（电机与电器专业论文）干式电力变压器计算机辅助造型设计研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d r y - t y p ep o w e rt r a n s f o r m e r , w h i c h i so n eo fi m p o r t a n tp o w e re q u i p m e n t s ，h a st h e o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e sr e l a t i v et ot h et r a d i t i o n a lo i l t y p ep o w e rt r a n s f o r m e r i th a sg o o dm a r k e t p r o s p e c t i no r d e rt oi m p r o v et h eg e n e r a lp e r f o r m a n c eo fd r y t y p ep o w e rt r a n s f o r m e ra n dt o s h o r t e nn e wp r o d u c td e v e l o p m e n tp e r i o d ，c o m p u t i n ga i d e dd e s i g ns h o u l db ef u r t h e rs t u d i e da n d ； a p p l i e d t h i st h e s i sm a i n l ya i m st ot h em o d e l i n gd e s i g no fd r y - t y p ep o w e rt r a n s f o r m e r , c o m b i n i n g v i r t u a ld e s i g na n dv i s u a lt e c h n o l o g yw i t he l e c t r o m a g n e t i cd e s i g nt oi m p r o v ei t sc o m p u t e ra i d e d m o d e l i n gd e s i g nl e v e l a u t h o rd e v e l o p sac o m p u t e ra i d e dm o d e l i n gd e s i g ns y s t e mo fd r y 。t y p e p o w e rt r a n s f o r m e rb a s e do nu g f i r s t l y ，t h ew h o l ep r o c e s so fs e c o n dd e v e l o po fu g i ss t u d i e d ， i n c l u d i n g ：a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c eo fu gb a s e do nv c + + 6 0 ，c u s t o m i z a t i o no fm e n u s c r i p t ， s t u d y i n g3 dm o d e l i n ga p p l i c a t i o nu s i n gu g o p e na p i t h em a n a g e m e n ta n dt h et e c h n i q u eo f a d of o rr e a d i n gd a t a b a s ea r et h e ns t u d i e d o nt h eb a s i so ft h ea b o v er e s e a r c h e s ，a u t h o rp u t sf o r w a r dt h ew h o l ed e s i g no fc o m p u t e r a i d e dm o d e l i n gd e s i g ns y s t e mp r o j e c to fd r y - t y p ep o w e rt r a n s f o r m e ra n de s t a b l i s h e sam o d e lo f p r o d u c tt h r o u g hu s i n gp a r a m e t e ra n df e a t u r em o d e l i n gm e t h o d ，f i n a l l y , ac o m p u t e ra i d e d m o d e l i n gd e s i g ns y s t e mo f d r y t y p ep o w e rt r a n s f o r m e ri sd e v e l o p e d t h es y s t e m ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ed e s i g no fs e r i a lp r o d u c t s ，c a ne a s i l yb eu s e