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1、膨胀节的计算机辅助设计及参数化绘图系统 周 ? 强 ? 李永生 南京化工大学 ? 南京市 ? 210009 ? ?摘要? 针对机械产品 CAD 开发技术上的问题, 对二维图形参数化技术进行了研究, 提出了基 于图形单元技术的装配图的参数化设计, 并利用 ActiveX Automation 技术顺利实现了结构设计与 图形参数化设计的一体化。在此基础上, 结合机械设计的专业知识, 开发了? 膨胀节的计算机辅助 设计及参数化绘图系统?CAD 软件包。 本文通过设计界面、 建立数据库、 编写算法等一系列工作进行了膨胀节的结构设计和优化设 计, 实现了膨胀节的计算机辅助设计; 对零件图与装配图进行图形
2、参数化设计, 使得膨胀节的设计 与绘图工作效率大大提高。 关键词: 膨胀节 ? CAD? 图形单元技术? 参数化设计 The CAD of Expansion Joint and Its Parametrizing Plotting System Zhou Qiang? Li Yongsheng Nanjing University of Chemical Engineering, ? Nanjing 210009 ? ? Abstract: The research on 2D graph parametrizing technique is carried out in accordanc
3、e with the problems of the CAD developing technology used for mechanical products. The parametrizing design of assembly drawing based on graph u? nit techniqae is put forward and an organic whole of structure design and parametrizing design using ActiveX Automafion technique is implemented. On this
4、basis, Combining with the professional knowledge for mechanical design is developed the CAD soft ware package for the? CAD of the expansion joint and parametrizing plotting system?. Through designing the inferface, establishting the date bank, compiling the algorithm etc, this paper implements the s
5、tracfure design and oprimum design of the expansion joint and realizes the expansion joint? s CAD and the graph parametrizing design of the paths and assembly drawing, therefore the expansion joint? s and plotting efficiency can be in? creased greatly. Key Words: Expansion Joint, CAD, Graph Unit Tec
6、hnique, Parametrizing Design. 1? 概? 述 膨胀节是压力容器和管道设备中重要的热补偿元 件, 其应力状况与压力容器和管道有很大的不同, 设计 规则不能沿用传统的刚性压力容器的设计概念, 而必 须根据膨胀节自身的特点和有关设计标准来进行设 计。设计时要考虑到压力、 温度、 补偿量、 刚度、 疲劳寿 命、 稳定性、 抗腐蚀等诸多方面的影响, 设计人员需要 查阅相关资料, 确定设计参数, 计算出在一定寿命下的 最大补偿量、 各种应力、 刚度、 稳定性、 疲劳寿命并反复 校核, 使之满足各种性能指标并尽可能地节省材料, 最 后还要绘制一系列图纸。其设计周期长, 工作量大
