（化工过程机械专业论文）基于ideas的锅炉钢架有限元分析系统.pdf

摘要 对于大中型工业及电站锅炉，钢架是支撑锅炉汽包、水冷壁、炉墙及各传 热部件重量的重要结构。由于锅炉钢架属于复杂的三维空间钢结构，采用经典 的固体力学方法求解非常困难。因此，经常采用有限元方法来求解。i d e a s 具 有强大的有限元分析功能以及良好的集成性，因而采用i d e a s 系统进行锅炉 钢架的有限元分析设计工作具有方便、直观、快速、集成性好的优点。 本文从江西江联能源环保股份有限公司的实际情况及要求出发，研究了专 门用于锅炉钢架的有限元分析系统的开发思想和实现方法。主要内容如下： 讨论了数字化技术在锅炉钢架结构设计中的应用，给出了采用i d e a s 进行钢架有限元分析计算的一般过程，并从提高设计效率出发，给出 了锅炉钢架有限元分析系统开发的必要性。 进行系统性能需求分析，提出系统开发的主要思想及基本路线，并进行 功能划分，在此基础上详细给出各个模块的功能结构。 对系统开发中所运用的关键技术k b e 技术，基于特征的参数化建模 技术和二次开发技术做了比较详尽的研究，并给出了其在系统开发中 的应用。 分析了基于i d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统的开发环境，并根据系 统开发的总体思想，给出了基于i d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统的 具体实现。 基于i d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统的开发，不仅有助于建立企业设计 标准和规范，简化设计过程，提高设计质量和速度，更为重要的是，为产品的 结构设计开辟了一条新的道路。 关键词：锅炉钢架，i d e a s ，有限元分析，数字化设计，k b e ，参数化设计，二 次开发 a b s t r a c t t ol a r g ea n dm e d i u m - s c a l ei n d u s t r i e sa n du t i l i t yb o i l e r s ，s t e e lf r a m ei sa n i m p o r t a n ts t r u c t u r ew h i c hs u p p o r t st h ew e i g h to f t h eb o i l e rd r u m ，t h ew a t e rw a l l ，t h e f u r n a c ew a l la n dv a r i o u sd i a t h e r m a n o u sc o m p o n e n t s b o i l e rs t e e lf r a m ei sc o m p l e x t h r e e d i m e n s i o ns p a c es t e e ls t r u c t u r e ，s o “i sh a r dt os o l v eb yc l a s s i c a lm e t h o d si n s o l i dm e c h a n i c s a sar e s u l t ，i ti so f t e ns o l v e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i - d e a si s k i n do fs o f t w a r ew i t hp o w e r f u lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa b i l i t ya n dg o o di n t e g r a t i o n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dd e s i g nf o rb o i l e rs t e e lf r a m ew o u l dg a i nt h ea d v a n t a g e s o fc o n v e n i e n c e ，d i r e c tv i s i b l e ，f l e e t n e s sa n dh i 鼬i n t e g r a t i o nb yu s i n gi - d e a s s y s t e m b a s e do nt h e a c t u a ls t a t u sa n dr e q u i r e m e n to fj i a n g x i j i a n gl i a ne n e r g y s o u r c e sa n de n v i r o n m e n tc o l t d ，t h e c o n c e p t o f d e v e l o p i n g a n dt h e i m p l e m e n t a t i o na p p r o a c ho f t h es y s t e me s p e c i a l l yf o rb o i l e rs t e e lf l a m ew i t l lf e ma r e s t u d i e d 1 m em a l nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： d