（机械制造及其自动化专业论文）基于solidworks可拆式板式换热器cad系统开发研究.pdf

硕士学位论文 摘要 板式换热器作为高效、紧凑、节能的换热设备，已经被广泛应用于化工、医 药、食品、电力、机械、供暖、船舶等行业。但是，在板式换热器的设计过程中， 设计效率比较低，数据的管理不够规范，设计者的工作量过大。随着计算机技术 的不断发展和参数化技术的逐渐成熟，开发出一种适合换热器行业的三维软件成 为众多设计者追求的目标。 本文主要讨论了应用v i s u a lb a s i c 对机械设计软件s o l i d w o r k s 进行二次开 发，实现快速自动建立板式换热器三维模型，同时可对板式换热器进行模型转换， 使之能够导入到a n s y s 等有限元分析软件中进行数据分析。 在开发过程中，运用s o l i d w o r k s 为开发人员提供的a p i 技术和v i s u a lb a s i c 连接数据库使用的a d o 技术对s o l i d w o r k s 软件进行二次开发，并且扩展 m i c r o s o f to f f i c ea c c e s s 数据库为工程数据库，实现板式换热器三维设计实体建 模的参数化、自动化，大幅度提高了设计效率，缩短了设计周期。 在开发的初期，确定了系统的总体目标，并针对本系统进行了需求分析和可 行性分析，同时通过对生命周期法的分析，确立了系统的整体规划和方案。通过 对板式换热器设计模式的分析，得到了参数化设计的步骤：通过对板式换热器参 数化设计过程数据流的分析，得出在设计过程中所应用的数据库类型，并且建立 了相应的数据库。在最后阶段，完成了系统的程序代码设计和界面设计，将整个 设计系统封装为一个完善的软件程序。 最后，通过对板式换热器实体模型的示例展示表明：运用本系统可以实现参 数化，自动化建立板式换热器的三维实体模型，而且系统操作简便；通过数据库 操作系统，实现了工程数据的存储、处理、管理和共享；设计人员可以对板式换 热器进行数据转化，使之适合与a n s y s 等有限元分析软件，可以通过分析，为 板式换热器优化提供必要的数据。 关键词：板式换热器：v i s u a lb a s i c ：s o l i d w o r k s ；参数化技术；a p i ；三维建模； 工程数据库 基于s o l i d w o r k s 的可拆式板式换热器c a d 系统开发的研究 a b s t r a c t p l a t eh e a te x c h a n g e r ，a sa ne 怖c i e n t 。c o m p a c ta n de n e r g ys a v i n gh e a te x c h a n g e e q u i p m e n t h a sa l r e a d yb e e nw i d e l yu s e di nt h ea r e a so fc h e m i c a l ，p h a r m a c e u t i c a l ，f o o d ， e l e c t r i c i t y , m a c h i n e r y , h e a t i n g ，s h i p sa n ds oo n h o w e v e r , i r lt h ed e s i g np r o c e s so fp l a t e h e a te x c h a n g e r 。t h ed e s i g ne f f i c i e n c yi sr e l a t i v e l yl o w t h ed a t am a n a g e m e n ti sn o t s t a n d a r da n dt h ew o r ko fd e s i g n e ri st o ol a r g e w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dp a r a m e t r i ct e c h n o l o g ym a t u r eg r a d u a l l y , t h ed e v e l o p m e n to fa s u i t a b l eh e a te x c h a n g e ri n d u s t r y3 ds o f t w a r eb e c o m e st h eg o a lw h i c hn u m e r o u s d e s i g n e r sp u r s u e 1 l l i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no ns e c o n dd e v e l o p m e n t 谢t 1 1v bo f t h em e c h a n i c a ld e s i g ns o f t w a r es o l i d w r o r k s t oe s t