（化工过程机械专业论文）铸铁蒸发器水室参数化设计系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 i i l li l f r l l l l lm i ii h i y 2 2 5 2 9 8 0 蒸发器被广泛地应用于制冷、石油、化工、轻工、制药，环保、食品等行业。 当设计压力较低时，蒸发器水室常采用铸铁结构，且铸造结构复杂。由于工艺需 要，水室往往开设大直径的管孔，无法按照常规规范进行设计，必须对其进行详 细的应力分析设计。传统的有限元单向建模校核评定过程工作量大，设计周 期长，绘图设计基本上采用的是二维系统，无法满足先进制造的要求。基于此研 究现状，对铸铁蒸发器水室开展参数化设计意义显著。 本课题以s o l i d w o r k s 2 0 0 6 和a u t o c a d 2 0 0 4 为绘图支撑软件，结合编程软件 v i s u a lb a s i c 6 0 对s o l i d w o r k s 2 0 0 6 和a u t o c a d 2 0 0 4 进行二次开发，实现铸铁蒸发 器水室结构的三维参数化实体造型和二维参数化工程图设计。运用v b 6 0 对 a n s y s l l 0 进行二次开发，实现了铸铁蒸发器水室结构的参数化有限元设计和优 化设计，初步实现铸铁蒸发器水室的一体化参数化设计。本文主要内容如下： 1 ) 介绍将s o l i d w o r k s 模型导入到a n s y s 软件中的几种不同方法，比较各种 类型数据交换文件的优缺点。利用s o l i d w o r k s 和a n s y s 之间的数据交换，充分 发挥两软件在实体建模和结构分析各自领域的优越性，能有效地弥补a n s y s 软件 处理复杂结构模型时的不足，从而提高a n s y s 软件分析复杂结构模型的能力。 2 ) 采用可视化编程语言v i s u a lb a s i c6 0 和a p d l 相结合的方式，开发出方便 的图形化参数输入界面，帮助用户快速地实现铸铁蒸发器水室结构的参数化有限 元设计和优化设计。本设计平台有效地提高了设计效率和设计精度，为铸铁蒸发 器水室结构的安全评定提供了有效手段。 3 ) 介绍了s o l i d w o r k s 软件的特点及其二次开发原理。利用v b 6 0 对 s o l i d w o r k s 2 0 0 6 进行二次开发的关键技术，实现铸铁蒸发器水室结构的三维参数 化设计。 4 ) 根据a u t o c a d 软件的特点和二次开发技术，利用v i s u a l b a s i c 6 0 对 a u t o c a d 2 0 0 4 二次开发，实现铸铁蒸发器水室的二维参数化设计。 5 ) 完成铸铁蒸发器水室结构的一体化参数化设计，初步实现c a d c a e 的集成。 关键词铸铁水室参数化有限元优化设计c a d c a e 集成 硕士学位论文 a b s t r a c t e v a p o r a t o rh a sb e e nw i d e l yu s e di nr e f r i g e r a t i o n ，p e t r o l e u m ，c h e m i c a li n d u s t r y , l i g h ti n d u s t r y , p h a r m a c e u t i c a l s ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，f o o da n do t h e ri n d u s t r i e s c a s ti r o ns t r u c t u r ei su s u a l l yu s e df o re v a p o r a t o rw a t e rc h a m b e rw h e nt h ed e s i g n p r e s s u r ei si o w , a n dt h ec a s t i n gs t r u c t u r ei sc o m p l e x d u et ot h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t ， l a r g ed i a m e t e rp i p eo r i f i c ea r eo p e n e do nt h ew a t e rc h a m b e r , s ot h ew a t e rc h a m b e r s h o u l db ed e s i g n e db yd e t a i l e ds t r e s sa n a l y s i sm e t h o d t h et r a d i t i o n a lu n i l a t e r a lf i n i t e e l e m e n tm o d e l i n g - v e r i f i c a t i o na s s e s s m e n tp r o c e s sr e q u i r e sh e a v yw o r k l o a d b a s i c a l l y t h ed e s i g no fw a t e rc h a m b e ri nc a s ti r o ne v a p o r a t o ri sb a s e do n2 ds y s t e m ，w h i c hc a n 。