（机械电子工程专业论文）基于ug的换热设备cad系统研究.pdf

大连理j 工大学硕士学位论文 摘要 长期以来，制冷行业中换热设备的设计以传统的经验设计为主，主要依靠工程设计 人员的手工设计计算。其开发过程事务繁杂，效率低、研发周期长，很难适应市场对新 型高效换热设备的需求和复杂化、高效化的发展趋势。本文针对上述问题，在分析换热 设备特点的基础上，在u g sn x 3 0 平台下开发了一套贯穿换热设备设计全过程的c a d 系统，帮助企业提高设计效率从而达到提高设计响应能力的目的。 本文通过分析目前制冷行业换热设备设计的现状和流程，构建了换热设备c a d 系统 的系统模型。分析了系统的体系结构和功能模块，探讨了换热设备c a d 系统实现的过程， 设计了系统数据库。对系统中的机械设计予系统进行了重点分析，研究了机械设计子系 统中结构设计、强度校核、零件参数化设计、自动装配和二维工程图的自动生成等模块 的业务流程及模块之间的关系。研究了换热设备c a d 系统中所采用的关键技术，结合 u g 的二次开发技术，论述了可参数化的产品建模方法和使用表达式驱动的零件三维模 型的参数化实现过程；提出了一种基于装配规则的三维模型自动装配方法，并利用这种 方法实现了换热设备及其组成部件的三维模型的自动装配；利用u g 的引用集属性方法 实现了零部件二维工程图中明细表的自动生成；描述了基于x m l 的换热设备产品结构模 型。 本文采用w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统和u g sn x 3 0 工程软件为支撑平台，在v i s u a l c + + 6 0 开发环境下，利用面向对象的思想和u g 二次开发技术开发了换热设备c a d 系 统。目前已在大连冷冻机股份有限公司试运行，运行结果表明，系统能够提高换热设备 的设计效率，保证设计质量，使工程技术人员摆脱繁重的重复劳动，具有较好的实用性。 关键词：换热设备；c 加：u g 二次开发；参数化设计；自动装配 基于u g 的换热设备c a d 系统研究 s t u d y o nac a d s y s t e mf o rh e a t - e x c h a n g ee q u i p m e n t sb a s e d o nu g a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，t h eh e a t e x c h a n g ee q u i p m e n t si nt h e r m a lp o w e rs y s t e mh a v eb e e n d e s i g n i n gm a i n l yd e p e n d i n go nt r a d i t i o n a le x p e r i e n c ea n dm a n u a lc a l c u l a t i o n b e c a u s eo f t h e l o we f f i c i e n c ya n dl o n gp e r i o d ，t h eo l dm e t l l o d sc o u l dh a r d l ym e e tt h em a r k e tn e e da n dt h e t e n d e n c yo fh i g he f f i c i e n c ya n dc o m p l i c a t i o n t h i sp a p e ra i m sa ts o l v i n gt h ea b o v ep r o b l e m s a n da n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f h e a t e x c h a n g ee q u i p m e n t s o nt h ep l a t f o r mo f u g sn x 3 0 ， ac a ds y s t e mt h a ti n n st h r o u g ht h ew h o l ed e s i g np r o c e s so fh e a t e x c h a n g ee q n i p m e n t si s d e v e l o p e d t h es y s t e mh e l p si m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dd e s i g nr e s p o n s ea b i l i t y n l em o d e lo fc a ds y s t e mi sc o n s t r u c t e da f t e ra n a l y z i n gt h ea c t u a l i t ya n dp r o c e s so f h e a t e x c h a n g ee q u i p m e n t s d e s i g ni nr e f r i g e r a t i o ni n d u s t r y t h es t r u c t u r e f