（机械制造及其自动化专业论文）基于ug的制冷用换热器cad系统研究与开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 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v i s u a lc 刊_ 6 0 下， 利用u g o p e na p i 对u g sn x 3 0 进行= 次开发，设计并开发了一套贯穿换热设备设计 全过程的c a d 系统，并对机械设计，虚拟装配与资源管理等模块进行了深入研究。 在机械设计模块中，对制冷用换热器零件的参数化建模方法进行归纳，通过参数化 建模方法建立零件模板，以表达式形式控制零件变型。在参数化零件模板基础上，通过 定义零件之间的装配约束关系，实现制冷用换热器的自动装配，研究了装配约束关系的 表达与存储方法。 在虚拟装配模块中，对装配模型的静态干涉检验、动态干涉检验及基于动态干涉检 验的装配序列规划方法进行了研究。静态干涉检验用以检验参数化变型后零部件模型之 间的干涉情况，提出了基于边界拉伸的干涉检验方法，将通过多个离散点的静态干涉检 验模拟动态干涉检验方法转化为运动轨迹上的连续干涉检验，减少了运算量，提高了检 验效率；另外。在基于边界拉伸的动态干涉检验算法基础上，进一步对装配顺序进行规 划。 在资源管理模块中，完成了对c a d 系统中所涉及的参数、模板及实例等繁杂的设计 资源的归类与管理。设计了人性化的资源管理界面，并通过该界面对上述资源进行有效 管理和检索。 目前，该系统已在某制冷企业试运行。运行结果表明，该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， 有效地提高了企业的设计响应能力。 关键词：制冷换热设备；u g ；参数化设计；虚拟装配；设计资源管理 基于u g 的制冷用换热器c d 系统研究与开发 s t u d ya n dd e v e l o p m e n t o nac a d s y s t e mf o rr e f r i g e r a t i n g h e a t - e x c h a n g ee q u i p m e n t sb a s e do nu g a b s t r a c t d e s i g nm e t h o do f h 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 mm a i n l yd e p e n do n t 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 t l l i so l dm e t h o dc o u l dh a r d l ym e e tt h em a r k e t n e e da n dt h et 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 nf o ri t sl o we f f i c i e n c ya n dl o n g p e r i o d 1 k 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 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 sa n dm a k e su s eo f u g o p e na p im o d u l et oc r r r yo u tt h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n tt on xs o f t w a r e ac a ds y s t e mt h a t 砌st h r o u g ht h ew h o l ed e s i g np 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 si sd e v e l o p e da n dt h ea u t h o ri si nc h a r g eo fm e c h a n i c a ld e s i g n m o d u l e ，v i r t u a la s s e m b l ym o d u l ea n dr e s o b r c em a n a g e m e n tm o d u l e i nm e c h a n i c a ld e s i g nm o d u l e ，t h ep a r a m e t r i cm o d e l i n gm e t h o do ft h ep a r t sh a sb e e n s u m m a r i z e d n 呛m e t h o dh a sb e e n u s e dt oe s t a b l i s ha n dc o n t r o lp a r tt e m p l a t e sw i t l l e x p r e s s i o n st og e tt h en e e d e dp a r t s b yd e f i n i n ga s s e m b l yc o n s t r a i n tr e l a t i o n sb e t w e e np a r t s t h ea u t o m a t i ca s s e m b l yo fr e f