（機械設計及理論專業(yè)論文）球形儲罐cad系統(tǒng)研究.pdf

摘要 球形儲罐c a d 系統(tǒng)研究 機械設計及理論專業(yè) 研究生何元新指導教師鄭忠俊 摘要 計算機輔助設計與制造( c a d c a m ) 技術己經和傳統(tǒng)的制造業(yè)緊密結合， 不僅改變了制造業(yè)設計和制造各種產品的傳統(tǒng)作業(yè)方式，而且有利于提高企業(yè) 的創(chuàng)新能力、技術水平和市場競爭能力，也是進一步向計算機集成制造系統(tǒng) ( c i m s ) 發(fā)展的重要技術基礎。 球形儲罐是化學工業(yè)、石油工業(yè)及其它一些行業(yè)中廣泛使用的重要化工設 備，其研究和開發(fā)倍受重視。球罐設計和c a d c a e 技術的結合，將極大地提 高設計質量和設計效率，縮短新產品開發(fā)周期。但是，由于c a d c a e 軟件開 發(fā)自身專業(yè)性強，現(xiàn)有的化工設備c a d c a e 軟件還落后于計算機應用技術發(fā) 展的現(xiàn)狀，在開發(fā)、維護、擴充和升級等方面還存在一系列問題。因此，研究 和開發(fā)一套實用的專用化工設備c a d 系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)意義和實用價值。 本文將球罐設計專業(yè)知識與計算機輔助設計知識相結合，以v b 6 0 為開發(fā) 平臺，以a u t o c a o 、a n s y s 為支撐軟件，采用參數化設計和模塊化設計思想，用 v 8 、a p d l 等編程方法對球罐c a d 系統(tǒng)的開發(fā)進行了研究。論文的主要成果和特 色如下： 1 把傳統(tǒng)的球罐設計與計算機輔助設計技術相結合，開發(fā)了具有繪圖和有 限元分析功能的球罐c a d 系統(tǒng)。 2 本系統(tǒng)的強度計算模塊完全按照g b l 2 3 3 7 - - 1 9 9 8 鋼制球形儲罐的有 關規(guī)定計算，并且建立了計算所需圖表數據庫，材料數據庫，還可以對材料數 摘要 據庫進行更新和維護。 3 開發(fā)了球罐c a d 系統(tǒng)的a n s y s 專用分析模塊，可以把按規(guī)范計算確 定了的結構尺寸和材料的球罐在a n s y s 中進行有限元分析，也可以在a y s y s 中 用開發(fā)的計算模塊重新按規(guī)范計算球罐結構尺寸，選擇材料，再進行有限 元分析。 4 開發(fā)了球罐瓣片結構尺寸參數化繪圖模塊。 關鍵詞：球形儲罐c a dc a e 參數化設計有限元分析 i i a b s t r a e t r e s e a r c ho nc a d s y s t e mo fs p h e r i c a lt a n k m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y g r a d u a t es t u d e n t ：h ey u a n - x i n a d v i s o r ：z h e n gz h o n g - j u n a b s t r a c t n 掄t e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gh a si n t e g r a t e d w i t ht r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n g i th a sn o to n l yc h a n g e dt h ec o n v e n t i o n a lm o d eo f d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gp r o d u c t s ，b u ta l s oh e l p e dt oi m p r o v et h ea b i l i t yo f i n n o v a t i o n , t h el e v e lo ft e c h n o l o g ya n dt h e a b i l i t yo fm a r k e tc o m p e t i t i o no f e n t e r p r i s e s i ti sa l s ot h ei m p o r t a n tt e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t t o w a r dc i m s n e s p h e r i c a lt a n k ，a sa k i n do f i m p o r t a n tc h e m i c a lc q u i p m e m ，i sw i d e l yu s e di n c h e m i c a li n d u s t r y , o i li n d u s t r ya n do t h e ri n d u s t r i e s p e o p l ea t t a c hi m p o r t a n c et ot h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h ed e s i g no ft