u n c t i o nm o d u l e s a n dr e a l i z i n gp r o c e s so ft h es y s t e ma r ed i s c u s s e d t h es y s t e md a t a b a s ei sd e v e l o p e d 1 1 1 i s p a p e rp u t se m p h a s i so nt h em e c h a n i c a ld e s i g ns u b s y s t e m i nt h es u b s y s t e mm o d u l e ss u c ha s s t r u c t u r ed e s i g n ，i n t e n s i t yc h e c k o u t ，c o m p o n e n t sp a r a m e t r i cd e s i g n ，a u t o m a t i ca s s e m b l i n ga n d a u t o m a t i cb u i l d i n go ft w o d i m e n s i o ne n g i n e e r i n gd r a w i n g sa n dt h er e l a t i o na m o n gt h e m o d u l e sa r es t u d i e d t h ek e yt e c h n i q u e si nt h ec a ds y s t e ma r ea n a l y z e d c o m b i n e dw i t h u gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yp a r m n e t r i cm o d e l i n gm e t h o da n dt h ep r o c e s so f t h r e e - d i m e n s i o nc o m p o n e n tm o d e l sa r ed i s c u s s e d a na u t o m a t i ca s s e m b l i n gm e t h o df o r t h r e e d i m e n s i o nm o d e l sb a s e do na s s e m b l i n gr u l e si sp r e s e n t e d b yt h i sm e t h o da u t o m a t i c a s s e m b l i n go ft h r e e d i m e n s i o nm o d e l so fh e a t e x c h a n g ee q u i p m e n t sa n dt h ep a r t si sr e a l i z e d m a k i n gu s eo fa t t r i b u t e so fr e f e r e n c es e t ，l i s t si nt w o - d i m e n s i o np a r te n g i n e e r i n gd r a w i n g s c o u l db eb u i l ta u t o m a t i c a l l y i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h es t r u c t u r em o d e lo fh e a t e x c h a n g e rp r o d u c t sb a s e do nx m l w i t hv i s u a lc 什6 0 t h i sp a p e rm a k e su s eo ft h eo b j e c to r i e n t e di d e aa n du g o p e na p i m o d u l et oc a r r yo u tt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt on xs o f t w a r e w i n d o w s2 0 0 0a n du g s n x 3 0a r e s u p p o r tp l a t f o r m s t h i ss y s t e mh a sr a i ls u c c e s s f u l l yi n d a l i a nr e f r i g e r a t i o n c o m p a n yl i m i t e d t h er u n n i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i ss y s t e mc o u l di m p r o v et h ed e s i g n e f f i c i e n c yo fh e a t e x c h a n g ee q u i p m e n t s a l s ot h es y s t e m h a sg o o dp