第02章 计算机在设计中的应用

第二章计算机在设计中的应用计算机用于工程设计的优点具有程序化或自动化运行速度快显示出智能化特征计算机用于化工设计的发展过程（20世纪）50年代：计算机进入化工设计过程始于1955年，当时，主要用于化工单元过程的计算。60年代：凯洛格公司于1963年开发了第一个化工流程模拟软件，实现了全流程的物料和能量衡算。这一期间，开始出现化工专业软件公司。计算机用于化工设计的发展过程（20世纪）70年代：基于计算机图形学的CAD方法用于化工设备和工厂设计；过程控制CAD进入实用阶段。80年代：化工过程设计实现了流程拓扑结构设计，物性计算，过程稳态模拟、动态模拟和优化的CAD集成软件工具；3D实体模型法用于化工设备和工厂的设计。90年代：基于高性能PC和GUI集成化环境得到了普及应用，虚拟工厂设计方法进入实用阶段。21世纪的发展趋势：虚拟工厂设计方法成为标准。当今计算机在化工设计中的应用可被称为：化工CAD（计算机辅助化工设计）ComputerAidedDesigninChemicalEngineering常见化学化工应用软件数据处理桌面工具科学计算化工模拟流体力学反应动力学量子化学ChemOffice，ChemSketch，ChemWindowOrigin，ExcelMatlab，Mathematica，Mathcad，MapleAspen，ProII，ChemCAD，AutoPlantFluent，CFX，PHOENICSChemKinMaterialStudio，Gaussion，VASP分子模拟概述概念：利用理论方法与计算技术，模拟或仿真分子的微观结构及运动等微观现象，从而得到宏观性质。应用：领域非常广泛，包括生物医药、催化、高分子、微电子及微机械、力学及物理学、化学化工、地质矿产等等化工中的主要应用（1）复杂体系的相平衡（2）微孔界质和相介面性质（3）蛋白质在溶液中的稳定性基本方法：量子力学方法（QM，QuantumMechanics）分子力学方法（MM，MolecularMechanics），ForceField分子动力学方法（MD，MolecularDynamics）蒙特卡罗方法（MC，MonteCarlo）分子模拟软件目前分子模拟软件的种类较多,各有各的优点和用途。以下简单介绍一些主流的分子模拟软件的用途。（1）MaterialsStudioAccelrys公司专为材料科学领域开发的新一代材料计算软件。它能方便地建立3D分子模型,深入分析有机晶体、无机晶体、无定形材料以及聚合物,可以在催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材料科学研究领域进行性质预测、聚合物建模和X射线衍射模拟,操作灵活方便,并且能够最大限度地运用网络资源。GAMESS-UK(分子电子结构计算软件)Genebrowser(生物技术、基因治疗资源导航)Glide(分子对接程序)GROMOS(通用分子动力学软件包)(部分免费)HyperChem(分子模拟)InterprobeChemicalServices(分子模型化软件)Jmol(分子可视化软件)(免费)MacroModel(分子力学计算程序)MARDIGRAS和CORMA(弛豫矩阵分析)(免费)MCPRO(用于蛋白质和核酸的蒙特卡罗模拟软件)MDRANGE(分子动力学计算ionranges)(免费)MDynaMix(分子动力学计算软件)(免费)MOE(分子模拟应用环境、方法开发平台)MOLMOL(生物大分子3D结构分析和显示、NMR结构解析)(免费)3DMolecularDesigns(蛋白质及其他3D分子物理模型快速成型技术)（2）其他一些分子模拟软件化工CAD概述概念：利用计算机辅助完成化工设计过程中的各项工作。内容分类：

