AutoCAD平臺的換熱設(shè)備零部件三維造型系統(tǒng)

2013-05-10  by:廣州有限元分析、培訓中心-www.br5w05v.cn  來源:仿真在線

摘要 采用AutoCAD二次開發(fā)技術(shù),在VisualC++6 0和ObjectARX2000的環(huán)境下,開發(fā)了換熱設(shè)備零部件的三維造型系統(tǒng)。運用擠出、旋轉(zhuǎn)和布爾運算等方法,在給定基本參數(shù)條件下,可自動創(chuàng)建換熱設(shè)備零部件的三維實體模型,修改設(shè)計參數(shù),用戶可以方便地修改三維模型。系統(tǒng)方便、省時,界面友好,運行可靠,實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)到圖紙的計算機參數(shù)化繪圖。實踐證明,系統(tǒng)為換熱設(shè)備零部件的有限元分析前處理建模大大節(jié)省了時間,提高了設(shè)計分析效率。

    關(guān)鍵詞 換熱設(shè)備,三維建模,AutoCAD二次開發(fā),參數(shù)化繪圖,ObjectARX2000

換熱設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油化工、煉油、化肥、動力、輕工、冶金、核工業(yè)等工業(yè)部門。隨著CAD/CAE/CAM技術(shù)的發(fā)展,二維平面圖已遠遠不能滿足設(shè)計和制造的需求。而三維模型具有很強的可視性,能準確反映設(shè)計者的設(shè)計思想;對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu),二維圖形不能夠準確的表達出各零部件的空間位置關(guān)系,而三維實體圖形具有空間真實感,能明確表達出各零部件的空間位置關(guān)系,避免各零件之間發(fā)生碰撞和干涉。在對換熱設(shè)備及其零部件設(shè)計的同時需要對換熱設(shè)備零部件進行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(特別是對非國標零部件),首先需要創(chuàng)建零部件的三維模型。據(jù)統(tǒng)計,創(chuàng)建模型所耗費的時間占整個分析過程的87%[1]。特別是在優(yōu)化設(shè)計過程中,要根據(jù)優(yōu)化結(jié)果不斷進行三維模型的修改和優(yōu)化,這給設(shè)計分析人員手工建模帶來了很大的重復(fù)的麻煩,大大降低了設(shè)計分析效率。

隨著CAD技術(shù)的發(fā)展,關(guān)于機械零部件的繪圖軟件包應(yīng)運而生,但它們的三維功能較弱。國外一些大的軟件商也推出了三維軟件(如ProE等),但價格較高,令一般的用戶望而卻步。所以開發(fā)專業(yè)的換熱設(shè)備零部件的三維造型系統(tǒng)具有很大的必要性和實際意義。

著名的有限元分析軟件ANSYS可與AutoCAD軟件共享數(shù)據(jù),接受AutoCAD建立的三維模型[2]。為此,作者運用AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)了換熱設(shè)備零部件的三維造型系統(tǒng)。運行該系統(tǒng),輸入必要的設(shè)計參數(shù),系統(tǒng)將自動快捷的生成精確的零部件三維模型,實現(xiàn)了換熱設(shè)備零部件的三維參數(shù)化繪圖。

1 三維造型系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

ObjectARX2000是Autodesk公司隨著AutoCAD2000推出的新一代的功能強大的二次開發(fā)工具。它使用面向?qū)ο蟮腃++應(yīng)用程序開發(fā)機制,以動態(tài)鏈接的形式與AutoCAD共享地址空間,能夠直接利用AutoCAD的內(nèi)核代碼,訪問AutoCAD的數(shù)據(jù)庫、圖形系統(tǒng)及幾何造型核心[3],擴充AutoCAD的類和協(xié)議,創(chuàng)建新的AutoCAD命令,并可被AutoCAD環(huán)境直接調(diào)用,具有較高的程序開發(fā)與執(zhí)行效率。ARX程序命令的消息模型如圖1所示。

因此,運用AutoCAD二次開發(fā)技術(shù),在VC++6 0和ObjectARX2000的環(huán)境下,編寫了ARX應(yīng)用程序,開發(fā)了換熱設(shè)備零部件三維造型系統(tǒng)。在AutoCAD環(huán)境下加載ARX應(yīng)用程序,程序向AutoCAD命令堆棧中添加用戶自定義命令(如tubesheet)。調(diào)用該命令,ARX應(yīng)用程序?qū)⒆詣犹幚砩扇S實體模型。