r a c t i c a b i l i t ya n d c o n v e n i e n c e s k e yw o r d s ：h e a t - e x c h a n g ee q u i p m e n t s ；c a d ：s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tf o ru g ： p a r a m e t r i cd e s i g n ；a u t o m a t i ca s s e m b l i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：陋日期：h ；口 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理王大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查潮和借闽。本人授权大连理工大学可以姆本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 髫童 k 啦 ， 丛年业月旦目 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 换热设备设计中的问题 换热设备是指使热量从热流体传递到冷流体的设备。它是化工、炼油、动力、食品、 轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备1 1 1 。换热设备 的主要功能是使热量由温度较高的流体传递到温度较低的流体，使流体温度达到工艺流 程规定的指标，以满足工艺流程上的需要，完成诸如加热、冷却、蒸发、冷凝等工艺过 程。换热设备可以有效的利用热能，在余热利用、节能等方面已成为必不可少的设备。 换热设备的种类很多，其中管壳式换热器是用得最为广泛的一种换热设备类型f 2 】。 随着现代工业生产规模的日益扩大，各工业部门都在发展大容量、高性能设备。过 程工业需要提供体积小、重量轻、换热能力大、流体阻力小的换热设备，因而对换热设 备的性能提出了越来越高的要求，对换热设备的设计也提出了更高的标准。 然而由于传统的研究开发设计手段落后，研发制造周期长，标准繁多，费用高，经 济效益较差，再加上设计过程复杂，很难适应市场对新型高效换热设备的需求和大型化、 复杂化、高效化发展趋势。如何提高设备的设计质量与设计效率、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，节能降耗、减少设备投资费用己成为换热设备开 发设计过程中的瓶颈。 目前的主要问题表现在： 在换热设备的设计时，设计人员根据用户的原始数据，通过查曲线和图表， 主要依靠手工计算数据，之后进行产品设计。手工设计计算需要较长的时 间，精确度受到影响，不利于产品的敏捷开发； 设计开发人员在开发一个新产品的时候，不能有效利用原有设计资源； 产品零件重复建模，花费大量时间； 一 缺乏创新知识管理，企业创新能力弱； 知识积累差，不利经验重用，不利于设计人员培养； 1 1 2 课题的研究目标 为了解决上述种种问题，本文针对大连冷冻机股份有限公司的实际情况，在u g s n x 3 0 平台下开发了换热设备的c a d 系统，该系统具有热力学计算、零部件三维参数 基于u g 的换热设备c a d 系统研究 化设计及自动装配等功能。利用本系统，设计人员可以减少简单重复劳动，缩短研发周 期和交货期，从而提高换热设备设计的效率和质量。 1 2 相关研究现状 1 2 1c a d 技术的应用现状 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n c a d ) 是用计算机硬件、软件系统辅助人 们对产品或工程进行设计、修改及显示输出的一种设计方法。它将计算机高速而精确的 运算能力、大容量存储和处理数据的能力、灵活的图形及文字处理能力与工程技术人员 的创造性思维能力及分析判断能力结合起来，从而大大改善设计质量，提高设计效率。 c a d 技术已经成为提高产品与工程技术水平、降低消耗、缩短产品开发周期、大幅度提 高劳动生产率和产品质量的重要手段。现在c a d 技术及其应用程度己经成为衡量一个国 家科技现代化和现代制造业水平的重要标志1 3 】【4 j 。 在我国2 0 世纪9 0 年代的“八五”和“九五”计划期间，国家大力进行c a d 技术 的推广应用，启动了c a d 应用工程。经过多年的努力，c a d 的普及和推广工作取得了 巨大的成就。表现在以下几个方面： ( 1 ) c a d 技术得到了应用的普及，并取得了显著的增值效益。 ( 2 ) 提高了企业的技术创新能力、产品开发能力和市场竞争能力。 以应用和市场为向导，推动了国产c a d 软件产业化。 ( 4 ) 建立了c a d 人才培训网络，提高了企业应用c a d 技术的素质。 ( 5 ) 组件咨询服务体系，促进了c a d 咨询服务业的形成和发展。 ( 6 ) 制定技术标准，加快了c a d 应用工程向广度和深度发展的步伐。 尽管我国c a d 技术的应用已经取得了巨大成就，但与发达国家相比仍有较大差距。 