（机械设计及理论专业论文）基于vbnet卧式压力容器cad系统的开发研究.pdf

摘要 基于v b n e t 卧式压力容器c a d 系统的开发研究 专业机械设计及理论 研究生郭海洋指导教师郑忠俊 摘要 c a d 技术发展己经渗透到工业产品设计的每一个阶段，这使得传统的设计方 法发生了巨大的变化。压力容器是化学工业、石油工业及其它一些行业中广泛 使用的重要化工设备，其研究和开发倍受重视。压力容器设计和c a d 技术的结合， 将极大地提高设计质量和设计效率，缩短新产品开发周期。但是，由于c a d 软件 开发自身专业性强，现有的化工设备c a d 软件还较落后于计算机应用技术发展的 现状，在开发、维护、扩充和升级等方面还存在一系列问题。因此，研究和开 发一套实用的化工设备c a d 系统具有重要的价值。 石化压力容器包括反应容器、分离容器等四个种类，是石化产业大型化的 产物。石化压力窖器的设计是一项比较复杂的机械产品设计工作。保证设计质 量、缩短设计周期和提高设计效率，对其具有重要的意义。 本文以石化压力容器为产品设计对象，应用最新的n e t 平台开发技术、数 据库技术和有限元技术，并运用先进的设计方法，为四川压缩机制造有限公司 开发出了一套基于v b n e t 的卧式压力容器c a d 应用系统。该系统具有进行卧式压 力容器主体设计、标准件库参数化绘图以及强度校孩等功能，周时具有二维参 数化设计绘图以及快速三维自动造型功能。 本论文从当今c a d 开发技术和开发工具出发，通过对n e t 平台的研究，提出 了基于n e t 开发平台的可行性，并运用v b n e t 开发- j a u t o c a d 基本绘图功能模 块，而且本系统采用了面向对象的程序设计技术以及d a o 数据库开发技术。软件 摘要 的没计和绘图平台为a u t o c a 0 2 0 0 2 ，开发环境为结合v b a 的v i s u a ls t u d i o n e t 2 0 0 3 。 该卧式压力容器c a d 系统由设计信息、图纸信息、标准件库和容器校核四部 分组成，可以分为信息初始化、标准零件库设计和三维实体造型等模块。软件 在二维设计的基础上，开发了三维实体自动造型功能，实现了产品模型二维向 三维的转换和c a d 与c a e 软件问实体模型的传递。 本论文还通过对c a d 开发技术的研究，提出了一些合理的逻辑方法，在c a d 应用软件开发中具有一定的借鉴价值。此外，经过对该系统的反复使用，用不 同的数据进行测试，体现出了该系统使用方便、界面友好、运行可靠，在设计 生产中起到了重要的作用。 关键词：压力容器；c a d ：参数化设计；有限元分析；实体造型 i i a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ed e v eio p m e n to fh o tiz o n t aip r e s s u r ev e s s ei c a ds y s t e mb a s e do nv b n e t m a j o r m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e g u oh ai y a n ga d vis o r z h e n gz h o n g j u n a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc a dt e c h n o l o g yh a sa f f e c t e de v e r yp h a s ei nt h ep r o c e s so f i n d u s t r i a lp r o d u c td e s i g n , a n dt h i sb r o u g h tg r e a tc h a n g e st ot r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d b r o a d l yu s e di nc h e m i s t r y p e t r o c h e m i s t r ya n do t h e ri n d u s t r i e sa s 觚i m p o r t a n t e q u i p m e n t , p r e s s u r ev e s s e lh a v er l e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o no nt h e i rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t t h ec o m b i n a t i o no f c a da n dp r e s s u r ev e s s e l s d e s i g nw i l li n c r e a s et h e q u a l i t y a n de f f i c i e n c yo fd e s i g na n ds h o r t e nt h e d e v e l o p i n gc y c l e o fn e w m a n u f a c t u r e s b u tr e s u l tf r o mt h ec