基于Matlab的换热设备CAD系统优化与集成

董其伍等基于 Ma t l a b的换热设备 C A D系统优化与集成 l 9 基于 Ma t l a b的换热设备 C A D系统优化与集成 董其伍 安万辉刘敏珊郑州大学热能工程研究中心郑州4 5 0 0 0 2 摘要 换热设备多采用计算机辅助设计 但基于传统的设计思想 不能获得最优方案 本文提出基 于 M a t l a b的优化方法 通过 C O M组件技术 将 Ma t l a b的优化功能与MS V C环境下的 O b j e c t A R X编程技术相 结合 实现换热设备 C A D技术与优化设计的综合集成 拓宽了换热设备 C A D系统的优化功能 关键词 M A T L A B 换热设备C A D 优化设计 随着计算机 的推广应用 利用计算机辅助设 计来研究开发换热设备 C A D技术已是换热设备 设计行业的趋势 但基于传统编程思想的设计 使得最终的结果往往只是可行方案 并不是最优 方案 为使产品具有竞争力 现代产品的开发追 求快 优 省 传统的设计方法已不能满足要 求 市场呼唤换热设备 C A D技术与优化设计的 集成 目前传统的优化算法已趋成熟 同时一些有 别于传统迭代方法的优化算法也早已进人人们的 视野 如遗传算法 粒子群优化算法 模拟退火 算法 和蚁群算法等 每种算法各有自己的特点 和适用范围 应视具体 的工程问题 选用适当优 化方法或初始参数 2 J M a t l a b 语言提供了众多的 优化函数 与算 法 本文 试图将 Ma t l a b语 言 的优 化函数与 C A D技术相结合 应用 C O M组件技 术 实现 MS V C语 言 O b j e c t A R X动态链接库 的 混合编程 以解决换热设备 C A D系统的优化设 计问题 1 换热设备 C A D系统 换热设备 C A D系统是针对国家支柱和基础 产业中部分重大过程换热装备所开发出 的 C A D C A E软件 旨在实现换热设备工艺 机械 零 部件的一体化和集成化设计 J 该系统所涉及到 的参数繁多 结构非常复杂 包含工艺设计 机 械设计 零部件设计等子系统 总体结构见图 l I 艺设讨 子系统 料物性 数数掘 库 图 1 换热设备 C A D系统的组织结构 该系统最突出的特点是由工艺条件人手 最 终形成完整的工程施工图 系统的推广应用不仅 能节能降耗 减少设备投资 提高设备的设计质 量与设计效率 且能缩短产品开发周期 使工程 技术人员摆脱繁重的重复劳动 为使换热设备 C A D系统的工艺设计更趋优 化 本文拟从优化设计人手 改进传统 的设计方 法 综合利用 C A D开发技术 与 Ma t l a b的优化功 能 实现一体化集成 2 换热设备工艺设计 2 1 常规 方法 换热器的设计要求达到合理的参数选择和结 构设计 传热计算及压降计算目的 设计主要包 括壳体型式 管程数 换热管类型 管长 管子 排列 管子支撑结构 如折 流栅 折 流板 结构 等 冷热流体的流动通道等 以往的换热器设 计沿用类比试算设计方法 即根据设计要求 凭 借经验并参考一些类似的较为成熟的设计来选择 设计参数 再进行必要 的校核计算 如参数选择 董其伍 教授 1 9 6 4年毕业于华东理工大学 主要从事传热强化 过程装备 C A D C A E及系统的模拟优化方面的研究 联系电 话 0 3 7 1 6 3 8 8 7 8 2 3 8 0 0 6 E m a i l w h a n 1 z u e d u c n 一 删 张 洲 黜 子 维普资讯 2 0 C HE MI C A L E N GI N E E R I NG DE S I G N 化工设计 2 0 0 8 1 8 3 不当 则进行调整 修改设计后再校核 如此反 复 直到最后满足设计要求为止 通常设计一台 换热器有以下几步 1 根据经验估计传热系数 K 估 估算换热 面 积 A估 2 初选换热器 的尺寸规格 得到 换热面 积 A 3 计算管程壳程压降与传热系数 计算 总传热系数 K 计和传热面积 A 计 4 校核传热面积 A 计 如果 A A 计 1 1 5 1 2 5完成设计 否则重新估计 K 估 重 复以上 过程 最终达到设计要求 这种方法使设计人员把大量精力消耗于重复 的烦琐计算 即使采用计算机辅助设计 但基于 上述程序 的编程思路使得最终的结果往往只是一 种可行方案 即满足A A 计 1 1 5 1 2 5的众多 选择中的一种 并不是最优方案 2 2 优化算法 以纵流壳程换热器 为例 以换热管 长度 l 总管数 N 和折流栅间距 L 作为设计变量 以常 规设计方法的校核条件 A A 计 1 1 5 1 2 5作为 约束条件 同时假定纵流壳程换热器的年成本 A 由设备投资成 本和作业成本组成 前者近似 认为与纵流壳程换热器的传热面积成正比 而作 业成本的计算依据克服换热器内流体阻力所消耗 的泵或风机的功率 目标函数的数学表达式为 篙 w A P 式中 c 为换热器单位传热面积的价格 i 为利 率 n为设计周期 1 1 为效率 t 为运行时数 Y 0 为单位动力价格 A为换热面积 A P 和 A P 分 别为壳程和管程的压降 c i n t 和 Y 均可根据工程经验选取 在优化过程中作为常量 处理 A AP AP 与纵流壳程换热器的几何 结构相耦合 采用纵流壳程换热器传热系数及流 体流动阻力的计算公式 经推导均可由三个优化 变量表达 2 3 利用 Ma t l a b优化求解 借助于 M a t l a b的优化工具箱 只需用文件 编辑器编写 目标 函数及约束 函数 的 M 文件 M 文件是 M