db yt h e e n g i n e e r sw h 0h a v en o ts p e c i a lk n o w l e d g eo fu gt h es y s t e mh a s t h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ： f i - i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，e x p a n d a b i l i t y , t r a n s p l a n t a t i o n ，a n ds oo n t h ew o r ko ft h i s t h e s i sp l a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h ei n t e g r a t e dc a d c a e c a md e s i g no fd r y t y p ep o w e r i r a n s f o r m e r k e yw o r d s 】d r y - t y p ee l e c t r i ct r a n s f o r m e r c a d m o d e l i n gd e s i g n u g s e c o n dd e v e l o p 附件一东南大学学位论文独创性声明及使用授权声明文本 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生躲棋日期：型中 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：日期：趔 第一章绪论 1 1 干式电力变压器简介 第一章绪论 电力变压器是非常重要的电力设各之一主要有油浸式电力变压器和干式电力变压器 两种。由矿物油作为绝缘介质的油浸式电力变压器，因为它的性能优良、价格低廉被广泛 使用。但是，随着社会快速发展，许多场台( 如高层建筑、地铁、火车站、机场等) 都有 着非常高的防火要求，此时，油浸式电力变压器易燃、易爆、易污染环境的缺点使得它不 适宜在这些高防火要求的场合使用。 而与油浸式电力变压器相比，干式电力变压器具有以下特点口】： ( 1 ) 无油，没有火灾、爆炸、污染等问题，可以直接安装在负荷中心，与高、低压开 关柜同置一室，提高了变配电所的安全性； ( 2 ) 不需要设置重瓦斯保护，安装简便，综合运行成本低； ( 3 ) 防潮性能好，可在1 0 0 湿度下正常运行，停运后不经预干燥即可投入运行： ( 4 ) 体积小，重量轻；损耗低，局部放电量低，噪音小，散热能力强，强迫风冷条件 下可以1 5 0 额定负载运行； ( 5 ) 配备有完善的温度保护控制系统，为变压器安全运行提供可靠保障； 正是由于这些特点，满足了既要使变压器深入负荷中心又要无燃烧危险的场所，如大 都市高层建筑、地铁、机场、电站等用户，使得干式电力变压器在近十多年来得到了高速 发展。 随着我国城乡电网供电要求的不断提高和变压器技术的进步，干式电力变压器技术得 到了迅速的发展，产晶得到广泛应用。我国在自主开发的基础上，引进了德国、瑞十、意 大利、葡萄牙等国多家公司的有关1 0 k v 、3 0 k v 干式电力变压器系列的设计、制造技术， 并已批量生产1 0 k v 、3 0 k v 干式电力变压器，技术水平及产品质量与国外相当p j 。 自7 0 年代末上海变压器厂自行设计开发了s c l 6 3 0 环氧浇注变压器以来，干式电力 变压器的制造厂从最初十几家逐步增加到几十家，目前已经发展到一百多家。8 0 年代干式 电力变压器的年产量约为1 0 0 0 m v a ，到2 0 世纪9 0 年代已突破1 0 0 0 0 m v a ，2 0 0 3 年超过 了2 6 0 0 0 m v a 。在这期间，不少厂家引进国外先进设计制造技术，同时还引进了许多关键 设备”心嗍吐 ( 1 ) 8 0 年代北京变压器厂从日本富士公司引进环氧浇注变压器设计制造技术； ( 2 ) 9 0 年代初顺德特种变压器厂和金乡变压器厂引进德国梅克里斯公司的无填料环 氧薄绝缘树脂浇注变压器设计制造技术； ( 3 ) 原上海变压器厂引进德国a b b 公司的包绕绝缘干式电力变压器设计制造技术； ( 4 ) 在沈阳变压器研究所组织下，天津变压器厂和福州变压器厂联合从葡萄牙阿发赛 克公司引进无填料环氧薄绝缘树脂浇注变压器设计制造技术； ( 5 ) 许继和上海变压器厂先后从德国h t t 公司引进有填料环氧薄绝缘树脂浇注变压 器设计制造技术； ( 6 ) 江苏中电变压器制造有限公司从美国杜邦引进n o m e x 绝缘系统技术，实现了 s g l 0 型非包封干式电力变压器。 东南丈学硕士学位论文 同时这些制造厂还从德国、法国、比利时等国家引进了关键设备，其中包括真空环氧 浇注设备、箔式绕线机、硅钢片自动剪切线等。从引进技术类型看我国已经拥有了欧美 各国所有干式电力变压器产品各种技术，可以说集世界各国干式电力变压器技术之人成。 变压器产品是一种系列化的产品，其设计通常由两大部分组成：电磁方案设计和结构 设计，而变压器结构方案作为电磁方案设计和结构设计的桥梁，对后续工作中结构的几何 设计有着十分重要的指导作用。