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换热器CAD系统的分析与设计点击：1804 日期：[ 2014-04-26 21:35:51 ] |
| 换热器CAD系统的分析与设计 张燕 刘东学 (大连理工大学化工学院化机系) 摘 要：面向对象方法和用于软件设计过程中软件模型的建立的统一的UML建模技术是用于开发大型软件系统的重要方法。论述了如何将二者有机结合进行换热器CAD系统的分析与设计。 关键词：换热器 面向对象 统一建模语言 UML 分析 设计 CAD 0·引言 换热器是很多行业中广泛使用的热量交换设备,它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用,而且是一些化工单元操作的重要附属设备。国内换热器CAD系统由于起步比较晚,在人机交互、零件图的绘制等方面仍然不完善,效果不能令人满意。 本文利用VC++6·0语言,运用先进的面向对象的软件设计方法和统一建模语言UML对系统建模,完善了换热器CAD系统。本文采用了国标GB151完成设计计算,并实现了说明书的自动生成、材料报价单的自动生成以及零部件图和装配图的自动绘制功能。 1·面向对象方法 面向对象方法具有下述四个要点: (1)认为客观世界是由各种对象组成的,任何事物都是对象,复杂的对象可以由比较简单的对象以某种方式组合而成。 (2)把所有对象都划分成各种对象类,每个对象类都定义了一组数据和一组方法。数据用于表示对象的静态属性,是对象的状态信息。 (3)按照子类(派生类)与父类(基类)的关系,把若干对象类组成一个层次结构的系统(类等级)。 (4)对象彼此之间仅能通过传递消息互相联系。 由面向对象方法的特点我们可以知道:面向对象分析方法中的对象是客观世界对象的直接映射,克服了传统方法学稳定性、可修改性和可重用性差的缺点,比采用面向过程的分析方法设计的系统更易理解,也增强了系统的可扩充性。 2·统一UML建模语言 统一建模语言[1]是一种可视化的建模语言,全面体现了面向对象的设计思想,可以对使用面向对象技术开发的系统进行说明、可视化和编制文档,提供了便于不同的人之间有效地共享和交流设计结果的机制,以其精确强大的系统描述功能在最大程度上消除了建模的模糊性和不同建模语言间存在的不合理的差异,使得用户与开发者之间更加易于沟通,互相理解。它贯穿于换热器CAD的需求分析、系统分析、设计、实现等各阶段,使开发过程更加规范、准确、高效。 统一UML建模用来描述模型,它用模型来描述系统的结构或静态特征或动态特征。它从不同的视角为系统建模,形成不同的视图,每个视图代表完整系统描述中的一个抽象,显示系统中的特定的方面;每个视图由一组图构成,图中包含了强调系统中某一方面的信息。UML包括了两类图和5种视图,两类图分别为静态图和动态图,静态图包括用例图、类图、对象图、构件图和实施图,动态图包括状态图、顺序图、协作图和活动图。 本系统中先采用静态图中的用例图分析系统所要实现的功能,建立静态模型,然后由各个零件之间的交互情况确定先后顺序从而建立系统的动态模型。 3·HECAD系统的面向对象分析 3·1 系统需求分析[2] 本软件面向的是化工设备设计人员,在化工设计完成的基础上进行结构设计,主要针对机械设计和设计文档编制两个层次。机械设计主要是针对换热器的工艺设计、结构设计以及强度设计,结构设计和强度设计是在工艺设计之后进行的,工艺设计中的要求也是机械设计的基本依据;设计文档编制主要是指在机械设计完成之后设计说明书的自动编制、材料单的自动生成以及零件图和装配图的自动绘制。 依据系统的功能需要将本系统分为四个子系统: (1)结构设计子系统 在这个子系统内主要包括了整体设计、零部件设计以及自动排管设计。 (2)设计文档管理子系统 实现设计说明书的自动编制、材料单的生成以及零件图和装配图的自动绘制。 (3)设计工具子系统 包含了数据库管理,数据库管理中主要是材料库和标准零部件库;计算器是设计过程中不可缺少的工具;此外,还包括设计日志。 (4)帮助系统 该子系统的主要内容是设计资料和使用说明,可通过帮助菜单察看帮助文件,选择要察看的帮助内容;另一种就是F1帮助,当按下F1键便可根据光标所在位置将窗口中的标志符映射到帮助上下文ID,以获得相应的帮助内容,与一般W indows帮助系统的使用方法相同。 HECAD系统采用交互式的设计环境,设计中采用多文档组织管理,将数据输入、图形提示、计算结果显示以及设计信息及时反馈集成于设计界面中。零部件的设计采用向导方式,用户按照零部件的设计步骤进行设计,同时对输入参数进行合理性检查,出现异常时向导给出提示和解决方法。在换热器整体设计完成后,整理设计数据,生成设计说明书,产生绘图文件进行参数化图形绘制。 HECAD系统功能图如图1所示。 3·2 统一UML建模技术分析建模 3·2·1 建立静态模型 由UML建模的系统的用例图如图2所示。 通过对用例模型的分析,在设备设计中,几乎所有的零件都具有诸如设计、选型、显示设计结果、生成说明书、生成绘图数据文件等共同行为,因此我们可以将所有零件具有的属性泛化出一个抽象的公共基类CGeneralPar,t大部分的零件类都是该类的子类。根据换热器的组成和工艺设计要求,可以将其零件类大致划分为管板类(CPart_GuanBan)、法兰类(CPart_FaLan)、封头类(CPart_FengTou)、圆筒类(CPart_YuanTong)、折流板类(CPart_Zhe-LiuBan)、开孔补强类(CPart_BQ)等等。