a n ki n t e g r a t e dw i t hc a d c a ec a l l i m p r o v et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fd e s i g n , a n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo f p r o d u c t b u tb e c a u s et h ed e v e l o p m e n to fc a d c a es o f h r c a r ei sv e r yp r o f e s s i o n a l ， t h e e x i s t i n g c a d ，c a es o f t w a r eo f c h e m i c a l e q u i p m e n t sl a g s b e h i n dt h e d e v e l o p m e n to f c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h e r ei sa s e r i e so f p r o b l e m si n d e v e l o p m e n t ，m a i n t e n a n c e ，e x p a n s i o na n du p g r a d e s oi ti sm e a n i n g f u la n du s e f u lt o s t u d ya n dd e v e l o pas p e c i a lc h e m i c a li n d u s t r yc a ds o f t w a r es y s t e m t h i sp a p e ri n t e g r a t e st h et a n kd e s i g nk n o w l e d g ew i t hc a d k n o w l e d g e i tu s e s v i s u a lb a s i c 6 0p r o g r a ml a n g u a g ea n da u t o c a da n da n s y ss o f t w a r ea n da d o p t s 1 1 l p a r a m e t e r i z a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o ni d e a i ts t u d i e st h ed e v e l o p m e n to fs p h e r i c a l t a n kc a ds y s t e mw i t hv b ，a p d l t h e r ea r eo u t c o m e sa n dc h a r a c t e ro ft h i sp a p e r a sf o l l o w i n g s ： 1 i n t e g r a t e st h e t r a d i t i o n a l s p h e r i e a lt a n kd e s i g nk n o w l e d g ew i t hc a d k n o w l e d g ea n dd e v e l o p st h es p h e r i c a lt a n kc a ds y s t e mw h i c hc a np l o ta n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s 2 t h i ss y s t e m ss t r e n g t hc a l c u l a t i o nm o d u l ei sb a s e do ng b l 2 3 3 7 - 1 9 9 8t h e s t e e ls p h e r i c a lt a n k g r a p ht a b l ed a t a b a s et h a tc a l c u l a t i o nr e q u i r e sa n dm a t e r i a l d a t a b a s ea r ee s t a b l i s h e d a n dt h em a t e r i a ld a t a b a s ec a nb er e f r e s h e da n dm a i n t a i n e d 3 t h i ss y s t e md e v e l o p st h es p e c i a la n a l y s i sm o d u l eo fs p h e r i c a lt a n kc a d s y s t e m w ec a na n a l y z et h em o d e lb a s e d0 nt h es t r e n g t hc a l c u l a t i o nm o d u l ew i t h a n s y s w jc a na l s oc a l c u l a t et h et a n kf r a m ed i m e n s i o nw i t hm o d u l ei na n s y s a n ds e l e c tm a t e r i a l s ，a n dt h e ne m b a r ko nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 。 