2 0 年来，由于工程技术人员努力引进技术，消化吸收，创 新发展，我国的干式电力变压器的结构设计水平有了较大的提高。但是很多干式电力变压 器厂家仍然使用传统的手工方案设计方法，设计周期长，耗时多。传统的手工殴计方法不 利于提高产品的设计水平和设计质量，不能适应国内外市场的激烈竞争，严重影响了企业 的经济效益。 计算机的普及为变压器制造厂家的产晶电磁设计和结构设计提供了极为便利的软硬 件环境。计算机具有计算速度快，精度高等优点，采用计算机进行干式电力变压器的设计 能够f 6 】： ( 1 ) 大大缩短设计周期，提高工作效率，降低生产成本。 ( 2 ) 便于形成系列化的产品： ( 3 ) 计算机能够有效地管理设计中的各种数据，可以灵活存储、奁询、提取方案，免 除低效的人工管理，降低成本； ( 4 ) 将设计人员从繁重、呆板的计算工作中解放出来，可以让他们从事更具有灵活性 和智慧性的创新性设计。 随着国民经济的持续高速发展，在节能、环保，提高供电可靠性等方面给干式电力变 压器提出了更高的要求”j ，同时激烈的市场竞争业迫使制造厂家采取更新的设计手段提升 产品的设计水平，提高产品的综合性能指标和产品质量。干式电力变压器的计算机辅助设 计，对变压器制造企业应对“以市场需求为中心”的激烈竞争至芙重要mj 。因此干式电力 变压器计算机辅助结构设计是当前电工研究领域的重要研究课题，许多单位纷纷自行或厂 校联合进行变压器计算机结构设计软件的研制。中电电气集团是具有全球规模最人的干式 电力变压器生产厂家，产品在国内市场有较大的占有率为了进一步提高竞争力中屯电 气集团联合东南大学电气工程系开展了这方面的研究。 1 2 电力变压器c a d 的发展和现状 1 2 1c a d 技术简介 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 是先进制造技术的组成部分，是计算机在工程 中最有影响的应用技术之一，它加强了制造业和工程设计行业的创新能力和市场竞争能力。 c a d 技术开始于2 0 世纪5 0 年代。在发展初期，c a d 的含义仅仅是c o m p u t e ra i d e d d r a w i n g ( o r d r a f t i n g ) 。6 0 年代后，随着计算机软硬件技术的发展，c a d 技术得到了快速发 展。它经历了从二维模型、三维线框模型、曲面模型、实体模型、产品模型、特征模型直 至最新的生物模型，从静态设计到以参数化特征造型为基础的动态设计的发展过程1 6 j 【”。 c a d 技术是先进制造技术的重要组成部分，也是提高设计水平、缩短开发周期、增强 行业竞争能力的一项关键技术。采用c a d 技术进行产品设计不但可以使设计人员“甩掉图 板”，更新传统的设计思想，实现设计自动化；还可以使企业由原米的串行式作业变成并行 作业，建立一种全新的设计和生产技术管理机制p j 。 2 第一章绪论 国内外市场上的c a d 系统软件层出不穷，但基本上都是通用的c a d 平台。通用c a d 软件具有完善的设计绘图功能，但是针对于某个设计领域或设计产品来讲，用户只需要用 到其中一部分功能，其它功能的存在反而影响使用者的操作速度和设计效率，而且通用 c a d 软件由于功能多、操作复杂，使用者不易掌握。在生产企业里，通常仅把它当作绘图 的工具，难以满足高质量、高效率的工程技术开发的需要。虽然有一些c a d 系统平台， 特别是国内开发的c a d 系统，根据国家标准的有关规定，开发并提供了标准化技术文什f 图 纸) 管理系统模块、标准件库、常用零件库等相类似的功能模块，如c a x a k i c a d 等， 但它们所提供的模块所遵循的国家标准与企业实际采用的标准体系有较大的差异。 由于这些缺点，企业用户在使用c a d 软件之前必须针对本企业的特点进行二次开发， 将该软件充实、完善、改进成为用户实用的c a d 应用软件。c a d 系统向用户提供二二次开 发工具目的就是让用户将自己或者第三者编写的程序集成到c a d 系统中。大部分c a d 系 统都提供c 语言的子程序库。利用这些子程序提供的函数和方法可调用c a d 系统内部命 令，直接存取c a d 内部数据库等。应用二二次开发的c a d 应用软件见效快、易操作、效率 高。 对通用c a d 软件的二次开发一般有如下几种方法1 6 j h 【”】： ( 1 ) 参数化c a d 开发方法。有些企业的产品绝大多数为定型产品，这些产品的系列 化、通用化和标准化程度高。因此，进行这些产品设计所采用的数学模型及产品的结构都 是固定不变的，所不同的是产品的结构尺寸有所差异。对于这类产品，可以将己知条件及 其它的随着产品规格而变化的基本参数用相应的变量代替，然后根据这些己知条件和基本 参数，由计算机自动查询图形数据库，或由相应的软件计算出绘图所需要的全部数据，由 专门的绘图生成软件在屏幕上自动地设计出图形。 ( 2 ) 成组c a d 开发方法。许多企业的产品结构尽管不一样，但比较相似。可以根据 产品结构和工艺的相似性，利用成组技术将零件划分成有限数目的零件族，根据同一零件 族中各零件的结构特点编制相应的c a d 应用软件，用于该族所有零件的设计。 ( 3 ) 交互式c a d 开发方法。有些企业的生产特点属于单件、小批量生产，设计人员 利用交互图形显示系统的功能，在屏幕上以人机交互的方式进行设计开发，提高交互设计 速度。