其中,由于封头和圆筒有许多相似的性质和公共服务,从而泛化出CPart类。这些类的继承关系类图如图3所示。这些实体和抽象类具有一般和特殊关系,即继承关系,从而更好地利用了对象(或类)的可复用性。此外,换热器由部件和其他零件组成,部件由零件组成。如管箱由法兰、封头和管箱短节组成;后端结构由后端短节、封头和法兰组成;而换热器由上述部件和其它零部件组成。零部件类由各零部件组成,从而换热器类与各部件类和零部件类之间形成了聚集关系。通过整体与零部件之间的继承-聚集关系,得到以下HECAD系统设备设计用例的类模型,即静态模型。 3·2·2 建立动态模型 系统的静态模型显示了系统的组成和结构,这些组成的零部件在设计过程中不是孤立的,它们彼此之间都有交互,按照设计的先后顺序的不同进行合理安排,从而需要建立系统的动态模型。动态模型一般包括四种: (1)状态图 描述系统元素状态条件和响应,它由状态、转换、事件和活动组成。它对于接口、类或协作的行为建模尤为重要,而且它强调对象行为的事件顺序。 (2)顺序图 按时间顺序描述系统元素间的交互,是交互图。交互图展现了一种交互,它由一组对象和它们之间的关系组成,包括在它们之间可能发送的消息。 (3)协作图 按照时间和空间的顺序描述系统元素间的交互和关系,也是交互图,强调收发消息的对象的结构组织。顺序图和协作图是同构的,这意味着它们可以互相转换。 (4)活动图 描述系统元素的活动,是一种特殊的状态图,它展现了在系统内从一个活动到另一个活动的流程。活动图专注于系统的动态视图,它强调对象间的控制流程,对于系统的功能建模特别重要。 在换热器设计计算和校核计算用例中,零部件类封装了自己的设计向导类,设计向导类又封装了需要的工程数据库类,其主要存在的对象为系统框架对象、零部件对象、设计向导对象、数据库对象,设计过程是独立的,从而体现了封装性。用户首先选择换热器某零部件设计(或换热器整体设计),则系统框架中的文档对象激活相应的零部件对象,零部件对象激活相应的设计向导对象,引导用户能动地选择或输入计算所需数据。如需数据库数据,则零部件对象自动激活数据库对象进行数据查询工作。查询成功,返回所需数据库数据,否则报错,提示用户重新输入正确数据,完成设计计算,并将所得数据保存在零部件(换热器)对象中。在完成设计后,用户就可选择产生说明书、零部件图(装配图)。 HECAD系统的动态模型图即顺序图如图4所示。 4·换热器系统的CAD设计 4·1 换热器CAD系统的两个子系统 换热器CAD系统由功能划分为两个子系统:换热器设计计算子系统和设计文档子系统。其中,设计文档子系统包括自动生成设计说明书、材料报价单及装配图和零部件图的自动绘制三部分。 这两个子系统的连接采用OLE自动化来实现。OLE自动化技术可以在一个应用程序中操纵其他应用程序对象或暴露一个应用程序的对象供其调用,通过OLE自动化的COM接口来实现换热器设计计算子系统与Word2000、AutoCAD2000和Access2000的连接,从而借用Word的字处理功能、AutoCAD的绘图功能和Access制作关系表的功能生成设计说明书、设计图和材料报价单。系统中的OLE类封装了这些接口。 4·2 人机交互子系统 人机交互子系统的设计主要是对人机界面的设计,本系统包括总体界面框架设计和设计向导对话框设计。 换热器CAD系统的总体界面设计采用多文档结构,界面为W indows标准界面,包括菜单栏、工具栏、设计栏、状态栏和客户区。每个文档的视图包括两部分:左边采用树视图显示零部件类型和零部件名称,由树形控件来完成;右边采用列表视图显示某零部件的具体设计数据,由列表控件来完成。当光标选中左边的树控件中已经设计的零部件时,其主要设计参数及结果将立即显示在右边的列表视图中。这由系统框架类中的视图类CHECADView来实现。 零部件的设计采用向导(W izard)方式。向导指示用户按照零部件的设计步骤一步一步地进行设计,同时对用户所录入的初始参数进行合理性检查。当出现异常情况时,设计向导给出提示或解决问题的方法。在问题解决之前,不能进行下一步设计。如果对前几步的设计不满意或得出错误的设计结果,可以随时返回重新设计。这些由设计向导类来实现,它是由MFC中CPropertyPage类派生出来的属性页类和由MFC中CPropertySheet派生出来的属性页管理类组成。 4·3 数据管理子系统 本系统采用Access2000组建设计计算中所用到的材料库和标准零部件库,采用简单、方便的DAO技术对其进行访问,实现数据库的浏览、查询和更新等操作,通过把这些操作封装成数据库类来实现,它是由MFC中CD-aoRecordset类派生出来的。 5·结论 换热器CAD系统采用了面向对象的方法对系统进行分析和设计,利用先进的统一UML语言建立了系统的静态模型和动态模型,建立了标准零件库、材料特性库等等,在设计计算完成后利用OLE技术自动生成设计说明书和零部件图以及装配图,实现了设计结果的可视化和设计向导的及时反馈功能。 参考文献 [1]Joseph Schmuller著.李虎,王美英,万里威,等译.UML基础、案例与应用[M].北京:人民邮电出版社, 2002. [2]朱三元,钱乐秋,宿为民著.软件工程技术概论[M].北京:科学出版社, 2002. |
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