（机械制造及其自动化专业论文）间接加热式热风炉cad系统的研究与开发.pdf

摘要 随着农业经济的发展，粮食、木材、枸杞等各类农作物的干燥，以及各类房间的供热等问 题，都使干燥作业成为人们共同关注的焦点，热风炉作为干燥设备的重要辅助设备，它的研制 和开发也倍受重视。c a d 技术充分运用计算机高速运算和快速绘图的强大功能为工程设计及产 品设计服务，具有高智力、高效益、知识密集、更新速度快、综合性强等特点。利用c a d 软 件本身的强大功能结合热风炉设计是热风炉研发的新趋势，由于现阶段熟风炉c a d 软件的发 展还处在比较初级的阶段，目前还没有企业或公司进行热风炉c a d 软件的开发，因此开发一 套实用的热风炉c a d 系统具有重要的意义。 本文在现有热风炉型式和结构的基础上，设计了一款间接加热式热风炉，借鉴工业炉设计 手册、换热器设计手册、钢制压力容器g b l 5 0 等各类国家标准建立了数字化计算模型，完成了 间接加热式热风炉工艺设计与校核模块的编制，建立了材料性能数据库、标准零件库：对间接 加热式热风炉c a d 系统进行需求分析、系统分析和设计，将热风炉的设计和计算机辅助设计 的概念相结合，在w i n d o w s 平台上，以v i s u a lb a s i c 为开发工具，三维c a d 软件即s o l i d w o r k s 为开发平台，运用o w c s p r e a d s h e e t 组件技术，以间接加热式热风炉模型为对象，开发出了间接 加热式热风炉c a d 系统。 本文集间接加热式热风炉的计算校核、标准零部件的选择、零部件图形库和总装配图于一 体，完成了间接加热式热风炉c a d 系统的开发，较好的解决了人机互补问题和与绘图软件相 结合的问题，大大减少了设计人员的工作量，提高了产品质量、可靠性及设计效率。 关键词：热风炉，c a d ，s p r e a d s h e e t ，参数化设计，数据库 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r a le c o n o m i c s ，t h ep r o b l e mo fd r y i n gg r a i n ，t i m b e r ，w o l f b e r r y , a n do t h e rc r o p s ，i n c l u d i n gh e a t i n ga l lk i n d so fr o o m s ，a n ds oo n ，a l lt h e s em a k ed r y i n ga s s i g n m e n t b e c o m ep e o p l e sc o m m o nf o c u s h o tw i n df u r n a c ew h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si n t h ed r y i n ga s s i g n m e n t ，i th a sr 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 dd e v e l o p m e n t c a d t e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e dt h eh i 【g hs p e e dc a l c u l a t i o na n dd r a w i n go fc o m p u t e r , t os e r v i c ef o rt h e p r o j e c td e s i g na n dp r o d u c td e s i g n ，w i t h t h ev i r t u eo fh i 【g h i n t e l l i g e n c e ，h i g hp r o f i t ，c o n d e n s e t e c h n o l o g y ，h i g hs p e e df o ri n n o v a t i o n ，t h eh i g hs t r o n gp o i n tf o re n t i r e t h ec o m b i n a t i o no ft h ec a d a n dh o tw i n df u r n a c ed e s i g ni st h en e wd e v e l o p m e n tt r e n d e n c y , b u tr e s u l tf r o m t h ec o n s i d e r a b l e s p e c i a l t yo fc a ds o f t w a r ed 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 eg e tb e h i n d c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e r ei sn oc o m p a n y9 