a b l i s h3 dm o d e lo fp l a t eh e a t e x c h a n g e ra u t o m a t i c a l l ya n dr a p i d l y ，a tt h es a m et i m e ，i ta l s oc a nt r a n s f 0 1 1 7 1t h e m o d e la n di n t r o d u c et ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，s u c ha sa n s y s ，f o rd a t a a n a l y s i s i nt h i sp r o c e s s 。w eu s et h ea p it e c h n o l o g yw h i c hs o l i d r k sp r o v i d e df o rt h e d e s i g n e r sa n dt h ea d ot e c h n o l o g yw h i c hu s e db yv i s u a lb a s i cl i n k e dt ot h ed a t a b a s e a tt h es a m et i m e i te x t e n d e dt h em i c r o s o f t0 f f i c ea c c e s sa st h ee n g i n e e r i n g d a t a b a s e w h i c hm a k et h em o d e lp a r a m e t r i ca n dr a p i d l y s ot h ed e s i g ne 衔c i e n c yw i l l i m p r o v e dg r e a t l ya n dt h ed e s i g nc y c l ew i l lb es h o r t e n i nt h ei n i t i a l s t a g eo fd e v e l o p m e n t , w ed e t e r m i n et h es y s t e m so v e r a l lg o a l ， a n a l y z et h en e e da n dt h ef e a s i b i l i t yf o rt h i ss y s t e m w | ce s t a b l i s h e das y r s t e mo fo v e r a l l p l a n n i n ga n dp r o g r a mt r o u g ht h ea n a l y s i sw i t hl i f ec y c l e i tg o t t h ep a r a m e t r i cd e s i g n s t e p st h r o u g ha n a l y z i n gt h ed e s i g nm o d e lo fp l a t eh e a te x c h a n g e ra n di t a l s og o tt h e d a t a b a s et y p ci nt h ed e s i g n i n gp r o c e s st h r o u g ha n a l y z i n gt h ed a t af l o ww h i c hu s e di n t h ep a r a m e t r i cd e s i g np r o c e s so fp l a t eh e a te x c h a n g e r d u r i n gt h el a s tp h a s e ，s y s t e m p r o g r a m m i n go fc o d ed e s i g na n di n t e r f a c ed e s i g na r ea c c o m p l i s h e d ，a n dt h ew h o l e s y s t e mi se n c a p s u l a t e da sac o n s u m m a t es o f t w a r e a tl a s t a ne x a m p l eo ft h ep l a t eh e a te x c h a n g e rm o d e ls h o w st h a t ：t h i ss y s t e m c a l le s t a b l i s ha3 ds o l i dm o d e lo fp l a t eh e a t e x c h a n g e rp a r a m e t r i c a l l y a n d a u t o m a t i c a l l y , t h i ss y s t e mo p e r a t e ds i m p l y i ta