CAD技术及其在化工设备产品开发中的应用

2011-04-11常新中

河南化工 2011年1期

关键词：化工设备绘图换热器

常新中

(河南化工职业学院，河南郑州 450042)

CAD技术及其在化工设备产品开发中的应用

常新中

(河南化工职业学院，河南郑州 450042)

介绍了CAD系统的组成及分类，分析了化工设备产品开发中引入CAD技术的必要性及目前我国CAD技术在化工设备产品开发中的应用情况。

计算机辅助设计;化工设备;产品开发;应用

Abstract:The CAD system＇s composition and its classifications are introduced，the necessity and its application of CAD in the chemical equipment development are analyzed.

Key words:CAD;chemical equipment;product development;application

1 引言

计算机辅助设计简称CAD(Computer Aided Design)，是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术。它是以造型为核心，以科学计算为中心，以工程数据管理为支撑的集成技术。据统计［1］，CAD技术可使机械产品的设计周期缩短65% ～80%，工艺设计周期缩短80% ～90%，降低基建费用10% ～30%，改善经济指标10%～25%。目前，世界各国都十分重视CAD技术的发展与应用，如美国的ATM计划、日本的IMS计划、欧共体的ESPRIT计划、韩国的G7计划等都是围绕以CAD技术为基础的先进制造技术而展开的。CAD技术及其应用水平已成为衡量一个国家的科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。

用于机械设计的CAD系统长期以来一直是许多工程技术人员希望实现的目标。但遗憾的是由于机械零件形状的千变万化，要使一个CAD系统能简便、迅速地构造出它们的形状很难办到;因此，从迄今为止的发展成果来看，还无法设计出一个实用的通用机械设计的CAD系统。

化工设备虽然种类不少，但组成各类设备的常用零部件种类还是有限的，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产品开发的CAD系统完全是可行的。近二十几年来，国内很多学者做了不少这方面的工作，并取得了一定成果。

2 CAD系统组成及分类

CAD系统由硬件和软件组成。硬件系统一般包括计算机、存储设备、输入输出设备、通讯与网络设备及图形显示设备。CAD的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件。系统软件是与计算机硬件直接关联的，起着扩充计算机功能和合理调度与运用计算机的作用，系统软件应具有公用性和基础性两个特点;支撑软件是CAD的核心，从功能上划分可分成三类［2］:第一类解决几何图形设计问题，第二类解决工程分析与计算问题，第三类解决文档写作与生成问题;应用软件是在系统软件和支撑软件的基础上专门针对用户需要而开发的软件。

由CAD系统的组成可以看出，CAD技术涉及的学科较广泛，是计算机硬件、软件及其相应的应用专业学科的高度综合，三者缺一不可。

CAD系统可根据运行时设计人员的介入程度和解决实际问题的方式划分为信息检索型、人机交互型及智能型等几种常见类型［1］。

信息检索型CAD系统主要用于设计已定型的、标准化和系列化程度很高的产品，如电机、汽轮机、变压器、泵、风机和减速器等。其工作原理是将已定型的产品的标准化图纸变成图形信息存入计算机，设计时根据用户要求输入必要信息，在计算机进行必要计算之后，自动检索出最佳的标准图形。

人机交互型CAD系统是由设计者描述出设计模型，再由计算机对有关产品的大量资料进行检索，并对有关数据和公式进行高速运算;通过草图和标准图的显示，设计者运用长期积累的经验对其进行分析，用光笔或键盘等输入设备，人机对话式地直接对图形中不满意之处进行修改;计算机根据修改指令做出响应，重新组织显示，反复循环，使之完善。

在机械设计过程中一般包括两类工作:一类为数值计算，包括计算、分析、绘图等，主要依靠建立设计对象的数学模型并进行数值处理;另一类为符号推理，包括方案设计、评价、决策、结构设计等，它们均属于创造性活动，必须依靠思考与推理，因此这类工作主要依靠建立设计对象的知识模型并进行处理［3］。前两种CAD系统不包括符号推理，设计过程中设计人员是主体，他决定着整个设计阶段的进程和结果，所以设计人员的专业知识仍然起着重要作用。为克服这种不足，人们把人工智能的原理与方法引入CAD系统中产生了智能型CAD。所谓智能型CAD［4］，就是把专家系统等人工智能技术与优化设计、有限元分析、图形处理等技术结合起来，扩大CAD的功能和应用范围，使CAD技术在工程设计中发挥更大的作用。

3 CAD技术在化工设备产品开发中的应用

化工设备的特点是由工艺过程所决定的，为了实现不同的物理化学反应，工艺过程通常千变万化，因此化工设备的使用条件千差万别:有超高压、高压、中压、低压、真空;有高温、低温、深冷;物料有气、液、固三相的不同;有强腐蚀性、剧毒、易燃、易爆等。另外，化工生产的连续化及生产规模趋向于大型化，又要求化工设备趋向于大型化并具有长期的运行可靠性。由此可见对化工设备的要求非常苛刻，开发化工设备所涉及的相关知识体系非常复杂，包括化学、机械、材料、力学等诸多学科。这种复杂的知识体系也导致了产品开发周期长和设计效率低的问题，而化工设备的快速创型又是企业增强竞争力所必备的能力［5］，从而CAD技术引入化工设备的设计就成了必然。不少科研院所及企业进行了相关研究，开发出了一些实用的应用软件。目前CAD技术在化工设备产品开发中的应用主要包括:二维绘图、图形及符号库、参数化设计及工程分析。