a d a b的的通用格式文件 然后调用相 应的优化函数 系统即可 自动运行求出最优解 本文中的优化问题属于非线性多变量约束的 求解 基于换热器传热系数及流体流动阻力的计 算公式 将 目标函数转化为三个设计变量的的优 化数学模 型 并 按 Ma t l a b的要求 标准格式 化 确定相应的初值与约束条件 直接调用 f m i n c o n 函数便可求解 j 3 M a t l a b与 C A D开发环境混合编程实现 3 1 C A D开发环境 在 Mi c r o s o f t V i s u a l C 后文简称 MS V C 环境下 利用 O b j e c t A R X技术 开发一种可以共 享 A u to C A D地址空间的动态链接库 A R X 的 应用程序 借用 A u t o C A D的绘 图界面调用 专 业的菜单结构见图2 这些应用程序可以直接利 用 A u t o C A D核心数据库和代码 而 A u t o C A D本 身是一种开放结构 两者的结合紧密 通信快速 方便 既保证 了A u t o C A D的强大功能 又扩充 了专业应用领域 垒 埴 寸 剑剑i 蓟 璺 善瓯 l 一 曼 一 森 一 一一 零部件 E l I l 曩 不 蒂 法 兰 首 授 萎 径 薹 账鼢 挂馘 数 据 库 彰 胀 节 并孔补j 圣 图 2 换热设备 C A D系统 A u t o C A D 下的菜单结构 3 2 基于 C O M组件的混合编程 较之其它的 A u t o C A D二次工具 MS V C环境 下的 O b j e c tA R X编程速度快 性能好 C 代 码本身也 比较灵 活 而 M a t l a b拥有众 多 的函数 库和高效的优化算法 两者的混合编程能够充分 发挥M S V C的开发平台优势 同时又兼容了M a t 1 a b在科学计算上的优点 能够大幅提高工作效 率 实现优势互补 M S V C与 M a fl a b 混合编程的方法较多 本文 采用 C O M C o m p o n e n t O b j e c t m o d e 1 组件技术 C O M组件技术可以认为是不同语言协作开发的 一 种标准 既提 出了组件之间进行交互 的规范 也提供了实现交互的环境 组件对象之间交互不 依赖于任 何特 定 的语 言 利 用 M a t l a b的 C O M 维普资讯 董其伍等基于 Ma t l a b的换热设备 C A D系统优化与集成 21 B u i l d e r 能够快速 地将 M 程序 文件做成 C O M组 件 在 M S V C程序中调用 首先启动 C O M B u il d e r 按照向导创建对应优 化函数的 C O M组件 而后在 M S V C下创建接 口 并连接 为使最终的程序完全脱离 M a t la b 还需 利用 C O M B u il d e r 的打包程序生成相应的可执行 文件 在换热设备 C A D系统安装时 同时运行 以注册所需的组件 该方法实现简单 几乎适用于 M a t l a b的任 何函数 有较强的通用性和较高的执行效率 是 M a t l a b推荐的混合编程方法 J 各编程软件在换 热设备 C A D系统中的逻辑关系见图3 图 3 换热设备 C A D系统开发软件逻辑关 系图 4 结语 在众多可行方案中获取一种相对较优的设计 方案 一直是工程应用领域追求的目 标 本文分 析了传统换热设备 C A D设计时的特点 引入了 优化设计思路 通过 C O M组件技术 将 M a t l a b 的优化功能与 M S V C环境下的 O b j e c t A R X编程技 术相结合 实现了诸多编程 设计软件的综合集 成 借助于 C A D技术可实现换热设备工艺设计 的优化 其工艺设计结果与后续的机械设计 零 部件设计共享数据 增加了换热设备 C A D系统 的操作弹性 也拓宽了换热设备 C A D系统的优 化功能 文 中提 出的优化设计思路在跨语言平台 下的实现方法 同样可为同类设计软件所借鉴 参考文献 1 汪灵枝 申锦标 赵世安 基 于模拟退火 的进化算法性 能对比研究 J 百色学院学报 2 0 0 7 2 0 3 4 3 4 7 2 刘亚磊等 基 于 MA T L A B优 化工 具箱 的机 械优化 设计 J 现代机械 2 0 0 6 6 3 2 3 3 3 刘敏珊 钱亚东 董其伍 新型换热设备 C A D系统的 研究 J C A D C A M与制造业信息化 2 0 0 3 6 4 9 5 l 4 董其伍 刘敏珊等 纵流壳程换热器 M 北京 化 学工业 出版社 2 0 0 7 7 5 蒲俊等 M a t l a b 6 0数学手册 M 上海 浦东电子 出版社 2 0 0 2 1 6 M A T L A B C O M B u i l d e r u s e r s G u i d e M T h e M a t h Wo r k s I n c 2 0 0 2 7 MA TLA B Ex t e r n a l I n t e r f a c e Re f e r e n c e Ve r s i o n 6 Th e Ma t h W o r k s I n c 2 0 03 8 黄金明等 V C 与 M a t l a b的无缝集成 J 现代电 子技术 2 0 0 7 3 0 1 4 1 0 1 1 0 3 收稿 13期 2 0 0 7 1 1 3 O 上接 第 2 9页 脂逐渐积累或聚结在 P B T安全 阀人 口管处 的可 能性 所以要定期进行检查 确保入口管不会出 现聚