0 0 da tc a ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t s oi t s 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 fh o tw i n df u r n a c ec a ds y s t e m o nt h eb a s eo ft h eo l dh o tw i n df u r n a c e ，id e s i g nan e wh o tw i n df u r n a c ea n dr e f e rt od e s i g n m a n u a lo f i n d u s t r i a ls t o v e ，m a n u a lo f c o m m o nh e a t t r a n s f e r , g b l 5 0 ，g b l 7 9 3 8 - 1 9 9 8 ，i n c l u d i n go t h e r k i n d so fn a t i o n a ls t a n d a r da n dt e c h n i q u es t a n d a r d w i t ht h eh e l po f t a b l ec u r v e 2 d 3 ds o f t w a r ef i n i s h d i a g r a m ，a n dw r i t et h er e s u l tt om i c r o s o f to f f i c ee x c e l2 0 0 3 ，c o m p l e t et h ep r o c e s sc a l c u l a t i n go ft h e h o tw i n df u m a c e i nt h ep a r to ft h eh o tw i n df u r n a c es o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，o nt h ep l a t f o r mo fc a d ( t h a ti ss o l i d w o r k s ) ，s e l e c tv i s u a lb a s i ca st o o l ，m a k eu s eo fo w c s p r e a d s h e e ta si n t e g r a t e dt o o l s o b j e c tt h eh o tw i n df u r n a c ed e v e l o p e dt h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g nm o d u l e t h i sp a p e rt a r g e t e dt h ef l e wh o tw i n df u r n a c ec a ds y s t e m ，a n a l y z e dt h ed e s i g ng o a l ，f u n c t i o no f s y s t e ma n dk e yt e c h n o l o g y , a n df i n i s ht h ed e s i g na n dd e b u g g i n go ft h ep r o g r a mc a nr u ns u c c e s s f u l l y o nt h ep l a t f o r mo fs o l i d w o k s t h em a i nf u n c t i o no ft h ep r o g r a mi sp r o c e s sd e s i g n ，p a r a m e t e r i z e d d e s i g n k e y w o r d s ：h o tw i n df u r n a c e ，c a d ，s p r e a d s h e e t ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，d a t a b a s e 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得宁夏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。 研究生签名：3 a k 时间： 。0 年，月叫日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生繇吕d k 帆 。占年月1 日 导师签名：时间：删年j 月夕1e t时间：们纱年j 月夕1 宁夏火学硕二f 二学位论文第一章绪论 _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ iii i_i _ _ _ 1 1 研发背景 第一章绪论 热风炉是用于粮食、烟草、茶叶等轻工业产品干燥的主要辅助设备，也是工厂，温室等供 暖的主要设备，应用热风炉采暖具有升温快、易控制、成本低的特点。 