o n s i d e r a b l es p e c i a l t yo fc a ds o f t w a r e d e v e l o p m e n t ，e x i s t i n gc h e m i c a le q u i p m e n tc a ds o f t w a r ed r o pb e h i n dc o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dh a v eas e r i e so fp r o b l e m si nd e v e l o p m e n t , m a i n t e n a n c e ， e x t e n s i o na n du p g r a d e s oi ts h o w sg r e a tv a l u e st of i g u r eo u tap r a c t i c a ls e to f c h e m i c a le q u i p m e n tc a ds y s t e m p e t r o - e h e m i c a lp r e s s u r ev e s s e l ，c o m p r i s i n gf o u rs p e c i e si n c l u d i n gr e a c t o ra n d s e p a r a t o r , i st h eo u t c o m ew i t ht h el a r g e n i n go f s c a l ei np e t r o - c h e m i c a lm d l l s t r y t h e d e s i g no f p e t r o c h e m i c a lp r e s s u r ev e s s e li sac o m p l i c a t e dd e s i g nw o r ko f m e c h a n i c a l p r o d u c t i o n s oi ti so fm u c hi m p o r t a n ts e n t og u a r a n t e ei t sd e s i g nq 1 1 a l i 谚，s h o r t e n i t sd e s i g np e r i o d ，a n di m p r o v ei t sd e s i g ne f f i c i e n c y w i t hp e t r o c h e m i c a lp r e s s u r ev e s s e la st h ed e s i g no b j e c t , t h i sa r t i c l eh a su s e d t h en e w e s td e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo f n e tp l a t f o r m , d a t a b a s et e c h n o l o g y ，f e a t e c h n o l o g ya n da d v a n c e dd e s i g nm e t h o d s ，a n dd e v e l o p e dap e t r o c h e m i c a lp r e s s u r e v e s s e l - c a da p p l i c a t i o ns y s t e mf o rs i c h u a nc o m p r e s s o rm a n u f a c t u r i n gl t d m a i n d e s i g no fh o r i z o n t a lp r e s s u r ev e s s e l p a r a m e t r i cd e s i g n & d r a w i n go fs t a n d a r dp a r t s a n di n t e n s i t yc h e c kc a l lb er e a l i z e di nt h i ss y s t e m t h i ss y s t e mm a i n l yh a sa l s ot w o i i l a b s t r a c t f u n c t i o n s ：t w o d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i c a ld e s i g n & d r a w i n g a n dr a p i dt h r e e - d i m e n s i o n a la u t o m a t i ce m i t ym o d e l i n g f o rt h ec u r r e n tc a dt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n tt o o l s ，t h ef e a s i b i l i t yo f d e v e l o p i n gc a ds y s t e m sb a s e d0 1 1 - n e tp l a t f o r mh a sb e e np u tf o r w a r da n db a s i c f u n c t i o nd r a w i n gm o d u l e sa r ed e v e l o p e du s i n gv b n e tl a n g u a g ei na u t o c a d d u r i n gt h ec o u r s eo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t 。