i s c u s st h ea p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a lt e c h n o l o g yi nt h es t r u c t u r ed e s i g no f b o i l e rs t e e lf r a m e i n t r o d u c et h eg e n e r a lp r o c e s so ff e md e s i g nf o rs t e e l f l a m eb yi - d e a s a n df r o mt h ep o i n to fe l e v a t i n gt h ed e s i g ne f f i c i e n c y , p r o p o s et h en e c e s s i t yo ft h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mf o rb o i l e rs t e e l f r a m ew i t l lf e m a n a l y s et h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m p r e s e n tt h em a i n c o n c e p t a n db a s i c w a y o fd e v e l o p i n gt h e s y s t e m i n t r o d u c et h e c l a s s i f i c a t i o no ff u n c t i o n s ，a n dm o r e o v e rt h es t r u c t u r eo ff u n c t i o n sw i t h i n e a c hm o d u l ei nd e t a i l s s t u d y t h e k e yt e c h n o l o g ya p p l i e dd u r i n g t h e d e v e l o p i n g o ft h e s y s t e m ，k b et e c h n o l o g y , t h e f e a t u r e - b a s e d p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g t e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y a n dp r e s e n t l e i r i i a p p l i c a t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to f t h es y s t e m a n a l y s et h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to ft h es y s t e mo fb o i l e rs t e e lf r a m e w i t hf e r nb yi - d e a s a n db a s e do nt h eg e n e r a lc o n c e p to fs y s t e m d e v e l o p m e n t ，p r e s e n tt h er e a l i z a t i o no f t h es y s t e mi nd e t a i l s t h ed e v e l o p m e n to ft h ef e r ns y s t e mf o rb o i l e rs t e e lf r a m eb yp d e a si sn o t o n l yh e l p f u lt ob u i l dd e s i g ns t a n d a r da n dc r i t e r i o no ft h ec o m p a n y , s i m p l i f yt h e d e s i g np r o c e s s ，i m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t ya n de f f i c i e n c y , b u ta l s oan e ww a yo f s t r u c t u r ed e s i g nf o rp r o d u c t s k e y w o r d s ：b o i l e rs t e e lf r a m e ，i - d e a s ，f e m ，d i g i t a ld e s i g n ，k b e ，p a r a m e t e r i z e d d e s i g n ，a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t 1 1 1 第1 章绪论 运用大型的c a i ) c a e 软件来进行产品的设计开发是数字化设计中的一项比较 成熟的技术，也是数字化设计中的一项关键技术本章将首先介绍数字化设计的 概念、应用及发展趋势，为之后介绍系统所采用的c a d c a e 技术打好理论基础。 