2 ARX程序基本框架的生成

VisualC++6 0使用非常友好的操作界面———DeveloperStudio集成開發(fā)環(huán)境,它集編輯、編譯、連接、調(diào)試、向?qū)У榷囗椆δ苡谝惑w,并且提供了目前已成為業(yè)界標準的MFC(MicrosoftApplicationFoundationClasses)類庫[4]。運行ObjectARX2000軟件包,可以把ObjectARX嵌掛到VC++6 0編程環(huán)境中,它所提供的庫函數(shù)、頭文件以及詳細文檔等也嵌掛到VC++6 0的環(huán)境中。在VC++的集成開發(fā)環(huán)境下,通過ARX應(yīng)用程序向?qū)?ObjectARX2000AppWizard),可以方便快捷的建立起ARX程序的基本框架。

3 開發(fā)三維造型系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

    3 1 三維造型用戶界面的定制

運用AutoCAD界面定制技術(shù),編輯AutoCAD應(yīng)用程序的菜單文件acad mnu,在AutoCAD中添加換熱設(shè)備零部件的下拉式菜單(如圖2所示),并使菜單項中各項與各自的ARX程序路徑相連接,這樣點擊菜單可將ARX程序定義的用戶命令自動添加到AutoCAD內(nèi)部命令堆棧中。

    3 2 人機交互界面的創(chuàng)建

微軟的基礎(chǔ)類庫MFC是VC++程序的設(shè)計一個重要資源,在ARX程序中使用MFC的最明顯的優(yōu)點是可以充分利用VC++開發(fā)環(huán)境提供的各種類資源和控件資源,實現(xiàn)程序界面的可視化設(shè)計,大大提高程序開發(fā)效率。利用MFC開發(fā)環(huán)境開發(fā)各個零部件的人機交互的對話框界面(如圖3所示),用戶可以在對話框界面中輸入或修改設(shè)計參數(shù),實現(xiàn)三維實體建模;通過修改設(shè)計參數(shù),可以完成換熱設(shè)備中非標準零部件的三維造型。

3 3 三維造型的方法

構(gòu)造三維模型的方法有3種,即線框造型、表面造型和實體造型。其中三維實體造型具有體的特征,能顯示零件形狀,給人以真實的空間感覺,并能利用剖切來檢查壁的厚薄、孔是否相交等問題;還可以進行零件的物性特性計算,如計算體積、面積、重心、慣性矩等,因此實體造型能夠較全面地反映零件的物理特性。

對于一些簡單的實體,如長方體、圓柱體、球體等,可以借助AutoCAD2000中的三維實體造型核心即ACIS(AmericanCommitteeforInteroperableStandards)系統(tǒng)中的成員函數(shù)如virtualAcad::createBox(x,y,z)來生成和編輯。對于復(fù)雜的三維實體模型,可以采用基于二維對象運用擠出、旋轉(zhuǎn)和布爾操作來生成三維實體。

    3 3 1 擠出法(Extrude)

先生成二維實體對象如圓(AcDbCircle)、橢圓(AcDbEllipse)、封閉二維多段線(AcDbPolyline)等,然后按擠出高度或指定路徑生成新的三維實體。在ARX應(yīng)用程序中,通過調(diào)用AcDb3dSolid類的成員函數(shù)extrudeAlongPath()來實現(xiàn),其原型如下:Acad:extrudeAlongPath(AcDbRegion region,AcDbCurve path),其中參數(shù)region表示指向前面生成的二維封閉實體面域?qū)ο蟮闹羔?path表示擠出路徑。在換熱設(shè)備零部件中,一些細長的零件例如換熱管、排污管、斜截彎管等可采用擠出法生成三維模型。

    3 3 2 旋轉(zhuǎn)法(Revolve)

先生成二維實體對象,按指定的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)來生成新的三維實體。在ARX應(yīng)用程序中,通過調(diào)用AcDb3dSolid類的成員函數(shù)revolve()來實現(xiàn),其原型如下:Acad::revolve(AcDbRegion region,AcGePoint3d&axisPoint,AcGeVector3d&axisDir,doubleAngleOfRevolution),其中參數(shù)region表示指向前面生成的二維封閉實體面域?qū)ο蟮闹羔?axisPoint為旋轉(zhuǎn)軸上的一點,axisDir為軸的方向矢量,AngleOfRevolution為旋轉(zhuǎn)角度(弧度)。

