基于ProEngineer骨架模型的管殼式換熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)

田棟 上海交通大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院 (200030）

田棟（1986年～)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)械CAD/CAE技術(shù)方向的研究。

0 引言

近些年，隨著國內(nèi)外各空調(diào)企業(yè)的發(fā)展和壯大，國內(nèi)大型商用空調(diào)冷水機(jī)組市場競爭越來越激烈。這就需要企業(yè)能對客戶和市場的變化做出快速而準(zhǔn)確的響應(yīng)，即縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，對已有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行成本優(yōu)化。具體而言，就是要在縮短時(shí)間周期和降低產(chǎn)品成本的同時(shí)，提高產(chǎn)品的價(jià)值。因此，基于三維設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算機(jī)參數(shù)化輔助設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)和變更產(chǎn)生的時(shí)間成本，提高企業(yè)的競爭力和效益。

1 基于ProEngineer平臺骨架模型的原理及意義

ProEngineer是CAD/CAM/CAE一體化三維軟件。該軟件提供了三維幾何造型功能，并且提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)、單一化數(shù)據(jù)庫以及居于特征及全相關(guān)的概念，其功能強(qiáng)大，通用性強(qiáng)。目前，ProEngineer軟件中提供的自上而下設(shè)計(jì)方法是在考慮產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上，以產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，將涉及規(guī)范傳遞到相關(guān)的局部組件中，這種方式在滿足產(chǎn)品要求的前提下，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期將總體結(jié)構(gòu)框架、設(shè)計(jì)約束、裝配關(guān)系等抽象化、參數(shù)化，使構(gòu)成產(chǎn)品的各零件結(jié)構(gòu)尺寸、各個裝配關(guān)聯(lián)關(guān)系等要求通過總體結(jié)構(gòu)框架相互緊密關(guān)聯(lián)在一起，一旦產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生修改，相應(yīng)的零件結(jié)構(gòu)尺寸也會隨之自動發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化系列化設(shè)計(jì)。

管殼式換熱器是最主要的一種間壁式換熱器，主要由左右管板，上下殼體，折流板以及外部接口組成，它的傳熱面由管束組成，管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)（如圖1所示）。通常換熱器的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)計(jì)算所需的換熱面積、工作溫度、工作壓力及傳熱系數(shù)等因素來確定換熱管的數(shù)量及排列方式，進(jìn)而確定殼體的直徑及壁厚、管板及法蘭等相關(guān)零部件的尺寸；由此可見，換熱器各個零件之間相互關(guān)聯(lián)，對其中任意一個零件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改都會影響到其他零部件的設(shè)計(jì)尺寸。

所以，運(yùn)用ProEngineer基于自上而下的骨架模型設(shè)計(jì)理念，依據(jù)骨架模型驅(qū)動各個零部件的設(shè)計(jì)尺寸及裝配關(guān)系，方便地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中相關(guān)數(shù)據(jù)的傳遞、繼承、變更和關(guān)聯(lián)，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和變更效率，降低數(shù)據(jù)維護(hù)和管理成本。

圖1

2 基于ProEngineer的換熱器設(shè)計(jì)

現(xiàn)以某型號管殼式換熱器為例，為實(shí)現(xiàn)換熱器精確建模、虛擬裝配和易于變更維護(hù)的目的，運(yùn)用ProEngineer 骨架模型設(shè)計(jì)方法對管殼式換熱器裝置進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。首先，定制基本參數(shù)：包括換熱器整體長度HEX_LEN，殼體外徑SHL_O_DIM和厚度SHL_THK，管板的高度TS_HET、寬度TS_WID、換熱管分布尺寸TS_ TUBE_BUNDLE和厚度TS_THK，折流板的數(shù)量TST_NUM、換熱管分布尺寸TST_TUBE_BUNDLE及排布位置TST_PST，外部接口直徑HL_DIM及排布位置HL_PST。這些參數(shù)中，HEX_LEN、SHL_O_DIM、TS_ TUBE_BUNDLE是可以根據(jù)不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求進(jìn)行變化的，而其他的參數(shù)都可以運(yùn)用各種方程式與這三個主要參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣利用ProEngineer的參數(shù)化功能，能非常精確地根據(jù)不同需要生成不同的換熱器三維模型。