4 t h i ss y s t e md e v e l o p st h ep a r a m e t e r i z a t i o np l o tm o d u l eo fp e t a lo ft a n ki n a u t o c a d k e y w o r d s ： s p h e r i c a lt a n k ；c a d ；c a e ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ； 第一章緒論 1 緒論 隨著科學技術的飛速發(fā)展，特別是i n t e m e t w e b 技術的蓬勃發(fā)展，信息化 浪潮席卷全球，信息技術對制造業(yè)也產生了極其深刻和全面的影響，使制造業(yè) 的發(fā)展打上了明顯的信息化烙印，使制造業(yè)的競爭環(huán)境、發(fā)展模式及運行效率 與活動空間發(fā)生了深刻變化【”。我們必須抓住這個機遇，使我國在最短的時間 內從制造業(yè)大國轉變?yōu)橹圃鞓I(yè)強國。 1 1 制造業(yè)信息化及發(fā)展趨勢 制造業(yè)信息化是將信息技術、現(xiàn)代管理技術與制造技術相結合，并應用到 企業(yè)產品生命周期( l i f e c y c l e ) 全過程和企業(yè)運行管理的各個環(huán)結，從而提高 企業(yè)市場競爭能力的過程f 2 1 。 1 1 1制造業(yè)信息化的意義 制造業(yè)是一個國家國民經濟的強大后盾，制造企業(yè)的先進與否是衡量一個 國家經濟實力的標準。我國經過多年的奮斗努力，制造業(yè)及其信息化體系的建 設已經取得了一定的成就，如資金運轉效率增幅1 8 4 、網絡營銷應用率增幅 3 6 8 ，企業(yè)財務決算速度增幅1 3 1 ，但與發(fā)達國家相比仍有很大的差距1 3 1 。 所以我們要大力推進制造業(yè)信息化建設，具有重要意義 4 1 如下： ( 1 ) 制造業(yè)信息化有助于企業(yè)降低決策中的不確定性和風險： ( 2 ) 制造業(yè)信息化促進企業(yè)管理模式與組織模式的變革； ( 3 ) 企業(yè)規(guī)模越大，對信息系統(tǒng)的依賴性也就越強，信息系統(tǒng)也就越復雜； ( 4 ) 制造業(yè)信息化己成為加快國民經濟結構戰(zhàn)略調整的重要力量。 1 1 2 制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢 由于制造業(yè)在國民經濟中的主導地位，今后很長的一段時間，制造業(yè)信息 化仍將受到廣泛重視和重點發(fā)展嘲。 ( 1 ) 計算機單元技術( c a d ，c a p p ，c a m ，p d m ，m p r i i ，f m s 等) 進步深化、提高 和完善。 ( 2 ) 企業(yè)的各種計算機輔助單元技術應用系統(tǒng)在網絡和數據庫的支持下進 行信息集成和過程集成，真正實現(xiàn)同類、異類單元系統(tǒng)的無縫連接，保證數據 計算機輔助設計系統(tǒng)既能充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性作用，又能充分利用計算機的高 速分析計算能力，即要找到人和計算機的最佳結合點 9 1 。 c a d c a m 系統(tǒng)由相關的硬件及軟件組成，硬件主要指計算機及其網絡系統(tǒng)， 從廣義角度來說，硬件還應包括加工及運輸裝置等，軟件則包括系統(tǒng)軟件、支 撐軟件、應用軟件等。 1 2 2 c a d c a i l 技術研究及應用現(xiàn)狀 國外的c a d c a m 技術起步較旱，成效較大，如波音7 7 7 實現(xiàn)了“無圖紙” 設計和制造，同時國外開發(fā)了一批優(yōu)秀成熟的c a d c a m 軟件，如u n i g r a p h i c s ( u g ) 、p r o e n g i n e e r 、i - d e a s 、c a t i a 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 、a u t o c a d 、 2 第一章緒論 這些軟件應用和發(fā)展比較成熟，具有強大的二維繪圖或三維曲面造型能力、結 構有限元分析能力、計算機輔助制造能力、產品數據管理能力、虛擬仿真能力 等等。 近年來，我國c a d 技術的開發(fā)和應用也取得了較大的進步，除對許多國外 軟件進行漢化和二次開發(fā)( 如天正c a d ) 外，還誕生了不少具有自主版權的、符 合我國國情和標準的c a d 系統(tǒng)，如高華c a d 、開目c a d 、g s c a d 9 8c a d 、c ；l ) c a 、 金銀花( l o n i c e r a ) 、i n t e c a d t o o l 、大恒通用機械c a d 系統(tǒng)、x t m c a d 、p i c a d 等。 但是我國的c a d c a m 軟件不管從產品開發(fā)水平還是從商品化、市場化程 度都與發(fā)達國家有不小的差距。