基于 PD的无阀滤池工程设计参数化系统

钟 钢,张新喜,王少平,董 磊,任黎明

(1.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092;2.安徽工业大学建筑工程学院,安徽马鞍山 243002; 3.江苏省冶金设计院有限公司,南京 210007)

工程设计是指设计单位根据批准的可行性研究报告和场地岩土工程勘察报告进行工程项目的设计。工程设计一般分为初步设计和施工图设计两个阶段。无阀滤池的工程设计是指按照设计用户的工艺要求和施工场地的勘察报告对无阀滤池进行项目设计的过程,包括无阀滤池设计参数的计算和施工图纸的绘制。实际上,无阀滤池的工艺和设计参数[1,2]已经基本确定,对无阀滤池的工程设计,设计人员主要精力集中在烦琐的重复计算和绘图。目前,基于特征的参数化产品设计建模技术是我国“CAD重点应用工程”和 863/C IMS重点应用工程的研究热点[3]。

参数化设计一般是指零件和部件的形状比较定型,用一组参数约束该几何图形的一组结构尺寸序列,参数与设计对象的控制尺寸有显示对应,当赋予不同的参数序列值时,就可驱动原图形达到新的目标几何图形[3]。参数化设计理论的研究起源于60年代早期[4],由 Sutherland首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。80年代末 90年代初,Light和 Gossard[5]开始了基于规则的参数化设计,又称几何推理法,是一种人工智能思想的方法,它把约束集和所约束的几何元素用图论的方法表示出来,然后对约束图进行几何推理,以确定各几何元素的参数值。90年代初, RollerD等[6]开始了基于参数的直接编程法,通过编程将尺寸作为变量,对每种不同结构的实体分别编写不同的程序,用编程的方法实现参数化设计。上述基础理论奠定了参数化设计的技术方向,目前,国内外[7～9]针对参数化设计的研究方向主要包括计算机技术在参数化设计中应用开发和从图形参数化到计算机模拟设计图形的建模方法研究两个方向,如构建参数化设计平台、参数化建模等。

目前,参数化设计理论应用很广,涉及机械设计、分析、加工、土木、建筑、化工管道及机电一体化设计等领域[3,4]。基于参数化设计理论,笔者拟利用计算机辅助设计技术来实现无阀滤池的工程设计。

1 参数化设计的原理及步骤

1.1 参数化设计的原理

参数化设计包括参数化建模和参数化绘图两个过程。一般工程图形主要是由图形对象、约束和图形属性构成[3]。图形对象是指各种图形元素,如直线、圆弧、曲线、尺寸标注等几何形状。约束是指图形对象所依赖的尺寸、位置、几何关系、结构约束和设计约束等。属性是指图形中需要表示的非几何信息,如材料属性、管理信息等。所谓参数化表示[3]就是将图形的有关几何信息、约束信息和非几何信息有机地表示出来,形成完整的参数化模型。当设计师改变图形的尺寸参数、设计参数或几何结构参数时,参数化模型能根据尺寸约束、工程约束、几何约束等自动计算满足约束关系的工程图形,并实现计算机自动绘图。

1.2 参数化设计的步骤

参数化建模过程主要分为产品参数化分析和产品参数化建模。参数化绘图过程主要是指进行参数化绘图系统的设计,包括选择设计平台、确定系统功能以及绘制工程图纸。

产品参数化分析主要完成产品设计需求、产品设计方案、产品结构设计和主要设计参数的选择,其具体步骤如下：

(1)分析整个产品的设计参数和关键参数[3];

(2)分析产品工程图纸的主要设计尺寸,确定可变尺寸和导出尺寸[3]。

产品参数化建模主要建立产品设计参数之间、产品设计尺寸之间以及产品构造与设计图纸之间的关系,其具体步骤如下：

(1)分析产品整体与各部件的装配关系,建立产品的零部件结构树,分析各个部件、零件之间的设计与尺寸的关联性;

(2)分析并确定产品设计参数到工程图纸设计尺寸之间的关系。

在完成产品参数化分析和参数化建模后,就可以进行参数化绘图系统的设计,其具体步骤如下：

(1)确定系统功能。一般由系统使用用户提出要求实现的功能,如界面设计框架、保存设计计算结果等;

(2)选择可以进行参数化绘图的平台。目前,国内外可以开发参数化绘图系统的方式很多,有自主开发的参数化设计软件[4],也有基于绘图软件的二次开发系统[8],而且不同开发方式采用的计算机语言种类也很多,如VB、C/C++、AutoLISP等[8];

(3)绘制工程图纸。对建立好的参数化绘图系统进行图形绘制,检查不同设计参数的产品工程图纸是否正确,确定系统设计结果的科学性和合理性。

2 无阀滤池工程设计参数化系统的开发

无阀滤池分为重力式和压力式,目前大多采用重力式,主要在中、小水厂和工业循环冷却水系统中充当旁滤器[10]。滤池有圆形和方形两种类型。

2.1 参数化分析

无阀滤池的主要设计参数[1-2]包括：设计流量,设计滤速,平均冲洗强度,设计形状,排水堰口标高,配水堰口标高、厚度、粗糙度,虹吸管管口标高,进水管和虹吸上升管内的水头损失,进水管管径,出水管管径,排水管管径,虹吸上升管管径,虹吸下降管管径,浑水区高度,滤池直径或滤池边长,冲洗时间,连通渠管径,虹吸破坏管管径,滤料厚度,承托层厚度等。其关键参数主要是设计流量、设计形状、设计滤速,平均冲洗强度、排水堰口标高。