t s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fa d v a n c e dm a n u f a c t u r e b a s e do nt h ec u r r e n tr e s e a r c h s i t u a t i o n ，i ti ss i g n i f i c a n tt om a k et h ep a r a m e t r i cd e s i g nf o rw a t e rc h a m b e ri nc a s ti r o n e v a p o r a t o r i nt h i st h e s i s ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cs o l i dm o l d i n ga n dt w o d i m e n s i o n a l p a r a m e t r i cs c h e d u l ed r a w i n gd e s i g no fw a t e rc h a m b e ri nc a s ti r o ne v a p o r a t o rs t r u c t u r e w e r er e a l i z e du n d e rs o l i d w o r k s2 0 0 6a n da u t o c a d2 0 0 4d r a w i n ge n v i r o n m e n t i tw a s d e v e l o p e db yt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s2 0 0 6a n da u t o c a d2 0 0 4 b a s e do nv i s u a lb a s i c 6 0 t h ep a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f w a t e rc h a m b e ri nc a s ti r o n e v a p o r a t o rs t r u c t u r ew e r er e a l i z e db yt h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n to fa n s y s 11 0b a s e do nv b 6 0 f i n a l l y , t h ei n t e g r a t e dp a r a m e t r i cd e s i g n o fw a t e rc h a m b e ri nc a s ti r o ne v a p o r a t o rw a sr e a l i z e dp r e l i m i n a r y t h em a j o rc o n t e n t s a r ea sf o l l o w s ： 1 ) s e v e r a lk i n d so fd i f f e r e n tm e t h o d sl e a d i n gt h es o l i d w o r k sm o d e l st ot h e a n s y ss o f t w a r ew e r ei n t r o d u c e d ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ef o r m so ft h e d a t ae x c h a n g ef i l e sw a sc o m p a r e dr e s p e c t i v e l y i no r d e rt o i m p r o v et h ea b i l i t yo f a n a l y z i n gt h ec o m p l e xs t r u c t u r a lm o d e lf o ra n s y ss o f t w a r e ，d a t ae x c h a n g eb e t w e e n s o l i d w o r k sa n da n s y ss o f t w a r es h o u l db eu s e d ，t h ea d v a n