然后，将讨论所开发系统的功能对象锅炉钢架结构设计的发展与现状，并说 明c a d c a e 技术在锅炉钢架结构设计方面的实际应用意义。最后，将给出本论文 的选题目标、选题意义和主要研究内容。 1 1 设计领域的数字化趋势 1 1 1 传统设计与数字化设计 随着信息资源的出现，数字化设计借助电子信息技术的发展对传统设计发 起了挑战i 。1 9 9 8 年1 月3 1 日戈尔在美国加利福尼亚科学中心发表了题为“数 字地球理解2 1 世纪我们这颗地球”的创意演说，引起了全世界对于数字化 技术的关注。当今世界，一种以计算机为操作平台的生产方式成为了设计界的 一股领导潮流。 传统的工程设计方法是设计人员在图纸上利用几个不同投影视图来表示一 个三维产品的设计模型，在图纸上还有很多人为规定、标准、符号和文字描述， 对于一个较为复杂的部件，需要用若干张图纸，尽管这样，图纸上还尽是密密 麻麻的各种线条、符号和标记等。然后，工艺、生产和管理等部门的人员，再 认真阅读这些图纸，弄懂设计意图，通过不同视图的描述，想象出设计模型的 每一个细节。此项工作是十分的困难和艰苦翻。传统设计导致了制造的可复制 性差，协调性差，严重的制约了设计开发新产品的生产效率。 数字化现代设计就是用现代的、高科技的手段和技术来改造传统的产品设 计方法【3 】，旨在建立一套基于计算机的，支持产品开发与生产全过程的并行化、 智能化、集成化、虚拟化、绿色化、全球化、人性化、安全化、敏捷化的现代 设计方法与系统，有效地组织多学科的产品开发队伍，充分利用各种计算机辅 第1 章绪论 助工具，并有效地考虑产品开发与生产的全过程，从而缩短产品开发周期，降 低成本，提高质量，生产出满足用户需要的产品【4 】。利用数字化技术中最典型 的c a d c a e 技术，设计者可用软件直接进行产品的三维造型，并使产品的直观 形象贯穿于产品设计的整个过程。设计者更可以方便的利用已建好的三维模型 进行进一步的部件虚拟装配、总体布置、运动仿真，干涉检查、有限元分析等 设计工作。数字化设计为实现计算机集成设计制造奠定了基础。其演变过程如 图1 1 所示 图1 1 产品设计的演变 数字化设计相对于传统设计的优越性在于： ( 1 ) 数字化设计与新技术的出现紧密相联，是信息社会的产物，顺应时代的 要求。数字化设计利用先进的网络来收集信息，更为方便快捷。 ( 2 ) 数字化设计以高科技手段为创作工具，使设计更为直观、简单和准确。 作为数字化设计辅助工具的计算机，具有先进的图形处理能力和高速的运算能 力，可以更好的完成设计工作。 ( 3 ) 数字化设计缩短了产品开发周期，更能适应现代市场的要求。快节奏的 生活，刷新频率很高的市场要求快速、高效的产品设计，市场竞争和工厂经济 效益又需要让产品成本尽量低而生命周期尽量长，数字化设计比传统设计更能 适应市场的这一要求。 然而，数字设计与传统设计并不是两相对立的概念，数字设计是传统设计 在信息社会的延伸和发展，是更为先进的设计方式，但其中占主导地位的仍然 是人。因此，现代设计的关键是设计者如何最大程度的发挥出数字化设计的优 势。 2 浙江大学硕士学位论文基于i - d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统 1 1 2 数字化技术中的有限元方法 数字化技术的迅速发展，在机械设计基础力学学科领域里引起了深刻 的变革，这个变革就是有限元法的迅速发展与广泛应用。有限元法发展已有三 十多年历史，目前已比较成熟，是分析计算复杂机械结构和工程结构的有效方 法，它基本上解决了过去对复杂机械结构作精确计算的困难，为改变传统的经 验设计方法起了重要作用阁。 许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析，振动特性分析 等，都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题，但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单，且几何边界相 当规则的少数闷题。对于大多数的工程问题。由于物体的几何形状比较复杂或 者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。解决这类问题通常有两种途 径：一是引进简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到 其在简化状态下的解。这种方法只在有限的情况下是可行的，因为过多的简化 可能导致不正确的甚至错误的解。随着计算机技术和计算方法的发展，对于复 杂的工程问题，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，可以采用离散 化的数值计算法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技 术。数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。 目前在工程技术领域内应用最广的数值模拟方法主要是有限单元法有限 单元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点来 连接。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系求得。由于单元 形状简单，便于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个 单元方程组。