交互c a d 应用软件的开发通常包括数据库、图形库和程序库，以及人机交互主控 程序。 1 2 2 国外变压器c a d 的发展和现状 计算机技术在油浸变压器设计中的应用始于5 0 年代初期，美国首先把电子计算机用于 变压器的电磁方案计算。到6 0 年代，英国、前苏联、日本、挪威等国都在变压器优化设计 方面作了大量研究探讨企图调用各种优化数学方法求出最佳的设计方案。如z e n e r 等人 首先采用了几何规划方法；a n d e r s o n 使用了m o n t ec a r l o 搜索法都取得了良好效果；还有 d f p 法( 戴维弗莱特鲍威尔法) 、s u m t 法( 序惯无约束最小化法) 、分枝定界法等都得到应用， 8 0 年代以来，世界上一些太的变压器制造商，如德国的西门子公司、a b b 公司、法国的 阿尔斯通公司等都以自己的专利技术为依托，研发了专用的变压器c a d 目”】。 总结国外变压器c a d 的现状有以下几点： ( 1 ) 同大公司专有技术结合，功能更加强大。特别是超高压大容量油浸变压器c a d ， 东南大学硕j 二学位论文 含有电磁场分析、三维图形功能： ( 2 ) 中小型油浸变压器c a d 以电磁计算为主； ( 3 ) 干式电力变压器c a d 图纸设计主要采用典型图法。即将结构形状不变的产晶绘 成典型图，画上尺寸标注线，有计算机计算出结构尺寸，填绘在相应位置上。 1 2 3 国内变压器c a d 的发展和现状 我国在7 0 年代中期开展了油浸变压器c a d 的研究。1 9 7 5 年，沈阳变压器研究所和中 国科技大学各自独立地用分枝定界法计算出了1 0 k v 级变压器最优化方案。其后沈阳变 压器研究所、中国科技大学、合肥变压器厂合作，用约束遍数法开发了2 2 0 k v 变压器优化 电磁计算程序，完成了变压器的性能参数、电磁力、结构尺寸的精确计算，并直接用于施 工设计。8 0 年代末，华中理工大学采用约束遍数法用b a s i c 语言开发了一套3 5 k v 及以下 中小型油浸变压器c a d ，但由于使用的计算机语言落后而且用户界面为d o s 系统风格 人机界面不友好，故没有推广开。另外，我国一些大厂象沈阳变压器厂也开发了自己的油 浸变压器c a d ，还有些制造厂研发了变压器某些部件的c a d ，如油箱c a d 等9 j 【l o 】。 近年来随着计算机技术的发展，c a d 技术在变压器行业的应j | _ l j 研究取得了可喜的进 步，逐步推出了各种类型的应用c a d 系统。变压器c a d 软件的系统性和集成度越来越高， 不仅可以完成变压器电磁、结构参数的优化，而且与高级的三维绘图软件集成于统一的开 发环境中，利用优化结果进行参数化绘图，实现变压器的可视化三维立体设计，还可进一 步结合大型工程分析软件( 如m s c ，a n s y s 等软件) 对产品进行电磁、热、力等工程分析。 但总体看来，在c a d 软件的开发和应用的广度与深度上，我国与工业发达国家相比 还存在着一定差距，自主版权的c a d 软件的商品化程度较低，可靠性较差，功能单一、 集成化程度低；技术的推广应用还不很普遍，且不同行业与地区之间的发展也不很平衡。 在我国变压器行业中，c a d 的实际利用率还是较低的。总结国内变压器c a d 的现状有以 下几点； ( 1 ) 绝大多数制造厂采用某些机械c a d 软件绘制图纸，不能实现真正意义上的c a d ； ( 2 ) 国内大厂开始使用或开发具有一定功能的大型油浸变压器c a d ； ( 3 ) 特种变压器c a d 研究处于起步阶段，但由于特种变压器需求量较少，其生产厂 家很少，故投入这方面研究的人力和物力都很少； ( 4 ) 千式变压器c a d 的研究开始起步并受到生产厂家重视。 1 3 电力变压器c a d 的发展趋势 现在c a d 技术仍在不断向前发展，新一代c a d 软件系统。支持动态联盟的协同设计， 支持信息集成、过程集成与企业集成，并在此过程中引入了智能技术。集成化、网络化、 智能化是新一代c a d 技术发展的总趋势和目标【1 3 j ： ( 1 ) 、系统智能化是c a d 技术发展的一大热点。一方面设计领域专家的知识和工程技 术人员积累的经验非常丰富，如何将这些宝贵的财富融于c a d 系统中，使之成为可以继 承的知识财富；另一方面c a d 系统本身的智能化，如用户界面、数据采集、各种模型的 自动生成、方案的优选、仿真模拟技术和多媒体技术的应用等。 ( 2 ) 、系统集成化是c a d 技术发展的一大趋势。c a d 技术不是孤立的：首先，它集成 了计算机软硬件、数据库、外围设备、图形学、网络及各个领域的技术；同时，它又是不 4 第一章绪论 断和c a m ( 计算机辅助制造) 、c a p p ( 计算机辅助工艺流程规划) 以m i s ( 管理信息系统) 、 p d m ( 产品数据库管理) 、e r p ( 企业资源计划) 等系统相互集成的。 ( 3 ) 、由于网络技术的飞速发展，如何在i n t e m e t 构架体系上集成c a d c a m 己成为人 们研究的热点。特别是在经济全球一体化的背景下，并行工程、异地设计制造等概念的提 出和应用，基于网络、基于w e b 的协同设计制造系统倍受人们的青睐。