t a g eo ft h et w os o f t w a r ei n t h ef i e l d so ft h ee n t i t ym o d e l i n ga n dt h es t r u c t u r ea n a l y s i ss h o u l db ea d o p t e d t h u s ，t h e a b i l i t yo fa n s y ss o f t w a r ew h e nd e a l i n gw i t ht h ec o m p l e xs t r u c t u r a lm o d e lc a nb e a b s t r a c t i m p r o v e d 2 ) i no r d e rt oh e l pt h eu s e rt or e a l i z et h ep a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n td e s i g na n d o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rw a t e rc h a m b e ri nc a s ti r o ne v a p o r a t o r , ac o n v e n i e n tg r a p h i c a l p a r a m e t e r si n t e r f a c ew a sd e v e l o p e db yu t i l i z i n gt h em e t h o do fc o m b i n a t i o no fv i s u a l p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n da p d l t h ed e s i g np l a t f o r mc a ni m p r o v et h ed e s i g n e f f i c i e n c ya n da c c u r a c ye f f e c t i v e l y ；t h e r e f o r ei tp r o v i d e da l le f f e c t i v em e a nf o rt h e s a f e t ye v a l u m i o no fc h a m b e rs t r u c t u r e 3 ) t h ef e a t u r e so fs o l i d w o r k sa n di t ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r i n c i p l ew e r e i n t r o d u c e d t h e3d p a r a m e t r i cd e s i g no ft h ew a t e rc h a m b e ri nc a s ti r o ne v a p o r a t o rw a s r e a l i z e db yu s i n go ft h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s2 0 0 6b a s e do nv i s u a l b a s i c 6 0 4 ) a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fa u t o c a ds o f t w a r ea n dt h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n tp r i n c i p l e ，t h e2 dp a r a m e t r i cd e s i g no ft h ew a t e rc h a m b e ri nc a s ti r o n e v a p o r a t o rw a sr e a l i z e db yu s i n go ft h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fa u t o c a d 2 0 0 4b a s e d o nv i s u a lb a s i c 6 0 5 ) t h ei n t e g r a t e dp a r a m e t r i ct h ew a t e rc h a m b e ri nc a s ti r o ne v a p o r a t o rs t r u c t u r e d e s i g nw a sr e a l i z e da n dt h ei n t e g r a t i o no fc a d a n dc a ew a sp r e l i m i n a r ym a d e