o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a ma n a l y s i s & d e s i g nm e t h o d sa n dd a oa r ea p p l i e ds y n t h e t i c a l l yi nt h es y s t e m t h ed e s i g n & d r a w i n g f l a t i sa u t o c a d 2 0 0 2 。a n dt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sv i s u a l s t u d i o n e t2 0 0 3c o m b i n e dw i t hv b a t h eh o r i z o n t a lp r e s s u r ev e s s e l c a ds y s t e m i s c o m p o s e d o f d r a w i n g i n f o r m a t i o n ，d e s i g ni n f o r m a t i o n , p a r a m e t r i c a ls t a n d a r dp a r ta n di n t e n s i t yc h e c k i t a l s oc o u l db ed i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s ：i n f o r r n a t i o ni n i t i a l i z a t i o n , s t a n d a r dp a r t s d e s i g n , a n dt h r e e d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e l i n g o nt h eb a s i so ft w o - d i m e n s i o n a l d e s i g n ，ar a p i dt h r e e d i m e n s i o n a l a u t o m a t i ce n t i t ym o d e l i n gf u n c t i o nh a sb e e n d e v e l o p e d ，w h i c hc o u l dt r a n s f o r mt h ep r o d u c t i o nm o d e lf r o mt w o - d i m e n s i o nt o t h r e e d i m e n s i o n , a n dt r a n s f e rt h ee n t i t ym o d e lf r o mc a ds o f t w a r et oc a e s o f t w a r e t h ed e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fc a di sd e e p l yr e s e a r c h e da n daf e wo f r e a s o n a b l em e t h o d sa r eb r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e rw h i c ha r ev e r yu s e f u li n d e v e l o p m e n to fc a ds o f t w a r e t h es o f t w a r ei su s e db yd i f f e r e n tp a r a m e t e r st i m e a n da g a i n , u n d e rt h ea b o v ef o u n d a t i o n ，t h es y s t e mh a saf r i e n d l yi n t 呛 r f a c e ，s i m p l y o p e r a t i o nw a y , p o w e r f u lf u n c t i o na n dn l n ss a f e l y , r e a l i z e sp a r a m e t r i cd e s i g na n d p a r a m e t r i cd r a w i n gf o r mp r i m a ld a t at od r a w s oi th a st h ep r a c t i c a lv a l u ei nt h e p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：p r e s s u r ev e s s e l ：c a d ：p a r a m e t r i cd e s i g n ：f e a ：e n t i t ym o d e l i n g 1 绪论 1 绪论 随着计算机技术的迅猛发展，各行各业正日益感受到由此带来的一系列广 泛而深远的技术变革。