（化工过程机械专业论文）离线式建模求解器的研究及锅炉cad环境的开发.pdf

浙江大学工学博士学位论文 摘要 本文以国家科委“九五”c a d 应用工程示范课题杭州锅炉厂c a d 系统 为应用背景，根据目前锅炉行业c a d 技术的应用现状，围绕着工程图纸资源的 重用、设计环境和图形数据库的建立以及基于设计过程的产品数据管理等技术 进行了研究。根据锅炉行业目前的生产组织模式，针对典型产品的变参设计首 次提出了以图纸资源重用为目的的工程图形离线式参数化建模的思想；针对新 产品的开发对锅炉设计环境的建立及基于设计过程的数据管理等关键技术进行 了阐述。以上内容在该系统中得到了实现和系统的实际工程应用验证。本文的 研究工作包括以下几个方面的内容： ，叫为了能够充分地重用企业现有的设计资源，针对产品设计过程中在绂 式参数忱建模方法的种种弊端及其局限性，酮匿了矸丙工翟两变参设计的基 于约束自动识别技术的离线式参数化设计方法的基本理论，对变重几何的约束 自动识别技术进行了研究，并论述了针对离线式参数化约束模型求解而采取的 几何推理法的基本原理。 2 在对系统变量几何的数据模式进行分析的基础上，研究并设计了基于一 约束自动识别技术的离线式变量几何建模求解器。伪了便于对变量几何之间的 约束关系进行有效地维护、降低约束求解的规模弊考虑到利用几何推理法对 约束进行求解时存在的一些弱点，研究并建立了动态结点约束网络图的约束表 示模型，并引入相对约束度的概念，在此基础上对离线式变量几何建模求解器 的设计原理、实现方式、前置处理、算法设计及其后处理技术进行了研究和详 细的阐述。l 、 3 为便于进行新产品的开发设计，针对锅炉产品结构设计的特点，对系 统的二维设计环境进行了标准化、规范化的开发。，在第四章中首先叙述了锅炉 设计环境的功能特点和体系结构，论述了系统初始化设置的有关技术，介绍了 常用绘图工具开发的相关技术；最后对目前二维装配消隐技术进行了分析，指 出了其存在的不足，并根据锅炉产品各典型部件的结构特征，讨论了锅炉装配 图纸的生成方法，并在此基础上建立了锅炉的二维装配设计环境。p 1 一，7 吲鉴于锅炉产品中具有大量的国标、部标和厂准件以及许多典型的零部 f件结构，。针对传统标准件建库方法的局限性，并结合程序参数化建模和图形参 数化建模的各自优点，在第五章唷薪冤拜并爰了= 轩通阳童：j 甄f 历程霸豁 成速度快的系列化标准件建库工其，并论述了系统标准件库的有关技术：针对 定参厂准件库的存储空间比较大的情况，对基于装配的定参图形的存储方式进 行了研究和改进，并开发了针对定参标准件的建库工具；最后根据各锅炉产品 中各典型零部件不同特点对其建立了相应的典型零部件参数化图库。 k 浙江大学工学博士学位论文 5 简述了产品数据管理的意义和基本概念，提出了产品设计过程的三个 基本要素和产品数据管理的计算机模型和组织机构。f 在此基础上根据企业的现 有需求，研究并开发了面向锅炉产品设计过程的数据管理系统。通过对产品设 计过程进行划分以及人员权限的动态分配，使系统能够自动完成设计对象各状 态的自动切换和权限的动态修改，并能够保留各设计阶段的结果。当整个产品 或部件设计完成并提交后，系统可以自动对其b o m 信息进行自动汇总。上 ，、 一，、 关键词：锅炉，c a d ，资源重用，离线式参数化建模，设计环境，产品数据管理 易挽谴穆柏张 1 i 一 浙江大学工学博士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ec a da p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n g “h a n g z h o ub o i l e r w o r k sc a d s y s t e m w h i c hi so n eo f n s t cs a m p l ep r o j e c to ft h en i n t hf i v e y e a r s p l a n i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r e s e n ts i t u a t i o no f t h et e c h n o l o g yi nb o i l e ri n d u s t r y i t d i s c u s s e st h er o u s ao ft h e e n g i n e e r i n gd r a w i n gr e s o u r c e ，t h eb u i l d i n g o fd e s i g n c i r c u m s t a n c ea b o u td r a w i n gd 砒曲a s ea n dt h ed a t am a l l a g e m e n tw h i c hi sb a s e do n d e s i g np r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c em a n a g e m e n tm o d ei nb o i l e ri n d u s t r y ，i n v i e wo ft h ev a r i a t i o n a lp a