l s os h o w st h a tt h i ss y s t e ma c h i e v e st h e s t o r a g e ，p r o c e s s i n g ，m a n a g e m e n ta n ds h a r i n go fe n g i n e e r i n gd a t a b a s et h r o u g ht h e d a t a b a s eo p e r a t i n gs y s t e m 1 1 1 ed e s i g n e r sc a nt r a n s f o r md a t av i at h i ss y s t e ma n dm a k e i ti sf i tt ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，s u c ha sa n s y s ，t h r o u g hw h i c hw e c a nr e c e i v et h en e c e s s a r yd a t af o rt h eo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：p l a t eh e a te x c h a n g e r ；v i s u a lb a s i c ；s o l i d w o r k s ；p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y ；a p i ；t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ；e n g i n e e r i n gd a t a b a s e h 硕士学位论文 插图索引 图1 1参数化设计原理图5 图2 1系统体系结构图1 3 图3 1 全局数据库结构2 0 图3 2 板式换热器设计流程图2 4 图3 3 板式换热器数据模型图2 6 图4 1s o l i d w o r k sa p i 对象模拟图3 4 图4 2u d a 技术的层次结构图3 9 图4 3a d o 对象模拟图o o qo oooo o 3 9 图4 4a d o 控件加载图4 l 图4 5 数据库管理流程图4 2 图4 6 板式换热器模型图4 5 图4 7 板式换热器参数计算流程图4 7 图4 8 板片流速计算流程图o a qmo o iooo ooooqoo oooo08 5 1 图4 9 上导杆受力图5 1 图5 1 主菜单项6 4 图5 2 板式换热器主界面6 5 图5 3 板式换热器设计窗口6 6 图5 4 板式换热器数据库窗口6 6 图5 5 按钮激活6 7 图5 6 模型设计窗口6 7 图5 7 参数输入框图o o qooo o 6 8 图5 8h 型钢图6 8 图5 9 整体模型装配体6 9 图5 1 0 密封垫图6 9 图5 1 l 装配体左右二等角轴侧图7 0 图5 1 2 装配体上视图7 0 图5 1 3 装配体右视图o o ooo o ioo ooo oo 7 1 图5 1 4 数据转换模型图7 2 图5 1 5 板式换热器仿真模型7 3 图5 1 61 o m p a 有限元模拟图7 3 图5 1 71 0 m p a 有限元模拟图7 4 i l l 基于s o l i d w o r k s 的可拆式板式换热器c a d 系统开发的研究 附表索引 表3 1 工程数据库表2 0 表3 2 板换类型表2 6 表3 3 板换基本信息表2 6 表3 4 板换框架信息表2 7 表3 5 导轨参数表o oooo oo oooooooq 2 7 表3 6 底板参数表o oooo ooo oo ooo00 2 7 表3 7 立柱参数表2 7 表3 8 连接板参数表2 7 表3 9 上端板参数表2 8 表3 1 0 下端板参数表g o ooo oo oo 2 8 表3 1 l 端板l 参数表2 8 表3 1 2 端板2 参数表2 8 表3 1 3 端板3 参数表2 9 表3 1 4 端板4 参数表2 9 表3 1 5 固定板参数表2 9 表3 1 6 密封垫参数表0 0 oo oo 2 9 表3 1 7 矩形钢管参数表3 0 表3 1 8h 型钢界面参数表3 0 表4 1a d o 对象模型功能表4 0 i v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1c a d 技术简介 1 1 1c a d 技术的产生和发展 c a d 技术起步于5 0 年代后期。到了6 0 年代，随着计算机软硬件技术的发 展，在计算机屏幕上绘图变为可行，c a d 技术开始迅速发展。在c a d 软件发展 初期，c a d 的含义仅仅是c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ( o rd r a f t i n g ) 而非现在我们经 常讨论的c a d 所包含的全部内容。