在工業(yè)爐設計中計算機輔助設計的有效應用分析

龐 敏

（寶雞職業(yè)技術學院，陜西 寶雞 721000）

工業(yè)爐在我國國民經(jīng)濟各行業(yè)中實現(xiàn)了普遍應用，量大面廣，品類繁多，但是同時也是高能耗設備。當前我國各類型工業(yè)爐能耗占據(jù)了總能耗的大約60%，盡管我國工業(yè)爐技術也在不斷優(yōu)化更新，但是能源利用率依舊不高，熱效率也非常低[1]。而在機械制造行業(yè)中，計算機輔助設計技術已經(jīng)演變成了常規(guī)必備技術手段之一，這就直接為相關軟件有效應用奠定了基礎。而且在全球制造行業(yè)逐漸向我國轉(zhuǎn)移的趨勢下，計算機輔助設計技術應用已經(jīng)成為了機械制造行業(yè)不可或缺的主要輔助設計手段[2]。

1 工業(yè)爐設計的注意細節(jié)

1.1 強度設計

工業(yè)爐需要承受巨大高溫與高壓，想要保證其可靠性與安全性，需進行強度設計，即受壓元件與受力結構等，以使得工業(yè)爐具備科學的設計結構，受壓元件強度與標準要求相符，保證工業(yè)爐可以承受壓力負荷。嚴格計算并設計工業(yè)爐受力構件材料，需對其抗荷載能力與塑性變形力進行計算，防止其因為難以承受荷載發(fā)生異常。就受力構件材料選擇來說，要經(jīng)過全方位計算才能得以確定，應計算構件壁溫、溫度變化影響、制造工藝影響，據(jù)此進一步確定構件材料應力，促使其為受壓元件強度設計提供一定的數(shù)據(jù)依據(jù)，進而滿足工業(yè)爐正常運行需求。

1.2 管路設計

工業(yè)爐管路設計主要包含水箱、給水泵、水處理設施、閥門、凝結水回收設施等等，應全面科學設計布置各管路，確保其合理性與穩(wěn)定性，特別是要注重工業(yè)爐管路的開孔與轉(zhuǎn)角焊縫位置，促使其處于相分離狀態(tài)。就管路封頭而言，應在設計中重視焊接、厚度與應力等細節(jié)部分，使得其具備較高的密封性。還要加強對管路殼體位置開孔設計的關注，提高管路內(nèi)徑與位置的合理性，從而提高工業(yè)爐運行效率與水平。

1.3 水位設計

在工業(yè)爐水位設計中，應避免水位表接口位置不恰當問題，防止最低水位超出或者不足最高火界，需要切實依據(jù)工業(yè)爐的運行環(huán)境加以設計。

1.4 焊縫位置設計

工業(yè)爐焊縫焊接不合理會直接導致質(zhì)量下降，因此為了保證焊縫位置設計的合理性，需要防止兩節(jié)鍋筒之間的焊縫距離太小，一節(jié)鍋筒利用兩塊以上鋼板，以及輻射熱比較強的位置上出現(xiàn)縱向焊縫。

1.5 防爆裝置設計

在工業(yè)爐持續(xù)運行時，爐膛內(nèi)燃燒不充分或存在未燃燒燃料，點火的時候會產(chǎn)生很大壓力，造成爐體所承受壓力明顯小于爆燃壓力，從而導致爐膛爆燃。因此，在防爆裝置設計時，應保證爐膛可以外泄壓力，并且小于內(nèi)部壓力，使用全自動點火控制程序與滅火保護裝置，并設計科學的、高效的防爆門裝置，防止既有重力式防爆門密封不良，出現(xiàn)漏火等現(xiàn)象。

1.6 排污孔與上水位設計

在工業(yè)爐設計中，排污孔設計是非常重要的細節(jié)部分，如果排污孔設計缺乏科學性與合理性，就會造成工業(yè)爐內(nèi)部沉積物積淀不能徹底清除，大大降低工業(yè)爐運行效率與質(zhì)量[3]。