k e y w o r d sc a s ti r o nw a t e rc h a m b e r ；p a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；c a d c a ei n t e g r a t i o n 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 铸铁蒸发器水室概述1 1 1 1 铸铁蒸发器水室的工作原理和结构形式1 1 1 2 铸铁压力容器设计及应用现状3 1 2 国内外c a d c a e 技术研究综述3 1 2 1 c a d c a e 技术的发展历程3 1 2 2 c a d c a e 技术发展趋势7 1 3 参数化设计技术8 1 3 1 参数化技术概述8 1 3 2 参数化设计方法和意义9 1 4 c a d 软件二次开发技术1 0 1 4 1 典型c a d 软件简介1 0 1 4 2c a d 软件二次开发简介1 1 1 5 本文研究意义和主要内容1 2 1 5 1 本文研究意义1 2 1 5 2 本文研究主要内容1 3 第二章s o l i d w o r k s 与a n s y s 软件数据交换文件的应用1 5 2 1s o l i d w o r k s 与a n s y s 模型数据转换的不同方法评析1 5 2 i 1 s o l i d w o r k s 与a n s y s 模型数据转换的方法1 5 2 1 2 各种数据交换文件计算结果比较2 0 2 1 3 数据交换注意事项2 2 2 2 本章小结2 2 第三章铸铁蒸发器水室参数化有限元分析及优化设计2 4 目录 3 1 有限元法及其参数化技术简介2 4 3 1 1 有限元法简介2 4 3 1 2 参数化有限元方法的提出及其特点2 5 3 1 3 参数化有限元分析的实现2 6 3 2a n s y s 软件及其二次开发技术简介2 6 3 3 基于v i s u a l b a s i c 6 0 的a n s y s 软件二次开发2 7 3 3 1v i s u a lb a s i c6 0 程序设计语言的特点2 7 3 3 2 v b 对a n s y s 进行二次开发的方法2 8 3 4 铸铁蒸发器水室结构的参数化有限元设计平台开发3 0 3 4 1 结构参数的输入3 0 3 4 2 有限元模型的建立及计算31 3 4 2 结构的优化设计3 2 3 5 铸铁蒸发器水室结构的参数化有限元分析及优化设计应用实例3 4 3 5 1设计参数3 7 3 5 2 有限元模型及边界条件3 8 3 5 3 有限元分析结果及强度分析3 9 3 5 4 结构优化设计4 2 3 6 本章小结4 4 第四章铸铁蒸发器水室三维参数化设计4 5 4 1 s o l i d w o r k s 及其二次开发技术4 5 4 1 1 s o l i d w o r k s 软件简介4 5 4 1 2 s 0 1 i d w | o r k s 二次开发技术4 5 4 1 3v b 二次开发s o l i d w o r k s 基本原理4 8 4 2 铸铁蒸发器水室的三维参数化建模方法4 8 4 2 1 尺寸驱动法4 8 4 2 2 程序驱动法4 9 4 2 3 铸铁蒸发器水室的三维参数化建模方法4 9 4 3 本章小结5 3 第五章铸铁蒸发器水室二维参数化工程图设计5 4 i i 硕士学位论文 5 1 a u t o c a d 软件及其二次开发技术5 4 5 2v i s u a lb a s i c6 0 二次开发a u t o c a d 5 5 5 2 1 利用v b 二次开发a u t o c a d 基本原理5 5 5 2 2 利用v b 实现a u t o c a d 二次开发的技术途径5 5 5 3铸铁蒸发器水室二维参数化工程图设计5 8 5 3 1铸铁蒸发器水室设计条件5 8 5 3 2 编写v b 程序代码，实现二维参数化绘图5 9 5 4 本章小结6 7 第六章铸铁蒸发器水室的c a d c a e 集成6 8 6 1 c a d c a e 技术6 8 6 1 1c a d c a e 技术发展趋势6 8 6 1 2 c a d c a e 集成的必要性6 9 6 1 3c a d c a e 系统的集成方法7 1 6 1 4 c a d c a e 系统集的关键技术7 2 6 2 应用实例7 3 6 3本章小结7 9 第七章结论与展望8 0 7 1 本文结论81 7 2 今后工作展望8 1 参考文献8 2 在读期间发表论文及参加的项目8 8 致 射8 9 i i i 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 铸铁蒸发器水室概述 蒸发是将溶液加热至沸腾，使其中部分溶剂汽化并被移除，以提高溶液中溶 质浓度的操作。蒸发的目的是为了获得高浓度的溶液或制取溶剂，通常以前者为 主。用来实现蒸发操作的设备称为蒸发器。