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基于UG的管壳式换热器的三维数字化设计点击：1895 日期：[ 2014-04-26 21:35:51 ] |
| 基于UG的管壳式换热器的三维数字化设计 李平1，王彩英2 （1.宁夏大学化学化工学院，宁夏银川750021；2.包头轻工职业技术学院，内蒙古包头014045） 摘要：为满足市场对新型高效换热设备的高要求，利用Unigraphics软件进行管壳式换热器参数化模型的创建，充分利用该软件自身的参数化功能，如关系表达式、零件族的Excel工作表及草图的尺寸约束控制特征参数等方法，建立零部件的三维参数化模型，并实现换热器数字化样机的装配.该设计中零部件模型建立方法简单，建模速度快，不需编程，有利于产品的设计开发和改造优化. 关键词：计算机应用；数字化设计；三维建模；管壳式换热器 中图分类号：TH12，TP399文献标志码：A 文章编号：1671－7244（2010）03－0217－03 随着CAD/CAE/CAM技术在各种产品设计制造中的广泛应用，三维数字化模型作为产品设计、制造过程中的信息载体，为产品的各种分析、优化和加工工艺提供了更加准确、可靠的数据，从而提高了产品的设计质量与设计效率，并缩短新产品的开发周期、实现产品的快速改型.目前工业生产中，换热设备占有很大的份额，而其中管壳式换热器占全部换热设备的70%[1].因其品种多、批量小、需定制等特点，仅仅采用二维平面设计已不能满足市场对新型高效换热设备的需求和大型化、复杂化、高效化发展趋势[2].另外，为了做到节能降耗、减少设备投资费用，换热设备也需要进行优化设计、有限元分析、流场及温度场的数值模拟、装配、干涉检查等高级计算机辅助设计工作.这就需要创建设备的三维数字化的实体模型.通常创建模型所耗费的时间占整个分析过程的87%[3]，因此，快速实现换热设备三维数字化模型的设计具有重要的工程应用价值，对于提高设备设计、分析效率和经济效益极具潜力. 本文以Unigraphics（简称UG）软件作为三维设计平台，进行零部件模型的参数化设计，再通过虚拟装配完成管壳式换热器的三维数字化模型的建立，从而为后续的工程分析和加工工艺提供具有一定属性信息和特征的实体模型. 1·管壳式换热器参数化设计流程 1.1零部件分析 管壳式换热器基本结构主要由两大类零部件构成，一类是标准化的通用零部件，另一类是换热器设备的常用零部件.对于标准化的通用零部件，其结构形式固定，只有特征尺寸不同，采用电子表格的方法建立参数化模型，如筒体、封头、法兰、螺纹紧固件、支座等.对于非标的常用零部件，有一些结构简单、形状固定的可以直接建立参数化模型，如换热管、定距管、拉杆等；而对于结构尺寸变化较大，但相互间有关联性的零件采用共同草图生成的方式进行建模，如管板、折流板，这样就使得设备的建模速度大大提高. 1.2三维模型的建立方法 参数化设计的目的就是按照产品的设计意图能够灵活的修改，所以它的易于修改性是至关重要的.根据构成管壳式换热器零部件的特点，不同的零部件采用不同的建模方法.换热器压力、温度等工艺操作条件是设计换热器结构尺寸的基本条件，由设计得到的结构参数确定了相应的零部件模型.因此，该设备的模型是基于设计准则的一个参数化模型.针对不同零件的特点，采用不同的模型建立方法，节约建模时间，为后续的分析和结构优化提供有效的模型基础，从而缩短整个产品的研发周期，其建模流程如图1所示. 2 ·参数化零部件模型库的建立 在管壳式换热器的建模过程中，充分利用UG软件的参数化功能，协调产品设计过程中的关联参数，建立基于设计意图的由变量驱动的零件及产品模型，以实现零件及产品的关联改变[2]. 2.1利用关系表达式建立参数化模型 对于结构形式固定仅尺寸不同的零件，采用关系表达式建立零件的参数化模型，是一种方便快捷的建模方法，如管壳式换热器中的定距管（与换热管用同一模型，只需改变length参数）、拉杆、接管、封头、筒体等结构简单的零件均可采用此法建立模型.