CAD技術(shù)及其在化工設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

常新中

(河南化工職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450042)

CAD技術(shù)及其在化工設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

常新中

(河南化工職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450042)

介紹了CAD系統(tǒng)的組成及分類，分析了化工設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)中引入CAD技術(shù)的必要性及目前我國(guó)CAD技術(shù)在化工設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用情況。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);化工設(shè)備;產(chǎn)品開發(fā);應(yīng)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

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡(jiǎn)稱CAD(Computer Aided Design)，是一種用計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)。它是以造型為核心，以科學(xué)計(jì)算為中心，以工程數(shù)據(jù)管理為支撐的集成技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］，CAD技術(shù)可使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期縮短65% ～80%，工藝設(shè)計(jì)周期縮短80% ～90%，降低基建費(fèi)用10% ～30%，改善經(jīng)濟(jì)指標(biāo)10%～25%。目前，世界各國(guó)都十分重視CAD技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，如美國(guó)的ATM計(jì)劃、日本的IMS計(jì)劃、歐共體的ESPRIT計(jì)劃、韓國(guó)的G7計(jì)劃等都是圍繞以CAD技術(shù)為基礎(chǔ)的先進(jìn)制造技術(shù)而展開的。CAD技術(shù)及其應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家的科技現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。

用于機(jī)械設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)長(zhǎng)期以來一直是許多工程技術(shù)人員希望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。但遺憾的是由于機(jī)械零件形狀的千變?nèi)f化，要使一個(gè)CAD系統(tǒng)能簡(jiǎn)便、迅速地構(gòu)造出它們的形狀很難辦到;因此，從迄今為止的發(fā)展成果來看，還無法設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)用的通用機(jī)械設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)。

化工設(shè)備雖然種類不少，但組成各類設(shè)備的常用零部件種類還是有限的，每種零部件的基本形狀變化也不大，因此建立用于化工設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)的CAD系統(tǒng)完全是可行的。近二十幾年來，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者做了不少這方面的工作，并取得了一定成果。

2 CAD系統(tǒng)組成及分類

CAD系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件系統(tǒng)一般包括計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、輸入輸出設(shè)備、通訊與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及圖形顯示設(shè)備。CAD的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是與計(jì)算機(jī)硬件直接關(guān)聯(lián)的，起著擴(kuò)充計(jì)算機(jī)功能和合理調(diào)度與運(yùn)用計(jì)算機(jī)的作用，系統(tǒng)軟件應(yīng)具有公用性和基礎(chǔ)性兩個(gè)特點(diǎn);支撐軟件是CAD的核心，從功能上劃分可分成三類［2］:第一類解決幾何圖形設(shè)計(jì)問題，第二類解決工程分析與計(jì)算問題，第三類解決文檔寫作與生成問題;應(yīng)用軟件是在系統(tǒng)軟件和支撐軟件的基礎(chǔ)上專門針對(duì)用戶需要而開發(fā)的軟件。

由CAD系統(tǒng)的組成可以看出，CAD技術(shù)涉及的學(xué)科較廣泛，是計(jì)算機(jī)硬件、軟件及其相應(yīng)的應(yīng)用專業(yè)學(xué)科的高度綜合，三者缺一不可。

CAD系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)人員的介入程度和解決實(shí)際問題的方式劃分為信息檢索型、人機(jī)交互型及智能型等幾種常見類型［1］。

信息檢索型CAD系統(tǒng)主要用于設(shè)計(jì)已定型的、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化程度很高的產(chǎn)品，如電機(jī)、汽輪機(jī)、變壓器、泵、風(fēng)機(jī)和減速器等。其工作原理是將已定型的產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化圖紙變成圖形信息存入計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)用戶要求輸入必要信息，在計(jì)算機(jī)進(jìn)行必要計(jì)算之后，自動(dòng)檢索出最佳的標(biāo)準(zhǔn)圖形。

人機(jī)交互型CAD系統(tǒng)是由設(shè)計(jì)者描述出設(shè)計(jì)模型，再由計(jì)算機(jī)對(duì)有關(guān)產(chǎn)品的大量資料進(jìn)行檢索，并對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)和公式進(jìn)行高速運(yùn)算;通過草圖和標(biāo)準(zhǔn)圖的顯示，設(shè)計(jì)者運(yùn)用長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行分析，用光筆或鍵盤等輸入設(shè)備，人機(jī)對(duì)話式地直接對(duì)圖形中不滿意之處進(jìn)行修改;計(jì)算機(jī)根據(jù)修改指令做出響應(yīng)，重新組織顯示，反復(fù)循環(huán)，使之完善。

