1、AutoCAD平臺(tái)下的換熱設(shè)備零件三維造型換熱設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油化工、煉油、化肥、動(dòng)力、輕工、冶金、核工業(yè)等工業(yè)部門(mén)。隨著CAD/CAE/CAM技術(shù)的發(fā)展，二維平面圖已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和制造的需求。而三維模型具有很強(qiáng)的可視性，能準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想 ;對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，二維圖形不能夠準(zhǔn)確的表達(dá)出各零部件的空間位置關(guān)系，而三維實(shí)體圖形具有空間真實(shí)感，能明確表達(dá)出各零部件的空間位置關(guān)系，避免各零件之間發(fā)生碰撞和干涉。在對(duì)換熱設(shè)備及其零部件設(shè)計(jì)的同時(shí)需要對(duì)換熱設(shè)備零部件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) (特別是對(duì)非國(guó)標(biāo)零部件 )，首先需要?jiǎng)?chuàng)建零部件的三維模型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，創(chuàng)建模型所耗費(fèi)的時(shí)間占整個(gè)分析過(guò)程的

2、87%1 。特別是在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)優(yōu)化結(jié)果不斷進(jìn)行三維模型的修改和優(yōu)化，這給設(shè)計(jì)分析人員手工建模帶來(lái)了很大的重復(fù)的麻煩，大大降低了設(shè)計(jì)分析效率。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于機(jī)械零部件的繪圖軟件包應(yīng)運(yùn)而生，但它們的三維功能較弱。國(guó)外一些大的軟件商也推出了三維軟件(如Pro/E等)，但價(jià)格較高，令一般的用戶(hù)望而卻步。所以開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)的換熱設(shè)備零部件的三維造型系統(tǒng)具有很大的必要性和實(shí)際意義。著名的有限元分析軟件ANSYS可與AutoCAD軟件共享數(shù)據(jù)，接受AutoCAD建立的三維模型2。為此，作者運(yùn)用AutoCAD二次開(kāi)發(fā)技術(shù)開(kāi)發(fā)了換熱設(shè)備零部件的三維造型系統(tǒng)。運(yùn)行該系統(tǒng)，輸入必要的設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)

3、將自動(dòng)快捷的生成精確的零部件三維模型，實(shí)現(xiàn)了換熱設(shè)備零部件的三維參數(shù)化繪圖。1三維造型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境ObjectARX2000是Autodesk公司隨著AutoCAD2000推出的新一代的功能強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)工具。它使用面向?qū)ο蟮腃+應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)機(jī)制，以動(dòng)態(tài)鏈接的形式與AutoCAD共享地址空間，能夠直接利用AutoCAD的內(nèi)核代碼，訪問(wèn)AutoCAD的數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形系統(tǒng)及幾何造型核心3，擴(kuò)充AutoCAD的類(lèi)和協(xié)議，創(chuàng)建新的AutoCAD命令，并可被AutoCAD環(huán)境直接調(diào)用，具有較高的程序開(kāi)發(fā)與執(zhí)行效率。ARX程序命令的消息模型如圖1所示。 因此，運(yùn)用AutoCAD二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，在VC+6 0

4、和ObjectARX2000的環(huán)境下，編寫(xiě)了ARX應(yīng)用程序，開(kāi)發(fā)了換熱設(shè)備零部件三維造型系統(tǒng)。在AutoCAD環(huán)境下加載ARX應(yīng)用程序，程序向AutoCAD命令堆棧中添加用戶(hù)自定義命令(如tubesheet)。調(diào)用該命令，ARX應(yīng)用程序?qū)⒆詣?dòng)處理生成三維實(shí)體模型。2ARX程序基本框架的生成VisualC+6 0使用非常友好的操作界面-DeveloperStudio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它集編輯、編譯、連接、調(diào)試、向?qū)У榷囗?xiàng)功能于一體，并且提供了目前已成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的MFC(Microsoft Application Foundation Classes)類(lèi)庫(kù)4。運(yùn)行ObjectARX2000軟件包，可以