r a m e t e rd e s i g no ft y p i c a lp r o d u c t , i tp r e s e n t sa no f f - l i n e p a r a m e t r i cm o d e l i n gm e t h o dw h i c ha i m s 砒t h er e u s e o fd r a w i n gr e s o u r c et h e c o n t e n ta b o v eh a sb e e nt e s t e da n dv e r i f i e di np r a c t i c a lp r o j e c t ，i ng e n e r a l t h et h e s i s i n c l u d e s ： 1 i tp r e s e n t sab a s i ct h e o r yo ft h eo f f - l i n ep a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o dw h i c hi s b a s e do nt h ec o n s t r a i n ta u t o - r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yf o rs u r m o u n t i n gt h e d i s a d v a n t a g e o ft h eo n - l i n ep a r a m e t r i cm o d e l i n g ，s t u d i e sa u t o r e c o g n i t i o nc o n s t r a i n tt e c h n o l o g y a n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h eg e o m e t r yr e a s o n i n gm e t h o df o rs o l v i n gt h eo f f - l i n e p a r a m e t r i cc o n s t r a i n tm o d e l 2 a f i e l a n a l y s i n gt h ed a t am o d eo f t h es y s t e mg e o m e t r yv a r i a b l e i td e s i g n sa n o f f - l i n eg e o m e t r yv a r i a b l em o d e is o l v e rw h i c hi sb a s e do na u t o r e c o g n i t i o nc o n s t r a i n t t e c h n o l o g y i no r d e rt o m a i n t a i nt h ec o n s t r a i n t r e l a t i o n s h i p b e t w e e ng e o m e t r y v a r i a b l e se f f e c i e n t l y , r e d u c et h ec o m p l e x i t yo fs o l v i n gt h ec o n s t r a i n tp r o b l e ma n d s u r m o u n tt h ed i s a d v a n t a g eo fs o l v i n gc o n s t r a i n tp r o b l e mb yg e o m e t r i cr e a s o n i n g m e t h o d i ts e t su pam o d e lo ft h ed y n a m i cn o d ec o n s t r a i n tn e t w o r k , a n di n t r o d u c e sa c o n c e p to fr e l a t i v ec o n s t r a i n td e g r e e t h e ni tp r e s e n t st h ed e s i g np r i n c i p l e ，r e a l i z i n g p a t t e r n , p r e t r e a t m e n t ，a l g o r i t h md e s i g na n da f t e r t r e a t m e n tt e c h n o l o g yo ft h eo f f - l i n e g e o m e t r y v a r i a b l em o d e ls o l v e ri nd e t a i l s 3 a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f p r o d u c ts t r u c t u r ed e s i g ni nb o i l e ri n d u s t r y i t d e v e l o p sas t a n d a