3.1 二维绘图

它是指设计人员用计算机做图板进行产品设计绘图工作。这种方式速度慢，但设计灵活，适用于单件非定型产品设计。目前在PC机上应用的最广泛的图形处理软件主要是Autodesk公司的AutoCAD软件。AutoCAD适应机种多，版本众多，性能不断提高，始终向上兼容，而且一开始就注重PC机应用，因而拥有相当高的装机率和用户群。

3.2 图形及符号库

设计人员在进行化工设备设计时不可避免地要涉及到大量化工设备标准件的绘图，如法兰、封头等。这些零部件的数量大，结构形式多，形状复杂相似，尺寸变化较大，使得绘图不仅重复繁琐，而且反复查找数据。提高设计效率的最有效的方法之一就是组建专业标准件图形及符号库。将复杂图形分解为许多简单图形和符号，建立图形及符号库，需要时调出，经编辑修改后插入另一图形中去，从而可使图形设计工作更加方便。目前市场上也有一些现成的商业机械零件、符号图库软件，如全国化工设备设计技术中心站开发的“ComCAD2.0新版化工设备标准零部件绘图软件包”。

3.3 参数化设计

标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需要经常改变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，调出后赋以一组新的尺寸参数就能生成一个新的图形。参数化设计较前两种绘图方法自动化程度高，速度快，它是计算机应用软件设计人员结合化工设备设计人员预先编好的CAD绘图软件。它能自动完成给定设备的绝大部分绘图工作，适用于定型产品的非标准和标准化设计。参数化设计已成为CAD系统优劣的重要技术指标，在化工设备中得到了较广泛的应用，开发出了不少实用软件。

全国化工设备设计技术中心站开发出了“化工设备CAD施工图软件包(PVCAD)”。将现行化工设备设计行业标准中 GB、JB、HG、HGJ、CD 等标准编制在本软件包内，同时将一些常用的非标零部件也收集在内，结合行业制图标准，形成一套能满足工程实际的卧式容器、立式容器、填料塔、板式塔(浮阀塔、筛板塔)、固定管板兼作法兰换热器(立式、卧式)、固定管板不兼作法兰换热器(立式、卧式)、U形管换热器(立式、卧式)、浮头式换热器、带夹套搅拌反应器和球罐等十大类设备绘图软件包。PVCAD可绘制的工程设备设计图纸达80% ～90%，约85%以上直接满足施工图要求。很多设计人员也通过使用一门计算机语言进行编程，对AutoCAD进行二次开发建立了化工设备标准件或非标准件参数化图库。陈雪［6］采用了 AutoCAD2006中的新功能——动态块，建立了化工设备标准件参数化图库。付平等［7］用AutoLISP开发出了固定管板换热器参数化设计绘图系统。葛敬侠等［8］开发出了塔设备CAD 参数化绘图系统［8］。魏迎军［9］应用 AutoCAD面向对象技术开发了压力容器中零部件参数化设计的CAD系统。

3.4 工程分析

主要包括有限元分析、常规设计、优化设计、运动学及动力学分析等。由全国化工设备设计技术中心站开发的“IBM－PC机钢制压力容器设计计算软件包”早期版本SW2于1987年发布，后又升级为SW6，已广泛用于我国压力容器设计工作中，该软件包对保证压力容器设计质量、提高设计效率都发挥着越来越重要的作用。随着新版GB150、GB151标准的出现，又推出了“过程设备强度计算软件包SW6－98”。在有限元分析设计方面，北京飞箭有限元技术开发公司根据“钢制压力容器—分析设计标准(JB4732－95)”开发的“压力容器有限元分析系统软件VAS1.2”，已通过全国压力容器标准化技术委员会(CNSCPV)的认证，主要用于对典型的轴对称及三维压力容器部件的有限元计算。李虎林等［10］通过有限元软件ANSYS，结合机械优化设计方法，对500mm钛合金压力容器进行应力分析和结构优化设计。李全等［11］基于ANSYS参数化语言对一双支座卧式压力容器进行了分析设计。朱莫恕等［12］提出了基于VB和ANSYS开发压力容器参数化设计和缺陷评定集成系统的方案。

另外，其它一些科研院所专门针对换热设备也开发了一些辅助设计软件包，如浮头式换热器CAD软件、热管空气预热器CAD软件等、板翅式换热器CAD软件、管壳式换热器CAD软件、新型纵流壳程换热设备智能CAD系统软件。这些软件的开发大大提高了设计效率、提高了设计水平、减小了劳动强度。

4 结束语

将CAD技术引入化工设备产品开发过程必将大大提高设计效率，减少过去设计、绘图和文件生成中的人为错误，使产品设计周期和成本大为降低，为化工设备产品的快速创型创造必要条件。但目前开发的有关化工设备的CAD软件还基本上停留在信息检索型和交互型层次上，智能型化工设备CAD软件还有待深入研究与开发。CAD技术本身也是一个不断快速发展的技术，其中一些新产生的技术，如CAD系统的可视化、集成化、网络化以及并行设计、虚拟现实技术和绿色设计等，都应引起化工设备产品开发、研究人员的足够重视。

［1］曹志奎，黄瑞清.机械CAD技术基础［M］.上海交通大学出版社，1996.

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［7］付平，吴俊飞，栾德玉，等.固定管板换热器参数化设计［J］.青岛大学学报，2002，15(3):79－83.

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