蒸发器实际上是一种伴随有蒸发( 沸 腾) 相变的热交换器，制冷剂液体通过蒸发器吸收被冷却介质( 通常是水或空气) 的热量蒸发( 沸腾) 为蒸汽。它在制冷系统中的作用是对外输出冷量，冷却被冷 却介质 1 训。蒸发器被广泛地应用于制冷、石油、化工、轻工、制药，环保、食 品等行业。由于铸铁具有收缩性小，良好的吸震性和切削加工性能，较高的耐磨 性和切口不敏感性，较高的抗压强度等优点，所以当设计压力较低时，蒸发器水 室常采用铸铁结构。由于结构形式限制，制冷用蒸发器水室本体常采用球冠型封 头形式。 1 1 1 铸铁蒸发器水室的工作原理和结构形式 蒸发器按其冷却的介质不同分为冷却液体载冷剂的蒸发器和冷却空气的蒸 发器。根据供液方式的不同，有干式、满液式、循环式和喷淋式等。其中只有干 式和满液式蒸发器具有水室结构，这两种蒸发器的结构如图卜1 和卜2 所示。 蒸发器主要由进( 回) 水室、筒体、换热管、折流板、管板等部件组成。干 式蒸发器按其冷却介质的不同分为冷却液体介质型和冷却空气介质型两类。图 卜1 给出了管壳式干式蒸发器的直管式和u 形管式的结构型式。它们的共同特点 是壳内装有多块圆缺型折流板，目的在于提高管外载冷剂流速、增强换热效果。 折流板的数量取决于流速的大小。折流板穿装在传热管簇上，用拉杆将其固定在 确定位置。除此之外，直管式和u 形管式在接管上还有许多相异之处。图1 - 2 给 出了管壳式满液式蒸发器的结构型式。它的特点是在蒸发器内充满了液态制冷 剂，运行中吸热蒸发产生的制冷剂蒸汽不断地从液体中分离出来。由于制冷剂与 传热面充分接触，具有较大的换热系数【5 j 。 水室在蒸发器的两端，靠设备法兰和蒸发器筒体相连接。蒸发器水室按作用 可分为进水室和回水室两种；按开设管孔个数可分为单接管水室和双接管水室两 种；但水室的结构型式基本一样，都呈球冠型封头型式，开设有大直径管孔，水 室内部有隔板将水室分为两个工作部分，具体如图卜3 所示。 第一章绪论 令齐 薤半k 尊二 繇：l 耸 n sl ! j s “一凸7 一 遘乇 习_ 一 j 冷卉 卜管壳2 一制冷剂进口管3 一水室4 一制冷剂蒸汽出口管5 一载冷剂进口管 6 一传热管7 一折流板8 一载冷剂出口管9 一右端盖 图卜l 壳管式干式蒸发器 l j 放气 肇曼 i 一一、般 f i g 1 1s h e l la n dt u b ed r ye v a p o r a t o r 图卜2 卧式满液式蒸发器 f i g 1 - 2h o r i z o n t a lf l o o d e de v a p o r a t o r 图卜3 水室的结构型式 f i g 1 - 3t h es t r u c t u r a lm o d e lo f t h ew a t e rc h a m b e r 2 硕士学位论文 1 1 2 铸铁压力容器设计及应用现状 为适应不同工艺的需要，有时需要采用铸铁压力容器。我国的压力容器安 全技术监察规定1 9 9 9 版 6 1 以及a s m e 1 u c i 篇7 1 和德国的d i n e n l 3 4 4 5 6 ( 2 0 0 2 年) 防火压力容器第六部分( 球墨铸铁压力容器和压力部件的设 计和制造要求8 1 ) 等压力容器规范都给出了铸铁压力容器设计的有关规定，具体 要求如下： ( 1 ) 必须在相应的国家标准范围内选用，并应在产品质量证明书注明铸造 选用的材料牌号。 ( 2 ) 灰铸铁制压力容器的设计压力不得大于0 8 m p a ，设计温度为0 - 2 5 0 ；可锻铸铁和球墨铸铁制压力容器的设计压力不得大于1 6 m p a ，设计温度为 零下1 0 , - 、一3 5 0 。 ( 3 ) 不得用于盛装毒性程度为极度、高度或中度危害介质，以及设计压力 大于等于0 5 m p a 的易燃介质压力容器的受压元件，也不得用于管壳式余热锅炉 的受压元件和移动式压力容器的受压元件。 ( 4 ) 铸铁受压元件加工后的表面不得有裂纹；如有缩孔、砂眼、气孔、缩 松等铸造缺陷，不应超过有关标准或技术条件的规定。在突出的边缘和凹角部位， 应具有足够的圆角半径，避免表面形状和交接处壁厚的突变。 ( 5 ) 灰铸铁为设计温度下抗拉强度除以安全系数1 0 0 ；可锻铸铁、球墨铸 铁为设计温度下抗拉强度除以安全系数8 o 。 ( 6 ) 铸铁压力容器的抗拉强度和硬度要求，必须满足设计图样的规定。 目前，国内外对于铸铁压力容器的研究并不是很多，但是铸铁材质的低压容 器在国内外得到了广泛的应用，例如本课题中的铸铁蒸发器、铸铁锅炉、造纸机 烘缸等。 1 2 国内外c a d c a e 技术研究综述 1 2 1c a d c a e 技术的发展历程 随着计算机技术的迅速发展，应用领域的不断扩大和日益复杂，在产品的设 计和分析上产生了显著的变化。以前只能靠手工完成的许多工作，逐渐通过计算 机实现了高效化和精度化。在机械、化工、电子、建筑等领域都大量引进了c a d c a e 应用技术，使得各领域中的企业的综合实力有了非常大的提高。 