r d i z a t i o n2 ds y s t e md e s i g nc i r c u m s t a n c e i tn a r r a t e st h ef u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n dt h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h eb o i l e rd e s i g nc i r c u m s t a n c e ，e x p o u n d s s y s t e mi n i t i a l i z a t i o nt e c h n o l o g y ，i n t r o d u c e sd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo f t h ed r a w i n g t o o l si nc o m m o nu s e , a n a l y s e st h ed i s a d v a n t a g eo ft h eh i d d e nt e c h n o l o g yo f2 d a s s e m b l y , d i s c u s s e s t h eb u i l d i n gm e t h o do ft h eb o i l e ra s s e m b l yd r a w i n ga c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co f t h et y p i c a lc o m p o n e n to f t h eb o i l e rp r o d u c ta n dt h e ns e t u pa2 da s s e m b l yd e s i g nc i r c u m s t a n c eo f b o i l e r 4 s e e i n gt h a tt h e r ei sai o to fn 8 t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o nc o m p o n e n t s d e p a r t m e n t 浙江大学工学博士学位论文 s t a n d a r d i z a t i o nc o m p o n e n t sa n dp l a n ts t a n d a r d i z a t i o nc o m p o n e n ti nb o i l e r p r o d u c t 船 w e l la s m a n yt y p i c a lc o m p o n e n t s a n d s t r u c t u r e s ，c o m b i n i n g t h e a d v a n t a g e o f p a r a m e t r i cm o d e l i n gb yp r o c e d u r ea n db yg r a p h i c s ，i ts t u d i e sa n dd e v e l o p sas e r i a t i o n s t a n d a r d i z a t i o nc o m p o n e n t sl i b r a r yb u i l d i n gt o o lw h i c hi sc u r r e n t ，v i s u a l ，c o n v e n i e n t a n dw i t hah i s hg e n e r a t i n gs p e e d ，t ot h ed i s a d v a n t a g eo ft h ec o n s t r u c t i n gm e t h o do f t h et r a d i t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o n c o m p o n e n t sl i b r a r y i ta l s o p r e s e n t s t h er e l a t i v e t e c h n o l o g yo fs y s t e ms t a n d a r d i z a t i o nc o m p o n e n tl i b r a r y ，w h i c hs t u d i e sa n di m p r o v e s t h es t o r a g ep a t t e r no fp a r a m e t e rf i x e d g r a p h i c sb a s e do nt h ea s s e m b l y , d e v e l o p s l i b r a r yc o n s t r u c t i n gt o o l ，a n dt h e ns e t s u pat y p i c a lp a r a m e t r i cc o m p o n e n ta n d g r a p h i c sl i b r a r