本课题来源于2 0 0 6 年科技攻关项目“太阳能枸杞烘干装置的研究”。在大型太阳能枸杞烘 干装置中，为实现连续作业，弥补天气和夜间的影响，最好在干燥装置进风口处加装一台间接 式热风炉，采用此方法的最大好处是白天利用太阳能产生热风，晚上用热风炉加热，二者相互 配合，取长补短，可大大缩短烘干周期【l 】本文利用v b 对s o l i d w o r k s 三维软件进行二次开发， 利用s o l i d w o r k s 提供的a p i 函数开发出间接加热式热风炉设计专业应用软件。 1 1 1 热风炉的发展及应用 热风炉早在1 8 2 8 年就在美国出现，当时是用煤做燃料加热铁管，当常温空气从灼热的铁管 中流过后通过热交换成为热风送入高炉。其热风温度虽然只能达到三百多摄氏度，但使高炉炉 况有明显改善，增加了产量。从1 8 5 7 年开始，逐渐使用蓄热式热风炉来代替换热式热风炉，蓄 热式热风炉最初也使用煤作燃料，后来开始使用煤气作为热风炉的燃料。自从提出用蓄热式热 风炉来代替换熟式热风炉以来，其基本原理至今没有改变，但其结构和操作方法等都有了重大 改进 2 1 。 随着我国非金属矿业的迅速发展及对化工产品的深入开发，需要干燥加工的物料品种越来 越多。干燥是化工、农产品加工和许多工业部门的一个关键性生产单元i 是一门多学科跨行业 的加工技术。因它涉及化工、食品、林业、医药、水产、农业、纺织和轻工等部门，所以近年 来在全球范围倍受人们关注。热风炉作为干燥设备的重要辅助设备，同样受到人们的关注，它 主要用来回收炉子烟气余热，达到节约燃料、加速烘干室气体升温的作用。在大型太阳能烘干 枸杞装置中，热风炉的作用就是把鼓风加热到要求的温度，输送到烘干室用于枸杞烘干，提高 枸杞干燥速度、保证枸杞干燥质量。 目前，在为数众多干燥设备科研机构及厂家的积极参与下，国内新型干燥设备不断涌现， 但这些干燥设备都需要热风作热源，且随着生产规模的扩大、品质的提高，对干燥热源的要求 越来越高j 供热量大、热风洁净、温度高、设备运行和维护费用低、效率高、使用寿命长及排 放达标等p j 。通常，高温热源主要有两类：一类是燃油、燃气直接作热源，相对投资低，但是 燃料贵、运行费用高，增加了干燥成本( 一般较燃煤高6 0 - 7 0 左右) ，同时对物料存在不同 程度的污染。二类是用燃煤作热源，采用间接加热方式，但也普遍存在着明显的不足 4 1 。对于 这些问题的解决，国内外都正深入研究，并取得了一定的成就。 宁夏大学硕1 二学位论文第一章绪论 1 1 2 国内外热风炉研究状况 国内外热风炉研究现状 热风炉式干燥设备的重要组成部分，是热力干燥热源不可缺少的热源，国内外很多公司都 对热风炉做过研究。 国外烘干技术的研究起步于上世纪4 0 年代，到6 0 年代基本实现干燥机械化，7 0 年代干燥 实现自动化【，j ，8 0 年代以后向高效、优质、节能、降低成本、电脑控制方向发展，同时不断开 发新工艺、新机型、新能源，在烘干质量上也得到重视。 烘干机和热风炉在美国、苏联、日本等国家应用比较普遍，但大都采用燃油、燃气作为干 燥机的热源，采用赢接加热干燥。各国根据各自的特点，对于热风炉的研究方向都有所不同【6 胴。 早在1 9 3 1 年，美国的导生化学公司研制了导热油，命名为导生。美国福士德菲利工厂因而 研制了第一台工业用联苯混合物加热炉。日本烘干技术是从二战后发展起来的，主要发展中i 小型干燥设备，热风炉通常采用柴油或煤油为燃料，在干燥设备中大多都安装有较完善的自动 控制系统【s l 【9 j 。 我国是个缺石油的国家，但煤炭资源比较丰富，因此研究和制造的热风炉基本上以燃煤为 主。在燃煤热风炉方面很少有国外的经验可以借鉴。 早在2 0 世纪5 0 年代，国内就有了用导热油的加热系统，到了7 0 年代后才开始从国外引进 导热油加热设备，如当时引进的国外烯油有机热载体加热炉等系统。随后我国开始自行设计开 发和研究导热油加热式热风炉这期间经历了从进口的燃油型导热油热风炉到自主开发国产的 燃煤型导热油加热式热风炉，进而发展到国产的燃油和燃煤型导热油加热式热风炉并存的过程。 同时我国也生产了导热油，接着也生产了导热油热风炉。8 0 年代起即在全国各地6 0 多个行业 和部门迅速推广和使用，而且均取得了显著的节能效果和经济效益。近几年来，随着我国经济 的发展，有机载体加热炉适用范围越来越宽，数量也越来越多。全国生产的有机载热体加热炉 厂家已达6 l 家。随着时间的流逝，人们也在不断积累经验，设计和开发出了各种各样的、性能 更好的热风炉来满足人们生产和生活的需要。热源除了油类产品，还可以是煤、电、太阳能、 天然气；加热形式不仅有直接加热式，还有间接加热式。此外，类型也复杂多变，如有列管式、 无管式及热管式等。但是，我国的热风炉生产厂家基本上都是生产锅炉的厂家，目多数热风炉 的生产厂家属十小型的制造厂家，制造工艺很粗糙。从最初的从外国引进到自己生产，生产的 热风炉的换热形式基本上参考了锅炉的换热形式，而不是根据热风炉的自身特点考虑，且国内 专门用于热风炉研究也很少，致使热风炉在使用中存在的问题还比较多，与国外的差距也比较 大【l o l 。 