我國c a d 技術開發(fā)創(chuàng)新少、仿制多：缺乏理 論研究和算法的研究；信息集成技術落后；數據交換格式和標準化落后。 1 ，2 3 c a d c a m 技術發(fā)展趨勢 隨著科學技術，特別是信息技術的飛速發(fā)展，推動了世界經濟一體化和全 球制造的發(fā)展趨勢，c a d c a m 技術呈現(xiàn)出下列發(fā)展趨勢“o 1 1 1 。 ( 1 ) 網絡化，即基于i n t e r n e t i n t r a n e t 網絡和w e b 技術的遠程異地協(xié)同 設計和制造； ( 2 ) 集成化，即指c a d c a m p d m 與快速原型制造( p p m ) 形成設計制造過程集 成，c a d c a m 與e r p 的集成； ( 3 ) 智能化，指多代理( m u l t i a g e n t ) 系統(tǒng)與分布或人工智能、專家系統(tǒng)在 c a d c a m 中的應用； ( 4 ) 虛擬化，指基于虛擬現(xiàn)時技術以虛擬設計制造c a d c a m 系統(tǒng)，適用于 敏捷制造、動態(tài)聯(lián)盟企業(yè)建模需要的c a d c a m 技術。 隨著電子、計算機、信息等高新技術的不斷發(fā)展，企業(yè)為適應市場需求的多 變性與多樣化，制造技術正朝著數字化、集成化、網絡化、敏捷化、虛擬化、智 能化、精密化、柔性化、和綠色化的方向發(fā)展1 2 1 。 四川大學碗十學位論文 1 3壓力容器c a d 技術國內外現(xiàn)狀 1 3 1 國外壓力容器的制造和c a d 現(xiàn)狀 國外的壓力容器設計制造技術已經積累了豐富、成熟的經驗，由于密封在 壓力容器設計中的重要地位，北美、歐洲為此進行了大量全面并持久不懈的研 究和開發(fā)工作，取得了很大的成果。如美國壓力容器研究委員會( p v r c ) 應 a s m e 的要求對螺栓法蘭連接進行了深入的研究，得出了重要的結論，推進對 a m s e 的修訂和法蘭設計規(guī)范的改變 1 3 - j5 】；歐洲承壓設備研究委員會( e p e r c ) 對法蘭和墊片的標準化也進行了大量深入研列蜘m ，歐洲標準協(xié)會( c e n ) 下屬 法蘭及其接頭技術委員會( t c 7 4 ) 也做了大量研究工作，歐盟還提出了相應的法 蘭、螺栓和墊片尺寸標準，形成了一整套法蘭接頭的標準體系【1 8 】。美、日、歐等 壓力容器制造強國積極推進統(tǒng)一的國際標準，以建立一個壓力設備的通則，用 以保證壓力設備的安全使用，消除各國標準中可能出現(xiàn)的技術壁壘，在相互標 準認可的基礎上，實現(xiàn)承壓設備產品的全球自由貿易【1 9 】。對于大量的常規(guī)壓力 容器而言，長期實踐證明采用簡單易行的傳統(tǒng)設計方法完全可以滿足壓力容器 的安全要求1 2 0 ，但是國外的壓力容器普遍采用了按分析設計，并且有一些功能 強大，成熟的壓力容器有限元專業(yè)軟件，如；c o d e w a r ec o m p r e s sb u i l d6 2 4 5 等。 國外的設計項目從招標前的初步設計到最后中標后的詳細設計都把有限元 分析做為分析設計的工具廣泛使用【2 1 j ?，F(xiàn)在，壓力容器向高壓、大容量方向發(fā) 展，如果采用傳統(tǒng)設計方法，將會很困難或不可能。 為了滿足壓力容器高壓和大型化的需要，很多企業(yè)都開發(fā)了調質高強度鋼 板，如新日鐵公司的w e l t e n 6 1 0 和n i c k 公司的n k h i t e n 6 l o 等，這些高 強鋼在世界范圍得到了廣泛應用【2 2 1 。 國外壓力容器現(xiàn)場制造技術也很成熟，如日本制鋼所( j s w ) 早已開發(fā)了 大型加氫反應器現(xiàn)場組焊技術，在加拿大等地創(chuàng)造了不少業(yè)績。 1 3 2我國壓力容器的制造和g a d 現(xiàn)狀及特點 我國的壓力容器設計制造與國外先進水平相比有較大差距，長期以來，由 于種種原因，我國壓力容器的設計在技術上沒有顯著地進步，產品設計的經濟 4 第一章緒論 性考慮得也不夠【2 1 1 。 壓力容器的設計方法分為按規(guī)則設計和按分析設計，按規(guī)則設計是指采用 彈性力學的相關理論和假設進行設計，只是一個粗略的設計，很多關鍵部位的 計算太復雜而采用經驗設計；按分析設計指按現(xiàn)代設計方法( 如有限元等) 對 容器各部分進行精確的設計計算。 我們的設計方法普遍采用傳統(tǒng)的按規(guī)則設計，能夠按分析設計制造檢驗的 還不多。 隨著技術的進步和有關規(guī)范的頒布，現(xiàn)在，壓力容器c a d 技術得到了很大 發(fā)展。我國很多企業(yè)和單位采用了一些壓力容器設計的專業(yè)軟件，如麻省理工 學院的a s p e n p i u s 系統(tǒng)( 石油化工流程模擬系統(tǒng)) ；浙江大學基于p r o e 開發(fā)的 管道設計系統(tǒng)；全國化工設備設計技術中心站開發(fā)的一些軟件：如s w 6 1 9 9 8 過 程設備強度計算軟件包，p v c a dv 3 0 化工設備c a d 施工圖軟件包，p v d sv 2 0 壓 力容器設計技術條件專家系統(tǒng)，c o m c a d2 0 化工設備標準零部件繪圖軟件包， t a = n k i - 1 0 拱頂罐輔助設計軟件包，v a s 2 0 壓力容器分析設計軟件；合肥通用 機械研究所開發(fā)r c p v c a d 壓力容器c a d 系統(tǒng)；克萊特科技2 0 0 6 年1 月推出了其 最新版本的p v d e s k t o p 5 0 等，還有圖庫類軟件如：l a n s y sh f ，l a n s y s h l ，l a n s y s h u 等，分別有約9 0 0 套浮頭式換熱容器、5 0 0 套浮頭式冷凝器、 2 3 0 套u 形管式換熱器標準圖紙，直接選用最為方便田】。 