对于现代工业生产来说，产品成本的7 0 9 6 左右决定于产品 的设计和制造，而其它环节仅占约3 0 ，由此可见设计是决定产品成本乃至其市 场竞争实力的一个重要因素。应用计算机设计和制造产品足计算机技术应用于 制造业的一个主要方面，该技术破称为计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 简称c a d ) 和计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e ，简称c a m ) 技术。 c a d 是一种应用计算机硬件和软件系统，辅助人们对产品或工程进行设计的 技术。它包括设计、绘图、工程分析以及文档制作等设计活动；与传统的设计 方法相比，这是一种全新的设计理念，也是- - f l 多学科综合应用的新技术，是 提升产品设计水平和市场应变能力不可缺少的主要技术手段之一。 c a d 技术始于2 0 世纪5 0 年代，经历了将近半个世纪的进步和发展，现在已在 二维绘图和三维几何造型等方面都取得了很大的成就。这项技术的发展主要依 赖于其图形支撑软件的进步。在这一方面，大体上经历了以下四个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代该阶段的c a d 系统可以称为第一代c a d 系统。这一代系 统主要用于二维绘图，其技术特点是利用解析几何的方法定义有关点、线、圆 等图案。 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 年代此阶段诞生的c a d 系统可以称为第二代c a d 系统。这一 代系统直到目前还在广泛应用，其技术也还在不断发展，它们主要是二维交互 绘图系统及三维几何造型系统。在几何造型方面分别采用了三维线框模型、曲 面模型和实体模型。在实体造型方面还广泛采用了实体几何构造法( b - r e p ) 法， 并在系统内部采用了数据库技术。在这个阶段，形成了许多商品化程度较高的 实用系统。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代中期此阶段出现的c a d 系统可以称为第三代c a d 技术。 该阶段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，由此出现 了各种特征建模系统、二维或三维的参数化设计系统，以及这两种建模方法交 互、融合的系统。这种系统常常在二维和三维模型之间、c a d 与c a m 系统之间有 内部统一的数据结构和共同的数据库，因此实现了二维、三维模型修改时的相 关互联性，实现了c a d c a m 的信息集成。 e i i 大学硕士学位论文 ( 4 ) 2 0 世纪9 0 年代以来该阶段的c a d 系统可以称为第四代c a d 技术，也被 称作“下一代c a d 系统”。这一代技术足一种支持新产品设计的综合性环境支持 系统，它能全面支持异地的、数字化的和采用不问设计原理与方法的产品设计 工作。目前，与之相关的技术仍然处于研究和发展之中。 我国的c a d 技术起步于6 0 年代末，几乎和工业发达国家同步。尽管在c a d 技 术的研究、开发和推广应用等方面部取得了长足的进步，但是与工业发达国家 相比，在开发和应用的广度与深度方面，还存在很大的差距，主要表现在： ( 1 ) 具有自主版权和设计功能的c a d 应用软件较少； ( 2 ) 自主开发的c a d 应用软件商品化程度较低； ( 3 ) 引进c a d 软件的功能尚未得到充分开发和利用； ( 4 ) 不同行业和地区间的c a d 应用程度参差不齐。 根据制造业全球化的发展趋势和国内c a d 技术的总体应用水平不难预见， c a d 技术，尤其是机械工业c a d 应用软件的研发和推广，仍然是一项繁重丽又紧 迫的科技战略任务。但是在战术上，必须坚持下一代c a d 系统的发展方向，在高 度强调智能化产品设计、实体造型与性态分析、过程仿真等方面实施重点研究。 1 1 c a d 技术 1 1 1c a d 技术概述 计算机辅助设计( c a d ：c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术是以计算机、外围设 备及系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析( f e a ) 以及优化设计、数控加工编程( n c p ) 仿真模拟以及产品数据管理等内容。随着 i n t e r n e t i n t r a n e t 网络和并行高性能计算机事务处理的普及，异地、协同、虚 拟设计以及实时仿真也得到广泛应用。 c a d 作为电子信息技术的一个重要组成部分，是促进科研成果的开发和转 化，实现设计自动化、增强企业创新能力和竞争能力，加速国民经济发展和国 防现代化的一项关键性技术；也是进一步向计算机集成制造系统c i m s 发展的重 要技术基础。