7、且 容易因人为疏忽而导致设计的不合理性, 原来的手工 设计方式已很难适应市场经济下迅速供货的要求。一 套符合最新设计标准、 简单方便、 真正融设计与绘图为 一体的膨胀节计算机辅助设计与绘图的软件是膨胀节 设计人员的迫切需要。 2? 开发原则 膨胀节 CAD 软件是为了解决膨胀节设计计算及 绘图的繁琐、 重复、 量大、 容易出错等问题。实用准确、 可靠快速、 方便明了及容易掌握是该软件必须具有的 特点。为此, 软件系统的设计应掌握以下几条原则。 2. 1? 可靠性 软件要准确地进行工程设计, 就必须透彻理解国 4? ? ? ? 管道技术与设备2000 年 内外本行业的设计规范, 如波纹管膨胀节的
8、国标 GB/ T 12777? 99、 钢制压力容器设计规范 GB/ 150? 98、 美 国的 EJMA 标准( 98 版) 、 工程制图规范等等, 还必须 熟悉波纹管膨胀节加工制造的原理和工艺流程, 在这 个基础上方能保证所设计的膨胀节 CAD 软件安全可 靠地使用在工程中。 2. 2? 实用性 如同其他产品一样, 软件产品也应具备很高的实 用价值, 所以在设计 CAD 软件之前, 必须拥有波纹管 膨胀节设计计算的长期实践经验或资料, 并相当熟悉 AutoCAD 绘图方法。这样, 才能了解软件使用者对问 题的分析方法、 设计步骤、 内容、 结果、 绘图要求及对常 见问题的处理原则等等。 2
9、. 3? 高效快速 高效快速是软件理应具备的优点, 膨胀节 CAD 软 件在结构设计、 优化设计、 数据模块的即时查询调用、 结果输出, 工程图纸的自动化生成等方面都实现了快 速性。 2. 4? 良好的用户界面 作为软件, 它必须帮助用户完成一定的任务, 一个 程序要获得成功就必须进一步发挥用户的技能和为用 户成功作出贡献, 而一个好的用户界面对一个软件能 否被用户接受和取得成功将会起很大的作用。 3? 开发工具 AutoDesk 公司在它的 AutoCAD R14 版本中提供 了ActiveX Automation 编程技术, 标志着 AutoCAD 二 次开发技术取得了历史性的转折。它采用
10、了一种在 OLE2. 0 基础上发展起来的新技术, 称之为 ActiveX Automation Interface, 即自动化界面技术。由于 Ac? tiveX Automation 是完全面向对象的编程接口, 所以我 们可以通过面向对象的编程手段从 AutoCAD 的外部 来操纵AutoCAD。ActiveX 是由一系列的对象, 按一定 的层次组成的一种对象结构, 每一个对象代表了 Auto? CAD 中一个明确的功能, 比如说画圆、 画多义线、 图块 定义等。ActiveX 所具备的绝大多数 AutoCAD 功能, 均以方法和属性的方式被封装在 ActiveX 对象中, 我 们只要使用某
11、种方式, 使 ActiveX 对象得以? 暴露?, 那 么就可以使用面向对象编程的语言对其中的方法、 属 性进行引用, 从而达到开发AutoCAD 的目的。 在AutoCAD R14 版本中, 许多 ActiveX 对象的属 性尚不完备, 开发时还需要与 AutoCAD 的系统变量打 交道, 显然很不方便。最新推出的 AutoCAD2000 Ac? tiveX 极大的丰富了 ActiveX 对象。除极个别外, Ac? tiveX 均设计了属性与相应的系统变量对应。这些属 性不会修改系统变量的值, 但在功能上覆盖系统变量 的原值。 VB6. 0 是一种功能强大、 实用方便的开发工具。 本文采用
12、VB 进行界面设计、 创建数据库、 编写设计算 法和绘图程序, 利用参数化绘图原理和 ActiveX Au? tomation 技术实现了膨胀节的结构设计与参数化绘图 的一体化。 4? 参数化绘图技术的研究与应用 参数化绘图是近年随着计算机技术发展起来的一 种先进的设计与绘图技术, 因其极为广阔的应用前景 而备受瞩目。90 年代初, 国外学者 Dixon、 Verroust、 Schonet、 Roller 等提出了实体造型、 变量设计、 尺寸驱 动等参数化设计思想。参数化设计思想以全新的思维 方式进行产品的创建和修改, 并以其强有力的草图设 计、 尺寸驱动功能, 成为初始设计、 产品建模及修