组集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方 程组求解。单元划分越细，计算结果就越精确。 有限单元法真正用于工程中是在2 0 世纪中叶电子计算机出现以后。随着数 字化技术的发展，不仅各种不周的有限元方法形态相当丰富，理论基础相当完 善，而且已经开发了一批使用有效的通用和专用有限元软件，使用这些软件不 但可以解决工程中的结构分析问题，也成功地解决了传热学、流体力学、电磁 学等领域的问题。许多通用有限元分析程序将有限元分析、计算机图形学与优 第l 章绪论 化技术相结合，形成完整的计算机辅助分析系统，这些程序可以显著提高产品 设计性能，缩短设计周期，增强产品的市场竞争力问。 当今国际上有限元方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征【7 l ： ( 1 ) 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题。 ( 2 ) 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题。 ( 3 ) 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能。 ( 4 ) 与c a d 软件的无缝集成。 ( 5 ) 工作平台多样化及在w i n t e l 平台上的发展。 1 1 3 产蜃开发需求 近年来越来越多的跨国公司将i t 等高科技产业向发展中国家转移。全球 盐的经济竞争给发展中国家的数字化制造企业带来了前所未有的机遇。在可持 续发展的前提下，中国的企业唯有将发展重心放在提高产品创新和开发能力上， 才能更好的把握机遇，完成由资源消耗型的工业经济型向以信息为基础的知识 经济型的转变。 由于产品开发周期、产品生命周期和投资回收时间都不断缩短，因此，创 新水平的高低对投资者收益的影响越来越大。近几十年来，制造业竞争的焦点 已从早期的降低产品成本的竞争，2 0 世纪7 0 年代提高企业整体效率及产品质 量的竞争，8 0 年代全面满足顾客在交货期、质量、价格和服务等方面要求的竞 争，发展到9 0 年代乃至2 1 世纪初创新能力的竞争i s 。为了提高快速产品开发 和创新能力，数字化战略已是指导各跨国制造公司产品创新的首选战略。 随着产品结构越来越复杂，功能越来越趋向集成化和复合化，新产品开发 所需要的信息量越来越多。这些问题对数字化产品开发技术发起了全面而深刻 的挑战由此引发的问题几乎渗入到产品开发的各个环节和各个方面。因此数 字产品开发日益成为提高竞争力的重要手段御。 4 浙江大学硕士学位论文基于i - d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统 1 1 4 数字化发展趋势 随着计算机技术的不断提高，网络技术的普及应用，集成技术的迅速发展 以及用户需求的无限扩张，数字化设计主要呈现出以下发展趋势【1 0 】： ( 1 ) 单项技术向完善化发展。在c a d c 删中的技术主要有：曲面建模技术、 曲面与实体集成的技术、实体建模技术、大型组件设计技术等。在c a p p 中创成 式c a p p 的研究和实用化技术。在p d m 中产品结构配置管理的有关算法的研究， 项目管理的开发研究及p d m 在企业中实施方法的研究等。e r p 的新发展是与 i n t e r n e t 和电子商务相结合。 ( 2 ) p 咖与c a d c a p p c a e c 删、腿p i i e r p 、o a 的集成技术。目前用三 种方式集成即：封装、接口、集成。封装：是指把对象的属性和操作方法同时 封装在定义对象中。封装可以通过p d m 提供的封装工具来实现。接口：通过p d m 与各应用系统c a x 的a p i 应用接口程序提取部分信息实现系统间的信息交换。 集成：通常所称无缝集成。这种集成方式要真正了解p d m 和各c a x 系统的底层 数据结构，通过编程来实现二者库中的数据访问，无缝集成实现了信息的双向 交换。 ( 3 ) 产品协同商务c p c 将迅速崛起。产品协同商务( c p c - - c o l l a b o r a t i v e p r o d u c tc o m m e r c e ) 定义了种全新的软件和服务，它是基于i n t e r n e t 和w e b 技术的全新的解决方案。 综上所述，由于社会和市场的要求，产品开发周期中的数字化程度必将越 来越高，再加上各单项数字化技术的日趋成熟，因此，数字化设计可以也必将 向高度集成化、个性化发展。实现企业内部各c a d c a e 系统的优化统一以及p d m 与c a d c a e 的无缝集成将很大程度的提高企业在市场中的竞争力。 1 2 锅炉钢架结构的数字化设计 1 2 1 国内、国外锅炉钢架结构设计的发展及现状 锅炉的定义：利用燃料( 固体燃料、液体燃料和气体燃料) 燃烧释放的化 学能转换成热能，且向外输出热水或蒸汽的换热设备。锅炉是国民经济中供应 5 第l 章绪论 蒸汽和热水、实现能量形式和载体变换的重要设备锅炉钢架作为锅炉的主要 支承部件对于保证锅炉本体的正常、安全、可靠运行起着至关重要的作用1 1 1 1 在大型电站锅炉中，钢架重量占锅炉总重量的3 0 5 左右。