換熱設(shè)備的零部件大多為繞旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)體,因此可用二維多段線Polyline生成回轉(zhuǎn)體的對稱二維圖,然后調(diào)用函數(shù)revolve()生成三維回轉(zhuǎn)實體。3 3 3 布爾運算(Boolean)

對于一些復(fù)雜的實體造型,可以在擠出和旋轉(zhuǎn)法生成三維實體的基礎(chǔ)上,通過一定的布爾運算來實現(xiàn)。布爾運算有3種:并(union)、交(subtract)、差(intersection)。在ARX程序中通過調(diào)用AcDb3dSolid類的成員函數(shù)booleanOper()來實現(xiàn)。其原型如下:Acad::booleanOper(AcDb::BoolOperTypeoperation,AcDb3dSolid pSolid),其中參數(shù)operation為布爾運算類型,布爾并為AcDb::kBoolUnite,布爾交為AcDb::kBoolIntersect,布爾差為AcDb::kBoolSubtract,pSolid表示另一個參加布爾運算的實體的指針。

換熱設(shè)備中大多數(shù)零部件非常復(fù)雜,需要聯(lián)合運用擠出、旋轉(zhuǎn)和布爾運算才能完成零部件的三維造型。下面通過延長部分兼做法蘭的管板的三維實體造型,介紹換熱設(shè)備零部件三維造型系統(tǒng)的具體開發(fā)過程。

    4 三維造型實例

管板是換熱設(shè)備中重要的部件之一,經(jīng)常要對管板進行溫度場和應(yīng)力場的有限元分析,因此需要建立管板的三維模型,并根據(jù)分析結(jié)果不斷的優(yōu)化、修改管板的模型。如果用手工建模,勢必將加大設(shè)計分析人員的枯燥的工作量,大大降低工作效率。而采用參數(shù)化程序建模,用戶可以在很短時間內(nèi)建立和優(yōu)化修改模型。

管板是一塊按照布管方式開了許多管孔的圓平板,管板的三維造型就是通過三維參數(shù)化繪圖,在輸入了筒體的公稱直徑DN,換熱管的外徑dh,管板的厚度H和布管方式等,直接生成管板的三維實體。下面以單殼程單管程的正方形方式布管的延長部分兼做法蘭的管板為例,敘述管板三維造型程序的開發(fā)過程。

    4 1 管板二維對象的生成

管板在結(jié)構(gòu)上屬于回轉(zhuǎn)體,因此只需生成管板截面的一半即可,如圖4所示。建立坐標系,給出圖示各點的坐標,用函數(shù)AcDbPolyline()生成封閉的二維多段線,并生成二維圖形域,調(diào)用函數(shù)revolve(),將此二維圖形域繞Y軸旋轉(zhuǎn)生成平板三維模型(未挖孔)。

    4 2 管板的布管程序算法

以管子正方形排列的單管程布管為例,建立計算模型,如圖5所示。

程序采用迭代的方法確定換熱管的中心位置,其迭代過程如下。

    4 2 1 確定迭代初值

    中心布管奇數(shù)排列時,迭代式為:
    x=x0,x=x+p
    y=y0,y=y+p

    中心布管偶數(shù)排列時,迭代式為:
    x=x0+p/2,x=x+p
    y=y0+p/2,y=y+p

    式中x0,y0為迭代初值,根據(jù)管程情況取值;p為換熱管中心距。經(jīng)過迭代能夠運算出每根換熱管管孔的中心坐標(x,y)。

4 2 2 確定每根換熱管中心位置

根據(jù)管程情況,確定x0和y0初值,根據(jù)中心布管奇數(shù)排列還是偶數(shù)排列,確定迭代公式,進行迭代循環(huán)。每一層迭代循環(huán)過程中,計數(shù)器開始累加換熱管的總數(shù)sum=sum+1;直到令y=y+p,進行下一層迭代。如此循環(huán),直到為止。迭代循環(huán)結(jié)束時,計數(shù)器累加了所有的換熱管根數(shù)sum。式中Dl為管板布管限定圓直徑,其計算公式參考文獻[5]。

確定了換熱管中心位置后,調(diào)用函數(shù)createFrustum()生成以換熱管中心為中心,以管板厚度為高的圓柱體。運用布爾差運算在管板實體中挖去每個圓柱體。其程序流程框架圖如圖6所示。