y i na c c o r d a n c ew i t ht h ed i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i co ft h e t y p i c a i c o m p o n e n t si nt h eb o i l e rp r o d u c t 5i tn a r r a t e st h e s i g n i f i c a n c ea n db a s i cc o n c e p to fp r o d u c td a mm a n a g e m e n t ， p r e s e n t st h r e ek e ye l e m e n t so ft h ep r o d u c td e i g np r o c e s sa n dt h em o d e lo ft h e p r o d u c td a t am a n a g e m e n tt h e ni na c c o r d a n c ew i t ht h ec u r r e n td e m a n do ft h ep l a n t ， i ts t u d i e sa n dd e v e l o p sap r o c e d u r eo r i e n t e dd a t am a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hd e a l s w i t hb o i l e rp r o d u c td e s i g n a f t e rd i v i d i n gt h ep r o d u c td e s i g i ip r o c e s si n t os e v e r a l s t a g e a n da s s i g nt h ea u t h o r i t y d y n a m i c a l l yt od e s i g n e r t h es y s t e mc 觚c o n v e x a u t o m a t i c a l l yt h es t a t u so f t h ed e i g no b j e c ta n dk e e pt h em s d t ( t r a c ) o f e v e r ys t a s e i ta l s oc a nc o l l e c tt h eb o mi n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l ya f t e rt h ed e s i g nr e s u l to ft h e w h o l e p r o d u c t o rc o m p o n e n t b e i n ga p p r o v e d k e y w o r d s ：b o i l e r ，c a d ，t h er e u s eo fr e s o u r c e ，o f f - l i n ep a m m e l r i cm o d e l i n g ，p d m 浙江大学工学博士学位论文 第一章绪论 本章摘要：从电站锅炉制造业的发展角度出发，首先综述了c a d 技术的发展和 应用情况；综述了基于约束的典型参数化建模求解策略；概述了c a d 技术在锅 炉行业的应用：之后从用户需求的背景出发，论述了课题研究的意义；并针对 用户的需求讨论了系统的开发思路，最后给出了本文的研究内容。 1 1 引言 市场竞争的国际化，彻底改变了制造业的生产组织方式，企业的产品构成 有了根本性的变化，早期的少品种、大批量的产品类型已经被多品种、小批量 ( 甚至单件) 的产品类型所取代口3 点”l 。在少品种、大批量的产品类型时代，用 户只能选择企业正在生产的产品，产品的交货期和价格是由企业决定的。企业 产品总量的决定是以对一定时问内的需求预测为主，这样的生产方式被称为库 存生产( m a k i n g - t o s t o c k ，m r s ) 。竞争的市场给用户提供了时间、成本、质量、 服务等广阔的选择空间，多品种、小批量( 甚至单件) 的产品类型决定了企业只 能是以用户的需求组织生产活动，这样的生产方式被称为订单生产( m a k i n g t o o r d e r ，m t o ) h 。 在激烈的市场竞争中，向用户提供满意的产品是企业生产活动的源头与终 极【7 0 】。企业的生产活动可以分为产品的变型设计与新产品的开发两个不同的过 程。产品变型设计是针对客户的需求，通过对产品的部分或局部进行改变，进 行相关功能、结构或参数的匹配，实现用户所需求产品的生产活动过程。在理 论上，产品的变型设计应该大量重用企业已有的产品资源，因为只有这样才能 保证企业的快交货、低成本、高质量和好服务的市场竞争战略的有效实施。在 新产品开发过程中，工程师们研究未来市场需求，运用相关的专业知识和通用 知识构造解决未来某个应用域问题的方案。根据这样的方案，进行产品设计、 工艺设计、制造设计，制造出来后进行检验、分析，再进行修改设计，直到达 到预期目标。由于新产品开发本身具有的挑战性，因此该过程强调最终结果的 正确，允许在试制过程中可能方案的多次反复及时间和成本上的额外耗用。 