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[2>。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蟮模?+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、圖形系統(tǒng)及幾何造型核心[3>,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。
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(ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＣｌａｓｓｅｓ)類庫[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)?ＯｂｊｅｃｔＡＲＸ2000ＡｐｐＷｉｚａｒｄ),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ａｃａｄ ｍｎｕ,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。
3 2 人機(jī)交互界面的創(chuàng)建
微軟的基礎(chǔ)類庫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(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。
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。
對于一些簡單的實(shí)體,如長方體、圓柱體、球體等,可以借助ＡｕｔｏＣＡＤ2000中的三維實(shí)體造型核心即ＡＣＩＳ(ＡｍｅｒｉｃａｎＣｏｍｍｉｔｔｅｅｆｏｒＩｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｌｅＳｔａｎｄａｒｄｓ)系統(tǒng)中的成員函數(shù)如ｖｉｒｔｕａｌＡｃａｄ::ｃｒｅａｔｅＢｏｘ(ｘ,ｙ,ｚ)來生成和編輯。對于復(fù)雜的三維實(shí)體模型,可以采用基于二維對象運(yùn)用擠出、旋轉(zhuǎn)和布爾操作來生成三維實(shí)體。
3 3 1 擠出法(Ｅｘｔｒｕｄｅ)
先生成二維實(shí)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(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)體對象,按指定的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)來生成新的三維實(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?yàn)檩S的方向矢量,ＡｎｇｌｅＯｆＲｅｖｏｌｕｔｉｏｎ為旋轉(zhuǎn)角度(弧度)。
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。
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。
4 3 生成螺栓孔和拉桿孔
根據(jù)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(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。
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有限元分析軟件對零部件進(jìn)行溫度場和應(yīng)力場的有限元分析優(yōu)化中,需要根據(jù)優(yōu)化結(jié)果不斷地修改三維模型,對一些復(fù)雜的三維模型,手工修改簡直不可想象。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)。
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
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。
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)常要對管板進(jìn)行溫度場和應(yīng)力場的有限元分析,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)。
（轉(zhuǎn)載）
