搜索AutoCAD的換熱設(shè)備零件三維造型
2013-05-20 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
采用AutoCAD二次開發(fā)技術(shù),在VisualC++6 0和ObjectARX 2000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(yùn)用擠出、旋轉(zhuǎn)和布爾運(yùn)算等方法,在給定基本參數(shù)條件下,可自動(dòng)創(chuàng)建換熱設(shè)備零部件的三維實(shí)體模型,修改設(shè)計(jì)參數(shù),用戶可以方便地修改三維模型。系統(tǒng)方便、省時(shí),界面友好,運(yùn)行可靠,實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)到圖紙的計(jì)算機(jī)參數(shù)化繪圖。實(shí)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(shí)間,提高了設(shè)計(jì)分析效率。
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關(guān)鍵字:換熱設(shè)備 三維建模 AutoCAD二次開發(fā) 參數(shù)化繪圖 Objec
換熱設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油化工、煉油、化肥、動(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)和制造的需求。而三維模型具有很強(qiáng)的可視性,能準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想 ;對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu),二維圖形不能夠準(zhǔn)確的表達(dá)出各零部件的空間位置關(guān)系,而三維實(shí)體圖形具有空間真實(shí)感,能明確表達(dá)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(duì)換熱設(shè)備及其零部件設(shè)計(jì)的同時(shí)需要對(duì)換熱設(shè)備零部件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) (特別是對(duì)非國(guó)標(biāo)零部件 ),首先需要?jiǎng)?chuàng)建零部件的三維模型。據(jù)統(tǒng)計(jì),創(chuàng)建模型所耗費(fèi)的時(shí)間占整個(gè)分析過程的 87%[1] 。特別是在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,要根據(jù)優(yōu)化結(jié)果不斷進(jìn)行三維模型的修改和優(yōu)化,這給設(shè)計(jì)分析人員手工建模帶來(lái)了很大的重復(fù)的麻煩,大大降低了設(shè)計(jì)分析效率。
隨著CAD技術(shù)的發(fā)展,關(guān)于機(jī)械零部件的繪圖軟件包應(yīng)運(yùn)而生,但它們的三維功能較弱。國(guó)外一些大的軟件商也推出了三維軟件(如proe等),但價(jià)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(shí)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。為此,作者運(yùn)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(yùn)行該系統(tǒng),輸入必要的設(shè)計(jì)參數(shù),系統(tǒng)將自動(dòng)快捷的生成精確的零部件三維模型,實(shí)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(qiáng)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(jī)制,以動(dòng)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(kù)、圖形系統(tǒng)及幾何造型核心,擴(kuò)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。
圖1 ARX程序的消息模型
因此,運(yùn)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?dòng)處理生成三維實(shí)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?xiàng)功能于一體,并且提供了目前已成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的MFC(Microsoft Application Foundation Classes)類庫(kù)[4]。運(yùn)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(kù)函數(shù)、頭文件以及詳細(xì)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)?ObjectARX2000 App Wizard),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(yùn)用AutoCAD界面定制技術(shù),編輯AutoCAD應(yīng)用程序的菜單文件acadmnu,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(xiàng)中各項(xiàng)與各自的ARX程序路徑相連接,這樣點(diǎn)擊菜單可將ARX程序定義的用戶命令自動(dòng)添加到AutoCAD內(nèi)部命令堆棧中。
圖2 三維造型系統(tǒng)菜單
3. 2 人機(jī)交互界面的創(chuàng)建
微軟的基礎(chǔ)類庫(kù)MFC是VC++程序的設(shè)計(jì)一個(gè)重要資源,在ARX程序中使用MFC的最明顯的優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)程序界面的可視化設(shè)計(jì),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(gè)零部件的人機(jī)交互的對(duì)話框界面(如圖3所示),用戶可以在對(duì)話框界面中輸入或修改設(shè)計(jì)參數(shù),實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體建模;通過修改設(shè)計(jì)參數(shù),可以完成換熱設(shè)備中非標(biāo)準(zhǔn)零部件的三維造型。
圖3 管板三維造型對(duì)話框
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(shí)體造型。其中三維實(shí)體造型具有體的特征,能顯示零件形狀,給人以真實(shí)的空間感覺,并能利用剖切來(lái)檢查壁的厚薄、孔是否相交等問題;還可以進(jìn)行零件的物性特性計(jì)算,如計(jì)算體積、面積、重心、慣性矩等,因此實(shí)體造型能夠較全面地反映零件的物理特性。
對(duì)于一些簡(jiǎn)單的實(shí)體,如長(zhǎng)方體、圓柱體、球體等,可以借助AutoCAD2000中的三維實(shí)體造型核心即ACIS(American Committee for Interoperable Standards)系統(tǒng)中的成員函數(shù)如virtual ACAD::createBox(x,y,z)來(lái)生成和編輯。對(duì)于復(fù)雜的三維實(shí)體模型,可以采用基于二維對(duì)象運(yùn)用擠出、旋轉(zhuǎn)和布爾操作來(lái)生成三維實(shí)體。
3 .3 .1 擠出法(Extrude)
先生成二維實(shí)體對(duì)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(shí)體。在ARX應(yīng)用程序中,通過調(diào)用AcDb3dSolid類的成員函數(shù)extrudeAlongPath()來(lái)實(shí)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(shí)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(xì)長(zhǎng)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(shí)體對(duì)象,按指定的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)來(lái)生成新的三維實(shí)體。在ARX應(yīng)用程序中,通過調(diào)用AcDb3dSolid類的成員函數(shù)revolve()來(lái)實(shí)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(shí)體面域?qū)ο蟮闹羔?axisPoint為旋轉(zhuǎn)軸上的一點(diǎn),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(duì)稱二維圖,然后調(diào)用函數(shù)revolve()生成三維回轉(zhuǎn)實(shí)體。