我国c a d 技术的应用还很不平衡，仍然需要向广度和深度扩展。目前我国制造业当前 应用c a d 技术的情况，大致可分为以下四种不同的应用层次： ( 1 ) 基于计算机绘图、产品三维几何造型的应用层次。这个层次基本属于“甩图板” 层次，其特点是：提高了绘图效率，部分产品设计采用了参数化、系列化、模块化的方 法，缩短了开发周期；采用了装配仿真等手段，从一定程度上提高了产品的设计质量。 ( 2 ) 基于计算机辅助工程分析( c a e ) 进行产品性能设计的应用层次。其特点是利用 有限元分析、优化设计及其他工程分析工具使形状结构设计与工程分析技术相结合，有 效地提高了产品的设计质量。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 基于产品数据管理( p d m ) 的c a d 应用层次。其特点是基本实现了部门级的文档 管理、产品结构管理与工作流程管理，但与仓业资源规划( e r p ) 系统的集成与信息共享 尚不完善，理想的产品配置还难以达到。 ( 4 ) 基于企业信息化平台的c a d 应用层次。其特点是实现了c a d c a e c a p p 等的 c a x 集成，还实现了c a x p d m e i u p 的集成，达到了全企业，甚至企业间的信息交换和 共享。这一层次是c a d 技术的深化应用，是现阶段制造业信息化工作的主要内容。 随着世界市场的多变与激烈竞争，随着各种先进设计理论和先进制造模式的发展， 随着高档微机、操作系统和编程软件的发展，随着因特网的迅速发展，随着c a d 技术 的不断研究、开发与广泛应用，c a d 技术正在经历着前所未有的发展机遇与挑战，正 在向集成化、网络化、智能化和标准化方向发展【5 1 。 1 2 2 参数化设计的理论及研究现状 ( 1 ) 参数化设计方法 参数化设计( p 踟e t r i cd e s i g n ) 是一种设计方法，主要是通过改动图形某一部分或某 几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现尺寸对图形的驱动。参数 化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，成为初始设计、产品建模 与修改、系列设计、多方案比较和动态设计的有效手段，是提高三维模型设计效率的最 好方法之一【6 l 川。 在c a d 领域中，参数化技术是指采用预定义参数的方法建立图形的约束集，并指 定一组尺寸作为参数使其与几何约束集相关联，将所有的关联公式融入到应用程序中， 然后以人机交互的方式修改参数，通过参数化尺寸驱动实现对设计结果的修改。在参数 化设计过程中，参数与设计对象的控制尺寸有着明显的对应关系，并具有全局相关性。 参数化设计不同于传统的设计，它存储了设计的整个过程，能设计出一族而非单一的、 在形状和功能上具有相似性的产品模型。正是有了这种参数化设计技术，才使得数据的 改变在不同层次之间的传递具有关联性、同步性和即时性。因此，才有了真正意义上的 自顶向下设计及以这种设计为基础的并行设计1 8 】o 通常所说的“参数化设计”是指通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完 成对图形中相关部分的改动，从而实现尺寸对图形的驱动，其中进行驱动所需的几何信 息和拓扑信息由计算机自动提取【9 j 。 所谓“参数化设计模型”是指以约束来表达产品模型的形状特征，以一组参数来控 制设计结果，从而能通过变换一组参数值就方便地创建一系列形状相似的零件【1 0 j 。 基于u g 的换热设备c a d 系统研究 “参数化技术”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。多数与设计对象的控制尺寸有显然的对应，设计结果的修改受到尺寸驱动，所以 也称为“参数化尺寸驱动”1 1 1 - 1 4 。 代，s u t h c r l a n d 在其开发的s k e t c h p a d 系统中，首次将几何约束表示为非线性力一程组来 确定二维几何形体的僮量【1 5 】。后续的研究工作大多是在s u t h c r l a n d 等的研究基础上开展 的。参数化设计技术在解决二维绘图以及二维造型建模的问题上表现出很大的优势，如 国外的a u t o o 国，u g ，p r o e n g i n e e r 以及c a t t a 等二维、三维软件，国内的c a x a 、开 目c a d 以及金银花m d a 等商业化软件在国内外企业产品设计，特别是零件设计中发 挥着巨大的作用1 1 6 1 。 在经过了6 0 一7 0 年代的萌芽期、7 0 - 8 0 年代的开创期以及8 0 一9 0 年代的发展时期后， 至今，基于知识的参数化理论已经逐渐完善，参数化方法在实践中得到广泛应用【1 1 。 韩国p o h a n g 大学l e ej a ey e o l 提出利用图来表示基于知识的几何推理方法，将完 备的约束设计模型和几何规则表示成图，从设计图选择出适当的子图以得到新的事实， 并在规则图中搜索子规则图去匹配模型中的子刚1 8 】，目的是改善推理过程，节省推理时 间。