无阀滤池的工程施工图纸主要包括主视图和平面图。对于主视图,其主要设计尺寸包括：滤池底板底标高及厚度,排水堰口标高,进水分配水箱顶标高、箱底标高、壁厚,配水堰口标高,进水管管径,进水管中心线标高,滤池直径 (或边长),集水区高度,配水系统高度,承托层高度,滤料层高度,滤池平均水位高度,出水堰口标高,出水管中心线标高,虹吸上升管管径,虹吸上升管竖直部分长,虹吸上升管斜管长及其末端标高,虹吸下降管管径,虹吸下降管竖直部分长,以及各部分相应尺寸标注等。其中,可变尺寸主要是滤池底板地标高,进水管管径,出水管管径,滤料层厚度,虹吸上升管管径,虹吸下降管管径,滤池直径 (或边长),及各自相应的尺寸标注;其他尺寸均为导出尺寸,包括图框的长和宽,以及设计信息等。

对于平面图,其主要设计尺寸包括：滤池半径,虹吸上升管管径,虹吸下降管管径,连通渠管径,进水管管径,出水管管径,排水井长和宽,排水管管径,配水箱长和宽,以及各部分对应的尺寸标注等。其中,可变尺寸主要是滤池半径、虹吸上升管管径、虹吸下降管管径,连通渠管径、进水管管径、出水管管径、配水箱长和宽,以及各部分相应的尺寸标注;其他尺寸均为导出尺寸。

2.2 参数化建模

基于设计手册和以往施工图纸,分析无阀滤池系统及其施工图纸的设计原理和设计关系,提取事物特性[3],找出设计参数之间的约束关系、设计尺寸之间的约束关系以及无阀滤池系统与其图形对象之间的关系。详细建模过程如图 1所示。

图1 无阀滤池参数化建模过程Fig.1 The process of parametric modeling for valveless filter tank

2.3 参数化系统功能设计

参考无阀滤池设计工程师的设计经验以及信息系统的特点,他们主要有四点设计要求： (1)设计过程自动化,只需要输入关键参数,其他结果自动生成; (2)不同设计参数下设计结果的对比; (3)设计结果数据保存、编辑、调用等; (4)生成无阀滤池三维模型图。

基于上述设计要求,实现无阀滤池参数化工程设计系统功能如下：(1)VB程序自动计算并输出无阀滤池工程设计结果; (2)VB程序调用 Auto-CAD系统自动绘制工程设计图形;(3)VB程序调用Access对工程设计结果及工程设计信息进行保存等信息管理;(4)VB程序调用 Excel将不同设计参数情况下的工程设计参数同时输出到 Excel中,并操作其进行相关分析;(5)VB调用已绘制好无阀滤池三维模型图; (6)该系统应用于无阀滤池设计的适用范围可从 0～10000m3/h,即用于工业水循环系统中无阀滤池的常用范围。

2.4 参数化系统平台构建

为了推广参数化设计在给排水专业工程设计中的应用,笔者考虑到以下四点： (1)VB和 Auto-CAD在给排水专业学习中普及较广; (2)基于AutoCAD系统的二次开发比单独开发参数化绘图软件更易于给排水专业人员去学习和操作,因为基于AutoCAD的二次开发可以把 AutoCAD所有图形绘制命令当成对象进行操作,这比用编程语言进行计算机绘图容易很多;(3)VB与AutoCAD二次开发的开放式体系结构可以进行衔接[11,12]; (4)满足设计功能中设计结果的对比分析要求,Excel具备数据处理与分析功能; (5)VB与 Excel二次开发的开放式体系结构可以进行衔接[13]。

基于上述原因,笔者选择了 VB、AutoCAD、access数据库技术和 Excel工具组合成无阀滤池参数化设计平台。该平台的合成主体是以VB为编程环境,通过VB与AutoCAD链接接口,在VB中引用AutoCAD对象库,然后编写VB程序代码,创建AutoCAD对象绘图,同时通过 VB与 Access 2000链接接口,编写VB程序代码,进行数据编辑、保存、调用、查询等数据库技术的应用,最终形成以VB为源数据代码的软件包。

2.5 工程设计案例

以某钢铁厂 400m3/h的重力式无阀滤池为例,通过分析其钢铁厂施工场地,笔者输入设计阶段的关键参数设计水量、设计形状、设计滤速、设计反冲洗强度和排水堰的标高,然后计算其他设计参数,如图2所示。

绘图阶段,输入绘图信息,如图 3;然后绘制无阀滤池平面图和主视图,如图5和图 6;最后,设计人员可以点击生成无阀滤池三维模型图,如图4。

3 结论与展望

基于参数化设计理论,笔者将其应用到无阀滤池的工程设计中,并开发了相应的无阀滤池工程设计参数化系统。最终,通过工程设计案例,笔者检验了系统的科学性和合理性。通过参数化设计,将无阀滤池工程设计过程的效率提高了大约 80%,同时设计过程更加人性化和智能化。

值得注意的是,参数化设计的最大优点在于工程设计人员可以将对构筑物或建筑物的工艺改造和优化设计的创新过程真正地落实于实践,并检验其科学性和合理性,例如,在进水分配槽新增一条进水虹吸管等。因此,对于参数化设计在给排水工程设计中的应用领域及其优点,值得更多的工程设计人员去进一步思考与实践。

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