AutoCAD平臺的換熱設備零部件三維造型系統

2013-05-10  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

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

    關鍵詞 換熱設備,三維建模,AutoCAD二次開發,參數化繪圖,ObjectARX2000

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

隨著CAD技術的發展,關于機械零部件的繪圖軟件包應運而生,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。所以開發專業的換熱設備零部件的三維造型系統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軟件共享數據,接受AutoCAD建立的三維模型[2]。為此,作者運用AutoCAD二次開發技術開發了換熱設備零部件的三維造型系統。運行該系統,輸入必要的設計參數,系統將自動快捷的生成精確的零部件三維模型,實現了換熱設備零部件的三維參數化繪圖。

1 三維造型系統的開發環境

ObjectARX2000是Autodesk公司隨著AutoCAD2000推出的新一代的功能強大的二次開發工具。它使用面向對象的C++應用程序開發機制,以動態鏈接的形式與AutoCAD共享地址空間,能夠直接利用AutoCAD的內核代碼,訪問AutoCAD的數據庫、圖形系統及幾何造型核心[3],擴充AutoCAD的類和協議,創建新的AutoCAD命令,并可被AutoCAD環境直接調用,具有較高的程序開發與執行效率。ARX程序命令的消息模型如圖1所示。

因此,運用AutoCAD二次開發技術,在VC++6 0和ObjectARX2000的環境下,編寫了ARX應用程序,開發了換熱設備零部件三維造型系統。在AutoCAD環境下加載ARX應用程序,程序向AutoCAD命令堆棧中添加用戶自定義命令(如tubesheet)。調用該命令,ARX應用程序將自動處理生成三維實體模型。

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集成開發環境,它集編輯、編譯、連接、調試、向導等多項功能于一體,并且提供了目前已成為業界標準的MFC(MicrosoftApplicationFoundationClasses)類庫[4]。運行ObjectARX2000軟件包,可以把ObjectARX嵌掛到VC++6 0編程環境中,它所提供的庫函數、頭文件以及詳細文檔等也嵌掛到VC++6 0的環境中。在VC++的集成開發環境下,通過ARX應用程序向導(ObjectARX2000AppWizard),可以方便快捷的建立起ARX程序的基本框架。

3 開發三維造型系統的關鍵技術

    3 1 三維造型用戶界面的定制

運用AutoCAD界面定制技術,編輯AutoCAD應用程序的菜單文件acad mnu,在AutoCAD中添加換熱設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內部命令堆棧中。

    3 2 人機交互界面的創建

微軟的基礎類庫MFC是VC++程序的設計一個重要資源,在ARX程序中使用MFC的最明顯的優點是可以充分利用VC++開發環境提供的各種類資源和控件資源,實現程序界面的可視化設計,大大提高程序開發效率。利用MFC開發環境開發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計參數,實現三維實體建模;通過修改設計參數,可以完成換熱設備中非標準零部件的三維造型。

3 3 三維造型的方法

構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)系統中的成員函數如virtualAcad::createBox(x,y,z)來生成和編輯。對于復雜的三維實體模型,可以采用基于二維對象運用擠出、旋轉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應用程序中,通過調用AcDb3dSolid類的成員函數extrudeAlongPath()來實現,其原型如下:Acad:extrudeAlongPath(AcDbRegion region,AcDbCurve path),其中參數region表示指向前面生成的二維封閉實體面域對象的指針,path表示擠出路徑。在換熱設備零部件中,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 旋轉法(Revolve)

先生成二維實體對象,按指定的旋轉軸旋轉來生成新的三維實體。在ARX應用程序中,通過調用AcDb3dSolid類的成員函數revolve()來實現,其原型如下:Acad::revolve(AcDbRegion region,AcGePoint3d&axisPoint,AcGeVector3d&axisDir,doubleAngleOfRevolution),其中參數region表示指向前面生成的二維封閉實體面域對象的指針,axisPoint為旋轉軸上的一點,axisDir為軸的方向矢量,AngleOfRevolution為旋轉角度(弧度)。

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

對于一些復雜的實體造型,可以在擠出和旋轉法生成三維實體的基礎上,通過一定的布爾運算來實現。布爾運算有3種:并(union)、交(subtract)、差(intersection)。在ARX程序中通過調用AcDb3dSolid類的成員函數booleanOper()來實現。其原型如下:Acad::booleanOper(AcDb::BoolOperTypeoperation,AcDb3dSolid pSolid),其中參數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。

換熱設備中大多數零部件非常復雜,需要聯合運用擠出、旋轉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,介紹換熱設備零部件三維造型系統的具體開發過程。

    4 三維造型實例

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

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過程。

    4 1 管板二維對象的生成

管板在結構上屬于回轉體,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AcDbPolyline()生成封閉的二維多段線,并生成二維圖形域,調用函數revolve(),將此二維圖形域繞Y軸旋轉生成平板三維模型(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

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

    中心布管偶數排列時,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,根據管程情況取值;p為換熱管中心距。經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

根據管程情況,確定x0和y0初值,根據中心布管奇數排列還是偶數排列,確定迭代公式,進行迭代循環。每一層迭代循環過程中,計數器開始累加換熱管的總數sum=sum+1;直到令y=y+p,進行下一層迭代。如此循環,直到為止。迭代循環結束時,計數器累加了所有的換熱管根數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,調用函數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,管板三維造型已經完成。運用上述方法可完成換熱設備其他零部件的三維實體造型系統。

    5 系統的運行

在VC++6 0的環境下,運行該程序,得到一個管板設計 arx動態連接庫程序。啟動AutoCAD2000,點擊換熱設備零部件三維造型系統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內部命令堆棧中添加管板三維造型ARX程序的命令tubesheet。執行該命令,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,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 三維造型系統的應用

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

    6 1 方便快捷的建模

在AutoCAD環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力場的有限元分析優化中,需要根據優化結果不斷地修改三維模型,對一些復雜的三維模型,手工修改簡直不可想象。而采用本系統,通過輸入參數,系統能在很短時間內生成三維模型,修改優化后的幾何參數,系統即可快捷地生成優化后的模型。實踐證明,該造型系統在ANSYS軟件的前處理建模中,克服了ANSYS軟件對復雜三維實體造型的不便,大大節省了設計分析人員的時間和精力,提高了設計分析效率。

    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,特別是對于復雜的零部件和裝配后的部件,設計人員很難根據二維圖形想象其空間位置關系。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,結構極為復雜。采用三維造型系統,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構。

    6 3 零部件裝配的干涉檢查

運用三維造型系統生成的三維實體進行換熱設備三維動態裝配時,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),從而修改設計思路和設計模型。

    7 結語

運用VC++和ObjectARX2000技術、基于AutoCAD平臺開發的換熱設備零部件三維造型軟件系統方便省時,界面友好,運行可靠。系統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軟件手工建模復雜、重復、繁瑣的難題。實踐證明,系統在三維實體建模、換熱設備零部件的有限元分析以及換熱設備動態裝配中發揮了重要作用,大大提高了設計分析效率。

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