折流杆换热器CAD系统的开发.pdf

58 化 工 设 备 与 管 道第39卷 折流杆换热器C A D系统的开发 吴金星魏新利吴金星魏新利 郑州大学化工学院 郑州450002 摘要本文阐述了折流杆换热器CAD系统的开发方法 包括 把大量线图 数表进行数据程序化 利用ADSRX技术 PDB界面设计技术 和参数化图形设计技术对折流杆换热器的一百多种类型 三万多种规格的零部件进行了设计 将数据信息采用数据文件和数据库的方式进行 集成和管理 从而实现折流杆换热器工艺 机械 零部件子系统的集成 关键词折流杆换热器 CAD系统 参数化设计系统集成 1 引言 折流杆换热器是近年来开发的一种新型高效换 热设备 壳程支撑结构为折流栅 每一个折流栅由若 干平行的折流杆焊接在一个折流圈上 四个折流栅 为一组 每组包括两个横栅和两个纵栅 交错布置 构成鼠笼式支撑结构 它的主要特点是 壳程流体沿 轴线呈纵向流动 传热效率高 流体流动阻力小 抗 流体诱导振动性能好 抗结垢能力强 使用寿命长和 节约材料等 在工程中应用越来越多 在传统的换热器设计过程中 采用手工计算和 绘图 需查阅大量的图表和反复核算 设计工作量 大 周期长 效率低 设计质量不高 随着计算机和 CAD技术发展 采用计算机硬 软件技术对换热器进 行自动设计 修改及输出 为提高换热器的设计质量 提供了强大的工具 因此 按照我国标准 l 2 开发和 研制折流杆换热器CAD系统具有巨大的经济效益 和社会效益 2 折流杆换热器C A D系统的组成及其功能 折流杆换热器CAD系统对工艺与设备进行综 合设计 实现从工艺计算 机械设计 零部件设计到 系统集成的自动化 即只要输入必要的工艺参数 系 统可自动设计出性能优良的换热器 并自动绘制图 纸和输出有关设计资料 在分析传统设计过程和设计资料的基础上 运 用软件工程和并行工程技术 开发的折流杆换热器 CAD系统包括 工艺设计子系统 机械设计子系统 零部件设计子系统 化工流体物性参数数据库 工程 材料数据库和公共模块六部分 各子系统及模块的 功能如下 l 工艺设计子系统根据工艺参数 应首先确 定换热器的主要结构参数 壳体直径 换热管长度 换热管根数等 并为机械设计子系统提供必需数据 2 机械设计子系统对换热器进行结构设计 和强度校核 3 零部件设计子系统为总装图的集成提供 零部件图 4 化工流体物性参数数据库根据流体的操 作状况 自动查询和修改流体的物性参数 既可为工 艺设计子系统提供必需数据 又可供用户单独使用 5 工程材料数据库根据各种钢材的使用条 件 自动查出钢材的常温强度指标和已知条件下的 许用应力 弹性模量 平均线性膨胀系数等 既可为 机械设计子系统服务 又可供用户单独使用 6 公共模块包括系统初始化子模块 图框标 题栏自动生成子模块 技术要求自动标注子模块 表 面粗糙度自动标注子模块 明细栏自动生成子模块 装配图自动消隐子模块等 公共模块用于完成系统 的初始化 包括图幅 比例 绘图环境的国标化 图框 标题栏的自动生成 技术要求的选择 编辑和自动标 注 表面粗糙度的自动标注 装配图明细栏的自动填 写和装配图的自动消隐等 3C A D系统的数据处理 在换热器设计过程中 需要从有关的手册或规 范中选取多种数据 这些数据多以线图和数表的形 式出现 查找过程费时费力 且精确性较差 因此 在 开发折流杆换热器CAD 系统时 必须将手工查找转 应用软件 59 2002年第3 期 变为高效 快速的计算机化处理 处理方法有两个 1 数据程序化即在应用程序内部对这些数 表及线图进行查找 处理或计算 2 数据库存储即将数表或离散化的线图中 的数据按数据库的规定进行文件结构化 如确定文 件名 字段名 字段类型 字段宽度等 存放在数据库 中 数据独立于应用程序 但又能为所有应用程序服 务 本文采用数据程序化方法 3 1 数表的程序化 3 换热器设计手册和标准中的数表有单变量表 双变量表及多变量表 对于有计算公式的数表 把公 式直接编入应用程序中即可 但大多数数表难以找 到公式 只能采用程序化处理 具体做法有两种 1 数组存储 为了避免CPU对外存频繁访问 对数据量不大且访问频繁的数据采用数组存储 并 根据数表的特点采用一维 二维或三维数组 一些数 据可从数组中直接取出 但有些数据须通过插值才 能得到 如常用钢板材料代号 235 A F 235 A 235 B 235 C 20R 16M nR 15M nVR等 可用 一维指针型字符数组来存储 