5、把ObjectARX嵌掛到VC+6 0編程環(huán)境中，它所提供的庫(kù)函數(shù)、頭文件以及詳細(xì)文檔等也嵌掛到VC+6 0的環(huán)境中。在VC+的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，通過(guò)ARX應(yīng)用程序向?qū)?ObjectARX2000 App Wizard)，可以方便快捷的建立起ARX程序的基本框架。3開(kāi)發(fā)三維造型系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)3 1三維造型用戶(hù)界面的定制運(yùn)用AutoCAD界面定制技術(shù)，編輯AutoCAD應(yīng)用程序的菜單文件acadmnu，在AutoCAD中添加換熱設(shè)備零部件的下拉式菜單(如圖2所示)，并使菜單項(xiàng)中各項(xiàng)與各自的ARX程序路徑相連接，這樣點(diǎn)擊菜單可將ARX程序定義的用戶(hù)命令自動(dòng)添加到AutoCAD內(nèi)部命令堆棧中。 3 2

6、人機(jī)交互界面的創(chuàng)建微軟的基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)MFC是VC+程序的設(shè)計(jì)一個(gè)重要資源，在ARX程序中使用MFC的最明顯的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用VC+開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的各種類(lèi)資源和控件資源，實(shí)現(xiàn)程序界面的可視化設(shè)計(jì)，大大提高程序開(kāi)發(fā)效率。利用MFC開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)各個(gè)零部件的人機(jī)交互的對(duì)話(huà)框界面(如圖3所示)，用戶(hù)可以在對(duì)話(huà)框界面中輸入或修改設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體建模;通過(guò)修改設(shè)計(jì)參數(shù)，可以完成換熱設(shè)備中非標(biāo)準(zhǔn)零部件的三維造型。 3 3三維造型的方法構(gòu)造三維模型的方法有3種，即線框造型、表面造型和實(shí)體造型。其中三維實(shí)體造型具有體的特征，能顯示零件形狀，給人以真實(shí)的空間感覺(jué)，并能利用剖切來(lái)檢查壁的厚薄、孔是否相交等問(wèn)題;還可

7、以進(jìn)行零件的物性特性計(jì)算，如計(jì)算體積、面積、重心、慣性矩等，因此實(shí)體造型能夠較全面地反映零件的物理特性。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的實(shí)體，如長(zhǎng)方體、圓柱體、球體等，可以借助AutoCAD2000中的三維實(shí)體造型核心即ACIS(American Committee for Interoperable Standards)系統(tǒng)中的成員函數(shù)如virtual ACAD:createBox(x，y，z)來(lái)生成和編輯。對(duì)于復(fù)雜的三維實(shí)體模型，可以采用基于二維對(duì)象運(yùn)用擠出、旋轉(zhuǎn)和布爾操作來(lái)生成三維實(shí)體。3 3 1擠出法(Extrude)先生成二維實(shí)體對(duì)象如圓(AcDbCircle)、橢圓(AcDbEllipse)、封閉二

8、維多段線(AcDbPolyline)等，然后按擠出高度或指定路徑生成新的三維實(shí)體。在ARX應(yīng)用程序中，通過(guò)調(diào)用AcDb3dSolid類(lèi)的成員函數(shù)extrudeAlongPath()來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原型如下:ACAD:extrudeAlongPath(AcDbRegion Region，AcDbCurve Path)，其中參數(shù)Region表示指向前面生成的二維封閉實(shí)體面域?qū)ο蟮闹羔?，Path表示擠出路徑。在換熱設(shè)備零部件中，一些細(xì)長(zhǎng)的零件例如換熱管、排污管、斜截彎管等可采用擠出法生成三維模型。3 3 2旋轉(zhuǎn)法(Revolve)先生成二維實(shí)體對(duì)象，按指定的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)來(lái)生成新的三維實(shí)體。在ARX應(yīng)用程序中

9、，通過(guò)調(diào)用AcDb3dSolid類(lèi)的成員函數(shù)revolve()來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原型如下:ACAD:revolve(AcDbRegion Region，AcGePoint3d&axisPoint，AcGeVector3d&axisDir，doubleAngleofRevolution)，其中參數(shù)Region表示指向前面生成的二維封閉實(shí)體面域?qū)ο蟮闹羔?，axisPoint為旋轉(zhuǎn)軸上的一點(diǎn)，axisDir為軸的方向矢量，AngleofRevolution為旋轉(zhuǎn)角度(弧度)。換熱設(shè)備的零部件大多為繞旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)體，因此可用二維多段線Polyline生成回轉(zhuǎn)體的對(duì)稱(chēng)二維圖，然后調(diào)用函數(shù)revo