到7 0 年代末期，c a d 技术开始由以二维绘 图的算法为主要目标转向实用化、多元化。在c a d 的发展过程中，可以概括出 四次重大的技术革命i lj ： 2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代是c a d 技术的开创时期，在当时，计算机图形显 示设备和计算机图形学理论为这项工作的最初研究奠定了良好的基础。1 9 6 2 年 美国麻省理工学院林肯实验室的i v a ns u t h e d a n d 开发了s k e t c h p a d ，并发表了 题为“人机通信的图形系统 的博士论文，从此确立了交互式计算机图形学的研 究地位，c a d 技术也正是伴随着交互式计算机图形学而得以发展。初期c a d 技 术的含义与功能仅仅是由计算机代替繁琐的手工绘图，且以二维绘图为主，仅有 的几种三维c a d 软件也只有线框造型功能。 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，由于国际航天和汽车工业的蓬勃发展，遇到大 量的自由曲面造型问题，因此自由曲面造型和实体造型技术获得了快速的发展， 美国的c o o n s 和法国的b e z i e r 先后提出了新的曲面算法。此时，研发了一批c a d c a m 软件系统应用于工业。1 9 7 7 年法国达索飞机公司开发出具有代表性的三 维曲面造型系统c a t i a ，为c a d 带来了一次新的技术革命。随之为了解决c a e 问题，开发出采用基本体素和布尔运算来构造三维模型的实体造型软件。1 9 7 9 年诞生了世界第一个完全基于实体造型技术的软件i d e a s 。 2 0 世纪8 0 至9 0 年代，微机系统的普及，参数化技术和特征造型技术的发 展，使得c a d 技术又产生了一次飞跃。如1 9 8 2 年美国a u t o d e s k 公司展示了全 球第一个基于p c 的c a d 软件a u t o c a d ，与此同时，有很多人提出基于特征、 全数据相关、尺寸驱动设计修改的参数化设计方案。1 9 8 5 年美国成立了p t c 公 司，研制了参数化设计软件p r o e n g i n e e r ，率先提出并实现了尺寸驱动零件设 计修改的设计思想。9 0 年代中期，s o l i d w o r k s 公司发布了s o l i d w o r k s 软件； l a t e r g r a p h 发布了自身的s o l i d e d g e 软件，成为微机系统的参数化特征造型的后 起之秀。 9 0 年代至今，计算机软硬件技术的急剧变化，尤其是计算能力的大幅度提 高，对c a d 技术产生了巨大的影响，基于特征和基于历史的三维参数化设计系 基于s o l i d w o r k s 的可拆式板式换热器c a d 系统开发的研究 统的快速推出，全关联的并行设计软件得到空前发展。提供对复杂产品全生命周 期的解决方案，包括制造企业所用的三维c a d ，c a m ，p d m ，c a e 和数字化制 造等模块。 我国c a d 技术的研究开发和应用起步于2 0 世纪6 0 年代末，经过近4 0 年 的研究、开发与推广应用，c a d 技术已经广泛应用于机械制造、航空航天等各 个领域。但是目前国内c a d 系统的开发和应用还停留在相对较低的水平上，关 键的c a d 核心技术还掌握在西方发达国家手中。国内企业对二维c a d 软件的 功能和作用已经有了充分的认识，二维c a d 软件已经成为设计师进行设计的一 种主要工具，一些条件较好的企业认识到资源共享的重要性，己从原来单机使用 c a d 软件转化为基于网络的团队协作共享。目前国内有自主版权的c a d 软件主 要有高华c a d 、电子图板c a x a 等，它们主要面向国内市场，提供操作简便的 二维工程图设计平台。然而国内企业的二维c a d 应用大多停留在低层次的绘图 而不是设计工作上。 目前，国内c a d 技术的研究存在以下几个问题： 首先，国内c a d 软件占领的市场主要是二维绘图软件，自主开发的商品化 三维c a d ，系统还未成熟，其功能、稳定性与国外同类产品相比还有差距，在 应用层次上缺乏创新。 其次，c a d 软件开发者缺乏对模型的建立的理论和算法的研究，虽然有这 方面的研究论文发表，但在系统性和实用性方面还有很大差距。 此外，对于产品数据管理( p d m ) 的研究过于局限，对以p d m 为基础实现c a d c a p p c a m 和e r p 等有机集成方面的研究还不够深入。c a d c a m 技术的 深化应用和企业信息化需要较大的投资，同时需要企业在管理模式、业务流程等 方面进行深入的变革。 1 1 2c a d 技术的发展趋势 随着计算机技术的飞速发展和工业等领域对c a d 社会需求的提高，未来的 c a d 系统和c a d 技术需要研究和解决的重点问题在于并行工程与协同设计、用 户接口的智能化和人性化、造型技术、产品数据共享等方面。 