第一章绪论 1 2 1 1c a d 技术的发展历程 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术的发展与计算机技术、计算机图形化的发 展密切相关。c a d 指使用计算机系统进行设计的全过程，包括资料检索、方案 构思、零件造型、工程分析、工程制图、文档编辑等。c a d 技术从出现至今经 过了近5 0 年的发展历程，已日益成熟和完善，在工业上得到了广泛的应用，对 传统产业的信息化改造起到了重要作用。可以认为，c a d 技术的发展和应用已 成为衡量一个行业或企业发展水平的重要标志。随着微机的普遍应用和信息技术 的发展，c a d 技术也不断地向前发展。现在c a d 技术已不仅仅用于自动绘图或 三维建模，而已成为一种广义的、综合的关于设计的新技术【9 - 1 2 1 。 在过去5 0 多年中，c a d 技术经历了五个主要发展时期 1 2 】。 ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代。自1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机在美国问世后， 人们就不断地将计算机技术引入机械设计和制造领域。5 0 年代中期，计算机已 经应用于工程和产品设计的分析计算，促进了计算机辅助工程( c a e ) 的发展。 1 9 5 9 年美国的c a l c o m p 公司根据打印机的原理研制出世界上第一台滚筒式绘 图机，从此开始了由计算机辅助绘图仪代替人工绘图的历史。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 年代。由于交互式图形生成技术的出现，从而促使了计算机 辅助设计技术的迅速发展，这是交互式计算机图形学发展的重要时期。1 9 6 2 年 美国学者i v a ns u t h e r l a n d 研究出了名为s k e t c h p a d 的系统，这是一个交互式图形 系统，能在屏幕上进行图形设计与修改，开始出现c a d 这一术语。6 0 年代后期， 存储管式显示器以其低廉的价格进入市场，降低了c a d 系统的成本，促进了计 算机图形学和c a d 技术的迅速发展。 ( 3 ) 2 0 世纪7 0 年代。计算机交互图形技术和三维几何造型技术( 线框、 曲面和实体模型) 为c a d 技术的发展奠定了基础。随着计算机硬件的发展，以 小型机、超小型机为主的c a d 系统进入市场，针对某个特定问题的c a d 成套 系统蓬勃发展。基于大型机的商用c a d c a m 系统开始上市。该阶段的主要技 术特点是自由曲面造型。曲面造型系统为人类带来了第一次c a d 技术革命。总 的来说，7 0 年代是c a d 单元技术的发展和应用阶段，各功能模块渐趋完善，但 数据结构尚不统一，应用主要集中在计算机绘图和有限元分析方面，集成性差。 ( 4 ) 2 0 世纪8 0 年代。这是c a d 技术迅速发展的时期。基于对c a d c a e 4 硕士学位论文 一体化技术发展的探索，s d r c 公司第一个开发了基于实体造型技术的c d c a e 软件i - d e a s 。由于实体造型技术能精确地表达零件的全部属性，在理论上有助 于统一c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，因此称之为c a d 发展史上的第二次技 术革命。8 0 年代中期，c v 公司的一些人提出了参数化实体造型方法，其特点是： 基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改等。策划参数化技术的 这些人成立了一个参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ，p t c ) ，开始研制 p r o e n g i n e e r 的参数化软件。可以认为，参数化技术的应用主导了c a d 发展 史上的第三次技术革命。这一阶段的应用特点是：从二维绘图发展为三维建模， 实现了c a d c a e c a m 的集成，应用取得了显著效益。 ( 5 ) 2 0 世纪9 0 年代。随着世界市场的多变与激烈竞争，随着各种先进设计 理论和先进制造模式的发展，随着高档微机、操作系统和编程软件的发展，随着 因特网的迅速发展，c a d 技术正在经历着前所未有的发展机遇与挑战。s d r c 公司在摸索了几年参数化技术后，开发人员发现参数化技术尚存在许多不足之 处。“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和约束着设计者创造力和想象力的发挥。 为此，s d r c 的开发者提出了一种参数化技术更为先进的实体造型技术变量 化技术，并经历了3 年时间，推出了全新体系的i - d e a sm a s t e rs e r i s e 软件。