换热设备CAD系统的应用研究

前言：换热设备是一种广泛应用子化工、石油、化肥、动力等工业领域的过程装备机械，用来进行加热、冷却或热能回收利用等工艺过程。郑州大学热能工程中心所研制的新型高效纵流壳程换热器，具有优良的传热及防流体诱导振动性能，同时具有流体流动阻力小、抗结垢能力强、使用寿命长、节材等显著优点。多年来已在百余厂家应用，产生了巨大的社会和经济效益。为适应现代设计的要求进一步推广应用，本中心开发出了按我国标准设计的新型纵流壳程换热设备智能CAD系统软件——热力系统换热设备CAD系统(简称HECAD系统)。

HECAD系统是基于AutoCAD的二次开发，旨在实现换热设备工艺、机械、零部件的一体化和集成化设计的软件系统。它主要分为工艺设计子系统、机械设计子系统、零部件设计子系统、整体绘制总装图子系统。HECAD系统在实现从工艺计算到绘制图纸的整个过程中，数据库技术直接影响着系统的性能与运用水平。

一 HECAD系统的数据

HECAD系统是一个非常庞大的系统，它的数据类型也非常复杂，大致可分为几何数据、工程材料数据、物性参数数据、图形数据、计算程序所输出的数据等。

几何数据可分为标准几何参数和非标准几何参数。标准几何参数数据主要是指国家标准规定的法兰、垫片、零部件等参数文件。非标准几何参数是指在设计中根据实际需要所设计的、国家或行业没有给出具体标准的零部件的参数。

工程材料数据包括常温强度指标、许用应力等主要用于机械设计的数据。

物性参数包括一定温度和压力下的单组分及混合气的密度、粘度、比热容和导热系数，主要用于工艺计算。

图形数据包括粗糙度、形位公差标注等属性图块。

计算程序所输出的数据包括工艺设计和机械设计各模块计算输出的中间结果、最终结果和计算说明书等。

二 HECAD系统数据库的规划与设计

换热设备设计过程为：主要利用数据库中的物性参数，得出工艺设计结果，并存放到设计结果数据中；然后在工艺设计的基础上，遵循有关标准并用几何数据、工程材料数据等进行机械设计，并把设计结果也存放到设计结果数据中。如果要进行模块拼装集成的话，就可以根据从设计结果数据中读取的工艺设计和机械设计的设计结果，正确地选择所需要的零部件和公共模块。

数据库管理系统的任务就是搜集所有设计过程中的结果并在对其进行加工处理后交给自动拼装图形集成部分，把储存的设计结果直接用于图形系统自动集成；同时还可以把数据库中的数据返回设计结果，使工艺设计和机械设计根据设计结果初始化，重新对设计结果进行计算或校核。外加一个图形库管理系统，对系统设计出来的图形进行管理，实现对图形的增加、删除和查询等功能。如果遇到相同或相似的工艺过程，可以直接调出图形以提供参考。

HECAD系统的工程数据库的思路是：在遵循三级模式多层次工程数据库理论和数据库管理系统应具备的功能基础上，用面向对象的数据库方法设计程序计算结果和数据库管理部分；用普通的关系数据库软件设计管理换热设备最终设计结果的数据库；数据库管理部分通过MS VC++的ODBC接口用SQI 语言对其进行控制。其核心部分规划如图1所示。

2．1 计算数据部分的设计

设计结果中的数据包括工艺设计、机械强度计算校核等设计文档说明书，设计输入的参数和设计计算的最终结果及大量中间信息。

HECAD系统的设计为了实现高度的集成和方便用户，从工艺设计子系统开始，在一个子系统中所有模块需要的参数，都自动继承上一模块计算所得的参数。从工艺设计过程开始，系统会建立一个工程空间来存储本次设计过程中的数据，利用数据库管理部分动态地与设计模块进行数据交换，由此实现包括工艺设计在内的所有模块在打开时都会联接相应的工程空间， 自动读取所需参数和结果。

2．2 数据库管理部分的设计

数据库管理部分的功能为：与应用程序结果部分的交互，从应用程序结果部分获取所有数据存储在数据库中；与用户界面部分的交互；与问题域的交互，保持问题域各部分数据的一致性；与关系数据库存储部分的交互，使数据库管理部分和与此联系的各部分数据协调一致。

& nbsp; 数据库管理部分的设计主要采用面向对象的数据库管理系统的设计思想和方法，它的具体设计建立在问题域所描写类的基础上。为了使数据库管理系统允许多个用户、应用并发地共享持久数据库，数据库管理系统使用并发控制、存储管理和优化策略。