因此，钢架的设计在 节约钢材，降低成本方面具有很大的潜力，这也是很多钢架设计人员大力提倡 在结构中。合理使用材料”的一个关键原因。 大型锅炉钢结构的设计方法分为结构布置和整体计算两部分。结构布置和 整体计算的一种方式是国内的布置方式和中国国家设计规范的计算方法：另外 一种是各大锅炉厂引进国外大型机组时的布置和计算方法。 目前，国内的布置方式和计算方法采用了超宽翼缘柱的结构，在柱距布置 时采用大跨度，由于采用超宽翼缘柱，水平支撑层间距较大采用这种布置方 式能够充分利用材料的特性。 各大锅炉厂引进技术都是从美国引进的，虽然引进的技术流派不同，但布 置方式基本相同。在柱、梁和垂直支撑截面上都是采用进口w 型钢。由于进口 w 型钢截面特性的局限性，柱距布置紧密，水平层间距相对较小。 日本日立和日本巴布科克公司的结构布置与国内布置方式类似，采用超宽 翼缘柱的结构。所不同的是内侧柱间距加大，锅炉和设计的管道走内侧柱的里 边。外侧柱和内侧柱之闻的距离较小，并且在外侧柱立面上不拉垂撑，只是在 内侧柱立面上拉有垂撑，保持整个结构的稳定性。 国内有的锅炉厂借鉴日本锅炉钢结构的布置方法，用水平支撑的桁架将内 侧柱和钋侧柱两个立面联系起来，在外侧不拉斜撑，以便节省材料。 锅炉钢结构由于十分庞大和复杂，设计当中应引起足够重视。引进的北仑 电厂6 0 万机组，由日本i h i 公司设计，由于设计配合的失误，安装过程中大量 秆件失稳，现场补强。引进的三河电厂3 0 万机组，由日本三菱公司设计，由于 材料问题，整付构架安装完成后又拆除，损失极其惨重u 2 。 近两年来，国内锅炉行业迎来了大发展。五大发电集团对电力的投资加大， 投资和装机总量均创世界之最。相对于国内火电行业的大发展，发达国家并不 大力推广火电的应用。目前，发达国家的火电机组基本处于改造状态，转向于 6 浙江大学硕士学位论文基于i - d b s 的锅炉钢架有限元分析系统 大力推广核电和风力发电。大型锅炉钢结构近几年在中国得到了极大发展 因此，从设计的角度上说，锅炉钢结构设计的发展水平主要看国内几大锅 炉厂钢结构设计的发展，在市场条件越来越好的情况下，应进一步提供设计水 平，优化结构设计 1 2 2 数字化技术在锅炉钢架结构设计上的应用 决定锅炉钢架设计质量的主要因素之一是分析手段。对于锅炉铜架结构， 传统的设计方法是：首先把三维的空间问题简化为平面问题，再用结构力学的 方法进行手工计算，计算工作量大、设计周期长、设计保守【13 1 。相对于传统设 计，数字化设计在锅炉钢架结构设计上的优势主要体现在： ( 1 ) 运用c a d c a e 软件的三维造型功能建立锅炉钢架结构的三维虚拟原型， 并可在其上宣接进行有限元单元和边界条件的加载。由于锅炉钢架是三维线框 结构，且一般结构比较复杂，因此，运用数字化技术建立起来的三维模型较之 传统的二维三视图更能清晰的表达真实的设计意图。而此三维模型作为产品的 虚拟原型还可以代替设计原型、功能原型和技术原型进行进一步的仿真分析 ( 2 ) 利用c a e 技术中的有限元f e m 方法对锅炉钢架结构进行分析解算。由于 锅炉钢架属于复杂的三维空间钢结构，采用经典的固体力学方法求解非常困难 u 4 】。有限元法是处理复杂数理问题的新兴途径。这种方法的思想是将结构进行 有限元离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的工程结构，各单元之闻 通过有限元节点相互连接，根据有限元基本理论建立有限元总体平衡方程，然 后求解【l 乱有限元方法在求解复杂固体力学问题中有着广泛应用而在现在的 大型c a d c e 设计软件中，有限元分析模块的功能是很强的。因此，利用c a d c a e 技术，就能将原先极其复杂的设计计算过程变得直观而简单。 ( 3 ) 在一些大型c a d c a e 软件平台上进行二次开发，以提高设计效率，满足 不同用户的特殊要求。在当今的设计领域，一些大型c a d c a e 软件功能十分强 大，可谓是包罗万象。而大部分的企业往往只会用到其中的一小部分功能，因 此，可由这些设计软件良好的开放性，对其进行二次开发，将要用到的功能集 成起来，并在此基础上进一步自定义功能，最终达到方便用户使用的目的。 7 第1 章绪论 上述3 点应用中，第1 和第2 点已经在现代结构设计领域相当普及，而第 3 点由于有一定的技术难度，其应用相对较少，这也是当前结构设计数字化领 域的一个发展方向。 1 2 3 运用i - d e a s 进行锅炉钢架有限元分析 文章上一节主要阐述了数字化技术运用在锅炉钢架结构设计方面的几点优 势，在具体进行锅炉钢架结构分析设计的过程中，i - d e a s 软件以其可靠的性能 成为设计者所青睐的开发工具。 美国u g s 公司的i - d e a s 系统是一个在复杂机械产品设计、分析、测试以 及加工方面均在全世界处于领先地位的集成型高端c a d c a e c a m 系统。该系统 因其有限元分析功能强大、集成性好而著称，i - d e a s 有限元分析结果已成为工 业界所承认的事实标准，其分析结果可信度高，能够解决广泛的工程实际问题 【阍。采用i - d e a s 系统进行锅炉钢架的有限元分析设计，能够使工程技术人员 快速的发现、寻找钢结构中的薄弱和厚余位置，进行结构优化设计和安定性判 别，使锅炉钢架设计工作由以往的常规经验设计进入到分析优化设计的全新阶 段。另外，i d e a s 具有良好的开放性，提供了十分有效的二次开发手段，有利 于用户进行功能的集成、优化和自定义，极大的方便了用户的使用，很大程度 的提商了设计效率。 