首先选取适当的参数建立一个模板零件，然后对其参数表达式进行命名和编辑，如图2所示定距管的参数化表达式，最后将其输出为一个exp类型的文件.当调用该零件时，根据需要修改exp文件中的参数值，将该文件导入UG生成特定尺寸的零件.这种方法创建参数化模型容易，而且修改比较方便. 2.2利用UG电子表格建立参数化模型 在建模应用里，UG电子表格被认为是一种高级的表达式编辑器.对于像设备中广泛应用的螺母、螺柱、法兰等标准件，可采用电子表格法建模，建立对应的三维零件库. 首先，选取零件的适当参数在UG环境下用交互的方式创建一个具体零件作为模板，此零件具有该零件族所有零件个体的形状和结构特征，可以由其派生该零件族的任何一个零件.派生零件可以继承该模板零件的全部特征或部分特征.建模后将模板零件的信息抽取到电子表格（Excel表）里，对表格中的参数表达式进行命名和编辑，电子表格中一类是驱动参数，一类是计算参数，计算参数由驱动参数定义的表达式计算得到[4].以螺母为例建立模板零件模型，如图3所示.图3中标出该零件的驱动参数（根据国标获得），其他参数均为定值或由D，s，m这3个驱动参数的函数和约束关系所确定.这样就建立了带有Excel参数表的三维标准件模板，图4为螺母的参数表.在调用该零件时，即可通过驱动参数的修改更新零件模型，满足设计结构和参数的要求. 2.3复杂零件的快速建模 管壳式换热器中的管板、折流板结构较复杂，采用草图设计对其进行尺寸约束，此尺寸约束作为特征参数实现对模型几何形状的控制和参数化模型的建立，并利用管板和折流板管孔一一对应的关联性，可用同一草图生成不同的零件.管板、折流板的共同草图如图5所示.通过拉伸草图的不同部分可分别控制左右管板和上下（或左右）折流板的生成，如图6所示.采用该法也符合管板、折流板加工管孔一次成型的工艺过程. 3·换热器的数字化装配 完成各零件参数化模型的创建后，利用UG提供的Assembly模块进行换热器参数化模型的虚拟装配.利用装配约束先进行部件装配，组装成3个部件：左管箱、右管箱、管束部分，如图7—9所示，然后以筒体零件为母体，通过装配约束关系，完成换热器三维数字化样机模型的装配，如图10所示. 装配体的参数化建模实际上就是构成组件之间的配对关系，此过程可对各零部件间的匹配关系有一个直观的认识，有助于设计的完善与优化，而且这种模式可以建立非常庞大的产品结构体系，作为设计团队的共享资源，以完成一个复杂产品的全数字化装配模型的设计，并可利用该模型进行有限元分析、间隙检验、干涉检测、数控加工等. 4·结语 本文管壳式换热器利用UG本身的参数化建模功能，借助关系表达式或零件族的Excel工作表等，快速准确地创建标准件、通用零件和非标件的三维模型，并进行虚拟装配，从而实现换热设备的数字化.该模型可用于进行换热设备管束组装设计、折流板布置、新颖结构实用性、传热性能的分析评价.设计中模型创建方法简单，不需编程，可大大提高资源的共享程度和产品的开发速度，适合产品设计和开发人员进行产品系列化设计. 参考文献： [1]李平，蒋丹.U形管内流动阻力损失与传热的数值模拟[J].东华大学学报：自然科学版，2007，33(3)：302-305. [2]孙海阳.UG在换热设备研发中的应用[J].科技情报开发与经济，2007，17(14)：204-205. [3]董其伍，刘敏珊，曹海亮，等.基于AutoCAD平台的换热设备零部件三维造型系统[J].化工进展，2003，22(1)：71-75. [4]赵波，张琴.UG NX2相关参数化设计培训教程[M].北京：清华大学出版社，2005：132-140. |
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