上述很多軟件都是基于a u t o c a d 圖形平臺開發(fā)的二維設計軟件，雖然其設計 結果符合壓力容器的設計規(guī)范，但都沒能實現(xiàn)與著名分析軟件的集成。其中，全 國化工設備設計技術中心站開發(fā)的v a s 2 0 壓力容器分析設計軟件，針對壓力容 器的各類部件和結構，按照j b 4 7 3 2 - 9 5 的要求，進行有限元分析計算，但是又沒 有圖形處理的能力。 1 4本文研究的背景、意義和主要內容 1 4 1 本文研究的背景和意義 由于能源對我國的重要性，現(xiàn)在及以后很長一段時間將是我國石油與化工 工業(yè)充滿發(fā)展活力的關鍵時期，同時也是我國大型石油化學工業(yè)園區(qū)快速發(fā)展 時期阱l 。所以對化工壓力容器的需求將是十分巨大的。 但是，我國壓力容器設計制造技術水平總體不高，由于設計制造原因引起 四川大學碩上學位論丈 的損失也很大，如：1 9 8 0 1 9 8 8 年我國共發(fā)生1 2 0 0 起鍋爐壓力容器爆炸事故， 其中由于設計制造質量低劣而發(fā)生的爆炸事故約占3 3 嘣2 5 1 。近幾年爆炸事故再 度上升，達到1 5 0 起年，惡性爆炸和毒氣泄漏事故時有發(fā)生【2 6 】。加上由于有關政 策的調整，許多技術力量相對薄弱的中小企業(yè)也取得了壓力容器的設計資格【2 3 1 。 對這些企業(yè)而占，如何在市場經濟條件下，實現(xiàn)計算機輔助設計，滿足行業(yè)主管部 門對計算機輔助設計的基本要求，提高企業(yè)在行業(yè)中的競爭力，是十分迫切的任 務。所以，企業(yè)對專業(yè)化工c a d 軟件有強烈的需求。 在化工壓力容器中，球罐與圓筒形容器使用非常普遍，相比之下球罐具有 以下特點2 7 j ： 1 球罐的表面積最小，即在相同容量下球罐所需鋼材面積最小。 2 球罐殼板承載能力比圓筒形容器大一倍，即在相同直徑、相同壓力下， 采用同樣鋼板時，球罐的板厚只需圓筒形容器板厚的一半。 3 球罐占地面積小，且可向空f b 】高度發(fā)展，有利于地表面積的利用。 由于這些特點，再加上球罐基礎簡單、受風面小、外觀漂亮，可美化工程 環(huán)境等原因，使球罐的應用越來越廣泛。 在我國，球罐的設計計算主要還是按規(guī)則沒計，用傳統(tǒng)設計十分復雜，繁 瑣，主要存在以下幾方面的問題： 1 設計和加工涉及的參數、計算公式、圖表眾多。每確定一個方案要做很 多次的計算，手工計算極易出錯。 2 傳統(tǒng)設計中，還要求設計人員必須具有豐富的專業(yè)知識和實踐經驗。 3 傳統(tǒng)計算只是粗略的計算，很多關鍵的部位都沒有計算，而只是按經驗 來設計，通常都采用過于保守的設計，造成浪費。 由上可見，傳統(tǒng)設計方法除計算繁瑣、極易出錯外，還有多種因素影響其 設計結果的可信度和準確度。因此，如何避免大量繁瑣的重復設計計算與繪圖 工作，同時滿足設計、制造n i 等多方面的要求已成為一個函需解決的問題。 此外，為了縮短球罐設計生產周期，提高市場競爭力，也迫切要求加速設計， 繪圖、制造等過程。 基于以上種種原因，本課題研究開發(fā)了球罐專用c a d 系統(tǒng)，本系統(tǒng)與 a u t o c a d 、a n s y s 無縫連接，具有按傳統(tǒng)強度計算、有限元分析、二維繪圖的功 能，同時，本系統(tǒng)采用模塊化開發(fā)，可以不斷地豐富其內容，因而具有很好的 第一章緒論 開放性。 本系統(tǒng)目前具備的功能，已經大大節(jié)省了設計人員的時間和精力，對優(yōu)化 設計方案、減少設計及繪圖中的人為錯誤、縮短工程周期，具有較好的實用價 值。 1 4 2 本文研究的主要內容 本文基于w i n d o w s x p 操作系統(tǒng)平臺，以a u t o c a d 2 0 0 4 與a n s y s 9 0 為支 撐軟件，開發(fā)了正切式球罐c a d 應用軟件，主要包括以下幾個方面的內容： 1 開發(fā)c a d 系統(tǒng)的常用軟件平臺及工具的介紹和分析； 2 球罐的設計計算過程； 3 球罐c a d 系統(tǒng)的界面設計； 4 球罐c a d 系統(tǒng)的程序設計； 5 實現(xiàn)強球罐強度設計、校核、有限元分析、出圖等主要功能模塊的設計： 在以后的各章節(jié)中將作詳細介紹。 7 四川大學碩士學位論文 2 系統(tǒng)軟件平臺 由于a u t o c a d 繪圖軟件在我國工程領域廣泛使用和化工容器設計領域 a n s y s 分析軟件的絕對占有率，本系統(tǒng)就以這兩種軟件為支撐軟件。v i s u a l b a s i c 是一種可視化的，面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語 言，可用于開發(fā)w i n d o w s 環(huán)境下的各類應用程序，開發(fā)平臺就選用了易學易用 的v b 6 0 。 