并行工程与协同设计技术是正在蓬勃发展的新技术。随着计算环境的改变， 借助网络技术，跨越空间的阻隔和时间的限制，进行协作和交流，将会大幅度地 提高工作效率，缩短产品设计周期。此项研究已经起步，有待深入研究的问题是： 基于异构c a d 系统的协同设计方法：复杂c a d 模型在互联网上的实时传 输方法；同步协同设计中保证高响应和并行性的控制方法；面向并行设计、 协同设计的冲突检测和协调方法；多模式协同的并行装配设计和概念设计方 法。 用户接口的智能化和人性化。c a d 系统的用户界面是人与计算机之间交换 2 硕士学位论文 信息的媒介和对话接口，也是c a d 软件系统的重要组成部分。以用户为中心， 自然、高效多通道交互技术和无所不在的计算是一项长期的目标，也是当前人机 交互的研究热点。采用以用户为中心的c a d 软件设计方法，对产品进行开发和 可用性工程评价，以保证c a d 软件技术及c a d 软件产业健康发展。在改善软 件界面简化操作步骤、降低操作难度等方面予以创新。 造型技术。实现与历史无关的造型方法，即产品模型的形状不再依赖于特征 创建的先后顺序，这使得三维c a d 系统更易于操作使用；全面地支持概念设计 和详细设计，几何造型系统能够创建任意几何形状的形体；能够更好地表达产品 的完整技术和生产管理信息，支持产品全生命周期的特征造型系统，使产品的设 计工作在更高层次进行，为开发新一代的基于统一产品信息模型的c i m s 集成系 统奠定基础：具有线段、曲面、实体混合建模的综合能力和三维尺寸标注功能； 支持基于三维像素的造型功能和解决大型复杂产品的装配问题。 产品数据共享。解决在一些主要c a d 系统中用户能够打开来自其他c a d 系统中的模型，在不同的c a d 系统中图形数据共享与交换问题，使彼此互通， 达到共享的目的，并且尽可能地避免在交互过程中可能出现的图形失真、特征和 约束信息丢失问题。将通过国际标准化组织制定“产品模型数据交换标准s t e p ， 借助三维c a d 图形文件标准来解决上述问题。 1 2 参数化设计技术 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，也称为尺寸驱动( d i m e n s i o nd r i v e n ) ，是通过 改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动完成 对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动1 2 。 现今在市场经济竞争激烈的环境下，如何缩短产品开发设计时间，为企业赢 得时间，走在市场前列，对一个企业的生死存亡起着至关重要的作用，这成为了 参数化技术出现的根本原因。在经过人们的长期实践过程中，人们总结发现几乎 所有产品的设计都是改进型产品设计，而且原来产品设计信息中的7 0 左右在 新产品设计时可以被重新利用。如果要使产品的设计有充分的柔性，并且设计过 程模型要能精确地反映实际设计活动，同时又能迅速的重构，使产品的设计信息 能够重用，那么产品开发设计时间将得到极大的缩短。参数化技术正是在这样的 背景下应运而生的。在参数化设计中，设计人员可以根据自己的设计意图很方便 的勾画出设计草图，系统能够自动的建立设计对象内部各设计元素之间的约束关 系，以便设计者更新草图尺寸时，系统能够通过推理机能自动更新校正草图中的 几何形状并获得几何特点的正确位置分布。 1 2 1 参数化技术的产生与发展 参数化设计思想最早产生于美国，从七十年代末就开始了研究，起初属于二 3 基于s o l i d w o r k s 的可拆式板式换热器c a d 系统开发的研究 维参数化设计范畴。如美国的i - d e a s 采用动态导航( d y n a m i cn a v i g a t o r ) 作图， 用以捕捉设计意图，在用户交互作图过程中确立图元之间的平行、垂直等约束关 系。c v 公司的d e s i g n v i e w 参数化设计软件采用先作图和标注尺寸，然后用户交 互制定哪些尺寸值可以显式修改，哪些尺寸值固定不变或隐式修改。在国内，中 科院北京软件工程研制中心开发的p i c a d ，其作图过程是首先勾画草图然后标 注尺寸，由用户输入参数表，参数表的内容可以是数值，也可以是表达式，每改 变一次参数就出一幅新图。由上海交大、南方c a d 中心开发的智能化二维绘图 系统，作图首先是作草图，由系统自动产生草图状态的几何变量。当设计师加完 约束后，系统根据约束状况产生联立方程组，然后自动求解。 变量化技术是参数化技术的进一步发展。变量化技术也是以几何约束系统来 表示几何模型，并通过求解几何约束系统的非线性方程组实现变量化模型的求 解。在变量化图形的几何约束系统中，几何约束方向没有确定，在几何约束求解 时经几何推理得到。与变量化建模相比，参数化建模偏重于图形生成的过程，记 录信息是顺序生成的几何元素之间的约束关系，这种记录过程与几何元素的生成 次序有关。