（工程热物理专业论文）紧凑式热交换器计算机辅助设计.pdf

紧凑式热交换器计算机辅助设计摘要 摘要 本文针对紧凑式热交换器设计( c h e d ) 的现状，搜集资料，参照铝制板翅式热 交换器的中华人民共和国机械行业标准j b t7 2 6 1 9 4 ，研究开发了优化设计、数 据库管理和自动绘图一体化软件，实现c h e d 自动化。 漕先依据c h e d 理论，编制了紧凑式热交换器换热表面性能、设计、校核计 算程序库，进行准确的设计校核计算，以供优化设计过程调用：其中对紧凑式热 交换器设计中污垢和流动分布不均的影响作了较全恧的计算和考虑。然后，应用 多目标函数优化理论，建立了由用户选定各目标函数权重的总体优化方案，其中 搜索过程是速度和稳定性较好的r o s e n b r o c k 直接优化法作为基础，开发的可选 优化变量的优化程序块。为了便于用户观察和控制优化过程，进行了优化过程可 选变量的实时跟踪显示。 设计过程中利用v i s u a lc + + 编制了数据库d b f 文件的读写操作程序库对换热 表面、流体、热交换器和国家标准等数据库进行访问。并且用d e l p h i 3 0 建立了 动态数据库管理系统。 设计结束后，进行强度计算。如果强度符合要求，则利用设计计算、制图和 数据库之间的数据和w i n d o w s 消息传递机制和a u t o c a dr 1 2f o rw i n d o w s 的 a d s 接口，进行板翅式热交换器、管带式热交换器不同结构组合的总装图、零 件图和明细表的自动绘图输出。 为了解决c h e d 中的一些特殊问题，进行了紧凑式热交换器温度场的模拟和 热应力分析。鉴于c h e d 封头设计资料较少的现状，较详细地探讨了c h e d 封 头设计问题。 为了更好地说明软件的工作流程和功能，提供了设计的4 个c h e d 的典型例 子，其中一个例子附有完整的图纸。总的来说，该系统基于w i n d o w s9 5 中文版， 实现紧凑式热交换器计算机辅助设计、参数数据库管理和自动绘图一体化；适合 于紧凑式热交换器设计、制造、使用和研究的单位和个人使用 关键词：紧凑式热交换器优化设计数据库自动绘图 c o m p u t e r - a i d e dd e s i g no fc o m p a c t h e a te x c h a n g e r sa b s t r a c t a b s t r a c t l nt h el i g h to ft h en a t i o n a ls t a n d a r dj b t7 2 6 1 9 4 an e w & e f f i c i e n ts o f t w a r e1 s d e v e l o p e d ，w h i c hi n t e g r a t e s t h eo p t i m i z a t i o n ，d a t a b a s e p r o c e s s i n gd r a w i n gb ya u n i t a r yi n t e r f a c ea n da u t o m a t e sc o m p a c t h e a te x c h a n g e rd e s i g n ( c h e d ) a tf i r s t ，t h ec a l c u l a t i o np r o g r a m sf o rs u r f a c ep r o p e r t y , s i z i n g r a t i n ga r eb u i l t ，o n t h eb a s i so fa n a l y s i so fc h e dt h e o r y t h ee f f e c to ff o u l & m a l d i s t r i b u t i o ni s c o n s i d e r e dm o d e r a t e l y s e c o n d l y , am a i ns c h e m ei sd e v e l o p e df o r p r o c e s so p t i m i z a t i o n ， b yu s i n go p t i m i z i n gm e t h o do fm u l t i o b j e c t i v ef u n c t i o n s ，a n dt h eo b j e c t i v ef u n c t i o n s c a nb es e l e c t e db yu s e r s t h es e a r c h i n gp r o c e s su s e dd u r i n go p t i m i z a t i o ni sa c h i e v e d b y t h er o s e n b r o c k a p p r o a c h t ov i e wa n dc o n t r o lt h eo p t i m i z a t i o n ，u s e r sc a ns e l e c tt h e v i s u a l i z i n g v a r i a b l e s d u r i n gt h eo p