新型换热设备三维造型技术研究与应用
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摘要
CAD是20世纪最杰出的工程技术成果之一，是用高新技术改造传统产业、加快国民经济发展的一项关键新技术。而换热设备在民用、工业、国防等部门有着广泛的应用，开发高效换热设备对国民经济建设具有重要意义。新型高效节能换热设备系我校“热能工程中心”专利产品，为加快该成果的推广步伐，“中心”曾自主开发了HECAD软件系统(HECAD是集新型换热设备工艺、机械、零部件及总装图的一体化二维CAD系统)。目前二维CAD绘图软件的使用已相当普遍，但二维图形表示三维物体存在许多局限性。随着计算机三维图形学技术的发展，建立的实体模型能够更直观、全面地反映设计意图，并且在此基础上还可以进行装配、干涉检查、有限元分析、运动分析等高级计算机辅助设计工作。
本文研究课题来源于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”，三维造型是其关键技术之一，它是工程设计的重要环节，贯穿了工程设计的核心信息，而信息的完备性、抽象性和可操作性对于CIMS的信息集成具有决定性的影响。原有HECAD是基于二维的CAD系统，三维零部件及结构的表现采用不同方向投影视图表示，但对于复杂情况，如折流栅装置要清楚地描述是困难的；在制造及装配过程中，由于新型结构与传统挡板结构不同，常给制造装配带来不便，如能对动态装配过程进行三维模拟，不仅能够解决现有问题，而且还能为制定其它新型结构的装配顺序提供有效手段；此外，在研究开发高效节能换热设备，进行结构改进和优化时的有限元分析及设备内流场、温度场的数值模拟分析更是离不开三维建模。基于上述情况，本文研究开发了新型换热设备的三维造型系统。
郑州大学硕士学位论文 第11页
在对CAD技术、计算机图形学、三维造型方法、开发环境、数
据库技术等进行综述分析的基础上，本文着重对以下几方面内容作了
研究及实践：
l）CAD三维造型技术经历了线框造型、曲面造型、实体造型、参数
化造型及变量化造型技术等五个阶段，不同阶段的技术在具体软
件产品中往往是并存的，而非排它的。参数化造型方法注重于几
何图形元素的邻域，使用约束来定义和修改几何模型，适合于己
完全特性化的设计问题。因为新型换热设备专用零部件己经规格
化、系列化，其它常用零部件更有相关手册、国标作为依据，所
以本文采用了参数化实体造型方法。
2）在开发环境及工具方面考虑到 AUt。CAD的简易性和国内的普及程
度，更重要的是考虑到与“中心”在国家九五项目中己完成的大
型软件系统HECAD的兼容性和继承性（HECAD是在AUt。CAD提供
的ADSRX开发工具和Visual VC什5．0的集成设计环境下开发完成
的入 本文选择AulOCAD。3DS MAX为平台，ObjCCtARX 2000
和Visual C，，－6刀为开发工具进行三维系统的开发。AutoCAD系统
在三维造型方面提供的实体（SOLID）具有体的特征，能够较全面
地反映形体的物理特性，利用实体造型技术不仅可以生成所需要
的零部件模型，而且还能够对形体进行剖切生成剖视图，以及进
行体积、重心和惯性矩等物性计算和分析。objectARX支持MFC
二 基本类库，而mC类库的强大功能给编程带来很大方便。
3）三维造型系统的数据相当复杂，涉及到工艺设计、机械强度、三
维几何参数等方面的内容，其数据类型包括图形、文件等不同形
式，因此，信息处理和管理一直是三维造型系统必需面对的难题。
在objectARX开发工具中，本文使用了作为内嵌的扩展工程数据
库管理系统（EDBMS具有强大的图形处理能力），同时又结合利
用了外部关系型数据库系统（Visual FoxPro）。
2
郑州大学硕士学位论文 第＊ 页
本文通过对三维造型关键技术的深入研究及具体实践，首次完成
了新型换热设备的三维造型系统：
1）该系统零部件三维实体造型包括筒体、管箱、封头、膨胀节、
管板、接管、斜截弯管、变径段、支座及折流栅装置等造型子
模块，在造型中用数据库技术首次实现了二维工程图与三维模
型的相关联。
2）该系统动态装配模拟不仅包括典型部件（如折流栅装置），还包
括了用于电力工业热力系统及化工、化肥、炼油热力系统的疏
水加热器、冷凝器、主热交换器等九种类型的换热设备的装配
模拟。
CAD is one of the most prominent engineering technology productions in the 20th century , which is an new key technology in alternation of traditional industry and promotion of national economy by means of top and new technology. Heat exchangers are used widely in civil , industrial and national defence departments and so on. The developments of high efficiency heat exchangers have important meanings to construction of civil economy. The New Type High Efficient Heat Exchanger(NTHE) is the patent developed by the Thermal Energy Research Center of Zhengzhou University , in order to promote the popularization of the technology, HECAD software system which consists of process design, mechanical design, components design and assembly drawings design of NTHE has been completed by our Research Center. Now , 2D CAD drawing software is very prevalent , but which has many limits in exhibition of 3D objects. With the development of computer 3D graphics technology , designers can express their intensions more directly a
nd thoroughly by 3D body models. Advanced CAD tasks such as checkage of assembly and interference, the analysis by FEM and analysis of movements etc. may be carried on based on 3D models.