r i g e r a t i n gh e a t - e x c h a n g e rh a sr e a l i z e db a s e do nt h en e w p a r t s a l s o ，t h ee x p r e s s i o na n ds t o r a g eo f t h ea s s e m b l yc o n s t r a i n tr e l a t i o n sh a sb e e nr e s e a r c h e d i nv i r t u a la s s e m b l ym o d u l e t h es t a t i c & d y n a m i ci n t e r f e r e n c ea n da s s e m b l ys e q u e n c e p l a n n i n gh a sb e e ns t u d i e db a s e do i ld y n a m i ci n t e r f e r e n c e t h ei n t e n t i o no fs t a t i ci n t e r f e r e n c e i st oc h e c kt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h ep a r a m e t r i cp a r t sw h e na s s e m b l y ad y n a m i c i n t e r f e r e n c em e t h o dh a sb e e np r e s e n t e d ，w h i c hi sb a s e do nb o u n d a r ye x t r u s i o n ，t u r nt h e t h r o u g hm a n yd i s c r e t ep o i n t st os i m u l a t ed y n a m i ci n t e r f e r e n c et oc o n t i n u o u si n t e r f e r e n c eo n m o v e m e n tl o c u s d e c r e a s et h ec o m p u t a t i o na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c y n ea s s e m b l y s e q u e n c ec a no b t a i n e db a s e do nt h i sm e t h o d i nr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d u l e t h ea u t h o rc o m p l e t e st h ee l a s s i f i e da n dm a n a g e m e n to f c o m p l i c a t e dd e s i g nd a t ao fp a r a m e t e r s ，t e m p l a t e sa n di n s t a n c e si n t h ec a ds y s t e m p e r s o n a l i z e di n t e r f a c e sh a v eb e e nm a d e ，t h r o u g ht h ei n t e r f a c e st om a n a g ea n ds e a r c ht h ed a t a 1 1 l i ss y s t e mr a ns u c c e s s f u l l yt h r o u g ht e s t i n gi nd a l i a nr e f r i g e r a t i o nc o m p a n yl i m i t e d n i 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 m v et h ed e s i g ne f f i c i e n c yo f h 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 mh a sg o o dp r a c t i c a b i l i t ya n dc o n v e n i e n c e s t h e c o m p a n y 。sd e s i g nr e s p o n d i n ga b i l i t yh a sb e e ni m p r o v e d k e yw o r d s ：r e f r i g e r a t i n gh e a t - e x c h a n g ee q u i p m e n t s ：u g ：p a r a m e t r i cd e s i g n ：v i r t u a l a s s e m b l y ；m a n a g e m e mo f d e s i g nr e s o u r c e i i 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：汹渔绉日期：翌1 2 ：! 