    4 3 生成螺栓孔和拉桿孔

根據(jù)以上方法,在延長部分確定法蘭螺栓孔中心位置,生成圓柱體,運用布爾差運算生成螺栓孔。如法炮制,生成拉桿孔。

至此,管板三維造型已經(jīng)完成。運用上述方法可完成換熱設(shè)備其他零部件的三維實體造型系統(tǒng)。

    5 系統(tǒng)的運行

在VC++6 0的環(huán)境下,運行該程序,得到一個管板設(shè)計 arx動態(tài)連接庫程序。啟動AutoCAD2000,點擊換熱設(shè)備零部件三維造型系統(tǒng)下拉菜單中的延伸部分兼做法蘭菜單項,AutoCAD將自動加載該  arx文件,同時向AutoCAD內(nèi)部命令堆棧中添加管板三維造型ARX程序的命令tubesheet。執(zhí)行該命令,彈出管板三維造型對話框,進行人機交互,輸入繪制管板的必要參數(shù),按“三維造型”按鈕,即可運行程序,生成管板的三維實體如圖7所示。

    6 三維造型系統(tǒng)的應(yīng)用

基于AutoCAD平臺開發(fā)的換熱設(shè)備零部件三維造型系統(tǒng),能夠直接利用AutoCAD的內(nèi)核代碼,共享AutoCAD2000的地址空間,具有較高的程序開發(fā)和執(zhí)行效率。該系統(tǒng)具有非常友好的操作界面,運行該系統(tǒng),通過人機交互的方式,輸入必要的數(shù)據(jù),能精確繪制零部件三維實體圖形,通過修改設(shè)計參數(shù),可隨時修改創(chuàng)建模型。該系統(tǒng)準確、方便、省時,實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)到圖紙的計算機參數(shù)化繪圖,在換熱設(shè)備零部件設(shè)計和有限元分析中發(fā)揮了重要作用。

    6 1 方便快捷的建模

在AutoCAD環(huán)境下手工建模需要花費大量的時間和精力,特別是運用ANSYS有限元分析軟件對零部件進行溫度場和應(yīng)力場的有限元分析優(yōu)化中,需要根據(jù)優(yōu)化結(jié)果不斷地修改三維模型,對一些復(fù)雜的三維模型,手工修改簡直不可想象。而采用本系統(tǒng),通過輸入?yún)?shù),系統(tǒng)能在很短時間內(nèi)生成三維模型,修改優(yōu)化后的幾何參數(shù),系統(tǒng)即可快捷地生成優(yōu)化后的模型。實踐證明,該造型系統(tǒng)在ANSYS軟件的前處理建模中,克服了ANSYS軟件對復(fù)雜三維實體造型的不便,大大節(jié)省了設(shè)計分析人員的時間和精力,提高了設(shè)計分析效率。

    6 2 三維實體的空間真實感

二維圖形不能夠表達出三維物體的真實感,特別是對于復(fù)雜的零部件和裝配后的部件,設(shè)計人員很難根據(jù)二維圖形想象其空間位置關(guān)系。例如新型折流桿換熱器的折流柵裝置,由換熱管、拉桿、和成組的折流柵裝配而成,折流柵之間互成90°交錯排開,結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。采用三維造型系統(tǒng),可生成折流柵裝置的三維實體如圖8所示,通過實體模型,用戶可以清楚的看到折流柵裝置的結(jié)構(gòu)。

    6 3 零部件裝配的干涉檢查

運用三維造型系統(tǒng)生成的三維實體進行換熱設(shè)備三維動態(tài)裝配時,能夠通過零部件之間的連接和嚙合狀況判斷零部件之間是否發(fā)生干涉和碰撞(例如管板、筒體和折流柵裝置的裝配),從而修改設(shè)計思路和設(shè)計模型。

    7 結(jié)語

運用VC++和ObjectARX2000技術(shù)、基于AutoCAD平臺開發(fā)的換熱設(shè)備零部件三維造型軟件系統(tǒng)方便省時,界面友好,運行可靠。系統(tǒng)不僅能夠生成標準零部件的模型,而且能夠生成非標準零部件的模型,使設(shè)計人員擺脫了手工建模的枯燥和繁瑣,大大提高了三維建模的效率;系統(tǒng)取代了ANSYS分析軟件的前處理建模過程,解決了ANSYS軟件手工建模復(fù)雜、重復(fù)、繁瑣的難題。實踐證明,系統(tǒng)在三維實體建模、換熱設(shè)備零部件的有限元分析以及換熱設(shè)備動態(tài)裝配中發(fā)揮了重要作用,大大提高了設(shè)計分析效率。

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