限元分析和优 化过程中，需要不断的创建修改模型，参数化尺寸驱动方法则为非标零部件的建 模和优化奠定了技术基础。 ( 4 ) 三维造型 三维几何造型技术能将物体的具体形状及其属性( 如颜色、纹理等) 存储在 计算机内，形成该物体的三维几何模型。这个模型是对原物体的确切的数学描述 或是对原物体某种状态的真实模拟。 7 郑州大学硕士学位论文 随着计算机软硬件的发展，设计机械产品正逐步从二维绘图向三维造型转 变。传统的换热设备二维设计虽然能够满足传统加工的需要，但二维设计不能够 建立产品的三维模型，不能够反映产品的真实几何形体，不能给人以空间的真实 感。设计者不能对二维设计的换热设备模型进行工程有限元分析而得到其工况条 件下的真实温度场和应力场的分布，从而及时对零部件模型的设计缺陷进行修改 和优化，最终设计出性能合格、重量最轻的理想产品。因此说三维造型是一种趋 势。 ( 5 ) 设计文档或生成报表 许多设计属性需要制成文档说明或输出报表的形式，有些设计参数则需要用 直方图、饼图、曲线图等形式来表达。换热设备c a d 系统除生成成套技术图纸 外，还能提供全部有关的技术文档，如材料清单、总体与零部件明细表、使用说 明书等，并能完成c a m ( 计算机辅助制造) 系统的数据转换和信息传输等功能。 这些工作需要用一些专门的软件来完成，如美国c i m l i n c 公司的c i m i d 软件。 这类软件可以快速生成设计结果的各种报告、表格、文件、说明书等，可以方便 地对文本及插图进行各种编辑，并支持汉字处理功能。 ( 6 ) 用有限元建模与分析 有限元分析( 又称有限单元法) 是目前在工程技术领域内应用最广泛、最成熟 的是c a e 方法。6 0 年代后，特别是随着计算机的发展和广泛应用，有限元分析 在结构力学、弹性力学、流体力学、热力学、电磁学、航空航天、土建、水利、 材料等工程设计和工程分析领域越来越成为一种不可缺少的有效的计算和分析 方法。 ( 7 ) 数据库管理系统 换热设备c a d 系统所涉及到的数据库主要是指工程数据库。工程数据库是 用于存储工程数据的仓库，它包含了几何的、物理的、技术的( 或工艺的) 以及 其他技术实体的特性和它们之间的关系。工程数据库又称c a d 数据库、设计数 据库、技术数据库、设计自动化数据库。利用工程数据库管理系统，不但在程序 中能够更方便的进行数据交换，而且工程设计时就可以更方便地管理和存取工程 设计信息，并对它们进行有效的查询、插入、删除和更新。工程数据库对解决综 合工程问题起到了关键的作用，是综合工程系统的中心。在c a d c a e 系统中使 8 郑州大学硕士学位论文 用数据库来管理工程数据，形成了以工程数据库为核心的系统体系结构，它是通 过所有应用程序对一个共用的数据库存取数据而得到的一个集成系统。 ( 8 ) 数控编程 在数控机床上加工零件时，需要将零件的图形尺寸、加工路线与工艺参数等 内容转化成加工代码，再根据代码格式制成代码载体，输入机床控制器中，从而 自动控制机床的加工。这种从零件图到制成代码载体的过程称为数控编程。数控 编程分为手工编程与自动编程两种。 现在所采用的数控编程主要是自动编程，即从c a d 系统提取出所设计的零 件直接进行自动编程，即c a d n c p 集成的编程方式。该方式包括采用数控编 程语言的自动编程、计算机辅助图形设计的自动编程及从c a d 获取信息的自动 编程等三种编程方式。 ( 9 ) 优化设计 工程优化设计包括两个方面：一是将工程实际问题抽象为最优化的数学模 型，二是应用最优化的数值方法求解这个模型。在优化设计的全过程，均离不开 c a d 技术的帮助。首先可以在总体方案设计中，用优化设计与交互图形手段， 使产品总体性能最优化；总体设计方案完成后，可在对各子系统进行优化设计； 最后对部件、零件进行优化设计，并能图形显示及输出优化结果。 1 2 。3 换热设备c a d 技术的发展趋势 换热设备c a d 技术的发展趋势与c a d 技术的发展趋势是一致的。结合其 自身的特点，它主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 集成化 通过系统集成，可以将换热设备c a d 系统设计阶段得到的产品信息用于产 品开发的其它环节上，比如将该阶段得到的产品信息直接传递给换热设备的工程 分析和制造阶段，这便是换热设备设计与制造的集成，亦即c a d c a e c a m 的 集成技术。