13、改、 多 方案比较和动态设计的有效手段。近几年国内也形成 了研究参数化绘图的热潮, 并取得了长足的进展。 参数化( Parametric) 设计目前已成为 CAD 中最为 热门的应用技术之一, 能否实现参数化已成为评价 CAD 系统优劣的重要技术指标, 它更贴近现代 CAD 中概念设计以及并行设计的思想。本文将基于约束的 参数化设计思想应用于机械产品设计行业, 对膨胀节 产品进行参数化设计和绘图, 并提出了基于图形单元 技术的装配图参数化设计思想, 较好地完成了膨胀节 装配图图形的参数化绘制。本文的参数化思想也可运 用于其他类型机械产品的参数化设计与绘图。 4. 1? 基于约束的二维图形参数化
14、方法 参数化绘图的原理是: 在设计过程中, 系统自动的 捕捉用户的设计意图, 并把各个设计对象以及对象之 间的关系记录下来。当用户修改图纸中的设计参数 时, 系统能够自动的更新图纸, 使图纸中反映用户设计 意图的设计对象之间的关系依旧可以维持。 本文运用的基于约束的参数化绘图方法是根据工 程图中内在的约束关系, 基于工程图本身所蕴涵的工 程信息, 对工程图中各种几何元素、 尺寸、 基准、 特征、 视图之间的相互对应的约束关系进行全面的识别和理 解, 然后按照理解的约束关系进行求解。系列化图形 的产生是通过从数据库中获得一组变参, 用这组变参 驱动参数化图形, 最终获得系列化图形之一。对系列 化
15、设计中参数化图形的要求是拓扑结构相对不变。在 5第 6 期?设计与研究? ? 本文中, 不仅实现了单个图形的变参, 也实现了多个视 图的联动变参。 4. 2? 基于图形单元技术的装配图设计方法 参数化绘图的难点是其装配图的绘制, 装配图因 其结构复杂、 图形信息量庞大而使设计人员颇感头疼。 一般的参数化绘图方法是根据整个装配图的拓扑结构 和几何结构来进行参数化设计。这种设计方法的缺点 是程序结构过于繁杂和庞大, 程序的编制和调试都需 要较高的要求, 不利于结构上的改变, 多视图的联动设 计和布图不够灵活和理想。 本文根据膨胀节产品的结构特点, 提出了基于图 形单元( 图块) 技术的装配图设计思
16、想, 利用面向对象 的计算机编程技术, 较好的实现了装配图的参数化绘 制。本文采用模块化设计, 装配图中的一个或者几个 联系紧密的零件为一个图形单元( 即图块) , 再根据零 件与零件之间的约束关系, 组成装配图, 并根据装配图 中的图形单元自动创建明细表和标题栏, 技术要求在 给定后也将在图纸合适的位置自动排布。 4. 2. 1? 图形单元的拆分 每一张装配图总是由很多个零部件组成的, 我们 根据膨胀节的结构特点, 将膨胀节拆成零碎的零件或 部件, 形成一个个图形单元, 每个图形单元作为一个相 对独立的图块文件。例如复式拉杆型膨胀节( 见图 1) 可分为端管、 端板、 拉杆、 波纹管、 中间
17、管、 垫片和螺母 六个零部件, 则可拆成六个图形单元, 再加上中心线单 元。对每一个图形单元进行参数化设计, 这样就把复 杂的图形拆分成多个简单图形的有机组合, 大大降低 了程序编写的难度。 图 1? 复式拉杆型膨胀节 4. 2. 2? 图形单元的自组织规则 4. 2. 2. 1? 模块化 图形单元库中的每个图形单元都对应于一个图 块, 即一个程序模块, 图块与图块之间相互独立, 这种 图形单元的模块化使得装配图设计具有较好的可维护 性与扩充性。 4. 2. 2. 2? 智能化 智能化的目的是提高计算机辅助设计水平, 减少 用户的信息输入量, 提高工作效率。图形单元与图形 单元之间是紧密相连的
18、, 其中任一个图形单元的变动 都会影响到其他图形单元在装配图上的变化, 以确保 结构信息的稳定。例如当波纹管的内径发生变化时, 无需改变与之连接的焊接端管和中间管的直径, 它们 会自动的发生改变, 而与波纹管紧密相连; 当拉杆的直 径发生变化时, 其上的垫片和螺母会自动与之相适应。 这种智能化的特点充分表现在视图的各个细节上, 尤 其是在不同的视图上的对应关系。在不同的视图上的 图形单元之间存在有对应关系, 而这种关系特性蕴含 于由图形单元连接而成的装配图之中。 4. 2. 2. 3? 柔性化 柔性化表现在对用户的容错性, 如当设计的条件 经系统判断为不合理时, 就拒绝生成图形并要求返回 重新