在变型设计过程中，整个产品的功能结构、所有部件和元件的布局排列都 是确定的，他们的大部分形状和尺寸基本保持不变，仅是少数部件及相关元件 的尺寸和形状修改，以达到产品的某些性能有所改变，以满足用户新的要求。 对于工厂而言，产品的结构和工艺方面都较成熟，逐步走上设计的系列化、模 块化和标准化，变型设计正是针对这类设计。如锅炉设备，对于相同容景和棚 第一章绪论 同炉种的锅炉来说，当用户的环境温度或燃料性质或排烟温度要求不同时，仅 需根据热力计算结果对相关零部件进行变参设计。另外由基本型扩展成系列产 品，都属于此类设计。 新产品的设计有可能在没有参考样机的情况下进行，也可能是通过重新排 列、组合现有的或新的元件、部件来达到设计要求。这类新设计类型要求c a d 应用软件有较高的水平和完备的功能，如分析计算、外形设计、结构布局、零 部件三维造型、运动部件的碰撞干涉检查、模拟装配等一系列功能。保证设计 人员集中精力发挥创造性才能、设计出具有性能良好、外形美观、操作方便、 功能齐全、工作环境适应能力强的新型产品。 锅炉作为个复杂的热工机械系统，是国民经济中重要的能源转换设备。 电站锅炉归属于“订单型”、“以销定产”、“单件”组织生产的经营属性。长期 以来经营所暴露出来的矛盾 耻3 是：产品技术准备和生产准备工作量大、周期 长；生产信息量大、变化多；产品零部件工艺变化多、制造周期长；产品投入 资金大、配套复杂要求高。因此，产品设计被动、成本只增不减、新产品开发 周期长、交货期得不到保证、质量经常会发生“因小失大”的情况，使企业经 营经常处于被动的局面。 市场经济的发展给电站锅炉制造业带来了前所未有的需求和竞争。电站锅 炉制造业正面临着外部社会环境的严峻挑战，并已融入和走进世界竞争行列。 企业的生产能力已在世界范围内迅速提高和扩散，并已形成全球性的激烈竞争 格局。企业市场环境、设计环境、制造环境的变化，产品和设备先进技术的出 现，技术与劳动力市场的分离，正迫使电站锅炉制造业的产品结构、生产过程、 传统的管理、劳动方式：组织结构和决策准则等经历着重大的变革。传统的相 对稳定的市场变成动态多变的市场。最终，产品的质量、价格和交货期成了影 响企业竞争力的决定性因素。 电站锅炉制造业为了求得生存和发展，必须重视技术积累、技术改造、降 低成本、提高产品质量，而且要形成从产品设计到制造各个环节的快速反应机 制，尽快地将用户所需的产品推到市场上去。这一“时间”要素突出地表现为 产品开发周期和制造周期的大幅度缩短。因此，电站锅炉制造业要保持产品在 设计和制造上的竞争优势，在目前的信息时代，就必须研究和应用c a d 技术。 1 2c a d 技术的应用与发展 电子计算机是2 0 世纪人类最伟大的发明之一，它的诞生标志着人类近入了 一个崭新的信息时代。随着电子计算机的诞生及被广泛应用，各门计算机学科 也随之蓬勃发展起来。计算机图形学( c o m p u t e rg r a p h i c s ，简称c g ) 就是其中 一个重要的分支。计算机阁形学是一门正在发展中的、综合性很强、内容十分 广泛的新兴学科，是研究用计算机处理图形的原理、方法和技术的学科。 十算 机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 是计算机应用较早的领域， 浙江大学工学博士学位论文 它是基于c g 而兴起的。随着c g 技术的发展，在工程设计领域c a d 技术得到了 越来越广泛的应用。 江泽民总书记说过：“实现现代化，哪一化也离不开信息化”。c a d 技术是 电子信息技术中一个极其重要的分支，它与各行各业的专业技术相结合，成为 提高创新能力的关键组成部分。国外一些大公司都以提高新产品开发能力为龙 头，借助新一代先进的c a d c a m c a e c i m 信息化生产力，争夺2 1 世纪竞争的 优势 7 8 】。美国科学基金会生产中心认为：“c a d 技术与其它技术相比，是具有 最大的潜力、能更高提高生产率的技术”。我国有关专家指出陀”】：“c a d 技术 可降低设计成本1 5 0 o - - - 3 0 ，可缩短产品从设计到投产时间3 0 6 0 ，降低设 计错误率8 0 0 o _ - 9 0 ”。c a d 技术的实质是充分运用现代计算机技术的成就，辅 以从事产品设计工程技术人员提高工作效率、改善工作质量、扩展工作能力， 进一步将传统分散的、重复的、串行的作业方式集成起来，实现并行作业和信 息化管理。 自从8 0 年代开始，c a d 技术应用工作在我国逐步得到了开展，9 0 年以来。 在国家科委的倡导下，各有关部门组织实施“c a d 应用工程”，取得了显著的 成绩。采用c a d 技术以后，工程设计行业提高工效3 1 0 倍，航空航天部门的科 研试制周期缩短了l 3 年；机械行业的科研和产品设计周期缩短了1 3 1 2 ，提 高工效5 倍以上，特别是近两年来，我国在c a d 技术的开发和应用方面取得r 较大的进展。 在锅炉行业中，在方案设计阶段主要根据用户需求进行炉种容量的选择、 热力计算、结构优化及有限元分析等，其输出是计算参数，其炉种容量的选择 是一个多方案比较的过程，其计算过程是一个反复迭代的过程；在结构设计阶 段，则面向机械制造，考虑的是加工方案、工艺要求等，其输出是符合标准的 加工图纸，所以c a d 技术在锅炉的设计过程中占有重要的地位。 