参数化设计是在对零部件结构形状分析的基础上, 通过尺寸参数和约束来定义有明显对应关系的几何图形, 以此达到驱动几何图形的目的, 即改变尺寸或约束, 对应的几何图形就会发生相应的变化。参数化设计能够反映设计者设计过程中的设计理念。
针对三维软件的参数化设计的研究十分广泛。结合实例, 研究了UG系统二次开发过程中的特点和实现方法;基于UG二次开发对参数化零件族系统进行了研究;L and Zhao为了提高飞机发动机三维管道布局系统的效率, 基于UG二次开发, 建立了参数化组件库, 实现了自动化布管和实时修改的功能;Wang基于UG/KF二次开发技术, 实现了叶轮模型的参数化设计;运用UG设计了汽轮机叶片夹具、球面渐开线弧齿锥齿轮、蜗杆传动参数化系统。
管壳式换热器在化工食品等行业应用广泛。运用基于Pro-Engineer的骨架模型设计方法, 实现了管壳式换热器的参数化及系列化设计;对换热器进行模块化、参数化研究, 并进行了动态建模仿真。管式换热器种类非常多, 设计人员需要根据物料及杀菌的要求进行换热器类型的选择及具体结构参数的设计, 如何快速实现不同型号换热器的选择与设计成为制约企业杀菌机设计效率提高的关键因素。本文运用UG提供的UG/Open开发工具和Microsoft Visual Studio 2013开发平台, 完成管壳式换热器的参数化设计建模, 能够快速设计出符合要求的管式杀菌机, 有利于减少饮料杀菌机的设计周期, 提高设计效率, 降低生产成本。
Microsoft Visual Studio是综合性开发工具产品, 由美国微软公司开发, 包含了整个SDLC (软件生命周期即开发、测试、发布等) 中的大部分开发工具, 如源代码管理、持续集成、单元测试与TDD等, 而且所编写的代码对所有微软支持平台适用, 其中包括NET Framework、Windows Mobile、Compact Framework等。具有诸多优秀的特征, 包括自动检查代码错误, 多字节与宽字节间的转换, 对Active X空间的支持以及与NX等三维软件良好的接口关系和调试功能。因此在选择平台时, 选用Microsoft Visual Studio系列。
NX中不仅包含强大的一体化CAD/CAE/CAM功能, 还提供了一整套用于NX二次开发的软件模块, 其中有几种与NX二次开发相关的关键技术, 如表1。
在UG安装目录UGOPEN文件夹下面找到vs_files文件夹里面的所有文件夹 (VB、VC、VC#) 拷贝到Microsoft Visual Studio2013安装录下。然后用记事本打开Microsoft Visual Studio2013下的VB/VC/VC#中的NX-VC#.vsz, 修改行“Wizard=Vs Wizard.Vs Wizard Engine8.0。然后重新打开Microsoft Visual Studio2013, 会在选项中出现NX8.0Open Wizard。
管式杀菌机是间接加热杀菌设备的一种, 是管式换热器在食品工业中的应用。管式杀菌机有立式与卧式两种, 食品工业中常用卧式。管式杀菌机主要由换热部分、平衡罐、加压泵、热水处理系统以及管道附件等组成。其中换热部分主要包括了预热段、杀菌段、冷却段3个阶段, 采用多个管壳式换热器串联实现换热。杀菌机中的管壳式换热器与一般的化工管壳式换热器在结构上存在不少差异。该管壳式换热器主要由换热管, 外套管, 端头, 接头, 折流板以及法兰组成。化工产品中多采用固定管板固定换热管, 由于实际生产需要, 杀菌机中采用端头固定换热管, 端头再与法兰、接头连接, 接头与外套管连接, 折流板安装在外套管中, 以增加壳程中流体的流速, 提高壳程的传热膜系数。实际生产中, 客户需求不一样, 换热计算后得到的换热器具体参数也不一样。以端头的具体结构为例, 主要参数有端头直径、内孔直径、孔中心距, 内孔数量等, 当一个参数改变, 就需要重新建模, 使得设计周期变长。先用UG自身的建模功能, 根据端头的外形结构, 快速绘出端头的三维模型, 再基于UG的二次开发进行参数设计, 可以快速设计出不同用户需求的端头模型。