现在己有一些标准， 如解决异构系统平台的x m l 和x m l 3 d ，以及解决三维图形、图像在互联网上传输共享 的v r m l 标准相继出台，已经为我们在互联网上构架、建立协同设计和协同工作的环境打 下了坚实的基础。 而除了以上的c a d 共有趋势外，电力变压器c a d 的发展趋势还有以f 几个方面【5 i f 9 1 ： ( 1 ) 、向更专业化发展。变压器的技术发展非常迅速，变压器c a d 也要随之而改变， 分类会更具体、更专业化。将来会发展各种w i n d o w s 风格的变压器c a d ，如：大型油浸 变压器c a d 、中小型油浸变压器c a d ，干式电力变压器c a d 、特种变压器c a d 等： ( 2 ) 、向着c a d c a p p c a m 一体化方向发展。即单一的计算机辅助设计( c a d ) 向计算 机辅助设计、计算机辅助工艺设计( c a p p ) 和计算机辅助制造( c o m p m e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ，简称：c a m ) 一体化发展； ( 3 ) 、从二维向三维发展。变压器的装配图将有二维平面圈向三维立体图发展，尤其是 超高压大型油浸变压器这个任务更显迫切。在三维状态下，结构设计人员很容易发现结构 设计中的缺陷： ( 4 ) 、减小人机交互，向智能化方向发展。人机交互式设计指设计人员凭借自己的经验 与知识，通过交互式设计系统和人机对话进行方案设计并对方案进行决策、判断，从而找 到的最佳方案，显然这种方式人为干涉因素太大。变压器c a d 己开始向智能化方向发展， 遗传算法、专家系统逐渐引入变压器c a d 中。 现代社会计算机技术、信息技术、自动化技术的发展日新月异，将这些技术的最新成 果与变压器技术结合起来，将专家经验表示为知识库融进优化设计支持系统，开发功能 强大的变压器c a d 系统，使设计环境、设计方法和分析手段更为完善，推动变压器c a d 技术进一步朝着智能化、集成化发展，实现变压器产品从设计到生产的自动化，真正把设 计人员从繁重的设计工作中解脱出来，进一步提高变压器设计的效率和产品设计质量，降 低变压器的生产成本，增强产品的市场竞争力，则无疑是变压器c a d 技术的发展方向。 1 4 本文研究的意义与主要内容 计算机辅助设计( c a d ) 技术，为提高干式电力变压器的设计水平提供了重要手段。干 式电力变压器有许多种规格，每个规格的设计，工程师平均约需4 天( 绘图除外) 。而采用 c a d 后，预计只用一个小时即可【“i 。本课题完成后，干式电力变压器的设计效率将有所提 高。这样能使企业缩短产品开发周期，降低产品成本，提高产品质量，增加市场竞争能力。 本文开展干式电力变压器造型设计的研究对于提高干式电力变压器的设计水平具有重要的 工程意义。 本文的主要工作体现在以下两个方面： ( 1 ) 、应用参数化驱动装配模型的方法建立了能反映变压器的设计方法及设计规范的 结构模型，实现了决策的自动化和功能语义的集成化，为系统后续工作的集成奠定了基础； 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 、开发了基于w i n d o w s 2 0 0 0 系统的、操作简捷、人机结合的干式电力变压器计算机 辅助造型设计系统。 本课题开发的基于参数化驱动装配模型的干式电力变压器计算机辅助造型设计系统由 四大模块组成，即参数输入模块、参数化绘图模块、装配模型模块和数据库管理模块。本 文主要研究并解决了下面三个问题： ( 1 ) 、研究了基于装配特征模型的c a d 造型技术，为实现系统的集成和部件间结构关 系的确定奠定了基础。 ( 2 ) 、研究了面向对象的技术和参数化驱动绘图功能的设计实现了基于模块和类思想 的c a d 应用软件系统的绘图功能。 ( 3 ) 、设计和建立了造型设计系统数据库，实现了电力变压器造型设计数据的数据库管 理。 6 第二章实体造型与u g 第二章实体造型与u g 2 1 实体造型技术概述 建模技术是c a d 的核心技术，建模技术的研究、发展和应用就代表了c a d 技术的研 究、发展和应用”】。参数化造型技术和特征造型技术是新一代智能化、集成化c a d 系统 应用研究的热点理论，也是干式电力变压器计算机辅助造型设计系统的基础理论依据，对 零部件的建模和系统的设计起着指导性作用。 2 1 1 虚拟制造 虚拟制造是采用仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下采用群 组协同工作，通过模型来模拟和预估功能、性能及可加工性等方面可能存在的问题，实现 产品制造的本质过程i j 。应能看出，虚拟制造技术是以在计算机上制造数字化产品为目的， 并不直接制造真实的产品，真正的产品还需要在车间内，由工人用机床一步一步地制造出 来。然而，虚拟制造技术能够保证多快好省地把实际产品制造出来，因此它能使企业具有 较强的市场竞争能力。 由于虚拟制造基本上不消耗能源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发 与实现过程在计算机上的本质实现。