l e ej a ey e o l 给出一种基于自由度分析( d e g r e eo ff r e e d o ma n a l y s i s ) 的约束分析 与求解方法1 1 9 l ，构造与约束分析同步进行，求解算法稳定并且已运用于机构的运动模拟。 西班牙c a t a l u n y a 大学j o a r r - a r i n y or 等提出了一个基于规则的几何约束求解器， 应用对象为二维几何体求解过程分为两个阶段，第1 阶段为建立构造步骤序列；第2 阶段则是根据当前尺寸值和构造步骤生成几何对象的实倒【“k 该方法实质上是一种基于 图和规则的构造过程方法，原型系统通过p r o l o g 语言实现，分析器采用前向推理，而 构造器则是一个简单的函数语言解释器。 中科院系统所g a ox i a o - s h a h 和美国w i c h i t a 国立大学c h o us h a n g c h i n g 在几何 约束求解系统中，提出了一种全局传播法和代码计算法，该方法对局部传播方法进行扩 展，全局传播法在确定一个几何元素对象的位置时是从几何元素集中的已知元素推理而 来的，推理过程中不仅使用了显式约束，而且还有约束信息中的隐含约束，并且能判定 一个几何对象是过约束，还是欠约身彭彤 国内对参数化技术的研究起步较迟。但由于近二十年来，我国的国民经济获得了顺 利、快速的增长，c a d 技术得到很大的发展，而作为c a d 技术的重要内容的参数化技术 也得到了深入的研究，各种关于参数化设计的理论与方法不断被提出。 大连理工大学硕士学位论文 浙江大学谭建荣教授等针对现有在线参数化方法的不足，提出了模型建立和求解相 分离的离线式参数化方法【2 2 矧，基本思路是根据工程制图规则和尺寸与图形的朱质裆 系，自动建立尺寸与图形的约束关系，并探讨了工程图约束信息自组织原理和方法。 在几何约束方面，李海峰等提出了用辅助线实现参数化绘图 ；刘升明、李建军、 肖祥芷针对冲压产品提出了参数化建模系统p i g m ( p a r a m e t r i c i n t e r a c t i r e g e o m e t r i cm o d e l i e rs y s t e m ) ，该系统应用基于几何约束的代数方法和基于图形数据的 尺寸方法，通过代数方法处理由草图生成正规图的复杂约束情况，通过尺寸驱动法对数 据库进行操作，该系统对于几何模型的建立提出了非常有意义的算法，并得到了一定的 应用。 在特征的研究方面，高曙明等提出一种面向特征造型的参数化设计方法，对三维几 何约束在初始设计阶段采用高层表示，并基于面向特征造型的高层几何约束模型与约束 传播实现尺寸驱动几何，从而能够有效地支持特征设计、初始设计【矧。 在变量驱动技术的研究方面，沈剑等提出一种基于变分几何的参数化设计绘图方 法，根据对实际工程图纸的分析，将图纸信息分解为结构图元与轮廓两大部分，并对传 统变分几何的设计方法作了大量的改进，提高了设计绘图效率【硐。 在尺寸驱动的研究方面，陈兴、李德群、郑文生等人建立了采用尺寸叠加算法为基 础，建立图形结点与尺寸参数关系的参数化图形库开发工具，并在注射模c a d 中得到 应用f 2 7 】。 1 2 3 换热设备c a d 系统的研究现状 应用于换热设备设计的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。 中国的c a d 技术起步比较晚，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 已经蓬勃成长起来。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 j ) 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2 0 世纪8 0 年代起，国内工程设计人员已经开始用a u t o c 6 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 基于u g 的换热设备c a d 系统研究 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( 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。此外郑州大学热能工程研究中心开发的换热 设备c a d 系统- 髓c a d 系统在理论和工程实践中都有十分重大的意义，是针对石 油、化工、化肥、动力、建材、轻工、环保等国家支柱行业和基础产业中部分重大过程 装备的滞后现状而开发的c a d c a e 软件i 勰- 3 2 】。 1 3 课题意义 随着电子技术的飞速发展，c a d 技术在全世界范围内进入了实际的应用阶段。c a d 技术是设计人员在c a d 系统的辅助下，根据生产的设计程序进行设计的一项新技术， 是人的智慧和创造力与计算机系统功能的有效结合。而换热设备c a d 技术则是c a d 技 术在换热设备设计中的具体运用。 将换热设备设计与计算机应用技术相结合，研究开发新型高效节能换热设备现代设 计制造技术是今后一个发展趋势。