根据其对象和内容可分为四大领域：计算机辅助过程设计（CAPD）

ComputerAidedProcessDesign计算机辅助过程控制设计（CAPCD）

ComputerAidedProcessControlDesign计算机辅助过程设备设计（CAPED）

ComputerAidedProcessEquipmentDesign计算机辅助过程工厂设计（CAPPD）

ComputerAidedProcessPlantDesign计算机辅助过程设计（CAPD）化工过程设计：指针对于化学工业和与化学相关的过程工业生产中进行的化学过程与物理过程的设计。区别几个概念：化工设计、化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计：化工设计是泛称，在不同场合可分别指化工厂设计、化工过程设计和化工工艺设计，其内涵最广，意义不是十分明确。化工厂设计化工过程设计（核心）化工厂房建筑、结构设计总图设计，….等非工艺部分设计化工工艺设计（核心）公用工程设计、外管设计，…等（化工设计）计算机辅助过程设计（CAPD）内容建立可行的工艺流程拓扑结构计算物质的化学和物理性质进行过程的物料、能量衡算过程运行状态仿真模拟设备工艺计算(确定设备的工艺条件参数)过程运行特性分析(灵敏度、操作弹性分析)过程参数优化设计文档的编绘计算辅助过程设计（CAPD）软件工具过程模拟系统或者流程模拟系统，是一类综合性计算机软件。美国ASPENTech公司的ASPEN系列软件包AspenOnev7.3

AspenPlus，AspenProperties，AspenEnergyAnalyzer，AspenHysys等。美国SimSci公司开发的ProII

。美国ChemStations公司开发的ChemCAD。美国WinSimInc.公司开发的DesignII青岛科技大学（青岛化工学院）等单位联合开发的ECSS（EngineeringChemistrySimulationSystem）计算机辅助过程控制设计（CAPCD）内容：过程控制系统设计设计控制系统的拓扑结构，控制方案，并进行系统控制性能的仿真模拟。仪表和自控项目的施工设计

对每个具体的测控点进行仪表选型、仪表回路图绘制、安装图绘制和材料统计等。控制科学与工程自动控制专业计算机辅助过程控制设计（CAPCD）工具软件：针对于化工过程控制系统设计ASPENTech公司的Dynamics&ModulerSimSci公司的DYNSIMHoneywell公司的UniSimMatLab公司的Simulink计算机辅助过程设备设计（CAPED）内容：标准设备的选型设计

根据过程设计提出的设备工艺条件参数，选择适用结构和规格的标准化设备，设计设备安装方式。非标准设备的机械设计

机械结构设计、机械性能设计、加工工艺设计、安装方式设计。软件工具：美国Autodesk公司的AutoCAD美国PTC公司（参数技术公司）的Pro/Engineer（Pro/E）其他许多机械设计软件，如UG、CATIA等过程装备与控制专业计算机辅助过程工厂设计（CAPPD）内容：设备布置设计（EquipmentArrangement）

设备在三维空间的合理布置。配管设计（Piping）管道及管件的规格选择和在3维空间的合理布置，管段的加工图。钢结构支架、平台设计（SteelStructure）工厂的可视化模型（Visualization）计算机辅助过程工厂设计软件工具：美国INTERGRAPH公司开发的PDS（PlantDesignSystem）

PDS是一个网络运行软件，它采用Client-Server工作模式，即数据和模型放置在服务器上，设计者在客户机上工作。

INTERGRAPH又推出了PDS的最新升级产

SmartPlant3D5.0英国AVEVA公司（原CADCentre公司）开发的PDMS（PlantDesignManagementSystem）美国BENTLEY公司（原属美国REBIS公司）开发的AutoPlant

运行在AutoCAD平台上的工厂设计软件。该软件可在真实的三维环境下进行设计，模型建立过程智能性强，符合设计人员思维习惯。INTERGRAPH公司开发的CADWorxAutoDesk公司的AutoCADPlant3D（PlantDesignSuite）

AutoPlant简介AutoPLANT是全球使用最广泛的基于AutoCAD的工厂设计软件，新版本完全兼容64位AutoCAD、Windows和MicrosoftOffice。

AutoPLANT产品包括用于管道、设备、等角图、电缆管道和钢架设计的规格驱动三维设计工具，以及用于仪表和布线、数据表及工艺仪表流程图的二维工艺设计应用程序。新版产品的许多全新增强功能可进一步简化工作流程、改善信息共享和工程内容管理、降低风险、促进更有效的变更管理，从而带来更高质量的项目。既能在主机数据库断开的情况下以“公文包模式”运行，又能以可在各种规模项目团队之间共享信息的“项目