19、设计; 当绘图需要的条件还没完全满足时就进入 绘图状态, 系统也将给予警告并返回。 6? ? ? ? 管道技术与设备2000 年 4. 2. 3? 图形单元的自组织特性 拓扑关系是图形的最重要信息, 包括点、 线、 面之 间的连接关系。图形单元之间的拓扑关系由系统自动 生成。在装配图的各个图形单元上都有一条公用的中 心线, 一个公用的基点, 即绝对基点。每个图形单元也 有一个相对基点, 即图形单元相互联接时的插入点。 我们在绝对基点和相对基点之间形成有机的联系, 使 得生成图形单元能够自动有序的排列在一起, 就构成 了装配图。 5? 应用实例 当要进行波形膨胀节的设计时, 启动主菜单, 选择
20、膨胀节结构型式, 以复式拉杆型膨胀节为例( 见图 1) , 先对膨胀节中核心元件波纹管进行设计和校核。图 2 是波纹管的设计界面。 图 2? 波纹管设计界面 ? ? 设计波纹管通过对单层厚度、 层数、 波数三个参数 的调整, 不断试 算与校核, 最 终得到确定 为厚度 ? = 0. 9, 层数 n= 1, 波数 N = 7。此时相应的计算结 果显示在图 2的右边。 图 3? 装配图图纸设定界面 设计好工作波纹管后, 回到主界面, 对膨胀节的其 他零部件按照菜单的左右次序进行设计与校核。设计 好膨胀节的每一个零部件后, 在主界面上点击菜单? 零 件图设计?或? 装配图设计?, 便可转入到绘图阶段
21、。在 绘图阶段, 设计人员只需确定与绘图环境有关的事情, 而膨胀节的结构和具体尺寸等信息均由系统从前面的 设计中获取。如图 3 所示, 设计者确定了装配图环境 设定后, 只需点击? 生成图形?按钮, 系统便会自动打开 AutoCAD 并生成一幅完整的膨胀节装配图, 整个设计 与绘图过程只需 1 3 小时。 参考文献 1? Roller D. An approach to computer aided parametric design. CAD, 1991, 23( 5) : 385 391 2? Verroust A, Schonek F, rule ?oriented method for
22、 parameterized computer ?aided design. Computer ?Aided Design, 1992, 24 (10) : 531 540 3? Latham R, Middleditch A. Conectivity analysis: a tool for pro? cessing geometric constraints. Computer ?Aided Design, 1996, 28(11) : 917 928 4? Jae Yeol Lee, Kwangsoo Kim. Geometric reasoning for knol? wledge-
23、based parametric design using graph representation. Computer- aided Design, 1996, 28( 10): 831 841 ( 下转第 10 页) 7第 6 期?设计与研究? ? 表 2? 以内径为公称直径的标准椭圆封头有垫板时 y 值(垫板厚 ?= 6mm) 直径 DN (nm) 封头名义厚度 ?n(mm) 3456789101214161820222426 30037. 337. 738. 138. 538. 939. 339. 6 35040. 040. 340. 641. 041. 441. 842. 1 400
24、42. 442. 843. 143. 543. 844. 144. 544. 845. 546. 146. 8 45044. 745. 145. 445. 746. 146. 446. 747. 047. 748. 348. 949. 5 50046?947?247?647?948?248?548?849?149?750?450?951?552?1 55049?049?349?650?050?250?550?851?151?752?352?953?554?054?6 60051?051?351?651?952?252?552?853?153?654?254?855?355?956?460?0