t i m i z a t i o n ，t h e d a t a b a s e so fh e a tt r a n s f e r s u r f a c e s ，l i q u i d s ，h e a t e x c h a n g e r s n a t i o n a ls t a n d a r d sc a l lb ed i r e c t l yv i s i t e d w i t ht h ep r o g r a m sd e v e l o p e d b y m e a n so f v i s u a lc + + t h ed y n a m i c m a n a g i n gs y s t e mi sd e v e l o p e dv i ad e l p h i3 0 a f t e r o p t i m i z a t i o n ，t h es t r e s se x a m i n a t i o n i sp e r f o r m e df o rt h eo p t i m i z e ds t r u c t u r e s o fh e a t e x c h a n g e r s i fn op r o b l e mi sf o u n d ，t h em a i nd r a r s ，c o m p o n e n td r a f t s & m a t e r i a lf o r m so ft h ec o m p a c th e a te x c h a n g e ra r ep r o v i d e db yt h ea u t o m a t i cd r a w i n g p r o g r a m ，b yu s i n gt h ea d s i n t e r f a c eo f a u t o c a dr 1 2f o rw i n d o w s t h e t e m p e r a t u r ef i e l d sa r ec a l c u l a t e db y n u m e r i c a lm e t h o d st os o l v es o m es p e c i f i c p r o b l e m si nc h e d ，s u c ha st h et h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n t h ed e s i g no fh e a d e r so f c h e di sc o n s i d e r e dc a r e f u l l y t os h o wt h em a i nf u n c t i o n so fc h e d c o d e ，4t y p i c a l e x a m p l e s o fc h e da r e p r o v i d e d a saw h o l e ，t h i sc o d es y s t e mc o m p r i s e sf o u rm o d u l e so f c o m p a c th e a te x c h a n g e r c a d ，d a t a b a s e ，s 打c s se x a m i n a t i o n ，a n da u t o m a t i cd r a w i n gu n d e rau n i t a r yi n t e r f a c e ， a n di s m a i n l yf o rw i n d o w s9 5o fc h i n e s ev e r s i o n i ti sh e l p f u la n dp o w e r f u lf o r d e s i g n e r s ，m a n u f a c t u r e r s ，u s e r sa n dr e s e a r c h e r so fc o m p a c th e a te x c h a n g e r s k e yw o r d s ：c o m p a c th e a t 坠! 堕躞o p t i m i z a t i o n d a t a b a s ep r o c e s s i n _ g _ d r a _ w _ ! p g 主要符号表 传热面积，m 2希腊字母 隔板间距离，m 翅片面积与总体积比，m 2 m s 热容量流量，w b比表面积，m 2 m 3 定压比热，k j k g 。c 6 厚度，r r l 热容量流量之比 e 换热有效度 水力直径，mn 翅片效率 摩擦系数u动力粘度，p a s 单位面积质量流速，k g m 2 s p 密度，k g m 3 对流换热系数，w m 2 o 自由流通面积与迎风面积比 传热因子下标 传热系数，w m 2 1 ，2 1 、2 流体侧 流道进口压降系数c ，h冷、热流体侧 流道出口压降系数i n ，o u t进、出口流体 流程数 流道数 传热单元数 努谢尔特数 普朗特数 压降，p a 换热量，w 热阻，r r i 2 w 雷诺数 水力半径，r f l 斯坦顿数 温度， 传热系数，w m 2 质量流量，k g s x 方向离原点的距离，1 t i a b c印u陆，g h，kn阶卯q r风胁吼。