1、三維設(shè)計(jì)軟件UG概述

　　換熱設(shè)備是將熱流體熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，它是化工、煉油、輕工、制藥、食品、機(jī)械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。隨著各行業(yè)對(duì)換熱設(shè)備性能需求的不斷提高，各種新型換熱設(shè)備的研制勢(shì)在必行。

　　在換熱設(shè)備研發(fā)過程中.目前絕大部分企業(yè)仍然采用二維設(shè)計(jì)軟件，有時(shí)為了提供急需的報(bào)價(jià)信息，或追趕工期，設(shè)計(jì)人員通常是在舊圖樣上直接進(jìn)行尺寸修改，或模仿老產(chǎn)品倉促地進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣，采用二維設(shè)計(jì)的弊端就難以避免:一是與同三維模型關(guān)聯(lián)的工程圖相比，修改二維圖形的工作量相當(dāng)繁瑣，原有圖樣利用率極低。二是平面圖形不能形象直觀地反映實(shí)體。修改設(shè)什和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題在設(shè)計(jì)初期很難被發(fā)現(xiàn)。三是在倡導(dǎo)"分析設(shè)計(jì)法"的今天，二維設(shè)計(jì)無法為CAD/CAM提供三維的分析模型，不能預(yù)見產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用中可能出現(xiàn)的問題。四是不能迅速提供準(zhǔn)確、可靠的報(bào)價(jià)信息。而三維設(shè)計(jì)軟件UG能較好解決以上的這些問題，具有很好的應(yīng)用前景。

　　2 UG在換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

　　2.1三維造型設(shè)計(jì)

　　換熱設(shè)備因具有品種多、單件、小批量等特點(diǎn)，若仍采用二維平面設(shè)計(jì)顯然不能滿足當(dāng)今市場(chǎng)時(shí)效性的需求。為了能及時(shí)地給客戶提供經(jīng)濟(jì)可行的方案，便于與客戶進(jìn)行技術(shù)交流，采用三維造型設(shè)計(jì)是行之有效的選擇。在當(dāng)今三維造型軟件中，UG以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)遙遙領(lǐng)先。選用UG平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，既可以向客戶展示產(chǎn)品模型，又能通過虛擬裝配及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳熱設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的問題:換熱設(shè)備管束組裝設(shè)計(jì)是否可行;折流板布置是否確當(dāng);新穎結(jié)構(gòu)是否實(shí)用。此外，由UG建立的主模型，利用工程圖模塊、CAE/CAM模塊可同時(shí)進(jìn)行零件的出圖、工程分析和加工工藝編寫等工作。應(yīng)用UG進(jìn)行整套產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為銷售部門搶占商機(jī)贏得了許多寶貴的時(shí)間。

　　2.2參數(shù)化設(shè)計(jì)

　　一臺(tái)換熱設(shè)備無論其具有何種功能，它通常是由圓筒、封頭、接管、法蘭和支座等組成。因此，各種換熱設(shè)備在結(jié)構(gòu)上都具有一定的相似性。而參數(shù)化設(shè)計(jì)就是將結(jié)構(gòu)形狀比較固定的零件用一組參數(shù)的尺寸關(guān)系來表示，進(jìn)行零件的變異設(shè)計(jì)時(shí)，只需修改相應(yīng)的參數(shù)即可完成。UG軟件具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能。對(duì)于換熱設(shè)備中標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)，如圓筒、封頭、法蘭、支座等，提取出特征參數(shù)和主要尺寸參數(shù)，便可以用UG進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。UG中部件族的功能就是用于建立一系列結(jié)構(gòu)相同而部分參數(shù)不同的部件。部件族的功能特點(diǎn)是在一個(gè)部件的基礎(chǔ)上，通過電子表格設(shè)置各個(gè)部件的參數(shù)，然后利用電子表格設(shè)置的參數(shù)快速生成一系列部件，而不必逐個(gè)建立各個(gè)部件，從而大大提高了建模效率。根據(jù)其特點(diǎn)，其特別適用于標(biāo)準(zhǔn)件和常用件等部件的建立。如在圖1所示橢回形封頭的基礎(chǔ)上，按照?qǐng)D2所示填寫部件組成員的名稱和參數(shù)，添加所需部件，從而完成相同結(jié)構(gòu)不同參數(shù)的封頭設(shè)計(jì)。