国内外热风炉c a d 研究现状 目前，国内外已将c a d 技术应用于压力容器、换热器、齿轮、轴系等零部件的系统设计， 并研制了很多相关设计软件，如美国的传热研究公司( h e a tt r a n s f e rr e s e a r c hi n c ) 、英国的传 热及流体流动服务公司( h e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o ws e r v i c e ) 以及前苏联都对计算机在换热器 中的应用展开了研究，并取得了不同程度的成果，但涉及热风炉c a d 系统开发方面的内容几 2 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 _ _ ii i i i i _ - - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 一 乎没有。 1 2 热风炉c a d 研发必要性 热风炉是干燥装置的主要辅助设备，设计方法在不断成熟，相关标准也日益完善，但由于 运行工况各不相同，所以热风炉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。此外，由于热风炉原理涉及燃烧学，传热学、流体力学、机械设 计、工程热力学、气象学等多种学科，设计计算过程涉及到的原理多而且分散，鉴于上述谈到 的热风炉设计本身的特点及产品更新换代快的特点，采用传统的工程设计模式来设计热风炉， 设计人员必须完成大量的数据处理、图形处理和数值计算；这些工作由设计手工或借助比较落 后的工具来完成，从而使设计人员的精力过多地集中在零部件的常规设计和重复性劳动中，缺 乏对全局性问题的总体把握，设计工作周期长，效率低，具有很大的局限性【2 0 l 。 现代工业的高速发展产生了对热风炉的大量要求，对热风炉的设计效率也提出了新的要求， 采用传统的设计模式来完成繁重的设计任务已经跟不上现代工业需求的发展。各制造厂商为了 提高自己产品在市场上的占有份额，纷纷在产品设计、制造工艺、材料和管理等各个环节上采 用新技术。力争缩短产品的研制周期，加快产品的技术性能，降低产品成本。经过长期的实践， 人们终于逐步认识到设计是产品开发过程中极为重要的一环。据估计设计本身所花的费用仅占 产品总成本的5 ，而产品的成本中约有7 5 是在设计过程中决定的由此可见，设计是影响 产品的经济性和技术指标的关键。 计算机辅助设计( c a d ：c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ) 是随着计算机、外围设备及其软件的发 展形成的一门新技术，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 性高技术；也是进一步向计算机集成制造系统c i m s 发展的重要技本基础。它的发展与应用水 平已成为衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一”j 。 在机械行业中，计算机辅助设计开展的早期，主要是用计算机来完成设计工作中的一些复 杂、繁琐、重复的数值计算工作。后来随着计算机外围设备的发展，尤其是图形处理设备和计 算机图形学的发展，计算机辅助设计才逐步深入到设计的各个阶段和设计工作的各个领域。现 在c a d 技术不仅能利用计算机运算速度快、计算精度高、信息存储量大及逻辑推理能力强等 来代替人工进行计算与绘图，而且还能通过人机交互，最大限度地发挥设计人员的创造力，在 充分地综合人和计算机的特长后，确保高质量、高效率地完成设计工作【i 引。如今，c a d 技术的 发展已经渗透到工业产品设计的每一个阶段，使得传统的设计方法发生了巨大的变化。 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f 2 l 】。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、以及代替人做大量重复枯燥工作等方面有特殊优点；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。 从技术角度看，6 0 年代初出现的以c a d 主要解决自动绘图问题，随着计算机硬、软件技 3 宁夏大学f 唳士学位论文 第一章绪论 术及其它相关技术的发展，现在的c a d 已成为一门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 ) i 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。 综合方法学和技术角度的分析，不难得知，c a d 技术是近2 0 年来发展起来的- f 高科技 技术，它的出现是产品和工程设计与制造领域的一次革命性改变，它可以帮助企业适应飞速变 化的技术环境和市场环境的要求。而c a d 技术恰恰适应了这一要求，由于实际需求的不断扩 大，要求c a d 技术不断地向前发展，它将向以下几个方向发展： ( 1 ) 规范化和标准化 这里指数据模型的规范化、数据交换格式的标准化和c a d 资料的规范化等。 ( 2 ) 智能化 使用参数设计和特征造型，使得c a d 系统能够在更高层次上理解设计师的操作信息。而 动态导航技术的使用则使得人机交流更加方便、易懂。 ( 3 ) 三维化 目前，二维绘图软件的使用相当普遍，这主要是由于工程设计上传统的绘图习惯。从设计 的观点看，人们头脑中构思的设计对象是三维物体。用二维表示三维物体有很多局限性。随着 三维图形技术的发展，在计算机内部建立相应的三维实体模型能够更直观、全面地反映设计意 图。在三维模型基础上可以进行装配、干涉检查、有限元分析、运动分析等高级计算机辅助设 计工作。 ( 4 ) 可视化 科学计算可视化是8 0 年代末期发展起来的一门新技术，它是将科学技术过程的数据结果实 时转换为图形图象信息，并进行交互处理。科学计算可视化技术是当今信息时代处理大量复杂 数据的需要，将成为信息交流的新形式。 ( 5 ) 网络化 网络技术有效地解决了任务分布、资源共享的的大型c a d 系统的集成问题。 综上所述，应用c a d 技术主要有以下几方面效果： ( 1 ) 增强企业的产品设计开发能力 由于受计算能力的限制，以前设计人员只能用一些由传统数学、逐次逼近方法得来的经验 公式进行工作。因而，所设计的产品存在着材料消耗过多，结构布置不合理等弊病，采用c a d 系统后，设计者就可以利用强有力的工具来改进设计工作。例如应用有限元法、最优化设计等 方法改进设计，从而可以对过去许多只能定性判断的内容做出精确的定量分析。 ( 2 ) 提高产品设计质量，缩短产品研制周期 据调查，在一般的机械工业企业中，设计人员中占全人员总数的1 0 9 6 1 5 是绘图。采用 c a d 后，通过计算机辅助绘图，可节省设计人员大量宝贵时间。此外，c a d 的最大特点是使 设计人员在c a d 辅助下，可以充分发挥自己的联想和创造力，集中精力提高设计质量。当产 4 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 i |i iii| i_ i _ - _ 一 品设计完成后，又由c a d 系统自动输出各类图纸、文件。因此采用c a d 技术不仅提高了设 计质量，而且大大缩短了产品的设计周期，带来了无法估算的经济效益。 ( 3 ) 有利于实现产品标准化、系列化、通用化 机械设计的一些国家标准向国际标准靠拢时，考虑的影响因素比较全面，设计计算的工作 量较大，如不采用c a d 则很难贯彻。若有了相应的软件，只要根据屏幕提示输入有关信息， 就能获得符合标准要求的设计结果，因而推广起来就比较容易。由于计算机对设计信息实行统 一管理，因而也有利于推进产品的系列化和通用化。 ( 4 ) 加强现代化管理 几乎所有的工业技术，目前在交流、通信和存贮的手段上都极大地依赖于图纸等技术文件。 因而所有技术文件的产生、修改、管理、存贮以及随机检索等己成为企业技术管理中占极大工 作量的突出问题。单凭人工管理的方法难以满足现代企业对管理的需要。采用c a d 技术，并 建立功能完善的信息管理机制，就可以实现从市场信息、经营管理信息及设计师的原始构思数 据到各种图纸、技术文件、工艺资料、外购清单等全部由计算机系统统一处理和存贮，并可供 企业各部门共同分享。 ( 5 ) 提高企业的经济效益 在设计阶段引入c a d 系统可大大提高设计人员的工作效率，节约手工设计所需的大量工 时和开销，并使过去积累的设计资源得到复用，从而降低设计成本。此外，由于设计阶段所做 的决定对产品的总成本有很大的影响，所以通过c a d 所作的设计优化可以大幅度地降低产品 成本。 本文的研究对象是间接加热式热风炉，虽然结构简单，组成零件不是很多，但系列化产品 当中组成零件、装配组件的结构和设计模式相似程度较高，如果一一去设计，重复工作量很大， 而且计算也非常繁琐，劳动强度丈。因此，本文充分运用了计算机高速运算性能，将计算机辅 助设计( c a d ) 和热风炉的设计相结合，建立了实用的参数化c a d 图形系统，使间接加热式 热风炉从输入设计参数到工艺计算到生成结构尺寸到零件数据库的形成，最终实现了间接加热 式热风炉的参数化模型，形成一套完善的计算机设计系统。适应了目前对间接加热式热风炉单 件或批量生产的需求，缩短了设计周期、提高了设计效率，降低了成本，避免了入力物力资源 的浪费。同时，建立的间接加热式热风炉的三维实体模型也为后续热风炉的有限元分析、三维 仿真分析奠定了基础，因此，结合c a d 技术开发一套实用的热风炉设计专业应用软件具有重 要的现实意义和应用价值。 1 3 研发内容 本课题的研究对象是间接加热式热风炉。根据已有的热风炉的理论和发展状况，采用传统 软件设计方法，利用v i s u a lb a s i c 编程语言在三维c a d 即s o l i d w o r k s 平台下，开发了一套实用 的间接加热式热风炉c a d 系统。本系统针对间接加热式热风炉c a d 系统的需求分析、系统分 析、系统设计及系统实现进行了全面的探讨，为间接加热式热风炉c a d 系统提供了一个可行 的方案，具备良好的系统框架和可复用性的类库及模块。 5 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 本系统面向的用户是化工设备设计人员，其主要功能如下： ( 1 ) 分析了间接加热式热风炉的设计流程。