The subject of this dissertation roots in R&D of CAD/CAE intelligent integration technology of important process equipments which is one of magnitude science and technology projects of Henan province, 3D modeling technology is one of the key research parts of the project. It is an important sector of engineering design, impenetrating core information of engineering design. At the same time, the integrality, abstraction and maneuverability of information have decisive effect on information integration of CIMS. HECAD is a CAD system based on 2D, it expresses 3D components and constructions by projections of different directions, but it is difficult to distinctly exhibit some complicated situations such as deflection fence set. In the course of manufactory and assembly, the difference between new constructions and traditional baffle construction causes some trouble. If there is a 3D simulation of dynamic assembly course, the present problem is able to be solved, what's more, an efficient method by which assembl
y order of new constructions can be set down will be gained accordingly. In addition, when we research and develop high efficiency and energy-saving heat exchanger, the analysis by FEM
which aims at betterment and optimization of constructions needs solid models, the analysis of numeric simulation of fluid flow fields and temperature fields of the whole heat exchanger also needs 3D models. Therefore, this dissertation has researched and developed the 3D modeling system of NTHE.
Based on summary and analysis of CAD technology, computer graphics, 3D modeling method, development environment and database technology, this dissertation has made researches and practice with the emphasis on the following several aspects:
1) The development of 3D modeling technology of CAD experiences wire frame modeling, curved surface modeling, solid modeling, parameterized modeling and variable modeling. The technologies of different period are usually coexistent and not exclusive in concrete software products. Parameterized modeling pays attention to the neighborhood of geometry graphics element, defining and modifying geometric model through constraints, which is fit to the design field characterized completely. Because the special components of NTHE have been normalized , other common components can also be designed according as manual and GB, The 3D modeling system of NTHE adopts parameterized solid modeling.
2) Considering widespread extent in our country and facility of AutoCAD , a prior reason is the compatibility and inheritance of between 3D modeling system and HECAD which is accomplished by means of ADSRX and Visual C++ 5.0 , this dissertation selected ObjectARX 2000 and Visual C++ 6.0 based on AutoCAD and 3DS MAX. The 3D solids produced by 3D modeling of AutoCAD system
本文研究课题来源于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”，三维造型是其关键技术之一，它是工程设计的重要环节，贯穿了工程设计的核心信息，而信息的完备性、抽象性和可操作性对于CIMS的信息集成具有决定性的影响。原有HECAD是基于二维的CAD系统，三维零部件及结构的表现采用不同方向投影视图表示，但对于复杂情况，如折流栅装置要清楚地描述是困难的；在制造及装配过程中，由于新型结构与传统挡板结构不同，常给制造装配带来不便，如能对动态装配过程进行三维模拟，不仅能够解决现有问题，而且还能为制定其它新型结构的装配顺序提供有效手段；此外，在研究开发高效节能换热设备，进行结构改进和优化时的有限元分析及设备内流场、温度场的数值模拟分析更是离不开三维建模。基于上述情况，本文研究开发了新型换热设备的三维造型系统。
郑州大学硕士学位论文 第11页
在对CAD技术、计算机图形学、三维造型方法、开发环境、数
据库技术等进行综述分析的基础上，本文着重对以下几方面内容作了
研究及实践：
l）CAD三维造型技术经历了线框造型、曲面造型、实体造型、参数
化造型及变量化造型技术等五个阶段，不同阶段的技术在具体软
件产品中往往是并存的，而非排它的。参数化造型方法注重于几
何图形元素的邻域，使用约束来定义和修改几何模型，适合于己
完全特性化的设计问题。因为新型换热设备专用零部件己经规格
化、系列化，其它常用零部件更有相关手册、国标作为依据，所
以本文采用了参数化实体造型方法。
2）在开发环境及工具方面考虑到 AUt。CAD的简易性和国内的普及程
度，更重要的是考虑到与“中心”在国家九五项目中己完成的大
型软件系统HECAD的兼容性和继承性（HECAD是在AUt。CAD提供
的ADSRX开发工具和Visual VC什5．0的集成设计环境下开发完成
的入 本文选择AulOCAD。3DS MAX为平台，ObjCCtARX 2000
和Visual C，，－6刀为开发工具进行三维系统的开发。AutoCAD系统
在三维造型方面提供的实体（SOLID）具有体的特征，能够较全面
地反映形体的物理特性，利用实体造型技术不仅可以生成所需要
的零部件模型，而且还能够对形体进行剖切生成剖视图，以及进
行体积、重心和惯性矩等物性计算和分析。objectARX支持MFC
二 基本类库，而mC类库的强大功能给编程带来很大方便。
3）三维造型系统的数据相当复杂，涉及到工艺设计、机械强度、三
维几何参数等方面的内容，其数据类型包括图形、文件等不同形
式，因此，信息处理和管理一直是三维造型系统必需面对的难题。
在objectARX开发工具中，本文使用了作为内嵌的扩展工程数据