NX/Open Menu Script是NX/Open中的重要组成部分, 用于菜单脚本。用户可以通过Menu Script, 实现UG菜单条的增加、删除、修改等功能, 因此用户可以建立个人菜单条, 实现UG菜单个性化。本文主要用了一级菜单与二级菜单的用户定制。
为了设计出用户个人菜单, 首先要进行开发环境的设置。在E盘中建立Huan Re Qi文件夹, 并在该文件夹下建立2个文件夹, 并分别命名为startup和application, 在我的电脑属性中, 新建环境变量, 变量名为UG_USER_DIR, 变量值为E:/Huan Re Qi, 最终在startup文件夹下新建文件Huan Re Qi.men, 并输入以下内容:
为了提高开发效率, UG/Open UIStyler提供丰富的窗口制作功能, 避免了用户在开发过程中的GUI (用户界面) 繁琐操作。用户只需简单地选择所需的控件然后进行添加操作就可以快速创建界面, 在用户创建对话框之后, UG会自动生成3个文件, 分别是xxx.dlx、xxx.hpp和xxx.cpp, 并且将其存放到相应的目录下。这些文件在开发中体现了不同的功能, xxx.dlx是对话框的源文件, 主要存放用户添加的对话框的样式和各个控件的响应函数名称以便调用。xxx.hpp是对话框在C++中的头文件, 主要是对所用控件响应函数的一个声明和控件的标识作用。xxx.cpp是所用开发语言的文件模板, 设计开发所用的是C++, 因此是C++的语言文件模板, 主要包括回调函数的定义, 并且提供了对话框的程序框架, 这个程序框架通过调用UG本身的API函数和通过访问对话框的资源文件, 来实现对话框界面功能。
通过对饮料杀菌机管壳式换热器的结构分析, 以端头为例, 选管子排列为正三角形排列, 设计端头参数化设计对话框, 设计过程分为4个步骤:
1) 进入UG系统, 在所有应用模块中进入块UI样式编辑器;
2) 应用Block UI Styler, 进行对话框界面的布局排版 (参数、主视图视图、侧视图) 和相应回调函数的设置;
3) 搭建Microsoft Visual Studio开发平台;
4) 创建向导。
以端头的参数化为例, 因为端头为非标准件, 各种端头的尺寸不尽相同而且要进行装配, 就需要尽可能准确地反映出端头的三维实体模型, 所以本文端头的主要参数有25个, 主视图21个, 侧视图4个, 分别控制了端头的长度和直径大小, 管道的大小和个数, 考虑到实际的加工工艺可以调整端头倒角尺寸。通过这些参数的控制便可以控制整个端头的三维模型的变化, 减少了手动操作的繁琐过程。
以端头参数化编程为例, 部分核心程序如下:
完成编程后, 打开之前快速建模好的端头模型, 进入用户自定义菜单, 输入不同的结构参数, 可以快速得到相应的三维模型, 如图2所示。
经过对管壳式换热器各个主要部件的参数化设计, 根据实际生产需要, 输入19根换热管, 管外径12 mm的管壳式换热器的实际参数, 生成各主要部件的三维模型, 如图3所示。
UG自带强大的装配功能, 将管壳式换热器各部件根据装配关系, 主要用到的装配关系有轴的同心、共面等, 完成管壳式换热器模型的装配, 如图4所示。
基于UG的二次开发, 运用Microsoft Visual Studio2013开发平台, 对饮料杀菌机中的管壳式换热器进行菜单个性化定制、参数驱动的三维模型搭建、三维模型的虚拟装配的参数化设计。该参数化设计具有如下的优势与前景:
1) 与传统的设计方法相比, 设计工作量小, 根据不同客户的不同要求, 能够快速完成管壳式换热器的三维建模, 大幅度地减少了设计周期, 提高了生产效率, 节约了成本, 给企业带来了实际效益;
2) 与其他的管壳式换热器参数化设计方法相比, 从一个新的角度, 综合运用UG二次开发工具NX/Open MenuScript、NX/Open UIStyler、NX/Open API、NX/Open C++以及Microsoft Visual Studio 2013, 对整个管壳式换热器进行了参数化设计, 更加全面;
3) 基于UG二次开发的管壳式换热器参数化设计, 在实际生产中, 有着非常好的应用前景, 同时也为整个管式饮料杀菌机的参数化设计提供了快速建模的方法。
