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新型纵向流换热器零部件CAD/CAE集成技术研究与应用

作　者: 曹海亮
导　师: 董其伍；刘敏珊；郭茶秀
学　校: 郑州大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 换热设备 ODBC 三维造型 CAD/CAE集成多进程 ANSYS 薄管板温度场应力场
分类号: TK172
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

CAD、CAE在现代产品开发设计中起着非常重要的作用，CAD主要是用来加快设计速度、改进产品造型和提高绘图质量，而真正能够改善性能、缩短产品开发周期则需要依靠CAE技术。在CAD设计的同时，运用CAE对产品的几何模型进行数值模拟，对产品的性能和结构进行评估，从而达到改善设计结构，提高产品性能、缩短设计开发周期的目的。CAE有强大的有限元分析功能，但是在创建几何模型方面功能很弱，分析师用于几何建模的时间几乎占整个分析过程的一半。CAD在几何建模方面具有强大的功能，因此，实现CAD与CAE的集成，使CAD创建的几何模型能被CAE分析使用，这将大大减小CAE建模的困难，提高分析设计效率。CAD/CAE集成是现代产品分析设计的重要发展方向。新型纵流壳程换热设备作为一种新一代节能降耗设备，具有优良的防流体诱导振动性能、传热性能好、传热效率高、流体流动阻力小、抗结垢能力强、重量轻等优点，是郑州大学“热能工程研究中心”专利产品，为了加快该设备的推广，“中心”研发了HECAD软件系统，实现了新型换热设备工艺设计、机械设计、零部件，图及总装图绘制一体的CAD软件化。HECAD系统在零部件二维图形和总装图的自动化绘制上取得了很大成就，但随着计算机软硬件技术的发展和设计理念的演变，在对换热设备零部件进行二维设计的同时，需要机械产品的三维实体模型，而且在零部件三维模型基础之上，设计者可以对设计模型进行工程有限元分析，得到其工况下的真实温度场和应力场的分布，以便使设计者能及时对零部件模型的设计缺陷进行修改和优化，最终设计出性能合格、重量较轻的理想产品。因此，如果能利用现代先进CAD技术和CAE技术，在实现二维绘图基础上，生成零部件的三维实体模型，并对零部件在实体工况条件下进行有限元分析，使用户可以实时对产品的设计缺陷进行修改优化，这无疑是对HECAD系统的有益的扩充和升级。本论文研究课题来源于河南省重大科技攻关项目“重大过程装备智能化CAD/CAE集成技术的研究与开发”，旨在设计并实现一个集成系统，该系统利用CAD技术，在生成换热设备零部件二维图形的同时，能创建其相应的三维实体模型，实现二维绘图与三维实体模型的互动；并实现CAD与CAE系统的集成，使用户可对生成的几何模型进行有限元分析，得出零部件模型在实际工况下的温度场和应力场，实现零部件的优化设计。该系统在提高重大过程装备的设计制造水平，提高零部件的设计和分析效率，缩短产品设计开发周期，优化产品结构、降低成本等方面都有重要意义。本文主要在以下几个方面作了研究和创新： 1)介绍了工程数据库技术的功能和用途，论证了零部件三维造型系统中数据部州大学硕士学位抢文第H页库技术的必要性。参数化实体建模技术是运用几何参数驱动的方法来创建模型，因此，几何参数数据则是三维造型系统的基础。运用Access创建了换热设备零部件的几何参数数据源hedata.mdb;分析了ODBC数据库互联技术的工作原理和编程过程，在VC++6.0和ObjectARX 2000环境下，开发了三维造型系统对几何参数数据源hedata.mdb的访问接口，通过该接口首次实现了换热设备零部件三维造型系统对数据源hedata.mdb的访问，三维造型系统能从数据库中方便快捷的读取数据，从而为零部件的系列化建模奠定了数据基础。2)在VC一6.0和ObjeetARX 2000编程环境下，运用AutoCAD二次开发技术和参数化建模技术，编写了换热设备零部件的ARX应用程序，开发了换热设备零部件三维造型系统。运用布尔操作、克隆和矩阵变换等方法，完成了换热设备零部件的三维实体造型模块，包括管板、封头、管箱、筒体、膨胀节、法兰、折流圈、折流栅装置以及整台纵流壳程换热设备的参数化三维实体造型。完成了用于CAE分析的换热设备一些部件的三维模型模块，包括延长部分兼作法兰的管板、延长部分不兼作法兰的管板的三维模型模块。3)探讨了CAD、CAE系统的集成模式，将Windows多进程编程思想运用于换热设备零部件CAD/CAE集成系统，实现了换热设备零部件CAD系统与CAE系统的弱祸合集成。研究开发了该系统的三个功能模块，即新型换热设备零部件三维造型模块、三维分析模型模块和有限元软件的调用模块。CAD/ CAE集成有紧祸合和弱祸合两种集成方式。紧祸合是在CAD系统内部开发CAE分析模块，是真正意义上的集成，但需要进行CAE软件的重新开发，难度很大。弱祸合CAD/C AE集成是一种CAD、CAE系统松散的集成，不需要进行CAE软件的开发，系统间通过标准数据传输接口进行数据传输，实现了CAD、CAE的几何模型共享。运用多进程编程思想，将换热设备零部件CAD三维造型系统和CAE有限元软件系统作为两个进程，通过创建子进程，CAD系统自动调用CAE系统并将CAD几何模型导入CAE系统。4)运用换热设备CAD/C AE集成系统对纵流壳程换热设备的管板进行了热分析，得到了管板在实际工况下的三维温度场和应力场。通过对不同厚度的管板进行热应力分析，得出了热应力与管板厚度的基本关系，为工程上薄管板的选用提供了有价值的参考。