运用i d e a s 对锅炉铜架进行有限元结构分析，比较经典的做法可分为三 步：前处理、解算和后处理【用。 ( 1 ) 前处理过程 前处理过程通常是设计者投入时间和劳动最多的过程，也是整个有限元分 析过程中比较关键的过程。其主要包括：建立三维线框模型、构造梁单元截面 ( 钢截面) 、建立有限元模型、划分网格、加载边界条件等。 ( 2 ) 解算过程 这一部分的工作大都由计算机自动执行，节省了大量时间和精力，极大的 体现出了数字化设计的优越性，其主要包括：建立解算集和计算等 8 浙江大学硕士学位论文差于i - d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统 ( 3 ) 后处理过程 后处理过程即对有限元分析结果进行用户所要求的加工和检查，并以图形 方式将结果提供给用户，其主要包括：显示应力及位移和打印有限元报告等。 上述的有限元结构分析过程具有以下不足：( 1 ) 在对锅炉钢架结构进行有 限元分析的过程中，所用到的i - d e a s 的功能几乎全部集中在s i m u l a t i o n 子系 统中的m a s t e rm o d e l e r 、b e a ms e c t i o n 、m e s h 、b o u n d a r yc o n d i t i o n s 、m o d e l s o l u t i o n 以及p o s tp r o c e s s i n g 任务下，这些功能相对于全部的i - d e a s 功能 来说只是很小的一部分，而且这些功能大都分散在各个工具面板的不同命令堆 栈内。对于设计者来说，弄清这些功能命令的具体位置并按照正确的分析步骤 去执行显得有些困难。( 2 ) 对于特定的企业来说，通常会具有若干种常用的标 准钢截面形式，而目前流行的c a d 软件，都不带锅炉钢架专用的截面标准库。 若按照上述分析步骤，在每次进行钢架设计的同时，必定要重新构建所需的钢 截面甚至是以前曾经用过的同一类型的钢截面，这势必会造成重复劳动，降低 设计开发的效率。 以上这些问题成为了制约锅炉钢架设计开发速度的一个桎梏，但是当前并 没有一个专用于锅炉钢架结构设计的软件来解决它们。而i - d e a s 的另一强大武 器= 次开发功能给解决这些问题带来了希望。利用i d e a s 的二次开发技 术，并结合界面开发工具，从i - d e a s 的功能中提取出所有与锅炉钢架有限元分 析相关的功能进行集成、优化、扩充、重组，最终创建一个完全针对锅炉钢架 有限元分析的崭新系统。 本系统的开发正是基于以上的原理及开发意义所做出的一种尝试，目的在 于开发出锅炉钢架有限元分析的专用系统，充分发挥数字化设计的优势。 1 3 学位论文的研究目标、内容及意义 1 3 1 研究目标 通过以上两节的分析与阐述，我们了解了数字化设计技术的发展及现状， 并探讨了数字化设计在锅炉钢架结构设计上的应用。应该说，利用c a d c a e 软 件对锅炉钢架进行数字化设计的应用已经相当普及，但其设计方法，设计效率 9 第1 章绪论 仍有进一步优化和提高的潜力。 据此，本文具有以下研究目标： ( 1 ) 针对每一企业的不同需要，在现有c a d c a e 设计软件基础上进行再开 发，通过对原有软件功能的筛选、优化、扩充和重组，开发出可直接用于锅炉 钢架有限元分析的专门系统。系统可分为若干个功能模块，每个功能模块可独 立完成有限元分析中的一个环节，具有很强的集成性和独立性。 ( 2 ) 采用先进的知识重用技术，结合企业的设计经验，构建针对锅炉钢架的 钢截面标准库。标准库有助予锅炉钢架钢截面的模块化、系列化和标准化，建 立企业设计标准和规范，并能够大大减少设计者的重复劳动，加快设计速度。 ( 3 ) 本系统开发过程完全按照软件工程要求进行，使软件系统既具有易维护 性、可扩展性，又能充分发挥集成化与自动化的优势。另外，用户界面友好， 方便了设计人员的使用，使产品设计效率大幅度提高。 1 3 2 主要内容 针对上述研究目标的具体确定，本文的研究内容将主要包括以下一些方面： 进行钢截面类型的分类整理，建立企业内部的钢截面标准库。 讨论和分析系统功能模块的划分，和在此基础之上各功能模块的功能 涵盖范围以及相互之间的关系。 研究在现有软件基础上进行二次开发的高级技术和应用于系统开发的 高级数字化技术。 根据系统设计的总体思想和系统开发的功能需求，研究系统开发的具 体方案并进行系统集成。 全文内容的组织安排如图1 2 所示。由图可知，本文在整体构架上按照提 出问题、给出解决问题的方案、阐述解决问题所用的技术到问题的解决和具体 应用的顺序逐层深入 1 0 浙江大学硕士学位论文基于l - d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统 i 第一章绪论 l j l 第2 章系统开发思想及功能构成l j l 第3 章系统开发中所运用的技术i j 第4 章系统的开发及功能实现1 图1 2 论文内容的组织安捧 文章第1 章由数字化的发展谈到c a d c a e 技术在锅炉钢架结构设计方面的 应用，c a d c a e 技术给锅炉钢架的有限元分析设计带来了质的飞跃，但其效率 仍有大幅提升的潜力，由此提出问题：如何充分使用c a d c a e 技术来提升锅炉 钢架有限元分析的效率。 