u w x 紧凑式热交换器计算机辅助设计 绪论 1 绪论 本章简介紧凑式热交换器的设计和制造历史及其在国民经济中的重要地 位。讨论国内外紧凑式热交换器设计的现状，阐明本课题的意义，并综括本课 题所做的工作。 1 1紧凑式热交换器简介 热交换器是用来在两种具有不同温度的流体间传递能量的设备。紧凑式热 交换器定义为具有高的比表面积的热交换器，比如说7 0 0 m 2 m 3 ，甚或更高( 比 表面积鼻是换热表面积f 与体积v 之比) 。紧凑式热交换器不一定是小体积、 小质量的，然而如不具有高的比表面积，具体体积和质量就大得多。 紧凑式热交换器从形状结构上分，主要包括板翅式热交换器、回热式热交 换器和管翅式热交换器及微型热交换器等，在很多场合下又把板翅式热交换器 称为钎焊铝制热交换器、二次表面热交换器等。本文的研究对象是其中的板翅 式热交换器，其扩展表面是夹在两平行平板( 隔板) 之间的，有时翅片是装在带 有圆角的扁平管内，通常又把这种紧凑式热交换器称为管带式热交换器。 与通常的管壳式热交换器相比，紧凑式热交换器具有独到的特性： -传热效率高，扩展表面增加传热面积，破坏边界层，降低热阻，提高 传热效率。 结构紧凑，比表面积高。 ，轻巧而牢固，翅片很薄，重量轻。 - 适应性强，有许多具有不同量级的比表面积的有效换热表面，以适应 两侧具有不同量级换热系数的场合，故不但可以用于气一气、液一液而且可用 于气一液。 经济性好。 紧凑式热交换器的这些特征是其具有广阔前景的根本原因。紧凑式热交换 器首先被应用于航空工业，是为了满足飞机中间冷却器的需要( 要求热交换器 效率高、重量轻、体积小和牢固耐用) 。早在3 0 年代，英m a r s t o ne x c e l s i o rl t d 一， 紧凑式热交换器计算机辅助设计绪论 采用浸渍钎焊方法，用铜及其合金制成了板翅式热交换器，用作航空发动机的 中冷器。1 9 4 5 年斯坦福大学以凯斯和伦敦二人组成研究小组，进行了紧凑式 换热表面的性能研究，成果汇成c o m p a c th e a te x c h a n g e r 一书，使板翅式 热交换器得到迅速发展。 我国紧凑式热交换器的设计制造起步较晚，6 0 年代，开始生产航空飞行器 上的空气冷却用的板翅式热交换器，但只能生产小型产品；于1 9 7 0 年成功试 制出采用板翅式热交换器的1 0 4 m 3 h 的空分装置，目前国内已有能力成套生产 大中型空分装置的板翅式热交换器。 近二十年来，紧凑式热交换器在能源、化工、交通、航空航天、建筑等行 业中得到了广泛的应用，也是开发利用二次能源、回收热能、节约能源的重要 设备。热交换器的设计、制造水平和质量对热交换器的技术性能，进而对所产 生的经济效益都有重要影响。随着能源价格、材料价格的上升和生产技术的现 代化，紧凑式热交换器的研究必须满足各种特殊情况和条件的要求。为此，各 国都在投入大量的资金和人力，致力于研究各种换热元件和各种高性能热交换 器，并不断对热交换器设计和制造技术进行深入研究。 目前，热交换器及其传热技术的发展主要表现在以下几个方面： ， 传热强化机理的研究 - 新型高效热交换器的研制 热交换器的设计和制造过程的计算机应用技术研究 制造材料和防腐技术的研究 ， 模拟及测试技术、振动、污垢等的研究 - 动态特性的研究 1 2紧凑式热交换器的设计现状与发展趋势 在目前的技术条件下，人们可以通过手算来进行一个完整的热交换器热工 设计。然而，紧凑式热交换器的设计过程繁杂、设计工作量大，传统的人工计 算和人工制图易出现人为的差错，同时忽略许多二阶量级的影响以简化计算， 已不能适应产品向精细化方向发展、快速更新换代的需要。计算机辅助设计 ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 缩写为c a d ) 不仅能利用计算机运算速度快、计算精 紧凑式热交换器计算机辅助设计绪论 度高、信息存储量大、逻辑推理能力强等特点代替人工进行计算与绘图，而且 可以实现最优化设计，使过程和系统达到最大技术经济性能，还能通过人机交 互，最大限度地发挥设计人员的创造力和经验。 热交换器的设计在国际上已达到较高水平，如： c h e n o w e t h 和k i s t l e r 2 ”、b e l l 2 3 1 对管壳式热交换器，s h a h f 2 ”对紧凑式热交 换器都就计算机辅助热交换器设计方法进行了讨论。 由美国计算机辅助设计中心和国家工程实验室共同开发的s t e m 系统，它 可进行管壳式热交换器的机械设计计算，管板、管子的布置图和施工图绘制。 由美国的传热研究公司研制的h t r j 【2 4 1 热交换器设计程序，采用非线形规 划方法，可对t e m a 标准的e 型管壳式热交换器进行性能校核和最优化设计。 由美国的w h e s s o e 公司的h e c a t e t 2 ”系统，可以进行各种列管式热交换器 的机械设计，材料估算，绘制热交换器总装配图等。 英国的传热及流动服务公司h t f se 2 6 1 开发有t a s c 程序等。 