全文目录

第一章绪论  9-17
  1.1 CAD、CAE及其集成技术的发展概况  9-13
    1.1.1 CAD技术发展概况  9-11
    1.1.2 CAE技术发展概况  11-12
    1.1.3 CAD/CAE集成技术的必要性  12-13
  1.2 课题的背景和意义  13-14
  1.3 新型换热设备零部件CAD/CAE集成技术的研究内容和方法  14-15
  1.4 论文取得的成果  15-17
第二章实现CAD/CAE集成技术的主要技术路线  17-29
  2.1 CAD/CAE集成技术的理论研究  17-18
  2.2 工程数据库理论  18-20
    2.2.1 工程数据库概述  18-19
    2.2.2 ODBC数据库访问技术和SQL语言简介  19-20
  2.3 换热设备零部件CAD系统的主要技术路线  20-25
    2.3.1 换热设备CAD系统的开发环境  20-21
    2.3.2 AutoCAD API的选用  21-22
    2.3.3 参数化实体造型技术  22-23
    2.3.4 MFC在三维造型界面开发中的应用  23-24
    2.3.5 面向对象技术的应用  24-25
  2.4 CAE软件的选取  25-29
    2.4.1 有限单元技术及其发展  25-27
    2.4.2 CAD/CAE软件数据传输接口  27
    2.4.3 通用ANSYS软件及其接口  27-29
第三章 AutoCAD环境下ODBC数据库访问的实现  29-38
  3.1 换热设备CAD系统的数据类型和数据处理  29
  3.2 换热设备零部件三维造型系统的数据源准备  29-30
  3.3 AutoCAD环境下ODBC数据库访问的实现  30-36
  3.4 ODBC数据库访问技术的优越性  36-38
第四章新型换热设备零部件CAD系统的开发  38-51
  4.1 新型换热设备零部件三维造型系统结构、功能、模块规划  38-39
  4.2 运用ObjectARX开发零部件实体造型CAD系统  39-49
    4.2.1 ObjectARX的工作机制与组成  40-41
    4.2.2 ARX程序结构和运行  41-43
    4.2.3 三维实体造型方法  43-49
  4.3 热设备零部件CAE分析模型模块  49-50
  4.4 热设备三维造型系统的应用  50-51
第五章换热设备零部件CAD/CAE系统集成的实现及应用  51-70
  5.1 换热设备零部件CAD/CAE系统的集成技术  51-56
    5.1.1 CAD/CAE弱耦合系统集成  51-52
    5.1.2 零部件CAD/CAE系统集成的数据传输接口  52-53
    5.1.3 零部件CAD/CAE系统集成的实现  53-56
  5.2 换热设备零部件CAD/CAE系统集成的应用  56-70
    5.2.1 厚壁圆筒的热应力分析  56-59
    5.2.2 换热设备管板的热应力分析  59-70
第六章结论与展望  70-72
  6.1 结论  70
  6.2 展望  70-72
致谢  72-73
参考文献  73-76

新型纵向流换热器零部件CAD/CAE集成技术研究与应用

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