它不仅能够达到节能降耗、减少设备投资费用、提高 设备设计质量与设计效率的目的，而且能够有效地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。 当前，迫切需要开发出一套技术上先进、实际操作上可行、功能完备、贯穿全过程 的换热设备的c a d 设计系统。通过该系统，设计人员可以减少简单重复劳动，提高设 计的效率和质量。 1 4 本文研究的主要内容 在企业委托项目“大连冷冻机股份有限公司换热设备c a d 系统的研究与开发”的 支持下，本文以换热设备的参数化设计研究为核心，并结合企业生产准备和设计活动现 状，探讨如何利用企业现有资源( 网络资源，设计资源，计算机资源等) ，结合企业换热 设备设计的过程，基于参数化设计先进理念研究适合企业本身的换热设备计算机辅助设 计系统，从而达到对基于参数化设计理论的换热设备计算机辅助设计系统进行理论和应 用的验证目的。本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 探讨了换热设备c a d 系统的体系结构，并完成各功能模块及数据接口的设计， 重点在机械设计子系统的设计与实现； ( 2 ) 研究换热设备c a d 系统中应用到的关键技术，包括三维零件模型的参数化以及 部件的三维自动装配技术等； 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 利用当前流行的面向对象技术，结合企业设计实例，开发了换热设备的c a d 设 计系统，并在企业中得以应用验证。 本文共分六部分，组织结构安排如图1 1 所示： 在分析现有的文献和企业实际情况的基础上，提出所研究的问题； 一对相关理论进行研究，建立换热设备c a d 设计系统模型； - 对系统进行结构和功能分析，对机械设计子系统进行详细设计； 研究系统开发中应用的关键技术； - 在现有技术的基础上，建立应用系统，并在企业中应用验证； 最后总结全文并提出下一步的工作。 作者主要负责机械设计子系统进行设计与实现，因此除了在第二章对系统整体结构 进行介绍之外，其余章节均围绕机械设计子系统展开。 第一章绪论 l 闽题提出 i l 一 第二章换热设备c a d 系统分析 总体框架系统分析 之9 第三章机械设计予系统详细设计 系统设计 详细分析子系统各个模块设计 与 馨罐轱素5 犴 之 一一 第四章换热设备c a d 系统中关键技术研究 基本理论l系统中各关键技术的应用 | | 弋夕 7 第五章换热设备c d 系统实现开发与实弱 i l 弋7 7 结论全文总结 图1 1 论文的结构 f i g 1 1f r a m e w o r ko f t h ed i s s e r t a t i o n 基于u g 的换热设备c a d 系统研究 2 换热设备c a d 系统分析 本文开发了基于u g 的换热设备c a d 系统大大提高了换热设备设计的效率，换热 设备c a d 系统解决了换热设备设计中的热力学计算，机械设计以及资源管理等方面的 问题。设计人员只要输入原始参数或要求，系统就能依据相关的知识，查询数据库，调 出相应的产品型号并进行参数化处理，并可以根据要求生成明细表。 2 1 换热设备结构特点分析 大连冷冻机股份有限公司生产的换热设备具有如下特点： 结构简单； 同一类型换热设备结构大体相同； 设计计算过程基本固定； 换热设备的组成零部件大部分都是已经标准化的零部件； 同一系列的零部件具有相同的拓扑关系和几何约束。 正是因为上面提到的换热设备的结构特点，所以宜采用计算机辅助设计手段实现参 数化、系列化设计。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 系列不同组的几何参数来进行尺寸驱动，从而生成相应的零部件，达到一劳永逸的效果。 另外用户通过合理的修改几何参数，同时可以方便的创建非标准零部件的模型。 2 2 系统环境分析 本软件系统是基于u g 的二次开发技术开发的，需要嵌入到u g sn x 软件内部，在 n x 软件界面下运行。同时需要a c c e s s 数据库的支持。 2 2 1 硬件环境 要求系统能流畅运行u g sn x 3 0 软件，硬件环境要求如下； c p u _ 斗i i i 处理器以上 内存一1 2 8 m 以上 显存一3 2 m 以上 硬盘一1 0 g 以上 2 2 2 软件环境 系统在u g sn x 3 0 软件平台基础上，在集成开发环境v c + + 6 0 v 通过n x 提供的二次开 发接口u g 0 p e na p i 进行系统开发。软件环境要求如下； 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 安装w i n d o w s 2 0 0 0 n t x p 系统 安装u g s3 0 版本以上软件 安装m i c r o s o f tw o r d 2 0 0 0 版本以上软件 2 2 3 数据库环境 系统以微软a c c e s s 作为底层数据库管理系统，通过微软提供的数据库访问接口a d o 对底层数据库进行访问和数据管理、同时利用w i n d o w s 文件系统对部分模型、文件进行 集中式管理。 