c a d 技术将计算机高速的数据处理和海量存储能力与人的逻辑判 断、综合分析和创造性思维能力结合起来，对加速新产品开发、缩短技术制造 周期、提高产品质量、节约成本、增强市场竞争力和企业创新能力发挥着重要 作用。 1 绪论 从方法学角度看，在c a d 中人与计算机密切合作，在决定设计策略、信息处 理、修改设计及分析计算等方面充分发挥各自的特长。例如，计算机在信息存 储与检索、分析与计算、图形作图与文字处理、以及代替人傲大量重复枯燥工 作等方面存在特殊优点：但在设计策略、逻辑控制、信息组织及发挥经验和创造 性方面，人则起主导作用。因此二者的有机结合必然能提高设计质量、缩短设 计周期、降低设计费用“1 。 从技术角度看，6 0 年代初出现的c a d 主要解决自动绘图问题，随着计算机硬 件、软件技术及其它相关技术的发展，现在的c a d 成为- f q 综合性应用新技术， 它涉及以下基础技术： ( 1 ) 图形处理技术如二维交互图形技术、三维几何造型及其它图形输入 输出技术； ( 2 ) 工程分析技术如有限元分析、优化设计方法、物理特性计算( 如面积、 体积惯性矩等) 、模拟仿真以及各行各业中的工程分析等； ( 3 ) 数据管理与数据交换技术如数据管理、不同c a d 系统间的数据交换和 接口等； ( 4 ) 文档处理技术如文档制作、编辑及文字处理等； ( 5 ) 软件设计技术如窗口界面、软件工程规范及其工具系统使用等。 必须指出，c a d 不是完全的设计自动化，实践证明c a d 是将人的主导性与创 造性放在首要地位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，因 此人机信息交流以及交互工作是c a d 系统最显著的特点。 1 1 2 c a d 系统的构成 c a d 系统结构可分为三个层次，即基础层、支撑层和应用层捌。 基础层由计算机、外围设备和系统软件组成，系统软件对计算机资源进行 自动管理和控制，它处于整个软件的核心内层，主要包括操作系统、数据通信 系统等。所有软件都足在操作系统的管理和支持下进行工作的，它使计算机协 调一致并且高效地完成各种任务。例如，执行对作业和进程的管理，用中央处 理机完成各种操作或运算，对存储器的程序和数据进行有效的存取，管理外围 设备，进行机内、机外的信息通讯传递等。 支撑层包含 c a d 支撑软件、用户接口与人机交互和真实感图形显示等内 四川大学硕士学位论文 容，支撑软件足帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统，办称为软件开 发工具。计算机辅助设计系统的支撑软件主要包括图形支撑系统和数据库管理 系统，它们是计算机辅助设计的核心技术。此外，程序设计语言、面向计算机 对象的号用语言等也属于支撑软件，这些软件为计算机辅助设计系统的开发提 供了必要的软件环境，实现多种多样的计算机辅助设计功能。支撑软件是应用 软件开发的基础，计算机辅助设计系统的功能和效率在很大程度上取决于支撑 软件的性能。 应用层针对不同应用领域的需求有各自的c a d 号用软件来支撑相应的c a d 工 作，应用软件是用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件和支撑软件，自 行编制的用于解决各种实际问题的程序。计算机辅助设计系统的功能最终反映 在解决具体设计问题的应用软件上，它应具备如下特点： ( 1 ) 能够切实可行地解决具体工程问题，给出直接用于设计的最终结果； ( 2 ) 符合规范、标准和工程设计中的习惯； ( 3 ) 充分利用计算机辅助设计系统的软件资源，具有较高的效率； ( 4 ) 具有较好的设备无关性和数据储存无关性，便于运行子各类硬件环境以 及与不同软件的连接； ( 5 ) 使用方便，具有良好的人机交互界面； ( 6 ) 运行可靠，维修简单，便于扩充，具有良好的再开发性o 帕。 c a d 技术在企业的应用中起到了提高设计效率、优化设计方案、减轻技术人 员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。因此，加大c a d 软件 开发技术的研究力度具有深远意义。 1 1 3c a d 软件开发的有效途径 国际和国内知名的c a d c a m 软件如p r o e n g i n e e r 、u g 、i d e a s 、m a s t e r c a m 、 s o l i d e d g e 等都是商品化的通用平台，基本上是覆盖了整个制造行业，但专业针 对性差，基本上不能满足各种各样具体产品的设计与分析需要，在实际工程设 计中难以达到理想效果，几乎不能真正实现灵活高效的特点。因此，引进国外 先进的通用造型软件进行二次开发无疑是一种必要而又有效的手段。二次开发 就是以开放性好的商品化、通用化的c a d 系统为平台，研制开发符合国家标准、 适合企业实际应用的用户化、专业化、集成化软件。 1 绪论 a u t o c a d 是一个非常好的通用计算机辅助设计绘图系统，但每一行业和专业 都有自己的行业和专业标准，许多单位也有自己的技术规格和企业标准，每个 设计工程师和绘图员更有各自独特的工作方式和习惯；因而a u t o c a d 不可能完 全满足每个用户的具体而特定的要求。