图l l 早期的锅炉设计系统 c a d 技术起步于5 0 年代后期，在6 0 年代，随着计算机软硬件技术的发展， c a d 技术开始发展起来。早期的锅炉c a d 技术，主要以热工计算和强度校核计 算为主。根据输入的设计参数，计算输出各受热面的热工和强度结果，在绘图 第一章绪论 方面，还需要从底层开始，如驱动打印机、绘图仪等，编制底层图形函数的工 作量和难度往往大于锅炉方案设计本身，图1 1 所示是锅炉设计的大致过程。 这种专用系统通用性差，不具备交互修改的能力。 i锅炉c a d 集成环境 ：3 l 输入数据h 大范围修改卜i i 图形数据库 - - - 文件l it l1 00 i 热工计算i 计算机自动绘l人工绘制 c r t 图形 i 图纸i 出l l 忉，f 1 啊1 m1 部分图形_ 1 直观显示 f 利犬鄙竹圜彤i lt十：图形 i 计算结果应用程序接口 用户接口i _ 叫小范围修改 - 输出 l 0t，十 l图形交互支撑系统 图1 2 基于编程接口( 二次开发) 的锅炉c a d 结构 锅炉c a d 集成环境图形交互支撑系统 输入 数据 工 热工 计算 i 医葫i 10+ l 计算l 一数据库i - - i 图形数 结果ii 接口fi 据库 用户接口 图1 3 基于图形数据库的锅炉c a d 结构 随着c o 技术的发展，系列图形标准的制订，交互式图形支撑软件的开发， c a d 技术也得到了很大的发展，著名的交互式支撑软件如a u t o c a d 等。由于这 些交互式图形软件已经有了狠强的绘图功能，特别是对底层硬件的良好支持和 通用性，机械设计转向专业性较强的图形建模和图纸的自动输出，主要以二次 开发为主，即以通用的、商品化的较成熟的交互式图形支撑软件作为图形操作 的基础，通过支撑软件所提供的接口间接操作图形。同时，由于图形交换标准 浙江大学工学博士学位论文 的确立，以及一些著名的商品化图形软件的广泛流行，机械设计进入了c a d 技 术被广泛采用的阶段。圈l 2 和图1 3 是两类典型的锅炉c a d 开发方法。 由于商品化、通用化的交互式图形支撑软件功能曰益强大，极大地提高了 设计、工作效率。特别是对一些专用机械的设计，由于不存在系列化的问题， 没有必要进行专门的图形开发，采用通用的交互式绘图系统，甩掉了图板，工 效成倍提高。在这一阶段，锅炉c a d 的重点转向参数化图库的建立，在对大量 的锅炉图形进行分类和分析的基础上，通过编程的方法建立了一系列标准化图 库，具备了参数化、通用化的功能。推出了一些针对特定炉种容量的锅炉设计 软件包。 这一阶段的c a d 绘图软件都是用固定的尺寸值来定义几何元素，输入的每 一个几何元索都对应一个确定的位置和度量值。在交互式绘图下面虽然修改方 便，但是也只能一个元素一个元素地进行，最多也只能进行局部的放大和缩小， 远远不能满足实际的需求。这表现在两方面，一方面是新产品的开发不可避免 地要进行多次反复修改，其间很可能图形形状( 拓扑结构关系) 不变，尺寸却 变化很大，如何通过修改尺寸改变图形就显得非常重要；另一方面是系列图纸 的生成，如采用常规方法编程则每一个图形元素都需要若干行程序语言描述， 虽然原理简单，但是其编程工作量之大无法想象，而且在编程过程中需要推导 大量的几何坐标公式，难免不出现失误。采用这种方法通用性差，开发周期长。 因此，迫切需要一种全新的设计方法。 正是在这种需求的推动下，图形参数化技术得到了很大发展，使得产品的 设计可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化自动修改图形。如果说前 面的工作交互式绘制单个图形元素，现在则是交互式参数化，以全部或部分图 形为修改对象。 1 3 图形参数化技术发展综述 图形参数化目前尚处于研究阶段，主要有两大类研究方向，一类是面向特 征的建模技术，一类是基于约束的建模方法。 面向特征的建模技术 2 0 , 2 1 1 - - 般采用三维立体模型，在基本的立体几何造型 ( 主特征) 中附加键槽、开孔等附加特征，最后根据需要利用几何投影方法转 换为两维工程视图。在数据模型中集成了几何信息、尺寸、公差、加工方法等 各方面信息，从c a d 到c a m ( c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r e ，计算机辅助制造) 和c a p p ( 计算机辅助工艺设计) 都是全程有效的。由此可以看出，特征模型 是建立在几何模型的基础之上的，根据对几何形体的描述方法、存储的几何信 息和拓扑信息的不同，又可分为三种模型 2 0 , 2 1 , 7 5 】，即线框模型( w i r e f r a m em o d e l ) 、 曲面模型( s u r f a c em o d e l ) 、实体模型( s o l i dm o d e l ) 。在面向特征的图形支撑平台 上，由于图形结构中存储的是有关形状的完整信息而不是孤立的点、线信息， 要实现参数化是很容易的事情。面向特征的方法虽然是未来的发展趋向，但是 第一章绪论 要实现由立体模型到完全符合制图标准的二维工程圈，还有很大的困难。 利用几何约束进行建模是参数化的另一方法。