2 1v b 6 0 簡介 b a s i c 語言是2 0 世紀6 0 年代由j o h ng k e m e n y 和t h o m a sk u n t z 發(fā)明的。 它是一種非結構化語言，易于理解，易于學習。但是由于b a s i c 語言是一種解 釋語言，運行起來速度較慢。直到2 0 世紀8 0 年代末期，被譽為“v i s u a lb a s i c 之父”的a l a nc o o p e r 在b a s i c 的基礎上成功的建立了很多w i n d o w s 開發(fā)工具 的思想和理念，將b a s i c 的易學易用與可視化編程方法及事件驅動結合起來， v i s u a lb a s i c 才流行起來?，F(xiàn)在，v i s u a l b a s i c 己經成為w i n d o w s 編程的幾大設 計軟件之一，受到廣大研究開發(fā)人員的青睞【挪。 2 1 1v b 6 0 的特點 在v i s u a lb a s i c 環(huán)境下，利用事件驅動的編程機制，新穎易用的可視化設 計工具，使用w i n d o w s 部的應用程序接1 2 1 ( a p d 函數，以及動態(tài)鏈接庫d l l ) ， 動態(tài)數據交換d d e ) ，象的鏈接與嵌入c o l e ) ，開放式數據連接( o d b c 等技術， 可以高效、快速地開發(fā)出w i n d o w s 環(huán)境下功能強大，圖形界面豐富的應用軟件 系統(tǒng)。其總體特點1 2 9 1 如下： 1 ) 可觀化編程 v i s u a lb a s i c 提供了可視化設計工具，把w i n d o w s 界面設計復雜性“封裝” 起來，只需要按程序設計要求的屏幕布局，用系統(tǒng)提供的工具，在屏幕上畫出 各種所需的“部件”，圖形對象，并設置這些圖形對象的屬性，從而可以大大提 高程序設計的效率。 2 ) 為面向對象的程序設計 v i s u a lb a s i c 應用面向對象的程序設計方法c o o p ) 把程序和數據封裝起來作 8 第二章系統(tǒng)軟件平臺 為一個對象，每個對象有自己的屬性和方法，程序員擺脫具體的數據格式和程 序的束縛，集中精力研究設計要處理的對象。 3 1 結構化設計語占 v i s u a l b a s i c 是解釋型語言，在輸入代碼的同時，解釋系統(tǒng)將高級語言分解 翻譯成計算機可以識別的機器指令。并判斷每個語句的語法錯誤。在設計 v i s u a l b a s i c 程序的過程中，隨時可以運行程序，而在整個應用程序設計好之后， 可以編譯生成可執(zhí)行文件( z x e ) ，直接在w i n d o w s 環(huán)境之下運行。 4 ) 事件驅動編程機制 v i s u a lb a s i c 通過事件來執(zhí)行對象的操作。一個對象可能產生多個事件，每 個事件都可以通過一段程序來響應。在用v i s u a lb a s i c 設計大型應用軟件時， 不必建立具有明顯開始和結束的程序，而是編寫若干微小的子程序，即過程 ( s u b ) 這些過程分別面向不同的對象，由用戶操作引發(fā)某個事件來驅動完成某 種特定的功能，或者由事件驅動程序調用過程來執(zhí)行指定的操作。 5 ) 訪問數據庫 v i s u a lb a s i c 系統(tǒng)具有很強的數據庫管理功能。利用數據控件用戶可以直接 連接m i c r o s o f ta c c e s s 數據庫，并提供了強大的數據存儲和檢索功能。同時 v i s u a l b a s i c 還能直接編程和訪問其他外部數據庫，比如d b a s e ，f o x p r o ，p a r a d o x 等。v i s u a lb a s i c 提供開放式數據鏈接o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i o n ) 功能可 以通過直接訪問或建立鏈接的方式使用并操作后臺大型數據庫，如s y b a s e ，s q l s e r v e r , o r a c l e 等。 6 ) 動態(tài)數據交換( d d e ) 技術 利用動態(tài)數據交換( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 技術，可以把一種應用程序的 數據動態(tài)地鏈接到另一種應用程序中去，使兩種完全不同的應用程序可以交換 數據，進行通信，在w i n d o w s 環(huán)境下為多個應用程序之間以c l i e n t s e r v e r 方式 建立了一條動態(tài)數據交換通道。 7 ) 對象的鏈接與嵌a ( o l e ) o l e ( 對象的鏈接與嵌入) 技術是將每個應用程序都看作是一個對象( o b j e c t ) ， 將相同的對象連接起來，再嵌入到某個應用程序中去，從而可以得到具有聲音、 影像、圖像、動畫、文字等各種信息的集合式文件。 8 ) 動態(tài)鏈接庫( d l l ) 9 匯 樣 用 準，以前被稱為o l e ( 對象鏈接與嵌入) ，其宗旨是在w i n d o w s 系統(tǒng)的統(tǒng)一管 理協(xié)調不同的應用程序，準許這些應用程序之間相互溝通、相互控制。