以a u t o c a d 为支撑软件运用c a d 软件开 发技术进行定制和二次开发，能使a u t o c a d 可以更加符合用户的需求，更方便、 更规范、更专业的实现设计和绘图。总的来说，在开放性好的优秀商用软件上 运用c a d 开发技术进行二次开发，是提升c a d 应用水平的重要手段，开发适用 c a d 软件的有效途径。 1 2 压力容器c a d 压力容器是各种承受气、液介质压力的密闭容器的通称。国内外把较易发 生事故且事故危害较大的压力容器作为一种特殊设备，由安全检查机构进行安 全管理和监督检查。现在，我国压力容器的标准化及相关技术由全国压力容器 标准化技术委员会( 简称“容标委”) 统管。 压力容器的品种和分类方法都很多。压力容器类别的简明判断标准规定：根 据介质性质，压力容器可以分为非易燃无毒轻毒性、易燃中度毒性、高度毒性 极度毒性三种：根据设计压力：压力容器又可分为低压容器( 0 1 m p a p 1 6 m p a ) 、中压容器( 1 6 p a p l o m p a ) 以及高压容器( 1 0 m p a p 1 2 的容器称为厚壁容器。厚壁容器为三向应力状态。 3 1 2 2 按容器的承压性质分类 按承压性质可将容器分为内压容器与外压容器两类。当容器内部介质压力 大于外界压力时，为内压容器；反之，则为外压容器。 对于内压容器，按其设计压力p 又可分为： ( 1 ) 常压容器p 0 i m p a 。 ( 2 ) 低压容器0 i m p a p 1 6 m p a ( 3 ) 中压容器1 6 m p a p 1 0 m p 口 ( 4 ) 高压容器1 0 m e a s 尸 1 0 0 m p a 一般情况下，中压、低压、常压容器及外压容器大都足薄壁容器，高压、 超高压容器是厚壁容器。内压容器的壁厚主要取决于强度，但常压容器和部分 低压容器却主要取决于刚度，应按刚度和制造要求确定壁厚，外压容器的壁厚 则主要取决于壳体的稳定性。 3 1 2 3 按容器在生产工艺过程中的作用原理分类 压力容器按其在生产过程中的作用原理可分为4 个种类。 ( i ) 反应压力容器主要用于完成物理、化学反应的压力容器。 ( 2 ) 换热压力容器主要用于完成介质的热量交换的压力容器。 ( 3 ) 分离压力容器主要用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等的压 力容器。 ( 4 ) 储存压力容器、球形容器主要用于盛装生产用的原料气体、液体、液化 气体等的压力容器。 四川大学硕士学位论文 当在同一种压力容器中同时具备两种以上的工作原理时，应按工艺过程中的 主要作用来划分种类。 3 1 2 4 按设计温度分类 按设计温度分类，可分为常温容器、高温容器和低温容器。 ( 1 ) 常温容器指设计温度高于一2 0 0 c 2 0 0 0 c 条件下工作的容器。 ( 2 ) 高温容器指设计温度达到材料蠕变温度下工作的容器，碳素钢或低合金 钢容器壁温超过4 2 0 0 c ，合金钢超过4 5 0 0 c ，奥氏体不锈钢超过5 5 0 0 c 的情况。 ( 3 ) 低温容器指设计温度低于一2 0 0 c 条件下工作的容器。 3 1 3 卧式压力容器的受力分析 如图3 2 所示，卧式压力容器圆筒形壳体由圆筒和封头两部分组成，在内 应力的作用下简体截面要产生两向( 轴向和周向) 应力的作用。为了分折这两 向应力的大小，首先把圆筒垂直于轴线截成两段，然后再沿圆筒的轴向截成两 半，如图3 3 所示“”。 假设圆筒盼内应力为p ，直径为d ，圆筒体在流体内压力的作用下产生的 轴向作用合力为p - “t d 2 。 4 这个轴向合力作用于封头内壁，左端封头上的轴向合力指向左方，右端封 头上的则指向右方，因此在圆筒形器壁的横截面上必然产生轴向拉应力仉，横 截面上产生的总拉力为仉z r d 6 。其作用方向如图3 3 ( a ) 所示。 图3 2 筒体的受力情况 一1 7 - 3 卧式压力容器c a d 系统设计软件的开发 p i ) l ( b ) 图3 3 筒体的受力分析图 ( a ) 圆筒横向截面( b ) 圆筒纵向截面 上述两个力成平衡状态，即由内压力产生的轴向合力与壳壁横截面上的轴 向拉力相等，硎i p 4 d 2 2 盯- 加占 d d q 2 嚣 由此可得壳壁横截面上的轴向拉应力为 r 栅2( 卜i ) 式中0 i 一一轴向拉应力，n m 2 或忍； 口一一圆筒体的内压力，v m 2 或忍； d 一一圆筒体的平均直径，所； 6 一一圆筒体的壁厚，肌。 下面再分析纵向截面的受力情况。如图3 3 ( b ) 所示，在流体内压力p 的 作用下，每半个壳体所受垂直于截面的合力为础d 。 这个合力有使简体沿轴线上下把两个半壳体分开的趋势，因此，在容器壳 壁的纵截面上产生周向拉应力以，则壳壁纵向截面总的拉力为c 5 2 l # 。 上述两个力也成平衡状态，即垂直于纵截面的合力与纵截面上产生的周向 四川大学硕士学位论文 拉力相等，由此可得：础d = 2 l 8 。 则纵截面的周向拉应力为 仃2 = 等n m 2 ( 1 埘 z d 式中仃，一一周向拉应力，n 聊2 或砌； 其它符号同前。 比较( 卜1 ) 式和( 卜2 ) 式可以看出，c r 2 = 2 0 - 。，这说明在圆筒形壳体中， 周向应力是轴向应力的二倍，因此，在制造圆筒形容器时，纵向焊缝的质量要 求比环向焊缝高，以保证安全；在筒壁上开设椭圆形人孔或手孔时，必须使短 轴在纵向，长轴在周向，以尽量减少开孔对壳体强度的削弱程度“”。 