与真实制造过程相比，虚拟制造突出的特点是i l j ： ( 1 ) 全数字化的产品环境 数字化产品模型具有真实产品所具有的特征，技术人员和用户能够对其进行分析，使 得用户在制造实物之前即可对其各项技术性能进行正确的评价，保证产品开发成功。同时， 数字化产品模型能使设计根据用户或市场变化而快速改变，从而能大幅度压缩新产品的开 发时间，提高质量、降低成本。 ( 2 ) 分布式的协同环境 分布在不同地点、不同部门、不同专业背景的人员可以在同一个产品模型上协同上作， 交流和共享信息：与产品有关的各种信息、过程信息、资源信息以及各种知识均可以分布 式存放和异地获取，工程设计人员可以使用位于不同地点上的各种应用工具软件。 ( 3 ) 以高逼真度仿真为特色 高逼真度由两方面的含义是：仿真结果的高可信度以及人与这个虚拟制造环境的交互 的自然化。虚拟制造的目标是通过仿真技术来检验设计出的产品或制定出的生产规划等 使产品开发或生产组织一次成功，就要求其模型能够真实的反麻实际对象，因此，模型结 果的可信度是其成功的保证。 ( 4 ) 人与虚拟制造环境的自然交互 由于虚拟制造面向的是各个领域的工程技术人员和管理人员，涉及信息多，仅从外部 去观察、感受被仿真对象的行为，严重妨碍了人与被仿真对象的深层次交流，因此，虚拟 7 东南大学硕士学位论文 制造环境应以人为本，采用人与被仿真对象自然交互的方式，使人沉浸到由模型创建的虚 拟环境中去，通过多种感官渠道直接感受不同媒体映射的模型运行信息，同时利用人本身 的智能对信息进行融合，产生综合映射，从而深刻的把握事物的内在实质，目前普遍采用 虚拟现实技术和可视化技术改善人机交互的手段。 2 1 2 造型技术概述 2 1 2 1 几何造型 几何模型是c a d 系统描述、记录设计对象，l 何形状的工具，c a d 系统使用者并不直 接触及这些模型，而是通过适当的设计命令进行工作。应用设计命令进行几何设计的过程 称为几何造型，或几何建模1 1 3 1 。几何模型是由几何信息组成的模型，它作为对原物体的数 学描述或模拟，是c a d 系统晟常用的模型，其基本作用是为图形的显示和输山提供信息 以及作为设计基础为分析应用提供信息。三维几何体的基本元素是点、线、面和体。 实体模型虽然存储了产品的三维几何与拓扑信息，正确地描述了零件的实体几何模型， 可以完成模型体积、面积、重心、惯性矩等自动计算，隐藏线、隐藏面的消除有限元网 格的自动划分，模型截切及碰撞干涉检查，动画模拟以及真实图形显示等操作。但是仍存 在一些不足【”l ： ( 1 ) 、实体模型方法属于固定静态模型，模型一旦产生，每当修改时，往往需要重新建 模。 ( 2 ) 、用传统的集合运算和曲面技术定义零件十分不方便，这些方法只能部分构造产品 零件，不能进一步提高建模技术的时间和空间效率。 ( 3 ) 、模型信息不完备，只包含儿何及拓扑信息，没有清晰地抽象出形状的儿何特性， 得不到明确的特征信息，除了几何形状尺寸信。g # b ，其它信息如工艺信息、公差信息、材 料信息等必须另外描述，不利于c a d c a e ，c a p p c a m 的集成。 解决上述问题的有效途径就是采用参数化特征造型方法。参数化特征造型方法是一种 新型现代化的造型方法，它以上述三类几何造型方法为基础，从工程应用的高层次来定义 产品模型。参数化特征造型方法从产品整个生命周期各个阶段的不同要求来描述产品，完 整地、全面地提供产品的信息，使各应用系统可以直接从产品模型中抽取所需的信息。 2 1 2 2 特征造型 特征造型技术是几何造型技术的自然延伸，是在c a d c a 眦a p p ，c a m 技术及计算机 软、硬件技术发展到一定水平后，随着生产组织集成化、自动化程度增强而逐渐发展起来的。 它对形体的组成及所描述的信息更具工程含义”。 特征是8 0 年代中后期为了表达产品的完整信息而提出的一个概念，它是对诸如零件形 状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述，是反映零件特点的可按一定的规则 分类的产品描述信息。这表明特征不是体素，不是某个或几个加工表面：不是完整的零件： 对于制造特征其分类与其加工工艺规程密切相关，用不同的加工方法加工实现的表面或零 件要定义成不同的特征， 特征可以有不同的分类方式，比如按几何形状分类、按产品开发过程分类、按制造方法 分类、按产品定义数据的性质分类等。特征一般可以分为形状特征、精度特征、技术特征、 材料特征、装配特征、有限元特征、制造特征等。其中最重要的是形状特征，其它特征通常 作为一种产品的定义的数据和操作方法附加到形状特征上作为形状特征的属性利映射。从 c a d c a m 集成的角度出发，特征可以划分为以下几类”4 j ： 第二章实体造型与u g ( 1 ) 形状特征用于描述产品、零件上有一定拓扑关系的一组几何元素所构成的几何形状 信息。形状特征可分为主耍形状和辅助形状特征，其中主要形状特征用于构造零件的基本形 状，辅助形状特征用于对主要形状特征的补充。辅助形状特征附加于主要形状之上或附加于 另一辅助特征之上。形状特征又可分为正特征( 凸特征) 和负特征( 凹特征) 。 ( 2 ) 精度特征用于描述产品、零件的几何形状和尺寸的误差信息。精度特征可分为尺寸 公差、几何公差和表面粗糙度。尺寸公差可分为定形尺寸公差和定位尺寸公差，几何公差 可分为形状公差和位置公差。 ( 3 ) 材料特征用于描述产品、零件材料的成分、物理化学指标、热处理方法与条件及加 工工艺性等。 ( 4 ) 技术特征用于描述产品、零件和特征的性能、工艺要求、功能等信息。 ( 5 ) 管理特征用于描述产品、零件和特征的管理信息，例如标题栏中的零件名称、图号、 设计者、日期、批量和质量等信息。 ( 6 ) 装配特征用于描述零件之间的装配关系、装配方向、配合表面、装配顺序和装配工 艺要求等信息。 2 1 2 3 参数化造型 参数化设计是新一代智能化、集成化c a d 系统的核心内容，也是当前c a d 技术的研究 热点吼参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能，成为初始设计、 产品建模及修改、系列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段。 参数化造型技术的主要特点如下【”i ： ( 1 ) 驱动设计修改和全数据相关 参数化技术解决的是任意约束情况下的产品设计问题，不仅可以作到尺寸驱动 ( d i m e n s i o n - d d v e n ) ，亦可实现约束驱动 3 4 ，3 5 1 ( c o n s g a i n d r i v e n ) ，即由t 程关系来驱动几 何形状的改变。 约束驱动己经成为当今造型系统的基本功能，采用参数化技术的理由在于它彻底克服了 自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸约束和形位约束的形式而被牢牢地控制住。如打 算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值或修改形位约束关系即可实现形状上的改变。 ( 2 ) v g x 技术 v g x ( v a r i a t i o ng e o m e t r ye x t e n d e d ) ( 超变量化几何) 技术是变量化发展的一个里程碑。 v g x 技术充分利用了形状约束和尺寸约束分开处理和无需全约束的灵活性，让设计者可以 针对零件上的任意特征采用直接拖动方式非常直观地、实时地进行图示化编辑修改。 ( 3 ) 动态引导器 动态引导器( d y n a m i cn a v i g a t o r ) 是实现参数化技术的辅助工具。它以直观的交互式与用 户同步思考。在光标所指之处，它能自动拾取、判断所有模型元素的种类及相对空间位置， 自动增加有利约束，理解设计者的意图，记忆常用的步骤，井预测下一步要做的t 作。 由上面的论述我们不难发现：参数化设计能人大提高拓扑结构基本不变、结构类似的 产品设计的速度和质量：同时，特征技术将复杂的模型分类简化，有利于达到系统的要求。 本系统把参数化设计和特征建模技术有机地结合起来，较好地实现了系统要求。 9 东南大学硕士学位论文 2 2u g 及其二次开发 2 2 1 u g 简介 u n i g r a p h i e s ，简称u g ，起源于麦道飞机公司，后来并入e d s 公司( 隶属于通用公司) ， 当时为了设计和制造f 1 5 战斗机而实现的一个产品。它总结了美国航空航天和汽车工业的 专业经验，是当今世界上最先进和紧密集成的、面向制造业的c a d c a m 高端软件，并且 是国际国内应用广泛的大型c a d c a e c a m 集成软件之一。u g 功能强人，内容丰富， 涵盖了从设计、分析、加工、管理等各个领域。除了通用模块外，还提供了各种专用模块， 如计算机辅助工业设计模块、钣金设计加工模块、模具设计加工模块、管路设计布局模块 等。作为一个集成的全面产品工程解决方案，u g 软件家族使得用户能够数字化地创建和 获取三维产品定义。u g 软件被当今许多世界领先的制造商用来概念设计、工业设计、详 细的机械设计以及工程仿真和数字化的制造等各个领域。u g 是知识驱动自动化技术领域 中的领先者。它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，显著地改进了 汽车、航天、航空、机械等工业的生产。u g 为各种规模的企业带来了显而易见的价值： 更快地递交产品到市场简化复杂产品的设计，降低产品成本和增加企业的竞争实力。白 1 9 9 6 年进入中国市场以来，u g 发展迅速，已经成为中国航空航天、汽车、机械、计算机 及外设、家用电器等部门的首选软件”4 j 【l 1 6 1 o u gc a d c a m c a e 系统提供了一种基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到 加工真正体现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。u g 面向过程驱动 的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品及其 精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行：程。 该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能，而且在 设计过程中可以进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟从而提高了设 计的可靠性。