三：哆 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工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，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将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：至9 盘皇塾作者签名：譬9 蟊夏! 至 导师签名： 盈! 为 俎年旦月互日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 i 课题的提出 1 1 1 换热设备设计中的问题 换热器是广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业的一 种通用的换热设备l i 】。随着现代工业生产规模的日益扩大，备工业部门都在发展大容量、 高性能的设备。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【2 】。 虽然换热器的设计方法不断成熟，相关标准日益完善，但是由于运行情况各不相同， 所以换熟器一般不能进行批量生产，必须根据用户要求进行针对性设计，因此设计周期 应当尽可能短。但是其设计计算比较复杂，设计过程中各项参数的计算涉及到很多经验 公式，需要查阅很多手册，使得设计周期长，设计任务重。由于换热器设计本身的特点 及产品更新换代的加快，设计过程工作量大，传统的人工计算和人工制图已不能适应其 发展。针对这种现状有必要开发一个通用的商业化软件，作为换热器设计的辅助手段， 可以使繁琐费时、重复次数多的工作得以简化，当原始条件参数做出适当的调整或变化 时，可迅速方便地给出相应热工参数计算结果，使设计方案的比较选择及优化设计变得 更加容易。 计算机辅助设计( c a d ) 不仅大量节省人力、物力，提高效率，而且可以提高产品的 质量、可靠性，成为一种产品设计发展的必然趋势。因此c a i ) 与换热器相结合是该产品 发展必然趋势，由于现阶段换热器c a d 软件的发展还处于比较初级的阶段。在其开发、 维护、扩充和升级等方面还存在一系列的问题，因此开发一套实用的换热器c a d 系统具 有重要的意义。c a d 和换热器设计的相结合将有效地推动换热器的设计工作。 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，项目组将在企业现有c a d 软件平台基础上， 开发出一套针对换热设备的参数化设计系统。该系统将具有热力学计算、三维模型参数 化生成、自动装配，干涉检验，装配顺序规划，自动输出工程图及b o m 表等功能，实现 了换热器的热力学计算、校核、三维建模、工程图输出等系列工作的一体化。 基于u g 的制冷用换热器c d 系统研究与开发 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 2c a d 技术概述 计算机辅助设计简称c a d ( c o m p m e r a i d e dd e s i g n ) ，是指通过对计算机内部生成的 产品形状及其属性数据组成的模型进行分析处理，来辅助人们完成设计任务的技术。 为了将现代设计方法，恰当地应用于实际产品的设计，其最有力的措施是大力推广 计算机辅助设计，这首先是由于计算机具有如下特点： ( 1 ) 具有大容量的信息存储能力。 ( 2 ) 具有快速和高精度的计算及数值分析能力。 3 ) 具有很强的图形和文字处理能力。 c a d 技术是随着电子技术和计算机技术的发展而逐步发展起来的，它具有工程及产 品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形、工程数据库的管理、生成设计文件 等功能。经过三十多年的努力，c a d 技术的广泛应用已经引起了一场工程设计领域中的 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。2 0 世纪6 0 年代开始，c a d 技术经过了曲面造型技术、实体造型技术、参数化技 术及变量化技术的四次革命，己经发展成了一门比较成熟的技术，它推动了几乎一切领 域的设计革命，c a d 的应用水平已成为衡薰一个国家科学技术水平的重要标志之一。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 在整个工程 c a d 中占有比较重要的地位 3 , 4 1 。 c a d 技术的发展趋势主要围绕在标准化，开放性、集成化、智能化四个方面p 】。 ( 1 ) 标准化除了c a d 支撑软件逐步实现i s 0 标准和工业标准外，面向应用的标准构件、 标准化方法已成为c a d 系统中的必备内容，且向着合理化工程设计的应用方向发展。目 前标准有两大类：一是公用标准：二是市场标准或行业标准。前者注重标准的开放性和 所采用技术的先进性，而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济利益。 ( 2 ) 开放性c a d 系统目前广泛建立在开放式的操作系统窗 ： w i n 9 8 20 0 0 或u n i x 平台 上，c a d 系统都为用户提供二次开发环境，甚至是这类环境可开发的内核源码，使用户 制定自己的c a d 系统。 ( 3 ) 集成化c a d 技术的集成化体现在三个层次上：其一是广义c a d 功能c a d ，c a e ，c a p p ， c a m ，e r p 经过多种集成形式成为企业一体化解决方案：其二是将c a d 技术能采用的算法， 甚至功能模块或系统做成专用芯片，以提高c a d 系统的效率：其三是c a b 基于网络计算环 - - 2 - 大连理工大学硕士学位论文 境实现异地、异构系统在企业间的集成。国际c a d 商品系统开发的另一趋势是在全球范 围内优选最成功的功能构件进行集成。 ( 4 ) 智能化设计是人类创造性活动领域，智能c a d 是c a d 发展的必然方向。智能c a d 不仅仅是简单地将现有的智能技术与c a d 技术结合，更要深入研究人类设计的思维模型， 并用信息技术来表达和模拟它。 图1 1c a d 系统组成 f i g 1 1c o m p o s i n go f c a ds y s t e m 1 3 参数化设计技术的应用 参数化设计( p a r a m 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 7 】。 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 基于u g 的制冷用换热器c a d 系统研究与开发 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降1 。 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f 9 】 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“o l 。 “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”【l “。 参数化方法的本质是基于约束的产品描述方法，产品整个设计过程就是约束规定、 约束变换求解过程以及约束评估过程的求精。参数化研究最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年 代，s u t h e 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方程组来确 定二维几何形体的位置。后续的研究工作大多是在s u t h e f 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 c a d ，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。 在经过了6 0 一7 0 年代的萌芽期、7 0 一8 0 年代的开创期以及8 0 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 2 】 1 4 虚拟装配技术概述 虚拟制造是新世纪制造业发展的重要方向之一f 1 3 】【1 4 1 ，是现实制造过程在计算机上 的本质实现。它能够在虚拟状态下构思、设计、制造、测试和分析产品，从而更迅速、 更有效地进行产品开发和制造。虚拟装配是虚拟制造的关键组成部分之一，它通过计算 机对产品装配过程和装配结果进行分析和仿真，评价和预测产品模型，做出与装配相关 的工程决策，不需要实际产品作支持。 作为虚拟现实技术在制造领域的重要应用，虚拟装配技术近年来已经取得了长足的 发展，并引起越来越广泛的重视。从本质上讲虚拟装配主要实现两个层次的映射，即底 - 4 大连理工大学硕士学位论文 层用产品虚拟模型映射产品物理模型，顶层用虚拟的装配仿真过稃映射真实的物理装配 过程。第一层次映射免除了产品原型的物理实现，同时使得可装配拆卸性分析、公差 分析等成为可能；通过第二层次的映射可以实现可视化的产品装配规划、装配仿真以及 装配评价等。根据我们的理解，虚拟装配要实现两个目标： ( 1 ) 对设计结果进行可装配拆卸性验证，并为再设计提供参考； ( 2 ) 进行装配规划，并获得可行且较优的装配工艺信息，用于指导生产 前者表明虚拟装配是作为d f a ( d e s ig r if o ra s s e m b l y ，面向装配的设计) 的使能工 具出现的，并从某种程度上体现了d f a 的思想和要求；而后者表明虚拟装配是装配规划 以及装配工艺设计的使能技术。虚拟装配与虚拟样机，虚拟制造之间存在着紧密联系， 研究内容上在零部件建模、数据交换与集成以及碰撞检测等方面存在交叉。虚拟装配技 术是虚拟制造技术的关键部分，同时又是实现虚拟样机的前提和基础。在目前的虚拟装 配研究中分为两大方向，一是基于虚拟现实的虚拟装配技术研究，二是基于计算几何方 法的计算机辅助装配工艺规划研究。两种不同的研究方式，分别具有自己的理论和技术 特点。前者比较具有代表性的研究有华盛顿州立大学s a n k a rj a y a r 锄等开发的v 佃e 系 绀”】和浙江大学刘振宇等开发的v i s a s 系统i ”】；后者比较具有代表性的研究有清华大 学肖团元、张林筵等开发的v a s s 系统1 1 7 】以及西北工业大学邵毅等开发的d h i a s 系统i l ”。 根据目前的理解，虚拟装配发展至今可以分为三个阶段，第一阶段是虚拟装配理论 的提出阶段，第二阶段是各研究机构在各自实验室复制、建立虚拟装配系统的阶段第 三阶段是各研究机构对虚拟装配各发展方向进行深入研究的阶段。目前国外虚拟装配技 术的发展已经进入了第三阶段。国内对虚拟装配技术的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期， 发展速度比较快，取得了不少研究成果，并提出了许多有价值的新理论和新方法。