在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中一般包括兩類工作:一類為數(shù)值計(jì)算，包括計(jì)算、分析、繪圖等，主要依靠建立設(shè)計(jì)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值處理;另一類為符號(hào)推理，包括方案設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，它們均屬于創(chuàng)造性活動(dòng)，必須依靠思考與推理，因此這類工作主要依靠建立設(shè)計(jì)對(duì)象的知識(shí)模型并進(jìn)行處理［3］。前兩種CAD系統(tǒng)不包括符號(hào)推理，設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員是主體，他決定著整個(gè)設(shè)計(jì)階段的進(jìn)程和結(jié)果，所以設(shè)計(jì)人員的專業(yè)知識(shí)仍然起著重要作用。為克服這種不足，人們把人工智能的原理與方法引入CAD系統(tǒng)中產(chǎn)生了智能型CAD。所謂智能型CAD［4］，就是把專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)與優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、圖形處理等技術(shù)結(jié)合起來，擴(kuò)大CAD的功能和應(yīng)用范圍，使CAD技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮更大的作用。

3 CAD技術(shù)在化工設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

化工設(shè)備的特點(diǎn)是由工藝過程所決定的，為了實(shí)現(xiàn)不同的物理化學(xué)反應(yīng)，工藝過程通常千變?nèi)f化，因此化工設(shè)備的使用條件千差萬別:有超高壓、高壓、中壓、低壓、真空;有高溫、低溫、深冷;物料有氣、液、固三相的不同;有強(qiáng)腐蝕性、劇毒、易燃、易爆等。另外，化工生產(chǎn)的連續(xù)化及生產(chǎn)規(guī)模趨向于大型化，又要求化工設(shè)備趨向于大型化并具有長(zhǎng)期的運(yùn)行可靠性。由此可見對(duì)化工設(shè)備的要求非?？量?，開發(fā)化工設(shè)備所涉及的相關(guān)知識(shí)體系非常復(fù)雜，包括化學(xué)、機(jī)械、材料、力學(xué)等諸多學(xué)科。這種復(fù)雜的知識(shí)體系也導(dǎo)致了產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)和設(shè)計(jì)效率低的問題，而化工設(shè)備的快速創(chuàng)型又是企業(yè)增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力所必備的能力［5］，從而CAD技術(shù)引入化工設(shè)備的設(shè)計(jì)就成了必然。不少科研院所及企業(yè)進(jìn)行了相關(guān)研究，開發(fā)出了一些實(shí)用的應(yīng)用軟件。目前CAD技術(shù)在化工設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用主要包括:二維繪圖、圖形及符號(hào)庫(kù)、參數(shù)化設(shè)計(jì)及工程分析。

3.1 二維繪圖

它是指設(shè)計(jì)人員用計(jì)算機(jī)做圖板進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)繪圖工作。這種方式速度慢，但設(shè)計(jì)靈活，適用于單件非定型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。目前在PC機(jī)上應(yīng)用的最廣泛的圖形處理軟件主要是Autodesk公司的AutoCAD軟件。AutoCAD適應(yīng)機(jī)種多，版本眾多，性能不斷提高，始終向上兼容，而且一開始就注重PC機(jī)應(yīng)用，因而擁有相當(dāng)高的裝機(jī)率和用戶群。

3.2 圖形及符號(hào)庫(kù)

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行化工設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)不可避免地要涉及到大量化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)件的繪圖，如法蘭、封頭等。這些零部件的數(shù)量大，結(jié)構(gòu)形式多，形狀復(fù)雜相似，尺寸變化較大，使得繪圖不僅重復(fù)繁瑣，而且反復(fù)查找數(shù)據(jù)。提高設(shè)計(jì)效率的最有效的方法之一就是組建專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件圖形及符號(hào)庫(kù)。將復(fù)雜圖形分解為許多簡(jiǎn)單圖形和符號(hào)，建立圖形及符號(hào)庫(kù)，需要時(shí)調(diào)出，經(jīng)編輯修改后插入另一圖形中去，從而可使圖形設(shè)計(jì)工作更加方便。目前市場(chǎng)上也有一些現(xiàn)成的商業(yè)機(jī)械零件、符號(hào)圖庫(kù)軟件，如全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站開發(fā)的“ComCAD2.0新版化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)零部件繪圖軟件包”。

3.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化或系列化的零部件具有相似結(jié)構(gòu)，但尺寸需要經(jīng)常改變，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法建立圖形程序庫(kù)，調(diào)出后賦以一組新的尺寸參數(shù)就能生成一個(gè)新的圖形。參數(shù)化設(shè)計(jì)較前兩種繪圖方法自動(dòng)化程度高，速度快，它是計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)人員結(jié)合化工設(shè)備設(shè)計(jì)人員預(yù)先編好的CAD繪圖軟件。它能自動(dòng)完成給定設(shè)備的絕大部分繪圖工作，適用于定型產(chǎn)品的非標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)已成為CAD系統(tǒng)優(yōu)劣的重要技術(shù)指標(biāo)，在化工設(shè)備中得到了較廣泛的應(yīng)用，開發(fā)出了不少實(shí)用軟件。