2 在工業(yè)爐設計中計算機輔助設計的應用優(yōu)勢

2.1 設計圖紙形象生動

三維立體軟件的關鍵性優(yōu)勢就是圖紙完成之后，在安裝調(diào)試設備時，能夠全面形象地展現(xiàn)出來，具有良好的立體效果。就設備結構而言，能夠嚴格按照圖紙完成施工，整體視覺效果是非常突出的。為機械加工行業(yè)重視設備性能的基礎上，也注重設備外觀的設計行業(yè)帶來了更加有效的參考依據(jù)，進一步優(yōu)化了設備的視覺效果。

2.2 設計方案與加工工藝優(yōu)化

三維立體繪圖能夠直接體現(xiàn)出設備細節(jié)部分在機械加工或安裝中的科學性與合理性。三維圖紙可以直觀地展現(xiàn)出細節(jié)中所存在的問題，因此有利于優(yōu)化設計方案與加工工藝，保證設備安裝的工藝性與經(jīng)濟性。

2.3 二維圖紙修改效率與水平提高

三維繪圖軟件還有一大優(yōu)勢，就是由其構成的三維圖紙，在此軟件上就三維圖紙內(nèi)容為依據(jù)可以繪制二維工程施工圖紙，在有類似設備需要進行局部尺寸修改的時候，只需要在三維圖上修改即可，二維工程施工圖紙會隨之自動修改。由于三維圖紙的修改效率與水平較高，使生產(chǎn)效率與質(zhì)量得到了提升[4]。

3 在工業(yè)爐設計中計算機輔助設計的有效應用

3.1 利用Auto CAD軟件繪制圖紙

工業(yè)爐施工圖紙繪制需要以Auto CAD 軟件為輔助，嚴格按照定位線條、標準尺寸、繪制剖面一系列流程，在不同結構安置相應圖層，依次進行區(qū)分，并利用電子文檔形式保存并管理圖紙。Auto CAD 圖紙管理框具體如圖1所示。

圖1 Auto CAD圖紙管理框

3.2 利用Auto lisp語言擴展專用功能

以Auto CAD 軟件為載體，利用Auto lisp 語言進行二次開發(fā)，擴展繪制工業(yè)爐施工圖紙的專用項，并添加與工業(yè)爐相適應的繪圖與標注命令，允許用戶編輯修改圖層、文字、文件。Auto CAD 軟件編輯功能的擴展命令具體如圖2所示。

圖2 菜單層次結構

3.3 工業(yè)爐類型擇取專家系統(tǒng)

就工業(yè)爐選型來說，在既有經(jīng)驗為主的模式中吸收人工智能理論，并搜集專家設計經(jīng)驗，構建知識庫，就設計需求邏輯推理，基于制作專家調(diào)查與推理策略進一步確定爐型，切實應用到工業(yè)爐類型擇取中，為缺乏經(jīng)驗的企業(yè)提供有力幫助。專家系統(tǒng)結構具體如圖3所示。

圖3 專家系統(tǒng)結構

3.4 計算機輔助設計計算程序的制定

根據(jù)工業(yè)爐設計計算過程的復雜、多元化等特性，利用計算軟件開發(fā)的手段，在程序中添加工業(yè)爐設計的相關公式，并應用程序批處理計算功能快速計算，具體模塊劃分如表1所示。

表1 計算模塊劃分

3.5 換熱器報價系統(tǒng)

所謂換熱器報價系統(tǒng)主要包括三大部分，即設計計算、統(tǒng)計計算、價格計算。以統(tǒng)計金屬耗材進一步確定換熱器制造成本與價格。換熱器報價系統(tǒng)主要是用來對比不同換熱器生產(chǎn)指標、制造成本，從而為合理設計與選型提供有效依據(jù)。報價系統(tǒng)結構具體如圖4 所示[5-6]。