图形的各元素和尺寸之间存 在着某种约束关系；只要能正确建立和求解这些约束关系，改变个尺寸，所 有相关图形都能自动得到修改。其理论依据是：一张工程图纸包括上面的尺寸 标注已经完整地表达了产品几何形状，由尺寸数据和约束关系就能决定图形。 基于约束的参数化设计方法以一种全新的思维和方式来进行产品的创建和 修改设计。它用几何约束来表达产品模型的特征，定义一组参数以控制设计结 果，从而能够通过调整参数来达到修改设计模型的目的，能够方便地创建一系 列在形状和功能上相似的设计方案。在设计过程中，参数化草图输入大大提高 了图形输入的效率；产品模型的修改通过尺寸驱动实现：给定几何参数值就能 实现系列零件或标准件的自动生成；约束的引入使对设计目标依赖关系的描述 成为可能。基于约束的参数化设计为初步设计、产品模型的修改、多方案比较 和动态设计提供了强大的手段，在实体造型、装配、公差分析与综合、结构仿 真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用。 1 t 1 约束模型的典型表示方法 8 0 年代以来，基于约束的参数化设计方法吸引了越来越多国内外学者和软 件开发人员、工程设计人员的注意，并针对这一基于约束的设计方法进行了大 量的研究f - 1 5 , 1 9 , 2 5 , 3 3 , 3 8 4 2 , 4 9 , 删。到目前为止，基于约束的参数化设计方法已经有多 种，可以说每一种方法都有其独到的面。参数化技术的研究包括约束模型的 建立、约束关系的提取和约束的求解等几大方面，它们之间又是相互影响、相 互制约的，这就导致了参数化方法的多样性，往往一套参数化系统就综合应用 了若干种方法。在参数化设计中，参数化模型的建立和求解是技术的关键。在 通过基于构造过程或基于对图形的识别与理解获取约束信息、建立几何约束模 型后，实现这些约束可以通过解方程组，或者通过几何推理，或者通过算法设 计，这一过程便是约束模型求解的过程。不同的参数化设计方法采取不同的约 束模型求解策略。 在c a d 研究中典型的基于约束的参数化模型表示方法可归纳为以下三种： 1 基于代数的变量几何法； 2 基于规则的几何推理法； 3 基于过程的图形操作法。 其它建模求解方法一般都是这几种方法的分支或综合，基本都属于这三种建模 求解方法的范畴。实际上这三种方法也是一致的，只不过变量几何法更侧重于 约束模型的建立，几何推理法更侧重于约束的求解，而图形操作法则侧重于引 、导建模人员按照一定的拯贝哇和顺序，交互建立约束模型，这样求解过程也就是 建模的过程的一个实例。 浙江大学工学博士学位论文 1 变量几何法删 也称变动几何法或基于代数的方法。这是在八十年代初，由美国麻省理t 学院d c g o s s a r d 教授和r a l i g h t 及其研究小组发展了英国剑桥大学 rc h i l l y a r d 的研究成果m 1 而创建的口”。他把三维图形中尺寸信息与图形联系起 来，用尺寸来约束图形。变量几何理论的提出使人耳目一新，在国际上引起了 巨大反响，其原因在于该理论第一次系统地将图形与图形以外的信息联系起 来，突破了孤立定义图形方法的局限性，将尺寸作为图形的约束条件引入。他 用一组特征点定义欧式空间的一个形体，在三维空间中每个特征点有三个自由 度，即( x ，y ，z ) 的坐标值。用n 个特征点定义的形体共有3 n 个自由度，相应地 需要建立3 n 个独立的约束方程才能唯一确定几何形体的形状和位置。 将所有特征点的未知分量和已知的尺寸标注值以及约束方程，包括隐含条 件在内，联立起来得到一个非线性方程组( 由此也称其为非线性方程组整体求 解法) ： f ( x ，d ) = o 式中x 表示特征点的未知分量 d 表示已知值 用牛顿迭代法解式1 一l 的非线性方程组，所得到的特征点的数值解就可 以唯一决定图形。 变量几何法的主要优点在于该方法的概念清晰、通用性强，能够适应很大 范围的约束模型，而且循环约束可以通过约束方程组的联立求解得到处理。但 缺点也是明显的：处理过程的几何直观性差，难以避免数值方法求解稳定性差 的问题，方程组整体求解的规模和速度较难得到有效的控制，难以处理实际应 用中大量碰到的欠约束，另外迭代初值与步长的选取也会影响算法的成败。 2 几何推理法l e , 9 , 2 1 由于是基于规则的，因此又称其为人工智能法，由ba l d e f b l d t ”1 和hs u z n k i t “】 等人共同提出。一般采用一阶谓词表示几何约束，通过专家系统进行几何推理， 逐步确定出未知的几何元素。根据图形的描述信息重新生成图形或进行图形的 局部修改。 该方法的主要特点是将人们手工绘图过程分解成一系列最基本的作图规 则，即通过一系列规则和推理明确给定约束中所隐含的知识，然后采用人工智 能的符号处理、知识表示、逻辑推理等手段将当前的作图步骤与基本规则相匹 配，从已知条件中求解未知数。它要建立整张图的全局模型，然后再作细化， 可以检查约束模型的有效性，并具有局部修改的功能，以加速修改尺寸的图形 重建过程。 基于规则的几何推理方法约束表达清晰、直观，然而建立模型的时问及几 何推理的时间较长，随着几何实体的增加，推理时间将急剧增加。 第章绪论 3 图形操作法1 2 5 , 3 0 1 又称基于构造过程的方法，这种方法记录了用户在造型过程中的每一步操 作，基本思想是造型操作与几何约束有着对应关系。