根据第1 章中提出的问题，本文于第2 章中提出了一种锅炉钢架有限元分 析的优化方案，并基于此思路分析了目标系统的功能构成。 第3 章则对系统开发中，为实现预期功能目标所运用的几种技术进行了详 尽的阐述，并结合其在系统中的应用说明了其先进性和优越性。 最后，第4 章在之前理论分析的基础上，根据之前的设计思路，开发出相 应的程序模块，并通过这些模块的集成，开发出基于i - d e a s 的锅炉钢架有限元 分析的专用系统 本文的大部分内容都在进行理论和技术分析，旨在为最后的具体应用充当 理论基石；而后的具体应用则是研究的最终目的，它在另一方面也反过来论证 了前面理论的正确性，而为进一步的研究与应用作好铺垫。 曰圈囤圜 第1 章绪论 1 3 3 研究意义 本课题是浙江大学化工机械研究所c a d 实验室与江西江联能源环保股份有 限公司的合作项目，该公司是设计、制造、安装锅炉的大型国有企业，锅炉是 其设计开发的主要产品。而锅炉钢架是锅炉的主要支承部件，钢架重量往往要 占到锅炉总重量的3 0 左右。所以，铜架的设计对于降低企业成本具有很大影 响。因而，本课题具有两个层面上的意义；其一是为企业今后建立自身的c a d c a e 设计平台做准备，验证引进c a d c a e 设计方法的可行性及其经济性。这表明企 业已经认识到加大科技投入的重要性，并采取了与高校合作的方式来进行。其 二是本课题的具体意义：即从该企业的实际情况出发，总结关于锅炉钢架有限 元分析的经验和知识，在此基础之上开发出一款专用于锅炉钢架结构设计的有 限元分析系统，以提高锅炉钢架结构设计的效率 1 4 小结 数字化技术的迅速发展，掀起了一场关于结构有限元分析方法的革命，由 传统的手工计算变为由c a d c a e 软件代替人进行计算，这为设计人员带来了很 大的便利。锅炉是国民经济中能量转换的重要设备，锅炉钢架对保证锅炉正常 运行具有重要意义。目前，数字化技术已经普遍渗透到锅炉钢架的设计制造过 程中，然而，在此过程中，仍然存在很多问题，设计效率仍有向上提升的潜力。 针对这一点，本文提出了开发基于i - d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统的思想， 来解决设计过程中效率提升这一问题。 本文将围绕基于i - d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统的开发，首先从理论角 度进行分析，包括讨论系统开发的必要性，阐述系统的开发思想并对其进行功 能划分，分析系统开发中所运用的技术及其应用等；然后通过该系统的实际运 行情况来说明系统的开发意义及应用前景。 1 2 第2 章系统开发思想及功能构成 本系统旨在基于企业的需求开发锅炉钢架有限元分析专用软件，此软件是 建立在微机平台上的基于c a d c a e 的集成优化系统。系统所具有的功能应基本 满足企业的需求，解决产品设计中存在的主要问题。 本章首先对锅炉钢架有限元分析系统的开发需求进行分析，进而提出系统 开发的主要思想，并将系统根据功能进行划分，分为钢截面标准库的建立和功 能子模块的开发具体的功能子模块有：截面提取模块、网格划分模块、节点 单元检查模块、边界条件模块、解算模块及后处理模块等。 2 1 系统开发需求分析 由于不同行业的企业产品开发过程以及对产品的要求不尽相同，对于具体 的软件二次开发系统，需要什么方面的知识、实现怎样的设计制造过程、运用 什么软件的什么功能、需要用到哪些技术以及由于各开发阶段的要求都不同， 软件和硬件的集成环境也不样，所以应作好需求分析。系统的需求分析是引 导项目开发的指明灯，是开发者与企业在项目开发过程中最基本的直接信息交 流。 2 1 1 系统的功能需求 锅炉钢架有限元分析系统开发的目标为：结合企业的设计经验并利用先进 的知识重用技术，开发出适应企业内部标准和需要的可直接用于锅炉钢架有限 元结构分析的专门系统。为实现这一日标，锅炉钢架有限元分析系统应具有以 下几项核心功能需求：截面提取规范化、模块化；网格划分智能化；节点单元 检查自动化；边界条件设置个性化；解算设置简单化；后处理用户化因此， 将整个系统按功能划分成若干子模块，系统结构及功能划分如图2 1 所示。 第2 章系统开发思想及功能构成 图2 1 系统功能结构示意图 2 1 2 系统的性能需求 为使锅炉钢架有限元分析系统的用户获得高质量的软件系统，该系统还具 有以下几项系统性能方面的需求： 夺合理性与准确性：采用锅炉钢架有限元分析系统辅助锅炉钢架的设计应 该是合理的，甚至应该是完全正确的，设计过程的方法选择应该是符 合各种规范和约束的。 咖界面友好：锅炉钢架有限元分析系统应具有友好的用户界面，使用户能 够显然地明白系统的操作方式，了解其运行状态，锅炉钢架有限元分 1 4 浙江大学硕士学位论文基于i - d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统 析系统应提供完整的帮助和培训文档供用户使用和学习。 争先进性：锅炉钢架有限元分析系统采用先进的知识重用技术、k b e 技术、 基于特征的参数化建模技术、二次开发技术等，保证系统是先进的 夺健壮性：锅炉钢架有限元分析系统应充分考虑各种潜在可能出现的异常 情况。具有较好的自检能力和容错能力，保证系统的稳定与可靠。 夺易维护性、可扩展性：项目开发过程应完全按照软件工程要求进行，使 软件系统的体系结构具有良好的开放性，易于进行功能上的扩展与升 级。 