在国内，比较完善的热交换器计算机辅助设计是在7 0 年代后期由化工部 兰化设计院研制开发的，用于化工设备设计的r h z s x t ，能进行内外压及常 压的钢制卧式容器的强度计算，稳定计算，并能绘制施工图，由4 部分组成： 输入及设计计算程序、图面布置及绘图造表程序、绘制图表程序和标准规范及 其他。 其它为一些针对特定结构形式的热交换器的计算程序，只实现热交换器计 算机辅助设计某个环节的任务，如： 于颖等，结构模糊优化理论在换热设备中的应用，提出在热交换器优化 中多目标函数的模糊优化问题，并对一板翅式热交换器进行优化。 王中铮【5 】等，战车用热交换器优化设计解析。用罚函数法、p o w e l l 法对中 冷器进行以体积最小作为目标函数的优化设计。 李永生1 等，固定管板式热交换器的最佳( 轻化) 设计。用管壳式热交换 器设计中j i n k e r 模型及b e l l - - d e l a w a r e 法，建立数模，编制了计算程序。 刘庆江”1 等，c a d 在管壳式热交换器传热计算中的应用，可自动查找水蒸 汽表和自动插值，壁温试算，低负荷工况进行校核等。 秦叔径【9 3 等，建立了微机型空冷器c a d 软件，是用a u t o l i s p 对a u t o c a d l 0 0 一一 蝼凑式热交换器计算机辅助设计绪论 进行二次开发，能进行空冷器部件的绘制和总装图的概念性设计。 魏晓呜。1 等，研制的列管式热交换器工艺计算的c a d 系统，是对引进美 国的a s p e np l u s 大型软件进行二次开发，提出了热交换器的c a d 系统总体设 计思想，并通过实例证明使热交换器的工艺计算质量大为提高。 1 3本课题的意义 国外已出现的热交换器c a d 系统，基本上都是研究者根据其本国的热交 换器标准而开发的，与我国的热交换器国家标准不尽相同，另外，其价格昂贵， 难以接受。 在国内，现有一些针对特定结构形式的热交换器的计算程序【4 5 7 。1 0 l ，但 是对热交换器的计算机辅助设计的开发还缺乏系统性，尚未达到工程应用的成 熟程度，与工业发达国家相比，还有相当大的差距。 因此，汇集紧凑式热交换器的设计资料数据，采纳国内外紧凑式热交换器 设计的先进经验，探讨紧凑式热交换器设计中的问题，研究开发适合中国国情 的紧凑式热交换器c a d 系统已追在眉睫1 1 4本课题的主要工作 本课题主要参照铝制板翅式热交换器的中华人民共和国机械行 业标准j b t7 2 6 1 9 4 【6 】，按照软件工程的方法，创建了一个集紧凑式热交换 器的优化设计、自动绘图和数据库于一体的，可视化程度较高的紧凑式热交换 器计算机辅助设计软件( n u s t c h e c a d ) ，并进行了一些与热交换器设计相 关问题的研究。具体如下： 1 ) 依据紧凑式热交换器的设计理论，编制了紧凑式热交换器设计、校核 程序，进行准确的设计校核计算。 2 ) 对紧凑式热交换器设计中污垢和流动分布不均的影响作了较全面的计 算和考虑。 3 ) 应用多目标模糊优化理论，建立了由用户选定各目标函数权重的总体 优化方案。 4 ) 利用约束优化的s u m t 方法，编制了单目标约束优化的计算程序。 紧凑式热交换器计算机辅助设计绪论 5 ) 选用速度和稳定性较好的r o s e n b r o c k “1 直接优化法作为基础，开发了 可选优化变量的优化程序块。 6 ) 实现了优化过程可选变量的实时跟踪显示。 7 ) 建立换热表面性能计算程序库。 8 ) 实现了设计计算、制图和数据库之间的数据和w i n d o w s 消息传递机制。 9 ) 应用a u t o c a d r 1 2f o rw i n d o w s 的a d s 接口，建立了板翅式热交换器、 管带式热交换器不同结构组合的总装图、零件图和明细表的应用程序。 1 0 ) 换热表面、流体、热交换器和国家标准数据库的建立。 1 1 ) 用d e l p h i 3 0 建立了动态数据库管理系统。 1 2 ) 用v i s u a lc + + 编制了数据库d b f 文件的读写操作程序库。 1 3 ) 紧凑式热交换器温度场的模拟。 1 4 ) 紧凑式热交换器热应力分析。 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c a d 原理 2 紧凑式热交换器c a d 原理 本章主要介绍计算机辅助设计( c a d ) 的历史、现状，热交换器c a d 的基 本概念，热交换器c a d 的系统组成和热交换器c a d 的可视化开发环境。 2 1c a d 的基本概念 c a d 是人和计算机相结合、各尽所长的新型方法。从思维的角度看，设 计过程包括分析与综合两个方面的内容。在程序运行过程中，人可以评价设计 结果，控制设计过程；计算机则可以发挥其分析计算和存储信息的能力，完成 信息管理、绘图、模拟、优化和其他分析任务。人和计算机相结合，在设计过 程中两者发挥各自的优势，有利于获得最优设计结果，缩短设计周期，保证设 计质量。 计算机辅助设计和计算机辅助制造( c a m ) 关系十分密切。开始，计算机 辅助几何设计和数控加工自动编码是两个独立发展的分枝。但是，随着它的推 广应用，二者之间的相互依存关系变的越来越明显了。设计系统只有配合数控 加工，才能充分显示其巨大的优越性。另一方面，数控加工技术只有依靠设计 系统产生的模型才能发挥其效率。所以，在实际应用中，二者很自然地结合起 来，形成计算机辅助设计与计算机辅助制造系统，简称c a d c w 系统。