2.1 骨架模型設(shè)計(jì)

在換熱器設(shè)計(jì)中，整體長度、殼體外徑以及管板是換熱器設(shè)計(jì)三個重要的因素。因此首先需要建立這三個因素的參數(shù)化骨架模型：

(1) 在裝配模塊下，創(chuàng)建名為HEX_SKEL的骨架模型；然后，在模型樹上激活并且打開HEX_SKEL進(jìn)入到骨架模型編輯模式。

(2) 根據(jù)換熱器設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果，建立關(guān)于換熱器整體長度的基準(zhǔn)面,包括殼體中心平面HEX_SHELL_CENT_PLANE, 換熱器左側(cè)外端面HEX_LH以及右側(cè)外端面HEX_RH。

(3) 根據(jù)已創(chuàng)建的HEX _LH和HEX_RH，分別創(chuàng)建左端管板厚度參考面HEX_TBST_THK_LH和右端管板厚度參考面HEX_TBST_THK_RH。

(4) 在下拉菜單中選擇“工具”→“參數(shù)”，彈出對話框并輸入以下參數(shù)：“HEX_LEN = <由計(jì)算值輸入>”（換熱器整體長度），“HEX_TUBESHEET_THK=<由計(jì)算值輸入>”（管板厚度），“HEX_SHELL_THK= <由計(jì)算值輸入>”（殼體壁厚）,“HEX_SHELL_DIAM= <由計(jì)算值輸入>”（殼體直徑），“HEX_HOLE_DIAM= <由計(jì)算值輸入>”(外部接口直徑)。

(5)草繪模式下，在HEX_LH上繪出管板基本截面。在下拉菜單中選擇“信息”→“切換尺寸”；再選擇“工具”→“關(guān)系”，如圖所示根據(jù)已設(shè)定的殼體直徑參數(shù)HEX_SHELL_DIAM將管板的長度、寬度以及換熱管布局區(qū)域的設(shè)計(jì)尺寸與殼體的外徑相關(guān)聯(lián)。利用相同的方式，在其他以創(chuàng)建的參考面上分別草繪出殼體的截面、外部接口的截面等具體細(xì)節(jié)并運(yùn)用關(guān)系式將有關(guān)設(shè)計(jì)尺寸相互關(guān)聯(lián)起來，如圖2所示。

圖2

(6) 在下拉菜單中選擇“插入”→“數(shù)據(jù)共享”→“發(fā)布幾何”，根據(jù)設(shè)計(jì)需要分別選中創(chuàng)建的管板草繪鏈、基準(zhǔn)面以及基準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行發(fā)布，并在模型樹中將發(fā)布幾何命名為“管板”。用相同的方式可以分別創(chuàng)建殼體、水室、外部接口等零件的骨架幾何參考，這樣就完成了殼管式換熱器骨架模型的創(chuàng)建，見圖3所示。

圖3

2.2 換熱器零件設(shè)計(jì)

(1) 以管板為例，首先創(chuàng)建文件名為TUBESHEET_BUNDLE的PRT文件，激活后在下拉菜單中選擇“插入”→“共享數(shù)據(jù)”→“復(fù)制幾何”，選擇打開之前創(chuàng)建的換熱器骨架模型文件，點(diǎn)擊工具條上的“參照”→“發(fā)布幾何”，將之前已創(chuàng)建的發(fā)布幾何“管板布局區(qū)域”導(dǎo)入到該模型樹中，并引用“管板布局區(qū)域”的曲線創(chuàng)建草繪，并根據(jù)實(shí)際要求創(chuàng)建換熱管布局模型，如圖4所示。

圖4

(2) 創(chuàng)建文件名為TUBESHEET_LH的PRT文件，激活后選擇“插入”→“共享數(shù)據(jù)”→“復(fù)制幾何”，選擇打開之前創(chuàng)建的換熱器骨架模型文件，點(diǎn)擊“參照”→“發(fā)布幾何”，在骨架模型的模型樹中找到并選擇之前已創(chuàng)建的發(fā)布幾何“管板”，點(diǎn)擊確認(rèn)后可以看到之前在換熱器骨架模型中所創(chuàng)建的骨架幾何已經(jīng)被復(fù)制到管板零件文件中。點(diǎn)擊“拉伸”命令，選擇參考面。進(jìn)入草繪模式后，引用“管板”幾何創(chuàng)建管板外形曲線，完成拉伸特征。