3 .3. 3 布爾運(yùn)算(Boolean)
對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)體造型,可以在擠出和旋轉(zhuǎn)法生成三維實(shí)體的基礎(chǔ)上,通過一定的布爾運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。布爾運(yùn)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(lái)實(shí)現(xiàn)。其原型如下:ACAD::booleanOper(AcDb::BoolOperTypeoperation,AcDb3dSolid pSolid),其中參數(shù)operation為布爾運(yùn)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(gè)參加布爾運(yùn)算的實(shí)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(yùn)用擠出、旋轉(zhuǎn)和布爾運(yùn)算才能完成零部件的三維造型。下面通過延長(zhǎng)部分兼做法蘭的管板的三維實(shí)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(shí)例
管板是換熱設(shè)備中重要的部件之一,經(jīng)常要對(duì)管板進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(shì)必將加大設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)體。下面以單殼程單管程的正方形方式布管的延長(zhǎng)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(duì)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(biāo)系,給出圖示各點(diǎn)的坐標(biāo),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)。
圖4 管板半截面示意圖
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(jì)算模型,如圖5所示。
圖5 計(jì)算模型
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(shí),迭代式為:
x=x0,x=x+p
y=y0,y=y+p
中心布管偶數(shù)排列時(shí),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(yùn)算出每根換熱管管孔的中心坐標(biāo)(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(jìn)行迭代循環(huán)。每一層迭代循環(huán)過程中,計(jì)數(shù)器開始累加換熱管的總數(shù)sum=sum+1;直到
令y=y+p,進(jìn)行下一層迭代。如此循環(huán),直到
為止。迭代循環(huán)結(jié)束時(shí),計(jì)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(jì)算公式參考文獻(xiàn)[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(yùn)用布爾差運(yùn)算在管板實(shí)體中挖去每個(gè)圓柱體。其程序流程框架圖如圖6所示。
圖6 程序流程圖
4. 3 生成螺栓孔和拉桿孔
根據(jù)以上方法,在延長(zhǎng)部分確定法蘭螺栓孔中心位置,生成圓柱體,運(yùn)用布爾差運(yùn)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(yùn)用上述方法可完成換熱設(shè)備其他零部件的三維實(shí)體造型系統(tǒng)。
5 系統(tǒng)的運(yùn)行
在VC++6 0的環(huán)境下,運(yùn)行該程序,得到一個(gè)管板設(shè)計(jì) ARX動(dòng)態(tài)連接庫(kù)程序。啟動(dòng)AutoCAD2000,點(diǎn)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(xiàng),AutoCAD將自動(dòng)加載該 ARX文件,同時(shí)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(duì)話框,進(jìn)行人機(jī)交互,輸入繪制管板的必要參數(shù),按“三維造型”按鈕,即可運(yùn)行程序,生成管板的三維實(shí)體如圖7所示。
圖7 管板三維造型圖
6 三維造型系統(tǒng)的應(yīng)用
基于AutoCAD平臺(tái)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(yùn)行該系統(tǒng),通過人機(jī)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(shí)體圖形,通過修改設(shè)計(jì)參數(shù),可隨時(shí)修改創(chuàng)建模型。該系統(tǒng)準(zhǔn)確、方便、省時(shí),實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)到圖紙的計(jì)算機(jī)參數(shù)化繪圖,在換熱設(shè)備零部件設(shè)計(jì)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(fèi)大量的時(shí)間和精力,特別是運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)零部件進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(duì)一些復(fù)雜的三維模型,手工修改簡(jiǎn)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(shí)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(shí)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(duì)復(fù)雜三維實(shí)體造型的不便,大大節(jié)省了設(shè)計(jì)分析人員的時(shí)間和精力,提高了設(shè)計(jì)分析效率。
6.2 三維實(shí)體的空間真實(shí)感
二維圖形不能夠表達(dá)出三維物體的真實(shí)感,特別是對(duì)于復(fù)雜的零部件和裝配后的部件,設(shè)計(jì)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(cuò)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(shí)體如圖8所示,通過實(shí)體模型,用戶可以清楚的看到折流柵裝置的結(jié)構(gòu)。
圖8 折流柵裝置三維模型
6 .3 零部件裝配的干涉檢查
運(yùn)用三維造型系統(tǒng)生成的三維實(shí)體進(jìn)行換熱設(shè)備三維動(dòng)態(tài)裝配時(shí),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(jì)思路和設(shè)計(jì)模型。
7 結(jié)語(yǔ)
運(yùn)用VC++和ObjectARX2000技術(shù)、基于AutoCAD平臺(tái)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(shí),界面友好,運(yùn)行可靠。系統(tǒng)不僅能夠生成標(biāo)準(zhǔn)零部件的模型,而且能夠生成非標(biāo)準(zhǔn)零部件的模型,使設(shè)計(jì)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(shí)踐證明,系統(tǒng)在三維實(shí)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(dòng)態(tài)裝配中發(fā)揮了重要作用,大大提高了設(shè)計(jì)分析效率。
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