库管理系统（EDBMS具有强大的图形处理能力），同时又结合利
用了外部关系型数据库系统（Visual FoxPro）。
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本文通过对三维造型关键技术的深入研究及具体实践，首次完成
了新型换热设备的三维造型系统：
1）该系统零部件三维实体造型包括筒体、管箱、封头、膨胀节、
管板、接管、斜截弯管、变径段、支座及折流栅装置等造型子
模块，在造型中用数据库技术首次实现了二维工程图与三维模
型的相关联。
2）该系统动态装配模拟不仅包括典型部件（如折流栅装置），还包
括了用于电力工业热力系统及化工、化肥、炼油热力系统的疏
水加热器、冷凝器、主热交换器等九种类型的换热设备的装配
模拟。
CAD is one of the most prominent engineering technology productions in the 20th century , which is an new key technology in alternation of traditional industry and promotion of national economy by means of top and new technology. Heat exchangers are used widely in civil , industrial and national defence departments and so on. The developments of high efficiency heat exchangers have important meanings to construction of civil economy. The New Type High Efficient Heat Exchanger(NTHE) is the patent developed by the Thermal Energy Research Center of Zhengzhou University , in order to promote the popularization of the technology, HECAD software system which consists of process design, mechanical design, components design and assembly drawings design of NTHE has been completed by our Research Center. Now , 2D CAD drawing software is very prevalent , but which has many limits in exhibition of 3D objects. With the development of computer 3D graphics technology , designers can express their intensions more directly a
nd thoroughly by 3D body models. Advanced CAD tasks such as checkage of assembly and interference, the analysis by FEM and analysis of movements etc. may be carried on based on 3D models.
The subject of this dissertation roots in R&D of CAD/CAE intelligent integration technology of important process equipments which is one of magnitude science and technology projects of Henan province, 3D modeling technology is one of the key research parts of the project. It is an important sector of engineering design, impenetrating core information of engineering design. At the same time, the integrality, abstraction and maneuverability of information have decisive effect on information integration of CIMS. HECAD is a CAD system based on 2D, it expresses 3D components and constructions by projections of different directions, but it is difficult to distinctly exhibit some complicated situations such as deflection fence set. In the course of manufactory and assembly, the difference between new constructions and traditional baffle construction causes some trouble. If there is a 3D simulation of dynamic assembly course, the present problem is able to be solved, what's more, an efficient method by which assembl
y order of new constructions can be set down will be gained accordingly. In addition, when we research and develop high efficiency and energy-saving heat exchanger, the analysis by FEM
which aims at betterment and optimization of constructions needs solid models, the analysis of numeric simulation of fluid flow fields and temperature fields of the whole heat exchanger also needs 3D models. Therefore, this dissertation has researched and developed the 3D modeling system of NTHE.
Based on summary and analysis of CAD technology, computer graphics, 3D modeling method, development environment and database technology, this dissertation has made researches and practice with the emphasis on the following several aspects:
1) The development of 3D modeling technology of CAD experiences wire frame modeling, curved surface modeling, solid modeling, parameterized modeling and variable modeling. The technologies of different period are usually coexistent and not exclusive in concrete software products. Parameterized modeling pays attention to the neighborhood of geometry graphics element, defining and modifying geometric model through constraints, which is fit to the design field characterized completely. Because the special components of NTHE have been normalized , other common components can also be designed according as manual and GB, The 3D modeling system of NTHE adopts parameterized solid modeling.