用C 语言表示为 char plankm aterial W 235 A F 235 A 235 B 235 C 20R 16M nR 15M nVR 2 文件存储 对数据量大的表格 用数组存储 会占用太多存储空间而减缓程序的运行速度 因而 可用文件存入外存 只在需要时从外存中读取 如文 献 2 中附录F6钢材平均线性膨胀系数 以行为单 位把这些数据输入文本文件 对没有值的项用 0 代 替 3 2 线图的程序化 在换热器设计时 大量的系数以线图的形式出 现 且多为曲线族 对线图的程序化处理方法如下 1 找到线图原来的公式 将公式编入程序 这 是最精确的程序化处理办法 2 将线图离散化为数表 再采用上述数表程序 化的方法 3 用曲线拟合的方法求出线图的经验公式 再 将公式编入程序 系统的零部件设计 为了对零部件实现快速准确的CAD设计 本系 统采用ADSRX技术建立ADSRX应用程序 利用PDB 界面设计技术来设计接收用户所给设计参数的界 面 由于零部件众多 限于篇幅 以最关键的零部件 折流栅为例 折流栅结构由一个折流圈和一定 数量的折流杆焊接而成 如图1所示 图1折流栅结构 4 1 ADSRX技术 4 5 在A utOCAD R14中 A utOdesk 公司将ADS开发环 境改为ARX开发环境 ARX应用程序分为ADSRX 应用程序和O bjectARX应用程序两种类型 其中 ADSRX应用程序开发环境由A utOCAD R14 系统自 带 它包括完整的ADS函数库 故可方便地将ADS 应用程序移植到其中 从而获得ARX应用程序的运 行效果 作为A utOCAD R14的二次开发工具 ADSRX 应用程序开发环境包括大量的C 库和完整的 ADS函数库 允许用户开发A utOCAD应用程序 扩充 A utOCAD命令及功能 ADSRX应用程序是一种可共 享A utOCAD的地址空间和建立对A utOCAD直接调用 的动态链接库 DLL A utOCAD R14 ADSRX开发环境 要求使用M SV C 编译器 作者使用M SV C 5 0 编译器 建立一个ADSRX应用程序必须创建源程序 文件 CPP 和定义文件 DEF CPP和DEF文件的 格式可以从A utOCAD R14系统提供的诸多示范程序 中套用 建立应用程序 baffring arx 之后 可以在A utO CAD R14 环境中进行调用 调用之后 要想对它重新 编译链接 必须在A utOCAD R14中卸掉它或关掉A u tOCAD R14 环境 4 2 PDB界面设计 6 界面是用户与图形系统进行信息交换的一种接 口 用户通过界面向图形系统表达自己的意图 如调 60 化 工 设 备 与 管 道第39卷 用命令 输入数据等 图形系统也通过界面汇报当前 执行情况 请示下一步工作或回答用户的提问等 本 系统的界面主要形式为对话框 并把A utoCAD RI4 的界面作为其中一部分 在W indow s环境下 对A u toCAD进行开发时可采用两种对话框技术 一是利 用W indow s的对话框设计技术 二是使用A utoCAD RI4 提供的可编程对话框 PDB 技术 利用PDB技 术设计的对话框界面友好 操作方便且非常简单 因 此 本系统采用PDB技术进行对话框的设计 对话框由包含在对话框内的控件组成 A utoCAD RI4 的PDB设置预定义的控件有按钮 复选框 图 像 弹出式列表 文本和衬框等 把这些控件进行分 组 组成一行或一列 并在其外面加上框线或不加框 线组成复杂的控件组 以完成一项复杂的任务 对话 框的定义文件是一个A SC 文件 该文件的扩展名 为 dcl 用对话框控制语言DCL D ialogue C ontro l L an guage 编写 在DCL文件设计完成并调试通过之后 需编写应用程序来管理这个对话框 也就是说 用 DCL文件定义对话框的外观 而对话框的功能则由 ADSRX应用程序来控制 ADSRX提供了处理对话框 的函数 这些函数可以从DCL文件中加载对话框 并 可给对话框中的各控件置初值 获取用户在对话框 中的输入 也可定义与用户输入有关的操作 4 3 参数化图形设计 7 实现参数化图形设计是CAD系统的核心任务 即将图形尺寸与一定的设计条件相关联 把图形尺 寸看成是 设计条件 的函数 当设计条件发生变化 时 图形尺寸便相应随之更新 本文采用程序驱动法 进行2D参数化图形设计 包括 