而变量化建模侧重于几何元素之间的约束关系，即设计者包含在图形 中的设计意图，与设计的过程关系不大。变量化建模将各几何元素之间的约束关 系转化为非线性约束方程组，通过联立求解来重建图形，因此变量化设计是允许 欠约束的设计，允许用户不必关心约束设置的顺序，符合用户的设计习惯。严格 意义讲，参数化设计是变量化设计的子集。 1 2 2 参数化技术的原理及现状 由于新产品的开发或改型总是伴随着对设计模型的反复修改和优化进行的， 因此，设计人员总是希望在产品设计的初始阶段能够方便地建立产品的描述模 型、方便地定义和绘制产品的草图，并且能够方便地对设计方案进行修改。对于 这类产品，参数化设计过程是，将已知条件和基本参数，由计算机自动查询图形 数据库，或由相应的计算程序求出进一步设计所需要的全部数据，并由c a d 软 件生成二维或三维图形。通用化程度越高的产品，参数化设计越有优势，因为这 些产品所采用的数学模型及产品的结构都是类似的，所不同的主要是结构尺寸有 所差异，而结构尺寸的差异是由于相同数目及类型的已知条件在不同规格的产品 设计中取不同的值而造成的。目前的产品变型设计方法大多是基于参数化设计机 制的。 下图是参数化设计原理图。参数化设计系统的基本模块应包括参数化模型 库、参数数据库、参数的处理和计算等。 4 硕士学位论文 零件参数化驱动 s o l i d w o r k s 模型重建 弋7 装配体参数化驱动 s o l i d w o r k s 模型重建 图1 1 参数化设计原理图 参数化模型库实际就是参数化设计所信赖的模板库。参数化模型库的建立通 常是通过编程或在c a d 软件内部通过参数化建模来实现的，也就是说，参数化 模型库的体现方式，可以是描述几何模型或几何模型构建过程的程序，也可以仅 仅是已经构建好的几何模型，其目的都是创建用于设计修改的模板。在c a d 软 件内部进行参数化建模时，一般应首先进行零件或装配体的初始几何建模，然后 将控制模型形状的尺寸改为参变量。目前几乎所有的三维c a d 系统都支持参数 化造型功能，具体表现为能够定义图形的形状和图形间的拓扑关系，并可根据需 要改变具体尺寸，以产生同类形状的图形，其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。 基于特征是将某些具有代表性的凡何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为 可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形状造型。全尺寸 约束是将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制，此 时几何造型必须以完整的尺寸参数为出发点( 全约束) ，不能够漏尺寸( 欠约束) ， 也不能多注尺寸( 过约束) 。尺寸驱动设计修改是指通过编辑尺寸来驱动几何形 状的改变。全尺寸相关指修改尺寸参数可导致其他相关模型中的相关尺寸得以全 盘更新。 参数数据库存放着参数化模型库中的参变量所对应的数据。参数数据库通常 借助于数据库管理系统( 如a c c e s s ) 来完成，并通过v b 等编程语言来实现数据 的检索、重用、修改、存储等操作。 参数化设计过程实际上是利用参数库中的数据驱动参数化模型库中的几何 模型或程序，进行模型重构的过程。由于目前c a d 系统通过数据刷新重建模型 的速度非常快，所以参数化设计效率非常高。 目前，参数化技术大致可以分为直接式和非直接式两种。非直接式参数化技 术有：编程法和基于三维参数化的形体投影法。直接式参数化技术则是指设计者 通过用户界面直接对图形进行操作，而不必理会计算机内部的处理方式，这是当 前使用最为广泛的一种方法，也称人机交互法1 3 j 。 非直接式包括两种方法，编程法和基于三维参数化的投影法。其中编程法是 基于s o l i d w o r k s 的可拆式板式换热器c a d 系统开发的研究 一种较为原始但最为常用的方法。它需要编程者熟悉计算机语言及调试技能，通 过分析图形几何模型的特点，确定图形的主要参数以及各个尺寸之间的数学关 系，将这种关系编入程序中。使用时执行程序，输入需要的参数，由程序通过各 个尺寸之间的数学关系确定其它相关的尺寸值，从而就确定了整个图形；基于三 维参数化的投影法是先进行三维参数化设计，然后按不同方向投影，得n 一维参 数化的结果，这是一种具有唯一解的生成方法，但它受到几个方面的制约：其一 是许多零件的三维造型本身相当困难，如复杂的体类零件以及某些细小结构的造 型：其二是三维参数化设计又是一个崭新的课题：其三是为了进行符合国家标准 的二维表达，需要对任一方向投影前的三维立体和投影后的二维视图作较多的处 理。 人机交互法参数化设计是目前参数化设计领域发展得较快的一个方向，也是 应用最为广泛的一种方法。这种方法已经成为目前参数化设计的主要技术路线。 