圖4 報價系統(tǒng)結構

4 基于受力變形優(yōu)化改進結構設計

在工業(yè)爐設計中，由于爐口屬于活動密封的位置，備受內(nèi)部熱量影響，鋼板很容易發(fā)生變形。在變形之后，爐口密封出現(xiàn)裂縫，導致爐內(nèi)循環(huán)熱量向外流出，以此對鋼板形成二次受熱影響，進一步加劇鋼板變形。而且爐口密封出現(xiàn)裂縫還會對爐膛內(nèi)部與爐口位置的溫度均勻性造成影響，從而大大降低熱處理工件產(chǎn)品質(zhì)量。所以，鋼板結構十分關鍵。例如，位于爐體底部位置的爐口鋼板不同結構形式處于相同受熱狀況時發(fā)生變形。鋼板在爐口保溫層的外部，爐門壓緊鋼板處于密封狀態(tài)，設備最高溫為550 ℃，在優(yōu)化之前，爐口鋼板是整體的，但是在優(yōu)化之后鋼板高溫區(qū)域開始出現(xiàn)熱膨脹裂縫，而且在具體位置添加加固槽鋼，以此加強固定，經(jīng)過熱應力分析優(yōu)化之后，鋼板變形明顯較小了，其平面度變化尺寸也實現(xiàn)了全面密封，根據(jù)圖紙施工的設備結構應用效果較好，與三維受力模擬分析結構相一致[7-8]。

5 需要進一步解決的關鍵性問題與對策

（1）工業(yè)爐的爐型各式各樣，設計計算內(nèi)容十分繁雜，過程比較復雜，并且不同的爐型結構變化非常大，設計方式并未構成統(tǒng)一標準，這就直接加大了計算機輔助設計的應用難度。我國目前還未出現(xiàn)可以廣泛利用的工業(yè)爐設計軟件，也沒有開發(fā)出可以集設計計算、圖紙繪制、管理一體化的智能化工業(yè)爐計算機輔助設計體系，所以，制定統(tǒng)一的設計標準與規(guī)范，促使圖形與符號也實現(xiàn)標準化，勢在必行。

（2）就爐型相同的工程來說，爐體的結構差異主要看尺寸變化，既有二維設計根本無法滿足工程的快速制圖要求，而三維設計以特征建模為基礎，可以進一步吸取以前的豐富經(jīng)驗。所以，在工業(yè)爐設計中吸收三維設計，是有效提高設計效率與質(zhì)量的主要途徑。而且大部分三維設計軟件都具備開放式的編程接口，能夠根據(jù)實際需求進行二次深入開發(fā)，設計出專業(yè)用于工業(yè)爐計算機輔助設計軟件，以此提高工業(yè)爐設計水平和質(zhì)量。

（3）在工業(yè)爐設計中計算機輔助設計的應用主要體現(xiàn)在結構繪制上，但是對于與設計結構響應的熱工參數(shù)分析并不完善，所以說設計與分析之間是相分離的，因為在設計中過于注重經(jīng)驗，很有可能會造成實際熱工參數(shù)與預期存在巨大差異。因此，研發(fā)工業(yè)爐設計與分析相融合的集成系統(tǒng)，使得設計人員全方位評價設計結構的相關熱工參數(shù)，并以此作為依據(jù)，優(yōu)化新型工業(yè)爐設計，改造舊工業(yè)爐設計，促使爐體結構更具科學性與合理性，大大縮短設計周期，提高設計效率和質(zhì)量，降低成本，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益[9-10]。

6 結 論

綜上所述，工業(yè)爐設計直接影響著其后續(xù)運行的安全性與可靠性，因此切實發(fā)揮計算機輔助設計的優(yōu)勢作用，保證工業(yè)爐設計效率與質(zhì)量已經(jīng)成為必然趨勢?，F(xiàn)階段，我國工業(yè)爐設計水平有所提高，但是與發(fā)達國家相比依舊存在明顯差異，由于工業(yè)爐具有一定的復雜性，想要切實實現(xiàn)計算機輔助設計在工業(yè)爐設計中的應用具有一定的難度，需要遵守全面規(guī)劃、階段實施的原則。因此，在進行熱處理設備設計生產(chǎn)與實際應用時，以三維繪圖工具與計算機模擬分析軟件為輔助，不僅能夠進一步檢驗設備整體設計方案的科學合理性，提高結構設計的安全性與可靠性，還能夠有效保障生產(chǎn)效率，大大節(jié)省資源成本，為企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展奠定堅實的基礎。