2 3 系统需求分析 通过长时间详细认真的调研，基本掌握了该企业的换热设备设计过程，同时也了解 到该公司对换热设备的c a d 系统的需求情况。 2 3 1 换热设备设计流程 换热设备的设计流程如图2 1 所示，主要包括： 图2 1 换热设备设计流程 f i g 2 1d e s i g np r o c so f h e a t - e x c h a n g ee q u i p m e n t s 热力学计算与校核，对换热设备进行初步规划，并生成计算说明书； 基于u g 的换热设备c a d 系统研究 使用压力容器设计软件s w 6 9 8 ，对换热设备的部分零件进行强度校核，并得出 这些零件的基本尺寸，以格式化的d o c 文档格式输出； 使用c a d 软件u g sn x 3 0 对换热设备进行三维建模，得到组成零部件以及总 装配模型； 通过u g sn x 3 0 的二维图功能输出各个零件图以及装配图。 2 3 2 功能需求 根据了解到的该公司对换热设备的c a d 系统的功能需求情况。对系统功能的需求 概括如表2 1 所示： 表2 1 功能需求表 t a b 2 1l i s to ff u n c t i o nr e q u i r e m e n t s 功能范围功能描述 热力学计算 输入基本设计参数，对换热设备进行的热力学设计与校核 最终计算结果存档 输出规则格式的换热设备设计计算说明书 计算过程可人工干预，如选择参数、公式等 机械设计 换热设备的结构和组成可以通过人机交互进行配置 零部件结构可选 确定每个零部件的基本尺寸 可以利用s w 6 9 8 的计算结果 自动生成换热设备及其组成零部件的三维模型 三维模型可以进行修改 自动生成基本零件闰，添加标题栏、技术要求 自动生成装配图，添加标题栏、技术要求、明细表 标题栏、技术要求、明细表、均可以手动输入和编辑 资源管理 对以往设计的三维模型和二维图纸，可以重复利用 对各种资源进行有效管理 根据企业对系统功能的需求情况，系统用例图表示出来如图2 2 ： 系统中的活动者是设计人员，设计人员通过调用u s ec a s e0 、u s ec a s e1 、u s e c a s e2 等用例分别实现热力学计算、机械设计、资源管理等功能。 一1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 系统用例 f i g 2 2s y s t e me x a m p l e s 2 3 3 性能需求 企业对系统的性能需求如下： 安全性：系统运行不应导致其它软件和硬件的正常运行，不会造成系统数据的 流失； 稳定性：在其它软硬件正常的情况下，本软件应该稳定运行，不应出现b u g ； 实时性：系统在正常运行情况下。系统反应时间不应超过2 0 秒； 界面友好程度：系统风格应该与所依托的c a d 软件风格一致，界面简洁；系统 界面易学易用，有较完备的系统提示信息。 2 4 系统结构分析 2 4 1 系统体系结构 本文采用利用v c + + 编程技术开发了换热设备c a d 系统。该系统体系结构如图2 3 所示，可分为三层结构：用户界面层、应用服务层、数据存储层。一般用户通过用户界 面，就可以在u g sn x 的c a d 平台下使用应用服务层的各种功能，包括热力学计算、机 械设计和资源管理等。 基于u g 的换热设备c a d 系统研究 用户界箍层 应用服务层 数据存储层 图2 3 换热设备c a d 系统体系结构 f i g 2 3a r e h i t e e l u r eo f t h ec a ds y s t e m 用户界面层：主要是为用户提供了与系统的交互操作。 应用服务层：实现换热设备设计的全过程，划分为热力学计算子系统、机械设计子 系统和资源管理子系统：这些子系统通过u g o p e na p i 实现与u g sn x 软件系统的 集成。 数据层：该层包括四个库，分别是参数库、规则库、模板库以及实例库。分别描述 如下： ( 1 ) 参数库：主要用来存储热力计算、机械设计用的基本参数数据，这些参数包括 换热管的基本参数、制冷剂的物性参数、载冷剂的物性参数、工程材料以及其他零部件 的几何参数等。 ( 2 ) 规则库：主要用来存储机械设计过程中的装配约束关系，这些数据都以固定规 则格式存储在数据库中，供给系统调用。 ， ( 3 ) 设计实例库：将成功的换热设备设计结果以实例的形式存储在数据库中。一般 来说，设计实例主要包括热力计算结果数据、换热设备装配结构设计数据、三维模型和 二维图、强度计算说明书以及其他有用的数据文件，这些数据之间相互关联，形成一个 整体的实例。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 模板库：用于存储换热设备热力计算模板、装配模板以及换热设备组成零部件 的三维模板文件，这些模板以文件形式存储于系统的指定目录下，并用数据库集中组织 和管理，形成模板库。 2 4 2 系统功能模块 换热设备c a d 系统为企业提供了一种与u g sn x 软件紧密结合的快速的产品设计技 术。从总体的角度对各个子系统进行细化，构造如图2 4 所示的系统功能模型。 