25、65053?053?353?553?854?154?454?654?955?456?056?657?157?658?158?7 70054?855?155?455?655?956?256?556?857?357?858?358?959?459?960?4 75056?756?957?257?457?758?058?258?559?059?560?160?661?161?662?162?6 表 3? 以外径为公称直径的标准椭圆封头有垫板时 y 值(垫板 厚?= 6mm) DN325377426 y37?540?242?6 3? 按虚拟方程求近似解 切点至椭圆切线的高度 y 值, 也可通过下面虚拟
26、 的三组方程求近似解, 各方程中, a ? DN/ 2, b ? DN/ 4, ?n? 封头名义壁厚。 ( 1) 以内径为公称直径的标准椭圆封头( 无垫板) 方程设为 x 2/ ( a+ ? n) 2+ y2/ ( b+ ? n) 2= 1, 令 x = a+ ?n- 10, 则按该方程求解的 y 值与表 1 标准值相比, 相对误差为 0?5% 2?7%。 ( 2) 以内径为公称直径的标准椭圆封头( 有垫板, 垫板厚 6mm) , 方程设为 x 2/ ( a+ ? n) 2+ + y2/ ( b+ ?n) 2= 1, 令 x = a+ ? n- 16, 则按该方程求解的 y 值 与表 2 标准
27、值相比, 相对误差为 3?4% 11%, 除 DN 600? 24 规格相对误差 11% 以外, 其余规格为 3?4% 7?8%。 ( 3) 以外径为公称直径的标准椭圆封头( 有垫板、 垫板厚 6mm) , 方程设为 x 2/ a2+ y2/ b2= 1, 令 x = a - 16, 则按该方程求解的 y 值与表 3 标准值相比, 相对 误差为 1?7% 6?5% 。 4? 结束语 用以上三组虚拟方程计算 y 值, 存在以下规律: 相同壁厚时, 直径越大, 误差越小; 同一直径时, 壁厚越 厚, 误差越大。但最大绝对误差不超过 6mm, 因而用 于计算支座是可行的。 参考文献 1? JB/T4
28、713- 92, 腿式支座 2? JB/T4724- 92, 支承式支座 3? JB/T4725- 92, 耳式支座 4? JB/T4737- 95, 椭圆形封头( 收稿日期: 2000 年 6 月 14 日) ( 上接第 7 页) 5? 全国压力容器标准化技术委员会. 钢制压力容器国家标准 (GB150? 98) : 北京: 标准出版社, 1998 6? 李永生. 波纹管设计. 管道技术与设备, 1993(2): 33? 38 7? 国家质量技术监督局. GB/ T 12777? 1999 金属波纹管膨胀 节通用技术条件, 1999 8? Standards of the Expansion
29、 Joints Manufacturers Association, INC, seventh Edition, 1998 9? 李添祥, 黎廷新, 罗小平. 膨胀节 EJMA 标准新版设计算式 改动的述评. 压力容器, 1999(5) 10? 盛水平. 膨胀节强度分析及结构优化. 南京化工学院硕士 论文, 1988. 5 11? 王宗彦, 罗嫣春, 魏生民. 基于约束的图形参数化建库工具 研究. 机械设计, 1998(6) 12? 田文超, 琚柏青. 基于约束的参数驱动法研究. 微机发展, 1999(3) 13? 唐敦兵, 李东波等. 图素拼合参数化设计. 机械设计, 1998 (7) 14
30、? 范文慧, 谭建荣等. 基于图形单元技术的轴类零件的设计. 机械设计. 1998( 5) 15? Mckelvy, M. , Martinsen, R. 杨继平等(译) Visual Basic 5 开 发手册, 北京: 机械工业出版社, 1997 16? ActiveX Automation online help, Autodesk, 1999 17? 王玉, 用 VBA 开发 AutoCAD 2000 应用程序, 北京: 人民邮 电出版社, 1999 18? 戴春来, 陈功, 陆信. AutoCAD Automation 技术的应用. 工 程设计 CAD 与智能建筑, 1999 ( 收稿日期: 2000 年 8 月 31 日) 10? ? ? ? 管道技术与设备2000 年