从实现参数化的原理上分，人机交互法主要有：( 1 ) 基于几何约束的变量几何法， 这是一种基于约束的数学方法，它将图形的几何模型分解为一系列特征点，以特 征点坐标为变量形成了一个非线性方程组，当约束发生变化时，利用 n e w t o n r a p h s o n 法迭代求解方程组，就可以求出这些特征点的新坐标，从而生 成了新的图形；( 2 ) 基于几何推理的人工智能法，这种方法是用基于规则的推理 方法来确定用一组约束描述的几何模型。在推理过程中，利用专家系统将几何形 体的约束关系用一些逻辑关系来描述，存入事实库中。推理机把从规则库中提取 出来的规则用于当前的事实集中，然后推理出几何形体的细节。推理过程输出的 是由一系列推理出的规则组成的一个几何形体的构造计划，参数化的模型也因此 由在构造计划中顺序算出的规则所决定；( 3 ) 基于构造过程的方法，这种方法在 交互造型过程中的每一步操作，采用了一种称为“参数化履历”( p a r a m e t r i ch i s t o r y ) 的机制，在设计过程中，系统自动记录造型操作过程的程序化描述，将记录的定 量信息作为变量化参数，当赋予参数不同的值时，更新模型生成历程，就会得到 不同大小或形状的几何模型。这种方法较适用于结构相同而尺寸不同的零件设 计，但由于需要严格遵循某种构图顺序，故柔性和灵活性较差：( 4 ) 基于辅助线 的方法，这种方法是让所有的几何图形的轮廓线都建立在辅助线的基础上，辅助 线的求解条件在作图过程中己明确规定，由辅助线来管理图形的几何约束和结构 约束，由辅助线来直接定义图形的约束集，这样就省去了在图中遍历搜索和检查 求解条件是否充分的工作，使约束的表达得以简化，减小了约束方程的求解规模。 1 3 课题研究背景及来源 板式换热器作为一种主要的换热设备，在不同行业得到广泛应用。1 8 7 8 年 德国发明了最早的板式换热器并获得了专利，随后法国设计出用于食品灭菌的沟 道板式换热器，所用材料为青铜板。这一应用使板式换热器开始为人所知。半个 多世纪后，出现了和目前结构相近的用不锈钢板压制的波纹板片形成的换热器， 6 硕士学位论文 并采用了周边密封的结构。较之前的板式换热器，在用材与结构上都有了新的发 展和变化，这为板式换热器的结构的进步和应用领域的拓宽奠定了基础。在这之 后的一百年中，一些国家对板式换热器的板型设计、流体分析、应用领域、腐蚀 状况等方面投入了大量的精力，使板式换热器一直处于持续不断的改进中【4 1 。 2 0 世纪6 0 年代后期，板式换热器进入我国，开始被我国企业所认识和接受。 2 0 世纪8 0 年代开始，大专院校的科研力量开始投入对板式换热器的研究，在换 热效果和压降、流体阻力、换热计算公式等方面进行了许多定性定量分析工作。 随着制造水平和认识程度的不断提高，我国的板式换热器的板型种类从最初的平 直波形拓宽为球形、人字形等多种形式以适应不同的工况要求，应用领域也从最 初的食品、轻工行业扩大到供热、石油化工等行业，适用介质也从单一的水发展 到硫酸、碱液、蒸汽等各种介质类型。从近几年的发展水平和趋势看，板式换热 器有板型种类多样化、结构类型多元化、产品专业化等特征。 近几年参数化设计技术在许多行业中得到广泛的应用，参数化设计可以大大 提高模型的生成和修改速度，在产品的系列设计、相似设计及专用c a d 系统开 发方面都体现出很高的应用价值。因此，许多国内外学者投入了大量的人力、物 力对板式换热器参数化过程进行研究。在国内，四川理工大学师生对换热器的零 部件进行了参数化建模，他们以p r o e n g i n e e r 作为设计平台，通过交互式方 法建立各类换热器零部件基准模型，利用p r o t o o l k i t 模块，以v i s u a l c + + 为 平台开发动态链接库应用软件，通过菜单方式与p r o e n g i n e e r 集成。从基准 模型提取用户需要的特定特征属性和参数，用户通过对话框进行参数的修改，实 现模型的自动生成，完成了换热器零部件的参数化设计，实现用户定制【5 】。2 0 0 1 年，南京化工大学贺小华等应用对话框技术进行了参数输入的程序设计，并用 a u t o l i s p 语言实现了各类换热器管板的参数化设计，通过参数化程序设计可以完 成固定管板式、浮头式及u 型管式换热器各种管板的施工图设计1 6 】。2 0 0 8 年， 该校学生在s o l i d w o r k s 基础上对热交换管三维参数化设计进行研究，他们以 v i s u a lb a s i c 为编程语言，以m i c r o s o f t a e c e s s 为工程数据库，通过s o l i d w o r l 【s 软 件提供的a p i 接口实现了管壳式板式换热器的参数化建模，自动生成工程图， 同时可以对设计参数进行修改，模型可以将这些参数直观、准确的反映出来【7 1 。 在国外，美国学者b e r g s t r o m ，n c 和w a l k e r , p n 通过参数化设计对汽液换 热器通风系统的热回收进行了研究，通过参数化的研究，回收效率范围更为精确 i s 】。