全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站開發(fā)出了“化工設(shè)備CAD施工圖軟件包(PVCAD)”。將現(xiàn)行化工設(shè)備設(shè)計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中 GB、JB、HG、HGJ、CD 等標(biāo)準(zhǔn)編制在本軟件包內(nèi)，同時(shí)將一些常用的非標(biāo)零部件也收集在內(nèi)，結(jié)合行業(yè)制圖標(biāo)準(zhǔn)，形成一套能滿足工程實(shí)際的臥式容器、立式容器、填料塔、板式塔(浮閥塔、篩板塔)、固定管板兼作法蘭換熱器(立式、臥式)、固定管板不兼作法蘭換熱器(立式、臥式)、U形管換熱器(立式、臥式)、浮頭式換熱器、帶夾套攪拌反應(yīng)器和球罐等十大類設(shè)備繪圖軟件包。PVCAD可繪制的工程設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙達(dá)80% ～90%，約85%以上直接滿足施工圖要求。很多設(shè)計(jì)人員也通過使用一門計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行編程，對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)建立了化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)件或非標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化圖庫(kù)。陳雪［6］采用了 AutoCAD2006中的新功能——?jiǎng)討B(tài)塊，建立了化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化圖庫(kù)。付平等［7］用AutoLISP開發(fā)出了固定管板換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)繪圖系統(tǒng)。葛敬俠等［8］開發(fā)出了塔設(shè)備CAD 參數(shù)化繪圖系統(tǒng)［8］。魏迎軍［9］應(yīng)用 AutoCAD面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)了壓力容器中零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)。

3.4 工程分析

主要包括有限元分析、常規(guī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析等。由全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站開發(fā)的“IBM－PC機(jī)鋼制壓力容器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件包”早期版本SW2于1987年發(fā)布，后又升級(jí)為SW6，已廣泛用于我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)工作中，該軟件包對(duì)保證壓力容器設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高設(shè)計(jì)效率都發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著新版GB150、GB151標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，又推出了“過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件包SW6－98”。在有限元分析設(shè)計(jì)方面，北京飛箭有限元技術(shù)開發(fā)公司根據(jù)“鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(JB4732－95)”開發(fā)的“壓力容器有限元分析系統(tǒng)軟件VAS1.2”，已通過全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(CNSCPV)的認(rèn)證，主要用于對(duì)典型的軸對(duì)稱及三維壓力容器部件的有限元計(jì)算。李虎林等［10］通過有限元軟件ANSYS，結(jié)合機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)500mm鈦合金壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。李全等［11］基于ANSYS參數(shù)化語(yǔ)言對(duì)一雙支座臥式壓力容器進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。朱莫恕等［12］提出了基于VB和ANSYS開發(fā)壓力容器參數(shù)化設(shè)計(jì)和缺陷評(píng)定集成系統(tǒng)的方案。

另外，其它一些科研院所專門針對(duì)換熱設(shè)備也開發(fā)了一些輔助設(shè)計(jì)軟件包，如浮頭式換熱器CAD軟件、熱管空氣預(yù)熱器CAD軟件等、板翅式換熱器CAD軟件、管殼式換熱器CAD軟件、新型縱流殼程換熱設(shè)備智能CAD系統(tǒng)軟件。這些軟件的開發(fā)大大提高了設(shè)計(jì)效率、提高了設(shè)計(jì)水平、減小了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

將CAD技術(shù)引入化工設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)過程必將大大提高設(shè)計(jì)效率，減少過去設(shè)計(jì)、繪圖和文件生成中的人為錯(cuò)誤，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和成本大為降低，為化工設(shè)備產(chǎn)品的快速創(chuàng)型創(chuàng)造必要條件。但目前開發(fā)的有關(guān)化工設(shè)備的CAD軟件還基本上停留在信息檢索型和交互型層次上，智能型化工設(shè)備CAD軟件還有待深入研究與開發(fā)。CAD技術(shù)本身也是一個(gè)不斷快速發(fā)展的技術(shù)，其中一些新產(chǎn)生的技術(shù)，如CAD系統(tǒng)的可視化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化以及并行設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和綠色設(shè)計(jì)等，都應(yīng)引起化工設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)、研究人員的足夠重視。

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CAD and Its Application in the Chemical Equipment Development

CHANG Xin－zhong

(Henan Vocational College of Chemical Technology，Zhenzhou 450042，China)

TQ018

A

1003－3467(2011)01－0033－03

2010－11－21

常新中(1972－)，男，高級(jí)講師，長(zhǎng)期從事機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)這門課的教學(xué)與教學(xué)研究，E－mail:changxz900@163.com。