I 构型设计 确定 三维物体的二维表达式 同时找出各尺寸间的参数 化关系式 2 程序驱动 将构型设计的结果程序 化 仍以折流栅为例来说明参数化图形设计的方 法 在参数化图形设计时 最关键是确定图形节点坐 标值 节点由折流栅的结构参数决定 只要确定了筒 体的公称直径 就确定了折流栅的内 外直径 厚度 拉杆孔直径和数量 折流栅中折流杆的数量和各折 流杆的长度则由折流栅的内 外直径 换热管的排列 方式 换热管直径确定 对折流栅进行参数化图形设计的步骤如下 I 设置初始绘图工作环境 对图层 图层上的 线型 线型的颜色进行设置 本系统专门建立了一个 模板文件 作为初始绘图工作环境 2 选定坐标基点 选折流栅的中心0为坐标基 点 3 标称图形的主要节点 由于折流栅结构具有 对称性 所以只需选取其四分之一部分标称节点 4 确定各点的坐标 5 绘图 利用ADS函数 根据节点的坐标及折 流栅的设计参数 写绘图语句 6 标注尺寸 自动绘制的折流栅部件图如图2 所示 图2自动生成的折流栅部件 5C A D系统的集成 8 9 换热器CAD系统由多个子系统组成 要得到换 热器的总装图和必要的零部件图 需要把这些子系 统和模块有机地集成起来 在集成过程中 以工艺设 计子系统 机械设计子系统和零部件设计子系统为 主线 而化工流体物性参数数据库 工程材料数据库 和公共模块为系统集成服务 5 I 数据信息的获取数据信息的获取有两种方式 I 通过界面由用户输入 可通过对话框接收或 由图形设计系统的命令行输入 如工艺设计子系统 通过对话框接收设计参数时 大部分数据只需从界 面上做出选择 2 通过各子系统计算 如由工艺设计子系统可 得到筒体公称直径 换热管长度 换热管根数 折流 栅内外径 折流栅间距等 由机械设计子系统可得到 筒体的厚度 管板的厚度 管箱的厚度 管箱的长度 等 由零部件设计子系统可得到各零部件的图形信 61 2002年第3 期 息 5 2 数据信息的传送 实现信息集成的条件之一是有一个数据集中管 理的环境 各个子系统把它们的数据分为专用和共 享两部分 专用数据仅供某一功能模块使用 如化工 流体物性参数数据库为工艺设计子系统的专用数 据 共享数据是在工艺设计 机械设计 零部件设计 过程中生成的动态数据 如原始设计条件 结构设计 参数 图形信息等 5 3 数据信息的管理 数据信息集成的主要工作是数据信息的管理 本系统采用数据文件对数据信息进行管理 工艺设 计子系统把设计的结果按筒体公称直径 换热管规 格 折流栅内外直径 管程数等顺序以结构体方式写 入数据文件并放入共享库 在读取时亦按结构体的 方式 机械设计子系统由许多模块组成 如筒体 管 板 封头 膨胀节 接管等 在这些模块之间也存在着 数据信息交换 因此 对每个模块的设计结果建立一 个数据文件放入共享库 以便其它模块和零部件设 计子系统取用 零部件设计子系统也由许多模块组 成 如筒体 管板 管箱 封头 折流栅等 这些模块的 设计结果一部分供总装图的集成使用 另一部分供 公共模块使用 5 4 总装图的集成 考虑不同用户的需要 总装图的集成可采用两 种方式 l 自动生成 根据换热器的结构 采用面向装 配的设计技术 调用已建立的零部件参数化程序库 和拼装工具 编程实现自动拼装 用户只需从工艺设 计子系统的用户界面中输入必要的设计参数 系统 可自动完成工艺设计 机械设计和零部件设计等 最 后自动生成设备的总装图 2 单元拼装 在进行换热器单元拼装时需要大 量的标准零部件和非标零部件 为了把这些零部件 按装配图的要求拼装起来 需要解决各种零部件标 准的数据管理 工程图的参数化 非标准件的设计 零部件之间的连接配合等问题 这种集成方式给用 户留出了最大的设计空间 可以充分地体现用户的 设计思想 增加了系统的灵活性 这是本系统的特色 之一 结语 l 本文对折流杆换热器CAD系统进行了开发 研究 实现了折流杆换热器工艺 机械 零部件子系 统的集成 所有用户界面均设有默认值 减少了用户 的信息输入量 提高了设计效率 2 对折流杆换热器大量线图 数表进行了有效 的程序化处理 这些处理方法使数据的取用极为方 便 大大提高了数据处理的速度 节约了存储空间 3 完成了折流杆换热器一百多种类型 三万多 种规格的零部件设计 零部件设计中新 旧设计标准 并存 所有结构参数均列入编辑框 并配有结构简 图 既可直接进行标准设计 又可由用户方便地对结 构参数及设计结果进行修改 从而实现非标设计 4 通