在 这种系统中，设计和制造的各个阶段可利用公共数据库中的数据。公共数据库 将设计与制造过程紧密地联系为一个整体。数控自动编程利用设计结果和产生 的模型，形成数控加工机床所许的信息。c a d c a m 大大缩短产品的制造周期， 显著提高产品质量，产生了巨大的经济效益。 2 2c a d 的发展历史、趋势 5 0 年代初，美国麻省理工学院伺服系统实验室利用w h i r l w i n d 计算机研制 了第一台自动控制铣床。1 9 5 8 年，飞机和汽车制造业开始研究在机身、车身 设计中遇到的空间曲线和自由曲面等问题。1 9 6 6 年i b m 公司开始用计算机辅 助设计集成电路。7 0 年代初期，c a d 基础理论研究十分活跃，这些理论为c a d 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c a d 原理 的发展奠定了基础。1 9 7 5 年以来，人们更多地关心机械零件的c a d ，发展了 许多几何造型系统，例如：a p p l i c o m 、c o m p a c 、c o m p u t e r v i s i o n 、e u c l i d e 和 r a 3 d 等系统。 计算机硬件的迅速发展促进了c a d 的发展。直到1 9 6 0 年，计算机还是个 庞然大物，内存容量最多不超过几k 。和那时相比，现在计算机的速度已增加 了几个数量级。绘图仪的精度也大大提高。硬件的性能提高和价格降低使c a d 产生的经济效益更为明显。7 0 年代后期，c a d 发展的一个重要特点是科学研 究转向经济利用。在许多领域中c a d 已成为不可缺少的工具。一些国家的政 府提供了相当多的基金，用于促进c a d 在工业中的应用。随着计算机的大量 应用，c a d 技术在我国发展十分迅速，各主要工业部门都在积极研究开发c a d 技术，并在生产中推广应用。8 0 年代，c a d 进一步完善化，应用范围不断扩 大，市场上c a d 软件的销售量与日俱增。 当前，c a d 技术发展的主要趋势之一是集成化。把产品设计、分析、绘 图、工艺流程、数控、仿真、检测、成本核算、进度计划、机器人技术组合为 一体，形成集成化的c a d 系统。为适应集成化的发展，必须开发相应的集成 化数据库。工作站的出现，使c a d 系统有向网络化、分布式操作系统发展的 另一趋势。利用网络技术、分布式数据库，将高性能微机或工作站互联成网， 使它们能共享软硬件资源，在网络操作环境中协同工作，从而大大加速产品的 开发。 2 3紧凑式热交换器c a d 系统 我国从1 9 6 5 年以来开始用计算机进行热交换器的设计计算。通过多年的 努力，己取得一定成就。我国川用a l g o l 语言编制了大量的热交换器程序。 目前这些程序还主要针对管壳式热交换器，并且计算方法还不够完善，对计算 结果的实际检验较少，仍有待于改进。 2 3 1紧凑式热交换器c a d 工作过程 紧凑式热交换器的计算机辅助设计系统，不仅能进行相关的性能计算、存 储、汇编及绘图，而且无论在需要进行考察及判断时，也能反映设计者的意图。 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c a d 原理 紧凑式热交换器的设计步骤见图2 1 ： 1 1 由用户提出工艺数据及限制条件，如性能要求、尺寸约束和优化目标 等，并把数据存入数据库。 2 ) 由紧凑式热交换器c a d 系统提供的优化设计模块，根据用户的要求， 进行热交换器的优化设计，结构设计，并且设计的过程中设计者可以进行人工 干预，设计结束后，进行数据的圆整。 3 ) 设计者对结果进行最后的判断，如果有不合理之处，设计者可以进行 修改，并由校核程序进行热交换器的校核计算，并把校核结果提供给设计者。 在既满足设计者意图，而且校核合理的情况下，把结果存入数据库。 4 ) 在设计者的干预下，在a u t o c a dr 1 2f o rw i n d o w s 【”j 中，通过a d s ” 接口，进行工程图纸的输出。 工艺数据及限制条件 系统提供的优化设计模块 否 设计者进行人 工修改 初始参数数据文件 校核结果台，i ! 是+ ( 二二至耍耍堑亘i 二 结果数据文件 说明书输出、绘工程图 结束 图2 1 紧凑式热交换器c a d 总流程图 2 3 2热交换器c a d 系统硬件 典型的热交换器c a d 系统由以下几部分组成 计算机主机 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c a d 原理 一显示器 一存储设备：软盘、硬盘、光盘 输入设备：键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪等 输出设备：打印机、绘图仪 一网络：局域网 选择合适的硬件平台，非常重要，这要视企业的需要而定。很多企业总是 向高起点看，当然长远打算是对的，但计算机硬件发展很快，两三年就是一个 飞跃，象现在一些企业那样，买昂贵的工作站，未等使用已经淘汰，就大可不 必。莫如选择微机，因为微机的价格是那么便宜，功能又是可以达到或接近工 作站的水平，即使很快淘汰也会很快收回成本。 