开发了工艺计算与校核模块，可计算传热系数、 换热器的传热面积、空气及烟气侧压力损失、管壁温度等工艺参数，同时给出热风炉设计所需 的基本结构尺寸。 ( 2 ) 分别阐述了实现间接加热式热风炉c a d 系统开发的关键技术：面向对象的编程语言 v i s u a lb a s i c 和三维c a d 即s o l i d w o r k s 软件，以及用来实现软件集成的o w e s p r e a d s h e e t 组件。 ( 3 ) 研究了实现间接加热式热风炉c a d 系统的关键技术，包括三维模型的参数化绘图模块、 零件库的建立、装配数据表的建立及间接加热式热风炉参数化设计模块等内容。 ( 4 ) 为间接加热式热风炉c a d 系统设计了简单、友好、易用的用户界面。 ( 5 ) ，为间接加热式热风炉c a d 系统建立了完备的帮助主题脚本r t f ( r i c h t e x tf o r m a t ) 文 件，实现了方便快捷的联机帮助，有助于人们的理解和使用。 6 宁夏大学硕：l ：学位论文第二章开发技术理论 2 1 系统开发方法简介 第二章开发技术理论 。软件开发方法【2 2 】是软件开发过程所遵循的方法和步骤，其目的在于有效地得到一些工作产 物，也就是一个运行的系统及其支持文档，并且满足有关的质量要求。组成软件开发和系统演 化有着各种方法，这些方法都典型地包含了分析、设计、实现、确认、演化等活动。 下面介绍一下软件开发的四种方法： 1 模块化方法( m o d u l a rm e t h o d ) 把一个待开发的软件分解成着千较为简单的部分，称为模块( m o d u l e s ) ，每个模块分别独 立地开发、测试，最后再组装出整个软件，这种开发方法是对待复杂事物的“分而治之”的一 般原则在软件1 ：程领域的具体体现，即将软件开发的复杂性在分解过程中降低，因此系统如何 分解成模块和模块设计的规则成为模块化方法的关键。 模块化方法的优点是明显的，难点在于如何处理大型复杂的问题，往往会出现难于下手之 处，在分解过程中，从某一角度看，要求隐蔽的信息是这些，换一角度看，却要求隐蔽的信息 是另外些。 2 结构化方法 结构是指系统内各组成要素之间的相互联系、相互作用的框架。结构化方法就是强调结构 的合理性以及所开发的软件的结构合理性，由此提出了一组提高软件结构合理性的准则，如分 解和抽象、模块的独立性、信息隐蔽等。针对不同的开发活动，它有结构化分析、结构化设计、 结构化编程和结构化测试。 结构化分析方法给出一组帮助系统分析人员产生功能规约的原理和技术。一般利用图形表 示用户需求，以数据流图和控制流图为基础，伴以数据词典，并配上结构化语言、判定表和判 定树等手段，从而达到为问题的解决建立模型。数据流图以图形的方式表达问题中信息的变换 和传递过程。它有四个基本要素，即数据流、加工、文件、数据源或数据树。数据流由一组固 定成分的数据组成，它有名字和流向；加工是对数据流的变换；文件是可储存的信息；数据源 或数据树是存在于计算机系统之外的实体，分别表达数据处理过程的数据来源及数据去向。与 数据流图配合使用的是数据词典，对数据流图中出现的所有数据元素给出逻辑定义，用以对数 据流图中的各要素做出确切的解释。在分层的数据流图中，最底层的加工己不再需要下一层的 数据流图进一步描述，可采用结构化语言、判定或判定树等描述其功能。 3 面向数据结构方法 可以说面向数据结构方法是结构化方法的变形，它着重数据结构而不是数据流。应用领域 的信息域一般包括信息流、信息内容和信息结构等部分，在软件需求分析过程中，根据对信息 域分析的侧重点不同，形成不同的开发方法。结构化方法以分析信息流为主，用 7 宁夏大学硕士学位论文第二章 开发技术理论 数据流图来表示信息流；面向数据结构方法，是从数据结构方面分析，即分析信息结构， 并用数据结构图来表示，再在此基础上进行需求分析，导出软件的结构 面向数据结构的开发方法包括分析和设计活动。由于一些应用领域的信息都有层次分明的 信息结构，如输入数据、内部存储数据和输出数据都有层次性，因此在分析活动时可以用数据 结构来分析和表示问题的信息域。在设计活动时，不同性质的数据结构可以用具有相应的控制 结构的程序来处理。如重复性数据可用循环控制结构的程序，选择数据可用具有条件控制结构 的程序，因此总可以把具有层次性的数据结构映射到结构化的程序。 4 面向对象方法 面向对象方法1 2 3 】包括分析、设计和实现活动。它是一种把面向对象的思想运用于软件开发 过程。指导开发活动的系统方法。建立在“对象”概念基础上的方法学基于对象概念。以对象 为中心，以类和继承为构造机制来认识、理解、刻画客观世界和设计、构建相应的软件系统。 面向对象方法的应用，目前有两种方式： ( 1 ) 在分析、设计、实现活动中完全采用面向对象技术。 ( 2 ) 传统的功能分解方法与面向对象方法结合使用。即功能分析、面向对象的设计和实现； 以及面向对象分析和设计、实现用过程式语言。 面向对象分析的任务就是通过分析问题域来建立系统的概念模型。并用相应的符号系统表 示。