　　2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　降低成本是換熱設(shè)備"技改項(xiàng)目"中的重要目標(biāo)之一。要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)是必經(jīng)之路。為了避免過去"一次設(shè)計(jì)一個(gè)方案"的情形，現(xiàn)在針對(duì)用戶的每個(gè)訂單都提出幾套可行方案，然后對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行具體的"性價(jià)比"分析，最后從中選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。換熱設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)通常是在給定的載荷、材料以及基本組成結(jié)構(gòu)形式下，通過選取合適的設(shè)計(jì)變量，使換熱設(shè)備的某項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值。運(yùn)用UG完全可以解決這個(gè)問題。以帶橢圓封頭的固定管板式換熱器為例，為了降低材料成本，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)通常選最小質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計(jì)變量一般選筒體的內(nèi)直徑、長度、厚度。約束條件一般包括:滿足換熱面積;封頭、管板和筒體的厚度應(yīng)滿足相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，能大大降低換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)成本。

　　2.4有限元分析

　　在高參數(shù)、大型化的場(chǎng)合，為了保證換熱設(shè)備的使用壽命和安全，設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)承壓的重要元件管板、殼體、管束、膨脹節(jié)等進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度計(jì)算和校核。工作中，換熱設(shè)備要受到壓力載荷和溫度載荷的作用。由于換熱設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 151中僅僅闡述了受壓力影響的設(shè)計(jì)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)換熱設(shè)備受壓力和溫度載荷藕合作用的情形展開了深人研究。在諸多方法中，有限元法已成為建立分析數(shù)學(xué)模型的最重要方法。隨著UG軟件日益完善，其自帶有限元分析模塊可以取代常規(guī)的有限元分析軟件(如Ansys, Marc等)，進(jìn)行某些工程分析。尤其在處理復(fù)雜模型時(shí)，運(yùn)用UG進(jìn)行有限元分析有以下兩大優(yōu)勢(shì):其一，避免以往由Pro/E, UG等造型軟件向ANSYS等分析軟件轉(zhuǎn)化的過程，減少了許多因轉(zhuǎn)化帶來的許多額外工作。其二，根據(jù)有限元分析結(jié)果，直接修改主模型，由于UG各模塊間具有關(guān)聯(lián)性，工程圖會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行相應(yīng)修改。

　　2.5管板布管

　　換熱管是換熱設(shè)備的重要組成部分。設(shè)計(jì)過程中，它的布局合理與否將直接影響整個(gè)設(shè)備的傳熱效果。換熱管在管板上的排列形式通常為三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)角正方形。布管時(shí)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段是二維平面設(shè)計(jì)法。對(duì)剛從事?lián)Q熱設(shè)備設(shè)計(jì)新手而言，因布管成功率較低，會(huì)帶來許多重復(fù)工作。此時(shí)，若采用UG進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作量能大大減少。根據(jù)實(shí)際需要，能進(jìn)一步優(yōu)化布管，合理確定拉桿、接管的位置，使換熱設(shè)備的傳熱效果和整體性能得到可靠保證。

　　2.6整體裝配

　　在完成各零件模型的設(shè)計(jì)后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求利用UG提供的Assembly模塊裝配零件，采用從底向上建模、自頂向下建模和混合建模3種方法，通過一定的裝配約束關(guān)系，調(diào)用已建立的零部件庫可實(shí)現(xiàn)換熱設(shè)備的快速裝配，這樣設(shè)計(jì)者對(duì)于各零部件間的匹配關(guān)系就有了一個(gè)很直觀的認(rèn)識(shí)，有助于設(shè)計(jì)的整體進(jìn)程。

　　3結(jié)語

　　根據(jù)換熱設(shè)備的產(chǎn)品特點(diǎn)，合理地使用UG各功能模塊，能很好解決該產(chǎn)品研發(fā)過程中遇到的設(shè)計(jì)問題。這不但為設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)、高效的產(chǎn)品提供了科學(xué)依據(jù)，而且還能為從事?lián)Q熱設(shè)備設(shè)計(jì)企業(yè)創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟(jì)效益。