2 3 2热交换器c a d 系统软件 热交换器c a d 软件系统是基于一定的操作系统，设计系统、制图系统 和数据库系统三者的有机结合。 1 操作系统 目前，软件平台基本上有两种，即u n i x 和w i n d o w s 。在几年前，一些c a d 软件必须选择u n i x ，因为只有u n i x 才是3 2 位操作系统，才能发挥c a d 软件 的作用。从1 9 8 3 年w i n d o w s 问世以来，现在w i n d o w s 9 5 n t 已经是成熟的3 2 位操作系统。从功能和用户群体看，选择w i n d o w s 已是一个必然。因为w i n d o w s 是那么普及，基本上人人都会操作，使用又简单方便，价格合理，功能强大， 基于其上的软件非常多，价格也便宜，所以选择w i n d o w s 平台是正确的。 笔者考虑到w i n d o w s 的这些优越性，本软件的开发基于w i n d o w s9 5 。 2 工程图纸绘制系统 制图系统的制作有两种方法： 1 ) 从c 语言等的底层数据函数出发，通过编程，建立自己的制图环境。 这样做有一定的好处，简单易学，不需外加制图支撑软件，比较方便灵活。但 由于一切从头做起，从工作的繁琐性和软件的通用性来看，会给软件的开发和 文件的生成、存储和输出带来麻烦，一般只使用于很简单的图纸绘制。 2 ) 对现有的c a d 软件做二次开发，如a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 、 一9 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c a d 原理 s o l i d w o r k s 公司的s o l i d w o r k s 、p t c 公司的p r o e n g i n e e r 等，都提供二次 开发接口。此法虽然必需外挂商业化的绘图环境，入门也较难，但是它所提供 的现成的抽象层次较高的制图环境和通用的文件格式，非常适合于紧凑式热交 换器这类复杂工程图纸的绘制。 权衡再三，本软件的开发选择了后者。 a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 是一种通用的计算机辅助设计软件包。由于该 软件包功能较强，能满足各行各业计算机辅助设计的需要，特别是提供了很多 编程的工具与接口，使用户能在该系统上实行二次开发，所以该软件已广泛地 被世界上很多国家的工程技术人员所接受。a u t o c a d 的一些内部标准及约定 已成为某些领域中的公共约定，很可能还会过渡到某种工业标准。考虑到 a u t o c a d 的普及性，使用又简单方便，价格合理，功能强大，本软件的开发 选择了a u t o c a d 作为图纸输出环境。 从1 9 8 2 年1 2 月至今，a u t o c a d 已从1 0 版本发展到1 4 0 版本。从1 1 0 版本开始，有d o s 和w i n d o w s 两种版本，其中的r 1 2f o rw i n d o w s 具有基于 w i n d o w s 软件的易于操作性，并且软件占用空间较小，比较适合于作为本软 件的外挂平台。 3 数据库管理系统 数据库管理系统主要是为了适应数量庞大的数据处理和信息交换的需要， 它是在操作系统的基础上建立的操作和管理数据库的软件。 在数据库管理系统的编制方面，笔者进行了很多尝试。首先，应用v i s u a l f o x p r 0 3 o ( v f ) ，建立了紧凑式热交换器的设计参数数据库，并建立了相应的 数据库管理系统。但是，在编译前，要运行该系统，必须先运行v f ，相当不 便；编译后，经常出一些意想不到的问题。鉴于此，笔者进行了v i s u a lc + + 1 5 2 t ”1 ( v c l 5 2 ) 中的o d b c 数据库编程的尝试，但它有很大的局限性，它只能 在主窗口的视中进行，不适合本软件多处需要数据库操作的需要。后来，进行 了直接读写数据库的实践，建立了直接读写数据库的程序库，到目前为止，工 作稳定。最后，应用b o r l a n dd e l p h i3 0 t ”1 ( d p 3 0 ) 的b d e 建立了较完整的数据 库操作系统。 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c a d 原理 2 4软件开发环境 w i n d o w s 操作系统的出现，为软件设计者提供了广阔的发挥空间，笔者认 为，其最大的优点是各程序间可以方便地进行w i n d o w s 消息传递，并同时运 行。并且，其图形界面大大拉近了用户和计算机的距离。 本软件正是充分利用了w i n d o w s 的这些特性，实现了设计、绘图和数据 库一体化。现把各部分的编译环境综述如下： 2 4 1主控程序和设计程序 编译环境为m i c r o s o f tv i s u a lc + + 5 0 【”1 ( v c 5 0 ) ； v c 5 0 是以消息驱动为机制的，3 2 位应用程序开发工具。