2) Considering widespread extent in our country and facility of AutoCAD , a prior reason is the compatibility and inheritance of between 3D modeling system and HECAD which is accomplished by means of ADSRX and Visual C++ 5.0 , this dissertation selected ObjectARX 2000 and Visual C++ 6.0 based on AutoCAD and 3DS MAX. The 3D solids produced by 3D modeling of AutoCAD system
引文
[1]王贤坤，陈淑梅，陈亮．机械CAD/CAM技术、应用与开发．北京：机械工业出版社，2000．11
[2]孔庆复 计算机辅助设计与制造 哈尔滨工业大学出版社
[3]V. Korgaachko, V. Kureichik, I.Norenkov 'CAD Basic' MIR PUBLISHERS, INC., Moscow 1990
[4]Steven K.Roberts 'Industrial Design with Microcomputers' Prentice-Hall, INC., New York(1992)
[5]文福安，最新计算机辅助设计．北京邮电大学出版社 2000
[6]杨岳．CAM 技术与应用机械工业出版社 1996
[7]QiWu Dong, MinShan Liu, ChaXiu Guo, QingJun Hu and XueSheng Wang. Characteristic Research of the New Type Energy-Saving Tubular Heat Exchanger with Longitudinal-Flow of Shellside Fluid, Proceedings of ICEE Beggell House Press, 1996
[8]孙家广计算机辅助设计技术基础．北京：清华大学出版社，2000
[9]曹纬．国外换热器新进展[J]．石油化工设备，1999，28(2)
[10]崔海亭，龚立武．高效能管壳式热交换器的技术进展及应用[J]．河北工业科技，1999，16(3)
[11]陆应生，陈幕玲，潘宁忠，林奋初，杨懋华．强化传热元件与高效换热器研究进展[J]．化工进展，1995，1
[12]纪国富，叶霜．CAD 在换热器设计中的应用[J]．冶金能源，1999，18(3)
[13]王燕．面向对象的理论与C++实践[M]．北京：清华大学出版社，1996
[14]张健，陈丙珍．基于面向对象的化工物性数据库系统[J]．计算机与应用化学，1999，16(4)
[15]刘晓敏，许冯平，姚立纲等．面向对象的射流泵虚拟设计和集成制造建模仿真[J]．大庆石油学院学报．2000，24(1)
[16]殷人昆，陶永雷，谢若阳，盛绚华著．数据结构：用面向对象方法与C++描述[M]．北京：清华大学出版社，1999
[17]柴跃廷，刘义著．应用软件系统开发．北京：清华大学出版社，1999
[18]程芳．应用ObjectARX对AutoCAD进行二次开发[J]．渝洲大学学报，1999，16(2)
[19]彭华，王威龙．AutoCAD 的开发趋势及开发环境[J]．武汉汽车工业大学学报，1998，20(3)
[20]李世国著．AutoCAD高级开发技术：ARX 编程及应用．北京：机械工业出版社，1999．9
[21]孙江宏，丁立伟，米洁．AutoCAD ObjectARX 开发工具及应用．北京：清华大学出版社，1999．2
[22]老大中，赵占强著．AutoCAD 2000 ARX二次开发实例精粹．北京：国防工业出版社，2001．1
[23]王启伦，吴玉光，邢西哲．AutoCAD三维实体模型信息获取方法．河海大学学报 2000．9
[24]童秉枢，李学志，吴志军，张春风．机械 CAD 技术基础．北京：清华大学出版社，1996，(6)：3-7
[25]田启华，马克雄，基于AutoCADR14及Obiect ARX的机械 CAD 系统开发．机械设计与制造 2000．4
[26]宋延杭，王川，李永宣．Obiect ARX实用指南——AutoCAD 二次开发．北京：人民邮电出版社，1999．8
[27]Neira H G. Computer Aided Engineering(CAE)Overview. Government Reports. Jun 1994,20p
[28]王福军 张志民编著 AutoCAD 环境下 C/Visual C++应用程序开发教程 北京希望电子出版社 2000．6
[29]Butterworth D. Development in the computer design of heat exchangers. Proc. Int. Heat Transfer Conf, 10th 1994, (1): 433-444
[30]ARX DEVELOPER GUIDE. Autodesk 公司，1996
[31]罗子乔．三向动画制作．北京希望电子出版社 2000．1
[32]黄心渊编著．虚拟现实技术与应用．科学出版社 1999．7
[33]甘登岱，周永平主编．3DSMAX 3精彩制作100例 人民邮电出版社 2000．5
[34]李桥梁，朱剑英．在 VC 环境下开发 AutoCAD ARX 应用程序．计算机世界，1998-04-06(1)
[35]韩成果，谭超．ARX在AutoCAD二次开发中的研究．机械设计与研究，1998，(2)：25-28
[36]Richard C. Leinecker, Jamie Nye 著，廖安棣等译．Visual C++开发工具实用指南，1997
[37]陈田，殷国富，舒斌等．参数化特征造型技术在水泵叶轮设计中的应用 2000．2
[38]Object ARX online help. Autodesk, 1998
[39]谭也平 有限元前处理系统的图形集成实现计算机辅助工程 1999．10
[40]邓会波 邢志伟等 在AutoCAD 环境下与数据库间的互联技术 大连理工大学学报 1999
[41]关振群 顾元宪等 基于 AutoCAD 的有限元建模系统 AutoFEM 计算机力学学报 1998
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