每個應 用程序決定自己的哪些信息暴露出來，這些暴露出來的信息可以被其他程序操 縱，這個標準被微軟公司極力推廣，許多軟件開發(fā)商也積極響_ 直【3 0 】。 a u t o c a d 從r 1 4 版本就增加了a c t i v e x 自動化服務功能( a c t i v e x a u t o m a t i o ns e r v e r c a p a b i l i t i e s ) ，也就是說完全可以作為服務程序，用戶可以從 其他a c t i v e x 客戶程序操作a u t o c a d 。除了不能控制a u t o c a d 界面元素外， a u t o m a t i o n 盡可以隨心所欲地做一切工作，用戶完全可以把a u t o c a d 當成自 己程序中的一個盛放圖形的窗口，用到時打開、編輯、打印出圖，不用時關閉， 繼續(xù)做自己的事情，完全不必理會a u t o c a d 本身 3 1 1 。用v b 進行a u t o c a d 二 次開發(fā)，不僅簡單易學，功能強大，還可以實現(xiàn)僅用a u t o c a d 不能或不易實 現(xiàn)的功能和效果，例如，進行三維動畫模擬、圖形參數化設計等。 2 2a u t o c a d 開發(fā)工具 a u t o c a d 是目前最為流行的二維工程圖形處理軟件，其強大的生命力不僅 在于它完善的繪圖功能、良好的用戶界面、易學易用的操作特點，而且在于它 開放的結構體系，為用戶提供了多種二次開發(fā)的工列3 2 1 。 2 2 1 a u t o l ；s p v i s u a ll | s p 開發(fā)工具 a u t o l i s p 是最早的二次開發(fā)工兵，它是嵌入在a u t o c a d 內部，是解釋型 a p i ，以解釋方式運行，運行速度相對較慢，另外源代碼裸露，安全性差。但 移植性最好，一個a u t o l i s p 程序可在所有的a u t o c a d 平臺運行，此外使用方 1 0 第二章系統(tǒng)軟件平臺 便靈活，學習起來較容易。v i s u a ll i s p ，是一種面向對象的牙發(fā)環(huán)境，是編譯 型a p i ，與a u t o l i s p 完全兼容，能提供a u t o l i s p 所有的功能，是a u t o l i s p 的擴 展和延伸【3 3 3 4 1 。 2 2 2a d s 開發(fā)工具 它是a u t o c a d 開發(fā)系統(tǒng)( a u t o c a dd e v e l o p m e n ts y s t e m ) 的簡稱。a d s 的編 程界面呵使用戶用c 語言來實現(xiàn)a u t o c a d 的用戶化，既可運行第三方開發(fā)的 a d s 應用程序，也可以編寫自己的a d s 應用程序。與a u t o l i s p 相比，a d s 程 序的優(yōu)越性如下：( 1 ) 具備錯綜復雜的綜合大規(guī)模處理能力；( 2 ) 由于是編譯開發(fā) 環(huán)境，可以檢查程序設計語言的邏輯錯誤，且執(zhí)行速度快；程序源代碼的可讀 性好于l i s p ；( 3 ) 引入c 高級語言后，a d s 也同樣具有面向對象的功能，程序 層次分明，清晰可讀從而使軟件的可維護性得到提高；( 4 ) 經過良好封裝，a d s 的程序代碼許多時候比a u t o l i s p 更簡潔；( 5 ) a d s 的程序能夠減少程序出錯的 概率。 但同樣c 語言的介入也會產生許多問題。如c 語言比l i s p 語言復雜得多， 難以在短時間內掌握：a d s 程序的隱藏錯誤會導致a u t o c a d ，乃至操作系統(tǒng) 崩潰；由于是編譯運行，不易見到代碼的效果；c 語言的a d s 程序一般比 a u t o l i s p 程序的源代碼要繁冗。由此可見，a d s 開發(fā)者必須先對c c + + 語言編 程技術及a u t o c a d 功能有較深入的了解【3 釘。隨著a u t o c a d 技術的發(fā)展，a d s 已經被o b j e c t a r x 技術所取代。 2 2 3 v b a 開發(fā)工具 v b a ( v i s u a lb a s i cf o r a p p l i c a t i o n ) 是一個引入對象的程序設計環(huán)境，為用 戶提供類似v i s u a lb a s i c ( v b ) 語言所擁有的功能。一般說來v b a 和v b 的主要 差異類似a u t o l i s p 和l i s p 間的差異，即v b a 可以執(zhí)行存取a u t o c a d 環(huán)境的 所有資源。此外，v b a 可以整合其他具用v b a 能力的應用程序，這使a u t o c a d 可以成為其他應用程序( w o r d 或e x c e l ) 的a u t o c a d 控制器。從運作上來看，v b a 通過a u t o c a da c t i v e xa u t o m a t i o n 接口將信息傳送給a u t o c a d 而a u t o c a d v b a 也允許v b a 環(huán)境與a u t o c a d 同時執(zhí)行并通過a c t i v e x a u t o m a t i o n 接口提 供a u t o c a d 程序。