2．3 系统关系数据库存储部分的设计

利用ODBC所支持的数据系统，建立起换热设备的关系数据库，需要考虑的主要问题是处理对象模型面向对象关系数据库模式的映射。对它的设计重点考虑其逻辑模式，通过ODBC接口，受系统数据库管理部分控制与操作。

HECAD系统中的数据库设计整体上采用面向对象的数据库设计方法。关系型数据库最为常用，并且技术成熟、应用广泛，为大多数领域的数据库支持，因此，系统选用了关系数据库作为整个数据库的存储基础。数据库的设计对应于数据库的逻辑模式设计，只是表示集合的逻辑定义。外部模式与逻辑模式之间的接口是视图、存储过程或其他驻存服务器端的数据库处理程序。设计的关键是针对在抽象出的对象模型中出现的一个应用是一个或多个超类对象的子对象，选择适当细分层次的对象模型将其映射到数据库表中，形成关系表进行存储。外部模式与概念模式之间的接口越少、越简单越好，这样的程序设计简单，数据库和程序都易于维护。

在系统中，把关系数据库存储作为一个单独的部分来设计，把数据库管理部分看作是基于既存数据库的后端处理，经过面向对象管理部分的对象建模，将对象模型合理地映射到关系数据库逻辑模式。

三 HECAD系统数据库

HECAD系统的数据库主要分为工程材料数据库、物性参数数据库、零部件几何参数数据库和图形数据库。HECAD系统的总体结构是如图2所示的一种形式，数据库系统的结构如图中虚框内部分所示。

3．1 物性参数数据库

在HECAD中，物性参数数据库建立以后的主要功能为：计算或查询一定温度和压力下的气体组分，高压下多组分任意组合的混合气的密度、粘度、比热容和导热系数，提供程序计算中所需要的密度、粘度、比热容和导热系数。同时，又提供查询界面，可以直接输入流体的状态参数，从而得出流体的物性参数，作为词典使用。其人机交互查询界面如图3所示。

在换热设备物性参数数据库的建立过程中，需要从相关的工程手册或设计规范中查找各种数据，而这些数据往往以线图或数表的形式表现，要建立HECAD系统物性参数数据库。首先必须实现设计数据的计算机化，运用数据处理技术将人工查找转变为CAD进程中的高效、快速处理。数据处理主要有对数据进行程序化和数据库存储两种方法。

3．2 工程材料数据库

系统要求工程材料数据库的功能主要是用来查询《钢制压力容器》中板材、管材、锻件和螺柱等工程材料在常温、非常温及高温下的材料性能参数。可以由程序直接调用后把结果返回程序，也可以实现独立运行起到字典作用。工程材料数据库包含两个人机交互界面：钢材许用应力及相关参数界面和钢材高温性能

及相关参数界面。界面与图3相似。

3．3 零部件几何参数数据库

在机械设计和零部件设计中用到零部件的几何结构参数。为实现零部件设计，子系统提供工业标准的结构参数数据支持。并实现对机械、化工等工业领域中常用的零部件国家标准和行业标准的查询、修改等管理。内容包括有关标准中的标准几何结构参数，如人孔、封头、支座等等。这部分数据是换热设备零部件数据基础。换热设备零部件大都已经标准化和系列化。几何结构参数相对固定，对这部分数据采用了数据库方式进行处理。

3．4 图形数据库

HECAD系统中的图形数据库作为一个相对独立的数据库，主要用来实现对图形的查询、修改、删除等操作。本次采用PowerBuilder开发AutoCAD图形文件管理系统。使得在处理AutoCAD图形文件的过程中更方便、直观。该系统不但可以单独使用，也可以作为子系统在CIMS系统中使用，同样也可以连接在Auto—CAD二次开发系统中，以实现网络化，加强管理功能，完成系统所需的图形库管理系统。

四 结束语

& nbsp; 随着计算机技术的发展。计算机在制造业中的应用已从单一的计算机绘图发展到新产品全过程开发的集成，以信息流驱动产品生命周期的全过程，并逐步走向计算机集成制造系统(CIMS)。在这个过程中数据库技术不仅直接影响着系统的运用水平，还将影响今后的系统的扩充与集成发挥。因此。在建立系统时。应该认真地对数据库进行分析和规划，建立一个不仅适合所设计的系统的数据库，而且数据库要适合扩展、面向未来。