浙江 大学c a d & c g 国家重点实验室是国内最早开展虚拟装配研究的机构之一，他们目前的研究 在国内处于领先地位。此外，华中科技大学、清华大学、北京理工大学，北京航空航天 大学以及上海交通大学等也进行了与虚拟装配相关的研究，他们已经或者正在着手建立 自己的虚拟装配系统。纵览国内虚拟装配研究方面的文献报道，我们认为国内虚拟装配 的研究目前正处于从第二阶段向第三阶段过渡的时期，与国外相比仍然存在5 年左右的 差距。其发展趋势为： ( 1 ) 拟实化程度将越来越高 从其自身来讲，虚拟装配有着不可逾越的优越性，然而它在工业领域应用的成功程 度却要取决于它对真实世界模拟的逼真程度。拟实化涉及虚拟装配最根本的两个方面， 也就是虚拟产品模型和虚拟装配仿真过程。目前数字化模型的虚拟装配过程尚不能完全 取代物理模型的装配过程。这就限制了其应用范围。随着工业界应用要求的提高以及基 基于u g 的制冷用换热器c a d 系统研究与开发 于物理属性建模技术、虚拟现实技术和多模式人机交互技术的发展，虚拟装配拟实化程 度必将越来越高，在可预见的将来完全有可能取代物理实物的试装配过程，从而大大缩 短产品开发周期并节约开发成本。 ( 2 ) 实现标准化 纵观工业领域各种技术的发展与应用，大都有一个从非标准化到标准化的发展过 程，这一过程同样适用于虚拟装配技术。当前虚拟装配涉及的技术和表达方式都没有统 一的标准，这是其发展状况所决定的一个必经阶段。随着在工业领域应用的逐步展开， 如果没有统一的标准，必将影响虚拟装配技术的应用范围，从而阻碍其发展，因此，实 现标准化是虚拟装配技术发展的必然趋势。 ( 3 ) 实现集成化 目前，国内外研究的虚拟装配系统大都是通过接口从商用c a d 系统中获取产品的数 字化模型以及设计者的设计意图，这一数据转换过程比较繁琐：而且在当前，虚拟装配 仿真结果、再设计意见和建议也不能很好地反馈到c a d 系统中。这方面的问题大大阻碍 了虚拟装配技术的发展。要充分发挥虚拟装配系统的功能并促进其发展，必须保证c a d 与虚拟装配系统之间的信息通道畅通无阻，因此二者必须实现集成。在现有的c a d 系统 中集成虚拟装配功能将是一个可行的实现方法。 ( 4 ) 工具化与智能化并重 虚拟装配要实现的目标之一是设计验证，即为工程师进行设计验证提供工具化的环 境。完全利用计算机自动实现装配规划则不可避免出现组合爆炸问题，随着人工智能技 术的发展，工具化与智能化相并重的装配设计环境既能够充分利用人的创造性，又能够 充分利用形式化的专家知识以及计算机能力，实现人机协同工作。因此，工具化与智能 化并重在相当长的一个时期内将是虚拟装配的发展方向。 ( 5 ) 向网络协同化方向发展 并行工程与协同设计思想已经渗透到制造业的各个层面，制造业全球化的进程也正 在加速。如何使地理上分布于世界各地的设计、工艺以及制造人员参与到产品装配设计 及验证过程中来，是虚拟装配需要解决的问题。因此，建立基于i n t e r n e t 的协同虚拟装 配环境是虚拟装配的发展方向之一。 ( 6 ) 提供更完善的评估、验证功能 目前，大多数虚拟装配系统只提供了初步的装配评估与验证功能，实际产品设计与 制造过程中，影响装配质量因素有很多，如装配精度以及装配变形等，然而目前的虚拟 装配系统并未提供对这些影响因素进行评估与验证的功能。因此，如何提供更多与装配 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 相关的评估、验证功能，从而促进最终产品质量的提高，是虚拟装配今后要解决的问题 之一。 ( 7 ) 由手工装配过程仿真向生产线装配过程仿真发展 当前大多数虚拟装配系统的研究仅停留在仿真实际生产中的手工装配过程，对生 产线装配过程研究的不够”9 1 。 1 5 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。 随着计算机应用技术尤其是c a d 技术的发展，我国压力容器设计行业的c a d 系统的开 发也有了长足的进步，并已有商品化软件问世。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 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( 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。但总体上讲，压力容器行业的c a d 应用仍落后于其它行业，这主要是由压力容器设 计的特殊性造成的。换热器是压力容器的种，是化学工业、石油工业及其它一些行业 中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些 化工操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要的地位，对它的研究与开发也倍 受重视。由于换热器一般在温度和压力较高的环境下工作，其安全性非常重要，因此在 设计过程中要遵循大量的强制性标准与规范，也就是设计中的制约因素较多。目前国内 已有许多较成熟的基于d o s 操作系统的设计软件，人机交互性差，操作不灵活，而且随 着g b l 5 0 - 9 8 等一系列新的国标的发布，许多设计软件己不能继续使用。为了适应社会的 需要，跟上时代的步伐，需要开发新一代基于w i n d o w s 操作系统的、功能全面的换热器 c a d 系统1 2 0 2 2 1 。 