这样不仅能进一步实现c a d 技术最终目标辅助设计，而且能实 现信息资源的有效共享。 ( 2 ) 智能化 人机信息交流和交互的工作方式是现阶段c a d 系统最显著的特点。经验判 断在设计过程中都是由人来控制的，而现有c a d 技术只是处理数值型工作，如 9 郑州大学硕士学位论文 计算、分析与绘图等。在设计活动中存在的另一类符号推理型工作，包括方案构 思与拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策等则依赖于一定知识模型，采 用符号推理方法才可以解决。因此将专家系统、知识推理和各个领域专家经验与 传统c a d 技术结合起来，形成智能化c a d 系统是换热设备c a d 技术的必然发 展趋势。 ( 3 ) 标准化 系统标准化主要体现在数据模型标准化、数据交换格式标准化和c a d 资源 标准化等方面。通过系统标准化，可以实现不同c a d 系统数据交换，从而方便 用户的应用开发，为c a d 技术进一步发展开辟道路。 1 3 换热设备c a d 系统的介绍 2 2 - z 3 】 热力系统换热设备c a d 系统( 简称h e c a d 系统) ，是国家“九五”科技攻关项 目，是针对国家支柱和基础产业中部分重大过程换热装备所开发出的c a d c a e 软件，旨在实现新型高效纵流壳程换热设备研究开发与工艺设计、机械设计、零 部件设计的一体化和集成化。该系统的开发在理论上和工程实践中都有十分重大 的意义，为新一代部分重大过程装备的设计提供了最先进的技术，提高了我国重 大过程装备的设计制造水平，缩短了产品开发周期，减少了投资费用，降低了成 本，提高了能源利用率，也加快了过程装备更新换代的速度，减少了重大过程装 备进口的费用，同时增强了企业在国内外市场的竞争力，经济效益和社会效益极 其显著。 1 3 1h e c a d 系统的目标 在过程工业中，如：化工、炼油、轻工、制药、电力、冶金、环保等，涉及 大量的装备，如：压力容器，塔设备、换热设备、反应设备、贮运设备、工业炉 及相应的配管系统等。涉及的设备种类繁多，结构复杂，其设计过程烦琐，设计 条件千变万化。而设备的设计是建立在工艺设计、机械设计、零部件设计的基础 之上的，工艺设计和机械设计往往具有较为复杂的计算过程，取决于多种因素。 因此，设计人员若想用手工完成整个设备从工艺设计、机械设计、零部件设计到 总装图的设计，是很费工、费时，效率低且质量难以保证。 随着计算机技术的迅速发展和普及，计算机辅助设计及绘图的理论和应用技 l o 郑州大学硕士学位论文 术得到了越来越广泛的应用。越来越多的工程技术人员开始利用计算机这一工 具，来完成设计工作。目前热力系统换热设备在化工、炼油、轻工、电力、冶金 及环保等领域得到了广泛的应用。而换热设备的设计过程复杂、标准繁多，急需 开发出相应的一体化c a d 系统，提高设计效率和质量。虽然国内推出了一些模 块型软件，但大多功能单一，软件环境、专业标准等难以适应新的要求，更不可 能完成新型高效纵流壳程换热器的设计。因此我们在多年研究的基础上立此项 目，旨在实现热力系统换热设备从工艺、机械、零部件到设备总图真正意义上的 一体化设计，填补国内空白。 把c a d 技术与换热设备设计，特别是新型纵流壳程换热器的设计相结合， 针对工艺设计、机械设计、零部件设计以及有关标准的内容等，在并行工程的指 导下，采用合理的步骤和方法，开发出结构合理、功能齐全、覆盖面宽、自动化 程度高、安全性和可扩充性好的过程装备c a d 系统，实现工艺设计、机械设计 及零部件设计等的一体化和集成化，从而有效地提高换热设备的设计效率和质 量。 1 3 2h e c a d 系统的特点 采用统一的开发平台和数据环境，加上严格的接口协议等，确保了各子系统 既可独立运行，又可集成运行，成功地实现了工艺设计、机械设计、零部件设计 的一体佬： 系统既可设计常规换热设备，又可完成设计新型纵流壳程换热器的设计； 系统所包含的工程数据库，如：物性参数数据库、工程材料数据库，以及公 共模块等，均可作为独立的设计工具，为用户提供方便； 新旧设计标准并存，不仅可以完成换热设备标准零部件的设计，还具有