2 2 锅炉钢架有限元分析系统的开发思想 2 2 1 锅炉钢架钢截面标准库的开发思想 目前流行的c a d 软件，通用型的一般都不带标准数据库，更不用说锅炉钢 架专用的截面标准库。在已有的c a d 软件的基础上，建立锅炉钢架钢截面标准 库，就可以减少设计人员的重复劳动，简化设计过程，提高设计质量，加快设 计速度，从而使得设计人员能将其主要精力集中于钢架设计的创造性工作。因 此，建立参数化标准库成为一项重要的c a d 应用软件二次开发工作它的主要 目的是在使用c a d 系统进行钢架结构设计时能够直接提供标准的钢截面和所需 要的信息。 虽说在进行锅炉钢架结构设计时所采用的钢截面于变万化，但对于特定的 企业来说，常用钢截面的类型是基本不变的。而同一种类型的钢截面，几何形 状相似，大小尺寸不同。根据这些特点，我们可以采用参数化方法来构建钢截 面标准库。 通常，利用参数化方法构建钢截面可以有两种手段，一种是将设计过程中 所涉及的所有关系式融人应用程序中，由程序驱动，按照正确的顺序执行所有 的设计表达式完成设计。这种方法适用于整体修改，因为使用这种方法在修改 图形时，每做一次修改，都要重新运行一遍程序，根据输入的不同值，面生成 不同的图形，这就会涉及到很大的运算量，对于局部修改会严重影响系统效率； 第2 章系统开发思想及功能构成 另一种方法是在保持图形几何形状及结构不变的情况下，将一些尺寸设为关键 尺寸，由关键尺寸驱动，输入不同的值便可以获得结构形状相同但尺寸不同的 相似图形元素。这种方法使得用户在定义一个图形元素的时候，不必过多地考 虑其中的几何元素的准确位置，通过尺寸参数值的变化来生成结构相同而参数 不同的图形。它在图形的重新生成和修改方面显示出极大的优越性【瑚。本系统 采用第二种方法，即采用尺寸驱动的方法，不用重复地进行图形的生成过程， 程序也相对比较简练，而且便于获得系列化的截面图形。其基本思想是：在 i d e a s 环境下，任意从某一类型的截面中选择一个型号尺寸比较方便的截面， 按照正确的设计关系绘制其模型，当需要这一类型的截面时，只要根据用户给 定变量参数值求解，使相关图形元素的尺寸发生相应改变，生成所需要的截面。 因此，利用参数化造型的方法可以实现通过修改参数尺寸而得到不同尺寸的钢 截面 由于各个类型的截面结构都不是很复杂，标准库涉及到的数据较少，因而 只需借助d a t 文件来进行数据的保存和传输。系统采用v c 什为工具来进行开发， 将用户输入的数据输出至指定的d a t 文件。 开发的基本思想为：通过v c + + 建立用户界面，调用d a t 文件中的参数，传 递给i - d e a s 。i d e a s 再从标准库中调出相应的截面，按照用户的输入修改相应 尺寸，进行驱动，生成所需要的钢截面。 2 2 2 系统功能子模块的开发思想 目前国内并没有一个专门针对锅炉钢架的有限元结构分析软件，对锅炉钢 架进行有限元结构分析的方法依然是基于大型c a d c a e 软件的半自动方法。这 种方法工作量大、设计周期长、效率很低。本系统以v c + + 为开发工具，结合 i - d e a s 的二次开发技术，可以很好的完成锅炉钢架有限元结构分析及设计的工 作系统将锅炉钢架有限元分析的整个过程进行优化和划分，在功能上分为若 干个模块，这些模块均可以独立的完成有限元分析某一环节的任务，实现了真 正的自动化，避免了大量的人工操作，计算结果准确，可直接用于锅炉钢架的 设有限元分析，大大缩短了设计时间，也使设计更加直观快捷。 1 6 浙江大学硕士学位论史基于i - d e a s 的锅炉钢架有限元分析系统 开发的基本思想为：首先，通过i d e a s 的二次开发技术，提取i - d e a s 软 件中有关钢架有限元分析的功能，并将其按照一定的功能划分，集成于若干个 子功能模块中。其次，根据锅炉钢架自身的特点，对有限元分析过程中一些参 数及设置采用程序自动设定的方法，最大程度的提高系统的自动化。 2 3 锅炉钢架有限元分析系统的功能构成 2 3 1 锅炉钢架钢截面标准库的功能构成 i - d e a s 环境下钢截面标准库主要由3 部分构成：放入i - d e a sl i b r a r y 中 的参数化截面库、i d e a s 程序集和入机界面如图2 2 所示。 ( 1 ) 参数化截面库 图2 2 标准库系统结构图 在讨论有关建立参数化截面库的内容之前，了解一下i - d e a s 的团队数据管 理系统以及其中的几个概念，对于理解截面库的理论是十分必要的。 i - d f a s 的屠队数据管理系统是通过项目( p r o j e c t ) 来管理用户的信息。 项目是组相关的模型文件( m o d e lf i l e ) 的集合模型文件的信息是私人所 有的，包括存储在工作台( w o r k b e n c h ) 和抽屉( b i n ) 中的数据。除模型文件 以外，模型库( l i b r a r y ) 和目录( c a t a l o g ) 则用于实现特定团队成员与其他 成员之间的资源共掣删。 1 7 第2 章系统开发思想及功能构成 几个概念： 模型文件( m o d e lf i l e ) ：模型文件由一个工作台和任意数量的抽屉组成。 它包含了一段工作中所创建或产生的任何信息。 工作台( w o r k b e n c h ) ：工作台相当于办公桌的桌面，是放置当前正在从事 工作的地方，即计算机系统显示器当前的屏幕显示。在工作台上可以创建、修 改零件，进行零件分析，制定零件的n c 加工代码。 抽屉( b i n ) ：抽屉的作用同办公桌