1 6 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， 基于的制冷用换热器c a d 系统研究与开发 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的现代 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 7 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制冷换热设备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，虚拟装配研究为核心，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，虚拟装配先进理念研究适合企业本身 的制冷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，虚拟装配理论的换。 热设备计算机辅助设计系统进行理论和应用的验证实现。本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 理清了整个装配的路线，通过一系列方法提高装配模型的准确性和实用性。 ( 2 ) 根据零件的不同特征，使所有的经过造型的零件都可进行参数化。并在设计的 同时进行参数化变换( 参数化即通过更改几个主要参数，模型就可以随之发生变化，达 到要求的大小) 。 ( 3 ) 零件模型的自动装配与其过程中的静态干涉检验，使零件在按要求装配的时候 不发生静态干涉。 ( 4 ) 装配完成后，通过拆卸法与基于边界拉伸的干涉检验方法，得到初步装配的顺 序。 ( 5 ) 数据库的底层建设，资源管理系统，对数据分门别类，并可通过程序进行修改， 增加，删除，并可对已完成的组件查询。 本文共分五部分，组织结构安排如图1 2 所示： ( 1 ) 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； ( 2 ) 系统分析； ( 3 ) 参数化造型； ( 4 ) 虚拟装配： 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 设计资源管理： ( 6 ) 系统实现及应用实例： ( 7 ) 最后总结全文并提出下一步的工作。 l 第一章绪论 i 问题提出 i i 第二章换热设备c a d 系统分斩 总体框架 系统分析 第三章机械设计模块 系统设计 详细分析 参数化造型 j 第四奄虚拟装配 基本理论l对装配顺序进行初步规划 j j 弋夕 7 第五章资源管理模块 l 开发与实现 第六章系统实现全文总结 图1 2 论文的结构 f i g 1 2 f r a m e w o r ko f t h ed i s s e r t a t i o n 作者主要负责参数化设计，虚拟装配及资源管理系统的设计与实现，因此只在第二 章对系统和第六章系统实现时对其他模块进行简单介绍。 基于u g 的制冷用抉热器c a d 系统研究与开发 2 系统分析 2 。1 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制冷用换热设备设计过程，同时 也了解到该公司对制冷用换热设备的c a d 系统的需求情况。 设计过程中的问题主要有，现有的热力学计算部分完全靠人工计算与设计人员的经 验来实旄，首先是耗用时间较长，其次是新加入的设计人员学习起来周期比较长。设计 人员得到计算结果后，完全凭经验在u g 中画图，缺乏验证的机静j 。有三维制图后，仍 要在c a d 中出二维图，三维造型与二维出图脱节。在设计新产品时，装配顺序全凭经 验，没有验证措施。一些数据和实例都由设计人员个人保存，没有很好的管理和共享。 设计人员希望能由计算机代替复杂的计算，保存出热力学结果，并直接应用在三维 建模的过程中，三维模型建立后，可在后面的设计过程中检验，修改容易。在模型全部 确市后可直接解决二维出图的问题。在设计新产品的过程中。能够对装配顺序检验并且 重新规划。数据管理方便易行，并可实现共享。变型设计的时候，可以找到符合条件的 实例，对要修改的部分稍加改动即可完成。 通过了解制冷用换热器的设计流程与设计中需要解决的问题，设定程序主要有以下 部分组成： 熟力学计算部分需要对于每一计算过程，给出换熟器热力学计算的若干方法和公 式，由设计人员自己选择方法和公式进行计算与校验。通过输入基本设计参数，进行换 热器的热力学设计与校核。保留迭代计算过程的中间结果，供设计者检索、对比和选用。 输出规则格式的换热器设计计算说明书。 机械设计部分，要对制冷用换热器零件进行参数化设计。选择相对合适的零件，在 装配过程中，检验零件的可用性，并拟出合适的装配顺序。设计好的实例要保存，以供 以后可以进行变型设计，并可对设计的零件和部件出图。 在新设计制冷用换热器时，都是依靠经验来进行顺序规划，没有检验机制，所以需 要有一个验证部分对新设计的模型进行顺序规划。 设计数据很繁杂，需要有良好的支持系统，可以对设计过程中的大量数据进行选择 和管理。并在需要时，方便查询。 