而模型一般由五个层次构成，即主题层、类及对象层、结构层、属性层和服务层。面向对 象设计是在面向对象分析的基础上进行系统分析设计，包括交互过程和用户接口、任务管理、 全局资源协调并确定边界、各个类的存储和数据格式。 面向对象实现就是用面向对象程序设计语言来实现面向对象设计，因为该类语言支持对 象、运行多态性和继承，因此比较容易。用面向对象方法开发的软件，其结构基于客观世界界 定的对象结构，因此与传统的软件相比较，软件本身的内容机构发生了质的变化，因而易复用 性和易扩充性都得到了提高，而且能支持需求的变化。 2 2 数据库技术 2 2 1 数据库选择背景 随着互联网的迅猛发展和普及，人们可以通过计算机与互联网联接，从世界各地实时的接 收和发送大量、最新的信息，但在信息交换的过程中存在着一个突出的问题，就是多种多样的 数据格式，给信息的有效使用带来了障碍，所以选择最便捷、最可靠、最有效的方式获取所需 的信息显得尤为重要。 分析间接加热式热风炉c a d 系统中数据主要包括五部分组成：零部件结构参数和计算参 数、设计计算所使用的图表被参数化后的方程、零部件的材料库( 如标准件) 、传递给绘图模块 的参数、传递零部件装配的坐标值。五部分的数据格式并不统一，目前，虽然有很多数据库软 件，如s q ls e w e r 、a c c e s s 、o r a c l e 、f o x b a s e 等等，但它们不能用来描述任何逻辑关系的数 据格式并统一电子数据存储，而能够担当此任的就是x m l ( e x t e n s i b l e 8 宁夏大学硕士学位论文第二章开发技术理论 - i ii ii| _ i l _ i i l i _ _ l _ - i _ l _ i _ i m a r k u pl a n g u a g e 即可扩展标记语言) ，它是至今为止最聪明的种符号化语言，将成为下 一代网络发展的基石，同时也给数据交换带来了一场革命。 综上所述，本文选择x m l 数据库作为数据库平台支撑间接加热式热风炉的整个数字化设 计过程。 2 2 2x m l 的制作 m i c r o s o f te x c e l 允许以下两种方式处理x m l 文档： ( 1 ) 使用e x c e l 儿架构 可以在e x c e l 中创建一个文档，然后将其保存为x m l 文档。e x c e l 使用它自己的x m l 架 构( x m l 架构：以x m l 编写的正式规范，定义了x m l 文档的结构，包括元素名和丰富的 数据类型，以及哪些元素要以组合形式出现，每一元素具有哪些属性。) 、e x c e lx m l 来应用存 储信息( 例如文件属性) 的x m l 标记，并且定义文档的结构( 例如段落、标题和表格) ，此外 e x c e lx m l 储存的信息还可以作为o w e s p r e a d s h e e t 组件的数据源供引用。 ( 2 ) 使用任意x m l 架构 可以在e x c e l 中创建或打开一个文档，将任意自定义的x m l 架构附加到该文档，并将 x m l 标记应用到文档内容。将文档另保存为x m l 文档时，x m l 标记会根据附加到该文档的 x m l 架构定义文档结构。 保存文档时，e x c e l 架构和自定义架构都被默认附加到文档，保留自定义架构定义的数据 和e x c e lx m l 架构定义的丰富格式。根据自定义架构，还可以选择仅保存数据。 无论是用内置的e x c e lx m l 架构定义e x c e l 文档结构，还是附加自己的架构来定义e x c e l 文档结构，对于任何能够分析x m l 的软件来说，都能阅读并处理所保存为x m l 格式( x m l 文 件) 的文档中的数据。 2 3s o li d w o r k s 及其二次开发 2 3 1s 0 1 i d w o r k s 的a p i 类层次结构 s o l i d w o r k s 软件提供了一套完整的、免费的二次开发接口一a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e ) 1 3 4 1 ，用户可以用v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 或其它支持o l e 的编程语言来对s o l i d w o r k s 进行二次开发，建立自己的应用方案1 3 5 1 。 图2 一l 显示了s o l i d w o r k s 二次开发接口结构，s o l i d w o r k s 中所有的a p i 函数都由s o l i d w o r k s 类派生，根据接口函数的功能，主要分为m o d e l d o c 、e n v i r o m e n t 、f r a m e 、a t t r i b u t e d e f 、 f e a t m g r v i e w 等对象。 9 宁夏大学硕士学位论文 第二章开发技术理论 图2 - 1s o l i d w o r k s 二次开发接口结构图 2 3 2 二次开发思想及参数化技术 二次开发作为一种在原有基础上进行的软件开发活动，有如下特点： 继承提高性：二次开发不同于一般的软件开发，主要在于它不是从底层开始的软件设计， 而是在己有的软件基础上进一步完善和提高，使之更适合用户的要求，所以二次开发具有很强 的继承性。 