10、lve()生成三維回轉(zhuǎn)實(shí)體。3 3 3布爾運(yùn)算(Boolean)對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)體造型，可以在擠出和旋轉(zhuǎn)法生成三維實(shí)體的基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的布爾運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。布爾運(yùn)算有3種:并(union)、交(subtract)、差(intersection)。在ARX程序中通過(guò)調(diào)用AcDb3dSolid類(lèi)的成員函數(shù)booleanOper()來(lái)實(shí)現(xiàn)。其原型如下:ACAD:booleanOper(AcDb:BoolOperTypeoperation，AcDb3dSolid pSolid)，其中參數(shù)operation為布爾運(yùn)算類(lèi)型，布爾并為AcDb:kBoolUnite，布爾交為AcDb:kBoolIntersec

11、t，布爾差為AcDb:kBoolSubtract，pSolid表示另一個(gè)參加布爾運(yùn)算的實(shí)體的指針。換熱設(shè)備中大多數(shù)零部件非常復(fù)雜，需要聯(lián)合運(yùn)用擠出、旋轉(zhuǎn)和布爾運(yùn)算才能完成零部件的三維造型。下面通過(guò)延長(zhǎng)部分兼做法蘭的管板的三維實(shí)體造型，介紹換熱設(shè)備零部件三維造型系統(tǒng)的具體開(kāi)發(fā)過(guò)程。4三維造型實(shí)例管板是換熱設(shè)備中重要的部件之一，經(jīng)常要對(duì)管板進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析，因此需要建立管板的三維模型，并根據(jù)分析結(jié)果不斷的優(yōu)化、修改管板的模型。如果用手工建模，勢(shì)必將加大設(shè)計(jì)分析人員的枯燥的工作量，大大降低工作效率。而采用參數(shù)化程序建模，用戶(hù)可以在很短時(shí)間內(nèi)建立和優(yōu)化修改模型。管板是一塊按照布管方式開(kāi)了

12、許多管孔的圓平板，管板的三維造型就是通過(guò)三維參數(shù)化繪圖，在輸入了筒體的公稱(chēng)直徑DN，換熱管的外徑dh，管板的厚度H和布管方式等，直接生成管板的三維實(shí)體。下面以單殼程單管程的正方形方式布管的延長(zhǎng)部分兼做法蘭的管板為例，敘述管板三維造型程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程。4.1管板二維對(duì)象的生成管板在結(jié)構(gòu)上屬于回轉(zhuǎn)體，因此只需生成管板截面的一半即可，如圖4所示。建立坐標(biāo)系，給出圖示各點(diǎn)的坐標(biāo)，用函數(shù)AcDbPolyline()生成封閉的二維多段線，并生成二維圖形域，調(diào)用函數(shù)revolve()，將此二維圖形域繞Y軸旋轉(zhuǎn)生成平板三維模型(未挖孔)。 圖4管板半截面示意圖4.2管板的布管程序算法以管子正方形排列的單管程布管

13、為例，建立計(jì)算模型，如圖5所示。 程序采用迭代的方法確定換熱管的中心位置，其迭代過(guò)程如下。4.2.1確定迭代初值中心布管奇數(shù)排列時(shí)，迭代式為:x=x0，x=x+py=y0，y=y+p中心布管偶數(shù)排列時(shí)，迭代式為:x=x0+p/2，x=x+py=y0+p/2，y=y+p式中x0，y0為迭代初值，根據(jù)管程情況取值;p為換熱管中心距。經(jīng)過(guò)迭代能夠運(yùn)算出每根換熱管管孔的中心坐標(biāo)(x，y)。4 2 2確定每根換熱管中心位置根據(jù)管程情況，確定x0和y0初值，根據(jù)中心布管奇數(shù)排列還是偶數(shù)排列，確定迭代公式，進(jìn)行迭代循環(huán)。每一層迭代循環(huán)過(guò)程中，計(jì)數(shù)器開(kāi)始累加換熱管的總數(shù)sum=sum+1;直到 令y=y+p，