同时，可以采用建立的三维模型直接生成数控代码用于产品的加工【i ”。 用u g 软件进行产品开发设计主要有如下的特点【j 6 j ： ( 1 ) 产品开发的集成性。因为这一软件可以实现从方案提出到产品制造的整个产品开 发过程，只有考虑了这一方面才能提高设计效率； ( 2 ) 产品设计的相关性。在u g 中为了解决产品设计过程中产品的数据库过多、数据 量大造成的查找困难，采用了单一数据库的形式。它将所有的相关信息存储在同一个数据 库中，可以实现零件的装配、三维模型转化为二维工程图、直接进行加工制造等。在整个 设计过程中，任何一处的参数改变，则相关环节全部发生变化； ( 3 ) 设计的并行处理。为了提高设计效率，u g 采用并行处理的方式。其主要包括p d m ( 产品数据管理) 、p r o d u c t v i s i o n ( 产品可视化) 以及i n t e r n e t 技术，实现了开发成员间数据共 享，设计过程的总体监控，各产品间的参数化和相关性处理，网上互联操作； ( 4 ) 产品数据的可移植性。在进行产品设计过程中，很可能会用到其它的c a d 软什， 这就要求u g 能够识别其它软件的数据，也可以输出自身的数据到其它软件中。这就要求 数据具有可移植性； ( 5 ) 具有良好的用户界面，绝大多数功能都可以通过图标实现；进行对象操作是，具 有自动推理功能；在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正确的选择。 正是由于u g 具有以上所说的优点本系统采用其作为系统二次开发的平台。 1 0 第二章实体造型与u g 2 2 3u g 二次开发 随着c a d 应用领域的不断扩大和应用水平的不断提高，用户需求与c a d 系统规模之 间的矛盾日益增加，没有一个c a d 系统能够完全满足用户的各种需求。作为商品化的c a d 软件产品，是否拥有一个开放的体系结构，是衡量该软件的优劣性、适用性和生命力的重 要标志。而是否拥有一个开发简便、运行高效的二次开发平台又是开放式体系结构的核心 和关键1 1 “。目前，主流的c a d 软件都具有用户定制功能并提高二次开放工具。通过c a d 软件的二次开发工具可以把商品化、通用化的c a d 系统用户化、本地化，即以c a d 系统 为基础平台，在软件开发商所提供的开发环境与编程接口基础之上，根据自身的技术需要 研制开发符合相关标准和适合企业实际应用的用户化、专业化、知识化、集成化软件，以 进一步提高产品研发的效率。 在通用c a d 基础上融入专业知识构建专用c a d 系统是当前深化c a d 应用的潮流。 把用户的设计思想转化为特定的新功能需要以下的基本要素，这些基本要素构成了c a d 软件二次开发平台的基本结构l l ”： ( 1 ) 、通用c a d 软件； ( 2 ) 、编程开发环境； ( 3 ) 、应用程序编程接e li ( 4 ) 、开发者的思想。 u g 作为领先的三维c a d 设计软件，提供了相应的方法- - u g 应用开发。u g 应用开 发( 叉称u g 二次开发) 是指在u g 软件平台上，结合具体的应用需求，总结行业的设计 知识和经验，开发面向行业和设计流程的c a d 系统。u g 软件中的应用开发模块提供了较 为完整的应用开发工具集，利用该工具集可以对u g 系统进行用户化裁减和开发，来设计 出界面友好、功能强大和使用方便的专用产品的c a d c a e ，c a m 系统，用以满足实际的应 用需求。要采用的工具就是u g 软件本身提供给我们的二次开发方面的u g o p e n ”】。 u g o p e n 是一系列u g 开发工具的总称，是u g 软件为用户或第三方开发人员提供的 最主要的开发工具。它主要由u g o p e ng r i p ，u g ( 3 p e na p l ，u g o p e nu i s t y l e 和u g o p e n m e n u s c f i p t 四部分组成i i 1 “j 。 u g o p e ng r i p 是u g 软件包中的一个模块。u g o p e ng r i p 语言用来s i j 建类似 f o r t u r n 一样的程序，与u n i g r a p h i c s 系统集成。g r i p 语言与一般的通用语言一样，有 完整的语法规则，程序结构内部函数，以及与其它通用语言程序的相互调用等。由于g r i p 与u g 系统紧密集成，所以，利用g r i p 程序。可以完成与u g 的各种交互操作。例如， 调用一些实体生成语句，创建几何体和制图实体；可以控制u g 系统参数，实现文件管理 功能：可以对u g 数据库进行存取操作，提取几何体的数据和属性；可以编辑修改己存在 的几何体参数等。g r i p 还有一些交互命令用于控制实体状态、选择对话菜单以及调用u g 的通用的构造子功能等g r i p 是面向工程师的语言。应用工程师可以用g r i p 语言开发一 些规模较小的程序与u g 交互运行，完成某些专业上的特定的功能。比如，在u g 与其 它的应用程序集成的时候，解决数据的采集与传输；在做常规的结构设计的时候，使重复 的工作程序化，减