3 1 4 设计参数的确定 1 设计压力 容器在正常操作情况下，顶部可能出现的最高表压力，称为最大工作压力。 在相应的设计温度下用以确定容器壳体厚度的压力称为设计压力，其值不得小 于最大工作压力。设计压力标注在容器的铭牌上。 当容器各部位或受压元件所承受的液柱静压力达到5 设计压力时，则应取 设计压力和液柱静压力之和进行该部位或元件的设计计算。当容器顶部有安全 阎时，容器的设计压力应不小于安全阀的开启压力。当容器装有其他泄放装置 时，容器的设计压力按有关规定确定。 2 设计温度 设计温度是指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下，金属元件的金 属温度，其值不低于元件金属可能达到的最高金属温度。对于0 0 c 以下的金属 温度，则设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。设计温度也应标注 在容器铭牌上。 对于不同操作工况的容器，应在图样或相应技术文件中写明各苛刻工况时 的相应设计压力和设计温度，以便进行选材和设计。 3 许用应力 压力容器所用材料的许用应力b l f 值是根据材料的各项强度指标分别除以 安全系数而得，并取其中较小值。我国国标g b l 5 0 8 9 “容标”中已将压力容器 3 卧式压力容器c a d 系统设计软件的开发 常用金属材料的许用应力值列出供设计计算使用。 4 钢材选用 选择压力容器用钢必须考虑容器的使用条件( 如设计温度、设计压力、介 质特性和操作特点等) ，材料的焊接性能，容器的制造工艺以及经济效益等。 钢材的使用温度上限为各钢号所对应的上限温度。碳素钢和碳锰钢在高于 4 2 5 0 c 温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。奥氏体钢在使 用温度高于5 2 5 0 c 时，钢中含碳量不低于0 0 4 。钢材的使用下限均高于 一2 0 0 c 。 5 焊缝系数 容器的简体和封头通常都是由钢板拼焊后成型的，由于焊缝本身的缺陷和 焊缝两侧热影响区金相组织的变化，使该区域内机械性能有所下降。实践证明， 压力容器的许多破裂事故，首先是在焊缝或热影响区内产生裂纹而造成的，所 以强度计算时必须考虑焊缝对材料强度削弱的影响。通常引入焊缝系数来表征 焊缝对压力容器材料的削弱程度，即以焊缝强度与母体材料强度的比值来表示 焊缝系数埘。 焊缝系数妒= 案燃- 从上式可以看出，焊缝系数是反映焊缝处材料强度的削弱程度，它的大小 与焊缝的结构、检验的标准以及焊缝的位置有关。 6 腐蚀裕量 腐蚀裕量c ，= 腐蚀速度x 容器的使用年限，朋埘；不同介质对金属材料的腐 蚀速度可由手册查得，手册中查不到的应从生产实践中或试验中取得可靠数据。 在选取材料时就应考虑耐腐蚀问题。对碳素钢和低合金钢c 不小于l 坍坍；对不 锈钢，当介质的腐蚀性极微时，取c ，= 0 。 3 2 卧式压力容器c a d 软件的用户界面 卧式压力容器具有零部件繁多、结构复杂的特点；而且该卧式压力容器c a d 系统软件主要是为了解决设计人员手工绘图慢、查阅各种标准手册难面烦的问 题设计的。所以这里就涉及到了很多的参数数据，而这些参数数据能够让设 计人员迅速的查到就必须要在软件中体现出来，因而这里所涉及的对话窗体很 四川大学硕士学位论文 多。在这里就以压力容器的一个重要零件法兰，来详细地介绍一下该系统 的运行情况。 3 2 1卧式压力容器主界面 卧式压力容器的主界面有5 个选项可供选择，如图3 4 所示，它们分别为 设计参数、图幅信息、标准件库、容器校核和退出系统。为了让设计人员能更 详细地了解每一项的用途和作用，只要把鼠标放到每个按钮上时，在界面的上 方就会提示选择该按钮后要做的工作。 图3 4 本系统主界面 3 2 2 标准件库对话框 点击“标准件库”按钮后，进入标准件库的下一个对话框，如图3 5 所示。 同样把鼠标放到每个按钮上时，在“各类型零件结构简图”下面就会显示所选 择的压力容器主要用零件的简单结构简图和一些主要的基本尺寸，这样可以方 3 卧式压力容器c a d 系统设计软件的开发 便设计人员选择自己所需要的各种零件，当然压力容器上用的零件远不至这么 少，如果在该系统的_ 基础上进行扩充，就町以得到完整的压力容器零件库，图 3 5 所示显示的足压力容器用法兰的结构图。 图3 5 标准件库对话框 3 2 3 管法兰型号选择对话框 压力容器中用到的管法兰很多。选择“管法兰”按钮后，进入管法兰的型 号选择对话框如图3 6 所示。因为在压力容器用管法兰中，在不同的条件环境 下可能就要选择不同类型的法兰，这垦列出了最常使用的4 种可选择的管法兰， 其实在设计中，用到的法兰不至这4 种。 3 2 4 光滑面平焊法兰设计对话框 选择图3 6 中的“光滑面平焊法兰”单选按钮后，点击“确定”按钮，弹 四川大学硕士学位论文 出光滑面乎焊法兰设计对话框，如图3 7 所示( 以光滑面平滑法兰为例) 。首先 必须选择一个所需的法兰的公称直径，否则你点击其它按钮时就会提示出错误 信息或者按钮显示为灰色。选择好了公称直径后，可以点击“添加参数”按钮 连接对应该类型法兰的数据库，以便显示出来让设计人员查看，选择“参数选 择”按钮后把所需要的各关键数据在对话框中显示；与之同时，该类型的法兰 结构图也会在下面结构图框中显示，以便设计人员来对应查看所选数据是否有 误。