日本学者k a n g ，y o n gt a e 等对板壳式换热器的避震器进行了参数化研究，得 到了减震器的优化条件【9 j 。综上可知，国内外学者对板式换热器热力学分析进行 了一些参数化分析，而缺乏对板式换热器整体模型的参数化建模。 在换热器行业，设计者主要是利用s o l i d w o r k s 对其进行建模，但正如其他优 秀的国外软件一样，s o l i d w o r k s 也不是十全十美的。第一：虽然s o l i d w o r k s 提供 了插件形式独立的标准件模块，但这些标准件库都是国外标准，和国内有一定的 7 基于s o l i d w o r k s 的可拆式板式换热器c a d 系统开发的研究 差别，而且很多国内零件不在其库内，从而给国内厂家设计产品时选用标准件带 来很大不便。第二：作为机械行业的一个通用型软件，它也不可能完全满足特定 企业的特殊要求，不能提供某个企业一些特定通用件设计模块。所以设计人员在 未经过本土化二次开发的s o l i d w o r k s 环境下进行机械产品设计时，若需要大量的 国家标准件和一些本企业特定的通用件，不仅要正确选用标准件，而且还要对同 种型号的不同尺寸的标准件或企业特定的通用件逐个进行设计造型，很麻烦，大 大阻碍了设计人员的创造性和设计效率。而且随着企业间竞争的日益白热化，如 何更快的使所开发设计的产品响应市场，是企业和研究所生存的关键所在，而且， 就s o l i d w o r k s 而言，国内对它二次开发方面的研究刚刚起步。因此，对s o l i d w r o r k s 三维设计软件进行本土化的二次开发是很有必要的。 本课题是针对兰州石油化工机械总厂的可拆式板式换热器进行研究，开发适 合设计人员的参数化建模系统，为可拆式板式换热器的建模及分析提供便利，减 少设计人员的工作量而进行研究的。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要讨论的是对s o l i d w o r k s 的二次开发在换热器三维建模中的应用， 及针对国内板式换热器设计和制造的现状，按照模块化设计的原理，采用v i s u a l b a s i c 6 0 对s o l i d w o r k s 进行二次开发，并且扩展m i c r o s o ra c c e s s 数据库为工程 数据库，开发一个适合于板式换热器三维模型的设计系统。 本课题的主要内容为： ( 1 ) 首先构建一个以s o l i d w o r k s 为平台的板式换热器三维模型设计模块， 以主要参数为设计对象，实现板式换热器三维模型设计的自动化和智能化，使之 实用性强、操作简单明了。 ( 2 ) 设计一个与该系统配套的完善的数据库，实现数据之间的关联，用户 可以通过对图形界面和工程数据的交互式操作，完成三维实体模型的自动修改编 辑，实现设计方案的动态修改更新、设计数据的有效管理和数据共享的功能。 ( 3 ) 实现平台的动态控制，对模型结构中的零件、装配体等可以分别显示 和编辑，方便设计者控制视角，从各个方面观察模型，便于用户进行修改和演示。 ( 4 ) 模型设计的数据转化功能，可以借助有限元分析软件，例如a n s y s 、 a b a q u s 等将数据进行处理，实现从s o l i d w o r k s 三维模型数据到有限元模型数据 的快速转化，使模型的分析过程快速甚至自动化。 1 5 本章小结 本章首先对c a d 技术的发展状况、参数化设计的基本原理及其发展趋势做 了简要的介绍，分析了板式换热器在企业中的应用以及参数化设计现状，指出了 在该背景下对s o l i d w o r k s 进行本土化二次开发的必要性，从而开发出适合此行 业的参数化设计插件。最后，简要介绍了进行该课题所需要研究的主要内容。 3 硕士学位论文 第2 章s o l i d w o r k s 二次开发的系统分析 系统分析是任何一个软件开发过程中的一个必要阶段，通过系统分析可以确 定软件系统的功能，即回答“要做什么的问题，同时确立系统的开发方法及开 发步骤。 2 1 需求分析 所谓”需求分析”，是指对要解决的问题进行详细的分析，弄清楚问题的要求， 包括需要输入什么数据，要得到什么结果，最后应输出什么。通过对板式换热器 长时间的详细认真的调研，基本掌握了板式换热器的设计过程，同时也了解了企 业对板式换热器的参数化建模系统的需求情况。 设计过程中，现阶段主要存在的问题有，现有的换热器板片换热部分及整体 构架部分，完全依靠人工计算与设计人员的经验来实施，这使得设计周期加长， 效率得不到提高，同时对板式换热器的结构优化变得更为繁琐。 设计人员希望通过读取板式换热器数据库中已有的参数作为设计参数，并能 由计算机进行相关尺寸的计算，快速的生成板式换热器的三维模型。此外，可以 对已经生成的板式换热器模型进行简化，输出符合有限元分析软件分析的模型。 综合设计中的实际情况，企业在板式换热器方面的基本需求包括以下几点： ( 1 ) 研究平台：s o l i d w 0 r k