根据以上分析，制冷换热设备的设计流程和需求分为五个部分，除了资源管理模块， 其他模块的流程如图2 1 所示： 大连理工大学硕士学位论文 参数化造型 参i 眦变换 自动靛配 静瘩干涉检验及千移艚 动态千涉睑验 装配i 序规掰 图2 1 换热设备设计流程 f i g 2 1d e s i g np r o c e s so f h e 砒- e x c h a n g ee q u l p m e n t s 表2 1 功能需求表 t a b 2 i l i s to f f u n c t i o nr e q u i r e m e n t s 基于u g 的制冷用换热器c a d 系统研究与开发 ( 1 ) 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； 但) 使用c a d 软件u g sn x 3 0 对换热设备进行三维建模，能够把热力学计算得到 的数据直接应用到三维建模的过程中，并使设计的时候可以参数化，得到合适的模型。 在装配过程中可进行验证，对不合适的地方可及时修改并保存。 ( 3 ) 得到组成零部件，零部件可以自动装配，不需要人工干预。 ( 4 ) 新设计零件时，可以对装配顺序进行检验。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 规范的数据管理和共享。 根据了解到的该公司对换熟设备的c a d 系统的功能需求情况。根据涉及流程，对 系统功能的需求概括，分为五个部分，如表2 1 所示。 2 2 体系结构 本文利用v c + + 6 0 编程技术开发了换热设备c a d 系统。根据上文的需求分析，把 设计系统分为三层结构：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。 r p 彝面穗 废蠢壤蕞蘑 藏鬻存雒廖 图2 2 换热设备c a d 系统体系结构 f i g 2 , 2 a r c h i t c c t t t 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。 大连理工大学硕士学位论文 应用服务层：实现换热设备设计的全过程，划分为热力学计算模块、机械设计模块 和资源管理模块：这些模块通过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。 2 3 功能模块 制冷用换热设备c a d 系统为企业提供了一种与u g s n 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模块进行细化，构造如图2 3 所示的系统功能模型。 图2 3 换热设备c a d 系统功能模型 f i g 2 3 f u n c t i o nm o d e lo f t h ec a ds y s t e m 2 3 1 热力学计算模块 热力学计算模块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。 热力学计算模块由四个子模块组成：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： ( 1 ) 设计条件输入 基于u g 的制冷用换热器c a d 系统研究与开发 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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 核需要的各种熟力学数据，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。 ( 4 ) 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 3 2 机械设计模块 机械设计模块的主要功能是完成换热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维模型的装配以 及换热设备二维图纸的输出。该模块由三个子模块组成：结构设计与设计输出子模块、 零件参数化设计子模块、自动装配子模块。本文第3 章将对机械设计模块傲详细设计。 ( 1 ) 参数化造型 因为本系统为寄生系统，既要参数化造型还要符合u g 的造型规则，所以需要注意 一些特征是否可进行参数化造型。 ( 2 ) 参数化建模 通过区分参数与主参数，建立模型与参数、参数与主参数之间的相互关系。只要通 过修改几个主参数就可进行参数化变换。参数化主要是通过表达式方式实现，只需修改 主参数的表达式值即可实现参数化变型。 ( 3 ) 自动装配系统 大连理工大学硕士学位论文 提取存储于数据库中的装配规则，并通过装配规则将具有预定义装配接口的参数化 零件模型装配起来，实现三维模型的自动装配。 ( 4 ) 结构设计与设计输出子模块 主要为制冷换热器选型与最后设计结果的输出，包括二维图与热力数据。此部分为 课题组其他人负责，下面就不再详细介绍了。 2 3 3 虚拟装配模块 在自动装配时，参数化设计的零件有可能会相互发生干涉，需要一种验证的机制， 通过装配时的静态干涉检验，可查出不符合要求的零件，并返回修改。在设计新的制冷 换热器时，也要验证原有的装配顺序是否合适，此时需要进行动态干涉检验，通过动态 干涉检验的结果和装配时的约束关系，就可求出初步的装配顺序。 ( 1 ) 静态干涉检验 通过u g 的干涉函数，获取到零件的标志号后，就可进行干涉检验，发生干涉的零 件可返回修改。 ( 2 ) 动态干涉检验 通过在零件极限面上零件轮廓的投影拉伸，把动态干涉检验转化为静态的干涉检验， 把结果存入表格，用来进行装配规划。 ( 3 ) 装配顺序规划 通过零件干涉表与零件约束关系表格，人机结合做出初步的规划。 2 3 4 资源管理模块 换热设备的c h 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。本模块就