检查没有错误后选择“插入到总图”按钮，这样就可以轻松、容易、快速 地把该类型的管法兰图插入到总图中去。 图3 6 压力容器用管法兰选择框 3 2 5 拾取法兰基点对话框 上面数据选择完整后，点击“插入到总图”按钮，弹出拾取法兰基点对话 框，如图3 8 所示。找到想要把该法兰图插入到总图中压力容器上的合适位置， 然后点。确定”按钮，就很方便的完该种管法兰的图形绘制。 3 ，2 6 绘制法兰实例效果图 选择公称直径为l o o m m 作为实例，公称直径为l o o m 魄的管法兰图如图3 9 所示。 3 卧式压力容器c a d 系统设计软件的开发 图3 7 光滑面平焊法兰设计参数对话框 2 4 - 四川大学硕士学位论文 图3 8 拾取法兰基点对话框 n：闷 囫嘲 l 沥国 ，? ? ，_ ，卜上1 凸 图阁 测匿 图3 9 公称直径为l o o n 的管法兰图 3 3 卧式压力容器c a d 软件开发中的实用技术 3 3 1 特征建模 特征是具有工程含义的几何实体。特征建模是一种基于特征定义产品模型 的建模方法。对于这种模型，设计人员的操作对象不再是点、线、面和体素这 类低层次的几何信息，而是他们所熟悉的几何实体叫。特征建模的好处在于它 不仅能够更好地体现设计意图、提高设计效率，而且还有助于后续过程的信息 集成。 关于特征的具体描述随设计对象的不同而有所差异。压力容器的特征包括 形状、精度、材料、技术等几类。其中形状特征是用以描述具有外形零，部件 几何形状的信息，分主形状特征和辅形状特征。主形状特征用于构造零件的主 3 卧式压力容器c a d 系统设计软件的开发 体形状结构，辅形状特征则用于对主形状特征进行局部修饰。显然，形状特征 不仅是描述设计对象的关键，而且也是其它特征的载体“”。 图3 1 0 是压力容器外壳的特征分类结构图。由图可见，描述外形的土形状 特征是构成外形体的基本几何实体，即通常所说的零件。当这些零件作为设计 对象时，又可以得到更具体的几何特征描述。例如，法兰类零件的特征可以用 图 图3 1 0 压力容器特征分类结构 图3 11 法兰类零件的特征分类结构 四川大学硕士学位论文 压力容器外壳体的精度特征用于描述零件的尺寸公差、形位公差和粗糙度 等信息；材料特征用于描述零件材料的种类、性能、热处理和表面处理方法等 信息：技术特征用丁描述零件的性能，功能等信息：管理特征用于描述诸如零 件名称、数量、图号等零件的管理信息。 3 3 2 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 ) 是指参数化模型的尺寸用对应的关系描 述，而不需要用明确数值。改变一个参数值，其设计模型将自动改变与之相关 的尺寸。在c a d 系统中的参数化设计使其具有交互式绘图和自动绘图的功能， 它也成为产品建模及组合系列设计的有效手段之一。参数与设计对象的控制尺 寸有明显的对应，设计结果的修改受到尺寸驱动的影响，因此也称为参数化尺 寸驱动。且前参数化技术大致有基于几何约束的数学方法、基于几何原理的人 工智能方法和基于特征模型的造型方法渊。”。 参数驱动、图形编程是一种新的参数化方法，其基本特征是直接对图形数 据库进行操作、建立图形模型、定义图形结构和控制程序流程，因此具有很好 的交互性，能够在现有的绘图系统基础上进行二次开发，对三维问题也是同样 适用。特征技术是c a d 技术发展中的一个里程碑，它是在要求进一步提高生产 组织集成化和自动化程序的历史进程中成长起来的。产品模型数据交换标准 ( s t a n d a r df o re x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ，简称s t e p 标准) 中将形状 和公差特征等列为产品定义的基本要素，使特征获得了国际标准的法定地位。 从而特征技术解决了从计算机辅助几何设计发展到非纯几何设计，进而实现c a d 与c a m ( 计算机辅助制造：c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 一体化的关键问题。 3 3 3 面向对象的设计技术 传统的以结构划分、设计和编程为主的软件虽然能在一定程度上提高软件 开发效率和软件系统的可维护性，但对软件的可再用性、可扩充性以及嵌入其 它系统能力方面的提高不大。而面向对象的方法则很容易解决这个问题，它采 用建模观点、采用统一的概念和术语，使得分析、设计和实现一致。 面向对象软件开发方法采用面向对象设计( o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n ， 简 称o o d ) 技术进行问题解决方案的设计工作，它将问题的解决方案表述为：类+ 3 卧式压力容器c a 0 系统设计软件的开发 关联。这种形式中的类包括问题空问类、用户界面类、任务管理类和数据管理 类等，是从设计的角度出发对问题解决方案中对象的抽象和描述，关联则用于 描述这些类和类之间的关系。面向对象方法正是按人们通常的思维方式建立问 题模型，设计尽可能自然地表现求解方法的软件。与传统的设计方法相比，面 向对象的没计方法利用面向对象分析技术对问题进行了分析描述之后，就可以 直接将其结果用于问题空间类的设计，即直接将分析所得到的对象、对象与对 象之间的关联确定为类以及类与类之间的关联，这些直接从分析结果得到的类 就是问题空间类m 1 。因此，在实际开发过程中，通常是采用迭代