在v c 5 0 开发环 境中，应用程序的开发步骤为： 在a p p w i z a r d 的指引下建立主窗口程序 加入对话框等w i n d o w s 资源 建立程序的w i n d o w s 消息响应机制 -根据需要，编制软件所需的子程序 - 编译、运行、调试 2 4 2工程图纸绘制程序 1 3 1 编译环境为m i c o r o s o f tv i s u a lc + + 1 5 2 ( v c l5 2 ) ； v c l 5 2 是以消息驱动为机制的，1 6 位应用程序开发工具。在v c l 5 2 开发 环境中，应用程序的开发步骤同v c 5 0 。 与a u t o c a d 的接口为a d s ( a d s l 2 ) 。a u t o c a d 提供了a u t o l i s p 程序设 计语言、a d s 开发工具、a m e 立体造型开发工具等十分有用的开发手段。 a u t o l i s p 是内嵌语言，对于交互式的程序开发非常有利，但a u t o l i s p 又有严 重的不足，程序中有繁多的括号，所以经常有人把l i s p 解释为“l o t so f i n s i p i d s t u p i dp a r e n t h e s i s ”。在应用程序的开发过程中，许多常用的功能和手段是 a u t o l i s p 所无法提供的。如； 二进制文件的读写 ， 在内存中相互通讯 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c a d 原理 - 实时的数据库存取 直接的屏幕i o 操作 高级的用户接口 -调用操作系统的功能 - 直接存取硬件设备 ，高强度的数据处理 ，程序的快速执行 软件与数据的加密保护 可以说，a u t o l i s p 的根本限制是它完全包含在a u t o c a d 中。用a d s 编 译的是外部程序，这些问题迎刃而解。 2 4 3数据库管理系统 因为设计和管理的不同需要，由不同的三部分构成 1 ) 数据库文件的建立是在v i s u a lf o x p r 0 3 0 ( v f o x p r 0 3 0 ) 中实现的。 2 ) 设计中对数据库的读写是笔者在对v f o x p r 0 3 0 的d b f 文件结构深入分 析的基础上，建立起来的程序库，其编译环境为v c 5 0 。 3 ) 数据库管理，如翅片种类、流体种类的增加所需的应用程序的编译环 境是b o r l a n dd e l p h i3 0 ( d e l p h i 3 0 ) 。 d e l p h ic 吲是随着1 9 8 3 年w i n d o w s 的问世而推出的基于o b j e c tp a s c a l 语言 的第一个可视化开发平台。d e l p h i 具有众多的优越性，配有d a t a b a s ee n g i n e ， 可通过s q ll i n k s 、o d b c 访问多种数据库，并且提供了强大的开发基于客户 服务器模式的数据库应用能力。应用程序的开发步骤为： 进入d e l p h i 的可视化编程环境 - 设计用户界面 创建表( f o r m ) 等对象，并修改其属性 - 编写消息处理过程 ，编写应用子程序 ，编译、运行、调试 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c a d 原理 2 5小结 本章主要探讨了以下几个问题： 1 ) c a d 技术发展的主要趋势之一是集成化。 2 ) 对热交换器c a d 的历史做了回顾。 3 ) 分析了本软件的总体结构。 4 ) 操作环境为w i n d o w s 9 5 。 5 1 开发环境为v c 5 0 、v c l 5 2 、a d s l 2 、v f o x p r 0 3 0 、d e l p h i 3 0 。 6 ) 紧凑式热交换器c a d 系统有了较清楚的认识，还需要对紧凑式热交换 器c a d 系统模型和制作过程做较深入的探讨，如输入、输出等，请见下章。 紧凑式热交换器计算机辅助设计 紧凑式热交换器c a d 系统模型分析 3 紧凑式热交换器c a d 系统模型分析 本章主要探讨软件开发的方法，分析紧凑式热交换器c a d 系统模型结构 说明系统输入输出、系统数据处理和系统控制的实现方法。 3 1 软件开发方法 提高人类的劳动生产率，提高生产的自动化程度，一直是人类坚持不懈的 追求目标。软件开发也不例外。 3 1 1方法选用 6 0 年代中期开始爆发了众所周知的软件危机。为了克服这一危机，在1 9 6 8 、 1 9 6 9 年连续召开的两次著名的n a t o 会议上提出了软件工程这一术语，并在 以后不断发展、完善。与此同时，软件研究人员也在不断探索新的软件开发方 法。至今已形成8 类软件开发方法。 1 p a m a s 方法 最早的软件开发方法是由d p a m a s 在1 9 7 2 年提出的。首先，p a m a s 提出 了信息隐蔽原则。p a m a s 提出的第二条原则是在软件设计时应对可能发生的种 种意外故障采取措施。p a m a s 对软件开发提出了深刻的见解。遗憾的是，他没 有给出明确的工作流程。所以这一方法不能独立使用，只能作为其它方法的补 充。 2 y o u r d o n 方法 y o u r d o n 方法是8 0 年代使用最广泛的软件开发方法。