图2 4 换热设备c a d 系统功能模型 f i g 2 4f u n c t i o nm o d e lo f t h ec a ds y s t e m 对换热设备c a d 系统的各个子系统及其功能模块简单介绍如下： ( 1 ) 热力学计算子系统 热力学计算子系统主要完成换热设备设计过程中的热力学设计计算部分。首先输入 基本的工况参数和对换热设备的基本要求，对换热设备进行初步规划，通过热力学计算 确定换热设备的一些基本结构参数( 如：换热管型号、换热管排列方式、圆筒内径、管 程数、换热管数、换热管长度、折流板结构参数、支撑板结构参数等) ，并对初步规划 结果进行热力学计算和校核，经校核满足要求，则完成换热设备的热力学计算，将计算 过程的中间结果保留到参数库，作为日后检索和比对。最后将计算结果输出为热力学计 算说明书。 基于u g 的换热设备c a d 系统研究 热力学计算予系统由四个模块组成：设计条件输入、初步规划、计算校核和输出计 算书。对以上组成部分说明如下： 设计条件输入 该部分的功能是完成换热设备设计中初始条件的输入，主要是确定换热设备设计工 程中的项目信息、换热设备的基本信息以及基本的工况条件参数，以方便对换热设备进 行初步规划。 初步规划 该部分的功能是根据设计条件输入模块中确定的换热设备的各种基本信息以及设 计人员的具体要求，通过热力学计算完成对换热设备的一些基本规划：主要包括换热管 的规划( 如换热管型号、公称直径、长度以及换热管的数量等) ，布管情况的规划( 如管 束分布形式、分程形式、管间距、防冲板高度以及布管极限圆直径等) 和其他的换热设 备组成结构的规划( 如管板和支承板厚度等) 。从而基本完成对换热设备的设计计算。 计算校核 该部分的功能是对初步规划结果进行热力学计算和校核。在这个过程中，计算出校 核需要的各种热力学数据，如果热力学计算结果的校核结果是合格，那么即可继续下面 的设计，否则要重新进行初步规划。 输出计算书 该部分的功能是针对经校核满足要求的热力学计算结果。设计人员可以根据需要选 择简明格式或者详细格式将当前工程中的热力学计算过程和结果输出为w o r d 格式的热 力学计算说明书。 ( 2 ) 机械设计子系统 机械设计子系统的主要功能是完成换熟设备设计过程中的机械设计。包括对换热设 备的组成结构以及对其组成零件的属性的设计、对换热设备的组成零件进行强度校核、 参数化生成换热设备的组成零件的三维模型、换热设备及其组成部件的三位模型的装配 以及换热设备二维图纸的输出。该子系统由五个模块组成：结构设计模块、设计计算模 块、零件参数化设计模块、自动装配模块、设计输出模块。本文第3 章将对机械设计子 系统做详细设计。 ( 3 ) 资源管理子系统： 换热设备的c a d 系统结构复杂，所需数据量大、数据类型多，因此有必要对系统 中的资源进行集中有效的管理。同时，为了设计人员能够充分利用以往的成功设计案例， 应实现对换热设备设计实例的检索与重用功能。本子系统就是实现系统资源管理和实例 大连理工大学硕士学位论文 检索功能。资源管理由四个模块组成：参数库管理、模板库管理、实例库管理和实例检 索。对以上组成部分说明如下： 参数库管理 参数库管理主要实现对零件参数、介质参数、单值参数、工程材料参数的管理。零 件参数指各种换热设备组成零件的几何参数，这些参数将用来实现零件的参数化设计： 介质参数指制冷剂和载冷剂随温度和压力变化的物性参数，这些参数有的是以表格形式 表示的，有的则是以曲线或者函数形式表示的，因而有必要将这些物性参数曲线和函数 离散化；单值参数主要指一些单独存在参数，它们的取值经常变化，因而有必要将这类 参数集中起来管理。工程材料主要是指换热设备组成零件的材料。根据工程技术人员的 需要，在参数库管理模块中可以分别实现对零件参数、介质参数、单值参数和工程材料 的添加、修改和删除等操作。 模板库管理 模板库管理类主要是对系统所需的零部件三维模型模板( $ p r t 文件) 、结构设计模 板( x m l 文件) 、热力计算模板( 术x m l 文件) 进行管理，可以分别实现添加、修改和删 除等操作。 实例库管理 实例库管理主要是对以往成功的设计实例进行集中管理。设计实例包括：用于存储 换热设备设计过程中完成的包括热力计算过程和结果的x m l 文档；用于存储换热设备设 计过程中完成的结构设计结果的x m l 文档；用于存储布置换热管位置坐标数据的t x t 文 件；换热设备实例所对应的零部件三维模型和二维图等。 实例检索 实力检索的功能主要是从实例库中检索符合检索条件的设计实例，对于检索出来的 结果，设计人员可以直接使用。 2 4 3 数据流程 系统各功能模块之间采用具有低耦合度、高内聚性的基于软构件技术实现内部关联 关系。模块之间的耦合关系通过数据库内部的逻辑关系实现。如下图2 5 所示： 本c a d 系统中各个功能模块的需要通过参数库、规则库和模板库来实现他们之间的 数据传递。设计完成后可以把设计结果存入实例库中，供设计人员以后使用。资源管理 子系统实现对各个数据库的统一管理。 基于u g 的换热设备c a d 系统研究 图2 5 换热设备c a d 系统功能模块与数据库的关系 f i g 2 5r e l a t i o nb e t w e e nf u n c t i o nm o d u l e sa n dt h ed a t a b a s ei nt h