该方法的实质是利用作图 步骤、图形编程等方法建立推导步骤，由于推导步骤是己知的，因此不需要构 造逻辑推理方法。这种方法简单、实用，易于实现，结构严谨，不易出错。由 于包含了更多的图形信息，在速度上是所有方法中最快的。而且修改某一个尺 寸并不需要全部重新计算，只需从相应的树结点开始推理就可以了。但是这种 方法过于依赖作图过程，需要用户的参与才能完成参数化，而且难以利用传统 c a d 系统生成的图形。另外，也无法处理约束耦合程度高的循环约束。 1 3 2 约束模型的研究进展 为了克服变量几何法的某些局限性，人们提出了一些改进算法”3 2 4 6 “。由于 雅可比矩阵奇异时，牛顿迭代法不能使用，l i g h t 运用个修正的d o o l i t t e 方法j 针对上述情形；d n e v i l l e l 2 3 】利用最小二乘法求解非线性方程组。针对变量几何 法求解稳定性差、迭代初值及步长对算法的影响，最近人们又提出了微分建模 的思想呻】。其基本思想是：首先系统通过人机界面进行必要的约束管理，包括 用动态导航技术进行约束识别、用户约束的附加及删除，然后系统将用户的约 束转化为一系列的代数方程形成一个约束方程组，同时利用数值分析技术对该 非线性方程组进行函数检测，从而实现约束的冗余检测，接着经检测的方程组 被微分化，最终被转化卷反赇参数修改动态过程的一个关于时间的常微分方程 组，当用户修改系统的尺寸参数时，系统通过求解己得到的常微分方程组的初 始值问题实现整个系统内部参数的自动调整，最后系统将计算结果通过人机界 面显示出来。这种方法也属于变量几何法的范畴，利用这种方法进行数值计算 其可靠性和效率可以得到较大的提高，但在解决大规模参数化问题时，其求解 效率还存在一些问题，最主要的是约束模型的微分化和微分方程求解方面，目 前该方法还处于研究阶段。 在几何推理法的研究方面有了许多进展 18 , 1 9 , 4 0 , 5 6 - 5 9 , 6 3 】。文献【l 铫提出了一个匝 向对象的几何推理方法，它允许在用户构造设计模型的同时，自动生成约束关 系的谓词描述；文献f ”l 的方法允许在不断施加约束的过程中修正图形，直至图 形得到完全定义；文献 4 05 $ 】引入了自由度的概念，使问题求解的规模大大减少， 搜索空间得到有效的限制；文献口7 1 采用基于普通算法的几何推理，该方法在目 前得到了广泛的应用，这种方法采用传统的数据结构表示约束( 不用谓词表示 约束) ，但在求解时则采用推理机的算法进行，这种方法一般采用c c + + 语言 等编译型程序设计语言( 而般的专家系统通常是解释性的) ，因而速度得到 孑很大的提高；由于随善几何实体的增加，推理时间将急剧增加，目前有文献【6 3 j 采用约束网络图的形式来表示约束模型，并将无向的约束变为有向的约束，使 约束可以进行传播，因此又称其为约束传播法，通过将三维图形的约束网络斟 浙江大学工学博士学位论文 分别为三叉树的形式，同理可将二维图形的约束网络图转化为二叉树的形式， 这样大大降低了约束求解的规模和时间。 目前在二维c a d 参数化建模技术的研究中，自动识别几何约束的方法”6 】 开始受到人们重视。所谓自动识别就是根据用户输入的草图，系统能够领会设 计人员的意图，自动识别出该几何图形所包含的约束语义，包括显式约束和隐 式约束，并在数据结构中建立起相应的约束关系。该方法中在建立约束关系时， 通过对原有几何变量的特征参数和约束关系进行识别，并通过图形自组织和图 形重建的方法将几何实体的关系约束和非关系约束追加到几何实体的数据结构 中，并通过几何推理的方法进行求解。应该说该方法还属于在线式参数化设计 方法的范畴。但该法只能对具有单向尺寸链的尺寸约束关系和结构关系进行识 别，并在模型建立和推理时，无法处理具有变向尺寸链的约束情况。 1 4 电站锅炉行业的c a d 技术 1 4 1 锅炉c a d 技术应用现状 锅炉是国民经济中的重要能源转换设备，在火力发电及人们的日常生活中 发挥着重要的作用。锅炉的本体部分由燃烧系统和换热系统组成( 因此得名锅 炉) 。锅炉的作用是使燃料燃烧放热，并将热量传给工质，以产生一定压力和 温度的蒸汽。在电厂中，锅炉产生的蒸汽被引入汽轮机膨胀作功，推动汽轮机 的转子旋转，进而带动发电机发出电能。在锅炉的设计过程中，按照设计的阶 段性可以分为方案设计和施工设计两个基本阶段。方案设计的任务是确定最佳 设计方案，提出方案设计图和热力计算报告等技术文件；施工设计是完成其后 的施工图设计和技术资料整理等工作。 由于锅炉的设计属于“订单式”的生产属性，设计活动均是针对具体的用 户进行的，因此设计过程中不可避免地存在大量的重复性劳动，因此c a d 技 术成为锅炉设计过程中的有效手段。目前，俄罗斯、法国、美国及日本等一些 设计制造锅炉的专业公司都广泛采用c a d 方法来进行锅炉的辅助设计工作 盼”。随着市场竞争的日益加剧，我国的一些锅炉制造厂家也已经将c a d 技 术引入到锅炉的设计过程中，从而大大提高了锅炉的设计效率。c a d 技术主要 应用于锅炉设计过程中的以下几个方面： 1 热工计算软件的开发 热工计算是锅炉方案设计中的重要内容，包括热力学计算、水动力计算、 强度计算、烟风阻力计算以及壁温计算等。由于锅炉的热工计算是一个反复叠 代的过程，因此