三维CAD技术在化工设备设计教学中的应用

郑晓冬

（滨州学院化学与化工系，山东滨州256600）

化工设备设计，是一门综合性的机械类课程，是培养化工专业设计人才的必修课程之一，对化工专业的本、专科教学有着重要影响。其内容涉及化工机械、过程装备与控制工程专业的全部基础课程，和部分专业课程。但目前我国的化工设备设计教学，主要强调机械基础的基本理论和设计计算，而对完整的应用型、创新性设计略显不足。

在传统的化工设备设计课程教学过程中,由于学生处于被动的知识接受状态，较少参与到设备设计工作中，从而导致教学效果不理想。

主要原因，一方面是传统教学所采用实例较少[1]，或者学生对于一些实际化工生产中的设备所知甚少，导致学生们对接触到的很多公式和计算方法感到枯燥无味，所学知识得不到灵活运用，以致学习的积极性不高。

另一方面，化工设备的设计需要一定的空间想象力，而大多数学生面对的大都是二维的平面图、剖面图及局部视图，由于从二维抽象到三维形象的思维过程比较困难，即使花大量的时间和精力都难以掌握,因此他们往往缺乏对设备整体的或局部的形象认识。

而传统教学恰恰大都是面对模型、教具、或二维图片进行讲解，致使学生难以形成规律性的认识,对于书上表述的规律、定理不能和实际形体联系起来。因此，结合三维CAD技术的实例教学方法，已成为化工设备设计课程教学的必然趋势。

化工设备的特点，一是大型化，二是种类多。大型化的化工设备主要是化工单元操作设备，如塔器、反应器、换热器与储槽等；种类多主要指设备种类多，以及设备上的零部件种类多、规格多。

化工设备虽然种类繁多，但组成各类设备的常用零部件种类还是较有限的，而每种零部件的基本形状变化也不大，因此，建立用于化工设备设计的CAD系统是完全可行的，主要应用过程包括以下方面。

1 基准零件模型库的创建

由于化工设备自身的功能要求和结构特点，绝大多数零部件都已标准化、系列化，并在各种化工设备上通用。因此，零件模型库的建立，首先要对零件进行合理分类，以便在教学中能够快速有效地检索。

化工设备的零部件一类是通用零部件，如螺栓、螺钉等；另一类是多种典型化工设备常用零部件，如筒体、接管、封头、支座、法兰、人手孔等。

将一些常用的零件模型参数化，并将其存在图库中，绘图时根据需要从图库中按菜单调用有关模型，并将之拼装成有关的零件图形，由于模型已经参数化，可以方便地修改尺寸，这种利用参数化模型拼装成设备的方法，可以极大地提高效率。

目前大多数CAD软件都支持参数化功能，如Auto CAD、SolidWorks、Pro/E、UniGraphics（UG）等[2]。

这样在教学中就可以利用创建好的零件库，根据设计尺寸的需要来调用零部件模型，并可以在组合前，将这些零部件模型展现给同学们观看，以提高感性认识和对设备结构的了解。

2 化工设备的结构设计及整体装配

零件模型库建立完毕后，接下来就是根据所调用的零件进行设备的整体组装。利用三维CAD技术中的装配设计功能,可以准确地进行结构和曲面复杂的部件的设计，借助于智能捕捉三维约束工具,使得零件装配如同搭积木一样简单方便。

整个组装的过程直观、方便，经过三维装配的化工设备可以任意旋转，能进行干涉检查和间隙检测[3]。通过向同学们展示，可以加深他们对设备结构特征、装配特征的理解，还可以通过爆炸过程、剖视过程、运动仿真等功能，提高对设备结构、工作中运动过程的感性认识。利用三维CAD软件中的运动分析模块，如Pro/E[4]，还可以进一步进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。分析结果可以进一步修改零件的结构设计或者调整零件的材料。这样可以让学生更加实际了解所设计的产品，很多问题在组装的过程中就可以发现、讲解以及解决。

3 三维模型生成二维视图的逆向学习

传统的三维建模，是根据模型的二维视图由平面生成，而我们采用模型数据库调用零部件组装成设备的方法，在教学中回避了这一模式，但是我们可以由组装成的设备三维模型生成二维视图，二维平面图及剖视图，可以在三维模型的任何面上选取[5]，这一逆向学习过程，可以加深学生对二维视图的理解和学习，教师可以进一步引导学生由二维视图重新制作三维模型以加强记忆。

通过这种逆向教学法，学生可以真正参与到设备的设计工作中，而不需要经历太多的抽象、枯燥的理解过程，教师与学生的教学互动也变得相对活泼、形式多样，这也应该是未来设备设计课程教学模式发展趋势。

4 对教学人员的新要求

利用三维CAD技术进行化工设备设计的教学工作，同时对教学者也提出了一定的要求，如三维实体建模基础、计算机语言的编程水平、较强的设计理念，甚至还动画制作等等方面，教学者的计算机水平与教学效果息息相关，这与传统的课堂板书教学要求大相径庭。在当今的教学环境中，应充分利用计算机教学的优势，将原本枯燥、乏味的板书教学变得生动、活泼，课程中灌输“实用性、创新性”的设计理念，使学生真正参与到设计工作中，从而达到“寓教于乐”、“授人以渔”的教学目的。

除了课堂教学和课外作业外，适当安排一定课时数的上机操作实践，对提高学生应用能力也非常重要。通过上机实践环节，不但使教师与学生面对面接触，保持良好的互动关系，也能使教师充分了解学生实际动手能力和设计水平上的不足，及时改进教学方法，调整教学进度，提高课程的教学品质。

5 结束语

三维CAD技术的出现和发展，能显著地提高课程的教学效率和教学品质。除了化工设备设计课程外，其他课程如化工原理课程设计、化工机械基础、化工设计等相关课程，与CAD技术相结合，也能取得不错的教学效果，提高学生的参与热情。通过应用三维CAD技术，有效地化解了设计课程中的教学难点，达到寓教于乐的目的，提高了学生的学习兴趣，激发了他们的参与热情。另一方面也强化了学生的工程设计意识，提高了学生的计算机应用水平，拓宽了学生的知识面，提高了学生动手能力和创新意识，以适应现代设计制造业的发展需要，增强了学生的就业竞争力。

[1]曾 石.化工设备设计课程中实例教学的应用[J].广州化工，2010，38(12):282-283.

[2]陈建国，张 玲.CAD三维建模技术的发展[J].机电技术，2010，(4):141-145.

[3]林慧珠.CAXA实体设计在化工设备设计中的应用[J].化工装备技术，2005，26(5):69-71.

[4]高士敏.Pro/E在化工设备设计中的应用[J].安徽科技，2009，(3):41-42.

[5]刘李梅，解 青.三维CAD软件浅析[J].机械管理开发，2011，(2):205-206.