这一方法不仅开发步 骤明确，s a 、s d 、s p 相辅相成，一气呵成，而且给出了两类典型的软件结构 ( 变换型和事务型) ，便于参照，使软件开发的成功率大大提高，从而深受软件 开发人员的青睐。 3 面向数据结构的软件开发方法 这一方法从目标系统的输入、输出数据结构入手，导出程序框架结构，再 补充其它细节，就可得到完整的程序结构图。这方法对输入、输出数据结构 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c 幻系统模型分析 明确的中小型系统特别有效，如商业应用中的文件表格处理。该方法也可与其 它方法结合，用于模块的详细设计。 4 问题分析法p a m 问题分析法p a m ( p r o b l e ma n a l y s i sm e t h o d ) 是8 0 年代末由日立公司提出的 一种软件开发方法。这一方法在日本较为流行，软件开发的成功率也很高。由 于在输入、输出数据结构与整个系统之间同样存在着鸿沟，这一方法仍只适用 于中小型问题。 5 面向对象的软件开发方法 面向对象技术是软件技术的一次革命，在软件开发史上具有里程碑的意 义。 6 可视化开发方法 可视化开发是9 0 年代软件界最大的两个热点之一。随着图形用户界面的 兴起，用户界面在软件系统中所占的比例也越来越大，有的甚至高达6 0 7 0 。 可视化开发是软件开发方式上的一场革命，它使软件开发从专业人员的手中解 放出来，对缓解8 0 年代中后期爆发的应用软件危机有重大作用。 7 i c a s e i c a s e 的最终目标是实现应用软件的全自动开发，即开发人员只要写好软 件的需求规格说明书，软件开发环境就自动完成从需求分析开始的所有的软件 开发工作，自动生成供用户直接使用的软件及有关文档。 8 软件重用和组件连接 软件重用( r e u s e ) 又称软件复用或软件再用。它可以大大减少软件开发所需 的费用和时间，且有利于提高软件的可维护性和可靠性。 综上所述，今后的软件开发将是以0 0 技术为基础( 指用它开发系统软件和 软件开发环境) ，可视化开发、i c a s e 和软件组件连接三种方式并驾齐驱。它 们四个将一起形成软件界新一轮的热点技术。 鉴于紧凑式热交换器c a d 软件系统的复杂性及便于以后的继续开发和维 护，本软件开发将是以0 0 技术为基础( 指用它开发系统软件和软件开发环境) ， 可视化开发。 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c a d 系统模型分析 3 1 2面向对象( o o ) 的软件开发方法简介 随着o o p ( 面向对象编程) 向o o d ( 面向对象设计) 和o o a ( 面向对象分析) 的 发展，最终形成面向对象的软件开发方法o m t ( o b j e c tm o d e l l i n gt e c h n i q u e ) 。 这是一种自底向上和自顶向下相结合的方法，而且它以对象建模为基础，从而 不仅考虑了输入、输出数据结构。实际上也包含了所有对象的数据结构。所以 o m t 彻底实现了p a m 没有完全实现的目标。不仅如此，0 0 技术在需求分析、 可维护性和可靠性这三个软件开发的关键环节和质量指标上有了实质性的突 破，彻底地解决了在这些方面存在的严重问题，从而宣告了软件危机末日的来 临。 紧凑式热交换器c a d 软件系统充分利用了v c 5 0 的面向对象特性，把紧 凑式热交换器设计的各个部件、环节、设计过程等实体进行了抽象和封装，建 立了相应的对象，具有相同的属性抽象和动作抽象的一系列对象组成对象类。 3 1 3软件的可视化开发方法简介 可视化开发是9 0 年代软件界最大的两个热点之一。随着图形用户界面的 兴起，用户界面在软件系统中所占的比例也越来越大，有的甚至高达6 0 7 0 。 产生这一问题的原因是图形界面元素的生成很不方便。为此w i n d o w s 提供了 应用程序设计接口a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，它包含了6 0 0 多个 函数，极大地方便了图形用户界面的开发。但是在这批函数中，大量的函数参 数和使用数量更多的有关常量，使基于w i n d o w sa p i 的开发变得相当困难。 为此b o r l a n dc + + 推出了o b e c tw i n d o w s 编程。它将a p i 的各部分用对象类进 行封装，提供了大量预定义的类，并为这些定义了许多成员函数。利用子类对 父类的继承性，以及实例对类的函数的引用，应用程序的开发可以省却大量类 的定义，省却大量成员函数的定义或只需作少量修改以定义子类。o b j e c t w i n d o w s 还提供了许多标准的缺省处理，大大减少了应用程序开发的工作量。 但要掌握它们，对非专业人员来说仍是一个沉重的负担。为此人们利用w i n d o w s a p i 开发了一批可视开发工具。 可视化开发就是在可视开发工具提供的图形用户界面上，通过操作界面元 素，诸如菜单、按钮、对话框、编辑框、单选框、复选框、列表框和滚动条等， 紧凑式热交换器计算机辅助设计紧凑式热交换器c a d 系统模型分析 由可视开发工具自动生成应用软件。这类应用软件的工作方式是事件驱动。对 每一事件，由系统产生相应