变 量化技术成就了s d r c ，也驱动了c a d 技术发展的第四次技术革命。 目前，c a d 技术日益完善，许多发达国家相继推出的c a d c a e c a m 集成 化的商品软件，在设计理论、设计方法、设计环境、设计工具等各方面出现许多 成熟的现代c a d 技术。 1 2 1 2 c a e 技术的发展历程 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很 广，可以包括工程和制造业信息化的所有方面。c a e 技术的主要内容包括有限 元分析法、边界法、运动机构分析、气动或流场分析、电磁场分析等，其中有限 元分析在机械c a d 中应用最广泛。因此，有些学者认为，c a e 应属于广义c a d 的重要组成部分。c a e 技术的发展大体经历了一下三个阶段【1 4 1 7 】。 2 0 世纪6 0 7 0 年代，c a e 技术处在探索发现阶段。有限元技术主要针对结 构分析进行发展，以解决航空航天技术中的结构强度、刚度以及模态实验和分析 问题。同时针对当时计算机硬件内存少、磁盘空间小，计算速度慢的特点进行计 第一章绪论 算方法的改进。 2 0 世纪7 0 8 0 年代是c a e 技术蓬勃发展时期。这期间许多c a e 软件公司相 继成立。这一时期c a e 发展有以下几个特点： ( 1 ) 软件的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配，计算机内存 的有效利用机磁盘空间利用。 ( 2 ) 有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大成功。 2 0 世纪9 0 年代是c a e 技术成熟壮大阶段。c a e 软件开发商积极发展与各 c a d 软件的专用接口并增强软件的前后置处理能力。由于c a d 技术的发展壮大， 为c a e 技术的推广应用奠定了坚实的基础。c a d 软件商大力发展增强了本身 c a d 软件的c a e 功能。同时，各大分析软件也在向c a d 靠拢，c a e 软件发展 商积极发展了与各c a d 软件的专用接口，并增强软件的前后置处理能力。如 m s c n a s t r a n 在1 9 9 4 年收购了p a t r a n 作为自己前后置处理软件，并先后开发了 与c a t i a 、u g 等c a d 软件的数据接口，而s d r c 公司也先后投放了与p r o e 、 c a t i a 、u g 等的专用接口，在此基础上再增强卜d e a s 的前后置处理功能，以 保证c a d c a e 的相关性。这些也为将来多个软件集成奠定了技术基础。 目前，c a e 软件系统的一个特点是与通用c a d 软件的集成使用，即在用 c a d 软件完成零件或装配部件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算 或进行结构动力学、运动学等方面的计算，如果分析计算的结果不符合设计要求 则重新修改造型和计算，直到满足要求为止，极大地提高了设计水平和效率。 我国2 0 世纪9 0 年代的“八五”和“九五”计划期间，国家大力推行c a d 技术的推广应用，启动了c a d 应用工程。近年来，我国c a d 技术的开发和应 用取得了长足发展，除对国外软件进行了汉化和二次开发以外，还诞生了不少具 有独立版权的c a d 系统。如北航海尔c a x a 、开目c a d 、高华c a d 等【1 8 】。 2 0 世纪七十年代，经由钱令希、钟万勰、程耿东等人的大力倡导，以及航 空、航天、船舶机械部门卓有成效的工作，c a e 被引入到我国，开始在主流行 业中应用。近年来，我国的c a e 技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取 得了一定的成绩。但从总体来看，研究和应用的水平还不能说很高，某些方面与发 达国家相比仍存在不小的差距。从行业和地区分布方面来随着我国科学技术现代 化水平的提高，计算机看，发展也还很不平衡。研究和应用的领域以及分布的行业 硕士学位论文 和地区还很有限，现在还主要局限于少数具有较强经济实力的大型企业、部分大 学和研究机构。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了c a e 技术的发展。在c a e 分析软件开发方面，我国目前至少落后于美国等发达国家十 年( 1 9 】。 1 2 2c a d c a e 技术发展趋势 1 2 2 1c a d 技术发展趋势 c a d 技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用，并已成为企业的现实 生产力。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，c a d 技术的发 展趋势主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四个方面【1 3 】 2 0 1 。 ( 1 ) 标准化。随着c a d 技术的发展，工业标准化问题越来越显示它的重要 性。迄今已制定了不少标准，例如面向图形设备的标准c g i ，面向用户的图形标 准g k s 和p h i g s ，面向不同c a d 系统的数据交互标准i g e s 和s t e p ，此外还 有窗口标准等。最新颁发了( ( c a d 文件管理、 c a d 电子文件应用光盘存储归 档与档案管理要求等标准。 ( 2 ) 开放式。c a d 系统目前广泛建立在开放式的操作系统窗口x p 2 0 0 0 v i s t a 和u n i x 平台上，在j a v a l i n u x 平台上也有c a d 产品，此外c a d 系统都为最 终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内榜源码，使用户可制定自己 的c a d 系统。 ( 3 ) 集成化。c a d 技术的集成化体现在三个层次上：其一是广义c a d 功能 c a d c a e c a p d c a m p d m e r p 经过多种集成形式成为企业一体化解 决方案，推动企业信息化进程；其二是将c a d 技术能采用的算法甚至功能模块 或系统，做成专用芯片，以提高c a d 系统的效率；其三是c a d 基于网络计算 环境实现异地、异构系统在企业间的集成。国际c a d 商品系统开发的另一个趋 势是在全球范围内优选最成功的功能构件进行集成。 ( 4 ) 智能化。现有的c a d 技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括 计算、分析与绘图。然而在设计活动中存在另一类符号推理型工作，包括方案构 思与拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策以及参数选择等。这些工作依 赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决。因此将人工智能技 术，特别是专家系统技术，与传统c a d 技术结合起来，形成智能化c a d 系统 第一章绪论 是机械c a d 发展的必然趋势。 1 2 2 2c a e 技术发展趋势 随着计算机技术的快速发展，无论在性能、功能软、硬件技术等方面c a e 技 术也得到极大的发展，并呈现出如下发展趋势 2 1 1 。 ( 1 ) c a e 软件进一步向专业应用方向发展。更多的c a e 用户开始在通用软 件平台上开发专业化应用软件，建立了企业级的c a e 分析技术标准化软件，简 化分析方法，提高c a e 应用效益，以此来建立和提升企业开发和研制的能力。 ( 2 ) c a e 功能进一步扩充。将实现多结构耦合分析，多物理场耦合分析， 多尺度耦合分析，以及结构，构件及其材料的一体化设计计算与模拟仿真等功能。 ( 3 ) 基于互联网的集成化与支持协同工作的c a e 系统的出现，将实现基于 i n t e m e t | i n t r a n e t = - g r i dc o m p u t i n g 镪c a d | c a e | c a m c a p p | p d m | e r p 的集成化、网络化和智能化。 ( 4 ) 新一代的c a e 系统将能够解算上千万阶方程组，c a e 软件的三维实体 建模，复杂的静态、动态物理场的虚拟现实技术将会有很大发展，能够实现对复 杂工程、产品的实时和真三维仿真。 ( 5 ) 基于i n t e m e t 和g r i dc o m p u t i n g 的面向对象的工程数据库管理系统及工 程数据库将会出现在新一代的c a e 软件中。 ( 6 ) 用户界面将实现多媒体、智能化、网络化的统一。随着计算机图形技术 正在迅猛发展，多媒体技术一定会使未来c a e 软件的用户界面具有更强的直观、 直感和直觉性，给用户带来耳目一新的感觉。 1 3 参数化设计技术 1 3 1 参数化技术概述 参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸或修改已定义好 的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数 驱动的方式便于用户修改和设计。用户在设计轮廓时无需准确地定位和定形，只 需勾画出大致轮廓，然后通过修改标注的尺寸值来达到最终的形状，或者只需将 零件的关键部分定义为某个参数，通过对参数的修改实现对产品的设计和优化。 参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、动 态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着 硕士学位论文 越来越大的作用，体现出很高的应用价值。 参数化( p