14、進(jìn)行下一層迭代。如此循環(huán)，直到 為止。迭代循環(huán)結(jié)束時(shí)，計(jì)數(shù)器累加了所有的換熱管根數(shù)sum。式中Dl為管板布管限定圓直徑，其計(jì)算公式參考文獻(xiàn)5。 確定了換熱管中心位置后，調(diào)用函數(shù)createFrustum()生成以換熱管中心為中心，以管板厚度為高的圓柱體。運(yùn)用布爾差運(yùn)算在管板實(shí)體中挖去每個(gè)圓柱體。其程序流程框架圖如圖6所示。 4 3生成螺栓孔和拉桿孔根據(jù)以上方法，在延長(zhǎng)部分確定法蘭螺栓孔中心位置，生成圓柱體，運(yùn)用布爾差運(yùn)算生成螺栓孔。如法炮制，生成拉桿孔。至此，管板三維造型已經(jīng)完成。運(yùn)用上述方法可完成換熱設(shè)備其他零部件的三維實(shí)體造型系統(tǒng)。5系統(tǒng)的運(yùn)行在VC+6 0的環(huán)境下，運(yùn)行該程序，得到一個(gè)管

15、板設(shè)計(jì) ARX動(dòng)態(tài)連接庫(kù)程序。啟動(dòng)AutoCAD2000，點(diǎn)擊換熱設(shè)備零部件三維造型系統(tǒng)下拉菜單中的延伸部分兼做法蘭菜單項(xiàng)，AutoCAD將自動(dòng)加載該 ARX文件，同時(shí)向AutoCAD內(nèi)部命令堆棧中添加管板三維造型ARX程序的命令tubesheet。執(zhí)行該命令，彈出管板三維造型對(duì)話(huà)框，進(jìn)行人機(jī)交互，輸入繪制管板的必要參數(shù)，按“三維造型”按鈕，即可運(yùn)行程序，生成管板的三維實(shí)體如圖7所示。 6三維造型系統(tǒng)的應(yīng)用基于AutoCAD平臺(tái)開(kāi)發(fā)的換熱設(shè)備零部件三維造型系統(tǒng)，能夠直接利用AutoCAD的內(nèi)核代碼，共享AutoCAD2000的地址空間，具有較高的程序開(kāi)發(fā)和執(zhí)行效率。該系統(tǒng)具有非常友好的操作界面

16、，運(yùn)行該系統(tǒng)，通過(guò)人機(jī)交互的方式，輸入必要的數(shù)據(jù)，能精確繪制零部件三維實(shí)體圖形，通過(guò)修改設(shè)計(jì)參數(shù)，可隨時(shí)修改創(chuàng)建模型。該系統(tǒng)準(zhǔn)確、方便、省時(shí)，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)到圖紙的計(jì)算機(jī)參數(shù)化繪圖，在換熱設(shè)備零部件設(shè)計(jì)和有限元分析中發(fā)揮了重要作用。6.1方便快捷的建模在AutoCAD環(huán)境下手工建模需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，特別是運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)零部件進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析優(yōu)化中，需要根據(jù)優(yōu)化結(jié)果不斷地修改三維模型，對(duì)一些復(fù)雜的三維模型，手工修改簡(jiǎn)直不可想象。而采用本系統(tǒng)，通過(guò)輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)能在很短時(shí)間內(nèi)生成三維模型，修改優(yōu)化后的幾何參數(shù)，系統(tǒng)即可快捷地生成優(yōu)化后的模型。實(shí)踐證明，該造型系統(tǒng)

17、在ANSYS軟件的前處理建模中，克服了ANSYS軟件對(duì)復(fù)雜三維實(shí)體造型的不便，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)分析人員的時(shí)間和精力，提高了設(shè)計(jì)分析效率。6.2三維實(shí)體的空間真實(shí)感二維圖形不能夠表達(dá)出三維物體的真實(shí)感，特別是對(duì)于復(fù)雜的零部件和裝配后的部件，設(shè)計(jì)人員很難根據(jù)二維圖形想象其空間位置關(guān)系。例如新型折流桿換熱器的折流柵裝置，由換熱管、拉桿、和成組的折流柵裝配而成，折流柵之間互成90°交錯(cuò)排開(kāi)，結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。采用三維造型系統(tǒng)，可生成折流柵裝置的三維實(shí)體如圖8所示，通過(guò)實(shí)體模型，用戶(hù)可以清楚的看到折流柵裝置的結(jié)構(gòu)。 6 3零部件裝配的干涉檢查運(yùn)用三維造型系統(tǒng)生成的三維實(shí)體進(jìn)行換熱設(shè)備三維動(dòng)態(tài)裝配時(shí)，能夠通過(guò)零部件之間的連接和嚙合狀況判斷零部件之間是否發(fā)生干涉和碰撞(例如管板、