(3)管板的外形以及換熱管的布局模型都以創(chuàng)建，現(xiàn)在就需要將兩者結(jié)合起來完成管板主要的建模工作。首先，激活文件TUBESHEET_LH，選擇“插入”→“共享數(shù)據(jù)”→“合并/繼承”, 在彈出的工具條上選中按鈕；然后點(diǎn)擊“打開”按鈕并選擇剛才創(chuàng)建的TUBESHEET_BUNDLE文件，選擇擺放參考面并點(diǎn)擊確認(rèn)，如圖5所示。由此可見，當(dāng)遇到設(shè)計(jì)變更需要，只需在換熱器的骨架模型中對，管板部分的骨架參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，都能非常方便的將設(shè)計(jì)變更信息和數(shù)據(jù)傳遞到管板和換熱管的布管模型，即通過換熱器的骨架模型數(shù)據(jù)的建立和對整體設(shè)計(jì)配置的規(guī)劃。通過參考和換熱器頂層骨架數(shù)據(jù)給下層的管板，使設(shè)計(jì)得到繼承和共享；同時(shí)當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生修改時(shí)，通過換熱器骨架模型所建立起的關(guān)聯(lián)性、參數(shù)化可以將這些變更傳遞到相應(yīng)的零件，使得相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)得到自動更新。

圖5

(4) 其他零件如換熱器殼體、殼體法蘭、外部接口等創(chuàng)建過程也可以運(yùn)用相同的方法進(jìn)行建模。

2.3 換熱器的自動組裝

利用骨架模型還可以進(jìn)行換熱器的自動組裝，其原理是：零件是通過調(diào)用部分換熱器頂層骨架模型所發(fā)布的幾何數(shù)據(jù)創(chuàng)建的，當(dāng)在裝配模式下導(dǎo)入該模型時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)零件中所調(diào)用的發(fā)布幾何數(shù)據(jù)自動與換熱器頂層骨架模型進(jìn)行匹配和約束，這樣就無需手動選擇進(jìn)行6個自由度的約束設(shè)置，使得在進(jìn)行復(fù)雜裝配時(shí)更精確、更方便，避免由于人為因素導(dǎo)致的裝配錯誤所導(dǎo)致的設(shè)計(jì)問題，下面介紹操作過程：

首先，創(chuàng)建一個文件名為HEX Assembly的ASM文件，點(diǎn)擊工具欄上“添加裝配元件”選擇骨架模型文件HEX_SKEL插入到裝配模型樹中。再次點(diǎn)擊“添加裝配元件”按鈕，選擇已創(chuàng)建的換熱器下殼體，在彈出的信息框中選擇“放置”方式為“缺省”并點(diǎn)擊確認(rèn)，這樣下殼體自動和換熱器頂層骨架模型中殼體空間布局位置進(jìn)行了裝配。同樣的，管板、上殼體、殼體法蘭、外部接口等都能通過這樣的操作方式進(jìn)行自動裝配。

3 換熱器的系列化設(shè)計(jì)

根據(jù)對換熱器產(chǎn)品設(shè)計(jì)所進(jìn)行的了解和研究，換熱器系列產(chǎn)品主要是殼體以及管板中換熱管布局尺寸的變化?；趽Q熱器頂層骨架模型是基于殼體外徑、換熱器總長以及管板布局區(qū)域建立的，因此只需修改這三個主要因素的參數(shù)并生成新的骨架模型文件，就可以得到換熱器的系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

通過應(yīng)用自頂向下的骨架模型設(shè)計(jì)方法進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)，建立各級零部件之間的參數(shù)約束關(guān)系，使得每個零件都嚴(yán)格且精確地遵循換熱器整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和布局的要求。同時(shí)，通過骨架模型的建立實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的規(guī)劃、管理、細(xì)化以及完成較繁雜的大型產(chǎn)品裝配，更有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更的一致性，提高了設(shè)計(jì)精度和準(zhǔn)確性，縮短了設(shè)計(jì)和變更的時(shí)間周期。

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