1 0 雪 宁夏大学硕士学位论文 第二章开发技术理论 专业性：由于二次开发一般都是针对特定的用户进行设计的，因此二次开发的专业性很强， 必须有一些既懂专业，又具有软件设计能力的专门人才来完成。 实用性：二次开发都是有针对性的面向客户的设计，因此对于用户来讲，成功的二次开发 不但可以显著的提高工作效率，而且能够大幅度的提高软件的使用效率。 对于某一软件来说，其中预先设置的约束越多，能提供的信息越多，同时对人工干预的要 求就越少，也就是智能化程度越高。所以我们可以这样描述c a d 的二次开发：基于一定的c a d 平台，将本专业的行为约束、规范、标准及习惯添加到这个平台的约束集中，从而提高其智能 化程度的软件开发过程。 二次开发的首要问题就是从对象中提取约束的问题。这就需要某种开发方法，既能从对象 中提取尽可能多的约束关系，又能较好地描述对象。而参数化技术恰能很好地满足上述要求， 它不仅具有高度的概括性，而且具有能够描述对象的最基本要素的特征。利用现有的c a d 系 统，获取几何与拓扑信息，在它们的基础上添加其它约束信息的数据，以形成新的数据结构， 根据新数据结构构件特征，组成特定领域的特征库，利用特征库中现有特征及其组合来构造零 件，这样就在二次开发的基础上构造形成一个新的c a d 系统。 参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表达式表示，而不需用确定的数值，变化 一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸1 3 8 1 。也就是参数化模型是通过调整参数来修改和 控韦j j j l 何形状，自动实现产品的精确造型。 参数化设计的研究内容除了传统的二维图纸和三维零件实体，还包括零部件间的装配关系， 产品特征，产品变型设计等产品层次的参数化表示模型，使得参数化自身的含义得到了迸一步 拓宽，这些研究无疑将会进一步提高产品的设计和生产效率。 2 3 3 参数化技术的基本方法 参数化设计所采用的方法是变量几何法，就是将几何约束转化为非线性方程组进行整体求 解，确定出特征点集，几何图形可以是用点集来表示的。点集的改变，图形也必然随之改变。 因此，对图形的变换，实质上是对点集的变换。由于点集可以用矩阵的方式表达，所以，对点 的变换可以通过相应的矩阵运算来实现。实际设计过程中，往往会由于应用环境或设计条件发 生变化时，图形的尺寸就会随之发生相应的变化。参数化设计就能够很容易解决这一变化过程 。 从基于约束的参数化技术的实施机理来看，目前主要由两大类型： 1 编程参数化 编程参数化通过分析图形几何模型的特点，确定图形的主要参数以及各个尺寸之间的数学 关系，将这种关系编入程序中。使用时执行程序，输入需要的参数，由程序通过各个尺寸之问 的数学关系确定其它相关的尺寸值，从而就确定了整个图形。这种方法适用于结构较为固定、 仅尺寸发生变化或只有局部结构变化的零件的参数化，程序编好后，只能处理特定结构的零件 图形的参数化问题。常用在通用的商品化软件上进行二次开发，如进行标准件和常用件的建库 工作等。 2 人工交互参数化 宁夏大学硕士学位论文 第二章开发技术理论 ( 1 ) 基于几何约束的变量几何法这是一种面向非线性方程组整体求解的代数方法。它将 几何形状看作为一系列特征点，将约束关系转换成以特征点为变化的非线性方程组，通过迭代 求解，从而确定出几何细节。这种方法适用于很大范围的约束类型，且循环约束可通过约束方 程组的联立求解得到处理，但是它难以避免数值求解稳定性差的缺点，方程组整体求解的规模 和速度难以控制，且迭代初值的选取在很大程度上也影响算法的成功 ( 2 ) 基于几何推理的人工智能方法。该方法的基本思想是将约束关系用一阶逻辑谓词来描 述并存入事实库，通过推理机的作用，从规则库中选用规则并应用于现有事实、推理的结论作 为新的事实、推理史记录所有成功的规则应用并提供重构过程，从而构造出整个几何体。这种 方法表达简洁、直观，可以避免变量几何法的不稳定性，但系统庞大，速度慢，无法处理循环 约束。 ( 3 ) 基于构造过程的参数化方法。此方法采用一种参数化履历的机制，通过记录构图过程 中体素生成过程的先后顺序及连接关系，捕捉设计者的意图。这种方法适用于结构相同而尺寸 不同的零件设计，但由于需严格遵守某种顺序，柔性和灵活性不足 ( 4 ) 基于辅助线的参数化方法。主要特点是所有轮廓均建立在辅助线的基础上，而辅助线 的求解条件在作图过程中己明确规定，不必再做遍历搜索和检索求解条件是否充分。这种方法 求解速度快，不足之处是当图形比较复杂时，辅助线影响作图操作 ( 5 ) 基于图形的参数化方法。此方法直接操纵图形数据库，把图形数据库的数据交换结构 略作修改，用图形来描述实体的响应约束。这种方法不要求用户在系统特定模块的步骤构造原 型图，算法效率高，实现简单，程序量不太大，可移植性强。 参数化c a d 系统种类繁多，功能强弱不同，就其实现方式又可归纳为四种： 基于尺寸标准的参数化 基于