如此，a u t o c a d 、a c t i v e xa u t o c a d 與v b a 結合方式，提 網川大學碩卜學位論文 供極強大的接口，不僅可以操作a u t o c a d 內部對象件，更可以在其他的應用 程序之日】傳送或接收數據。與a u t o l i s p 相比，v b a 在進程內運行速度比 a u t o l i s p v i s u a l l i s p 應用程序快，更適合于開發(fā)用戶界面占主體的應用軟件p 6 1 。 2 2 。4o b j e c t a r x 開發(fā)工具 o b j e c t a r x 是一種用來開發(fā)a u t o c a d 應用程序的編譯語言編程環(huán)境。它 使用面向對象的c + + 應用程序開發(fā)機制，以動態(tài)鏈接庫形式和a u t o c a d 運行 在相同的地址空間并且直接操作a u t o c a d 數據結構和代碼?？芍苯釉L問 a u t o c a d 的圖形數據庫和圖形系統(tǒng)；可以定義類似于a u t o c a d 內置命令的自 定義命令；使用用戶可以用m f c 庫來創(chuàng)建杯準w i n d o w s 風格的圖形用戶界面； 用戶還可以根據擴展的a r x 協(xié)議機制動態(tài)地擴展a u t o c a d 功能【3 7 l 。此外還可 以運用o b j e c t a r x 庫和其他a u t o c a d 編程接口( 比如a u t o l i s p 或v b a ) 結 合使用，從而可以跨a p i 集成。與其它幾種開發(fā)工具相比。a r x 應用程序更加 高效、更能充分利用a u t o c a d 開發(fā)的體系結構。但由于a r x 復雜繁鎖，必需 掌握v c 語言，所以使用a r x 開發(fā)工具的工程技術人員并不多。 2 2 5a o t i v e xa u t o m a t i o l 3 開發(fā)工具 a c t i v e x a u t o m a t i o n 是微軟公司基于c o m ( 組件對象模型) 體系結構開發(fā) 的一項技術，是a u t o c a d 的新編程接口。他提供了我們可以從a u t o c a d 內部 或外部，以程序的方式來定義a u t o c a d 的結構。其方式是開放a u t o c a d 對象 給“外部世界”。開放這些對象后，就可以使用許多不同的程序語言( 如v i s u a l b a s i c 、c + + 、d e l p h i 和j a v a ) 來存取對象。a c t i v e xo b j e c t s ( a c t i v e x 對象模型) 對象是a c t i v e x 技術的基礎，每一個對象就代表a u t o c a d 的一個元素。 a u t o c a d 是以層結構來組織對象的，其頂層對象就是a p p l i c a t i o n ，下面是 p r e f e r e n c e s 與d o c u m e n t 。然后，再透過對p r e f e r e n c e s 對象的操作，我們可以在 執(zhí)行v b a “編輯視窗”功能后，設定所需要的值。d o c u m e n t 對象包含： m o d e l s p a c e 、p a p e r s p a c e 、b l o c k s 、l a y e r s 、p l o t 與u t i l i t y 等對象。最底層的對 象是點、線、圓、圖塊等a u t o c a d 能畫出的圖形。可見在a u t o c a d 中使用 a c t i v e x 接口具有兩個優(yōu)點，一是更多編程環(huán)境可以編程訪問a u t o c a d 圖形； 二是與其他w i n d o w s 應用程序共享數據變得更加容易【3 s l f 3 9 1 。 第二章系統(tǒng)軟件平臺 2 3a n s y s 簡介 2 3 1 a n s y s 在工程中的應用 近4 0 年來，隨著計算機的飛速發(fā)展和廣泛應用以及有限元理論的日益完 善，出現(xiàn)了許多通用和專業(yè)的計算軟件，并在各個領域得到了廣泛的應用。其 中較為著名的通用大型有限元軟件有a n s y s 、a l g o r ，a b a q u s 、 m s c n a s t r a n 和m s c m a r c 等p ”。 a n s y s 軟件作為一個大型通用有限元分析軟件，能夠進行結構、熱、流體、 電磁以及聲學等學科的研究，廣泛應用于土木工程、地質礦產、水利、鐵道、 汽車交通、國防軍工、航天航空、船舶、機械制造、核工業(yè)、石油化工、輕工、 電子、日用家電和生物醫(yī)學等一般工業(yè)及科學研究之中。a n s y s 軟件是第一 個通過i s o9 0 0 1 質量認證的大型有限元設計軟件，是美國機械工程師協(xié)會 ( a s m e ) 、美國核安全局( n q a ) 及近二十種專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟 州3 4 1 。 在我國，a n s y s 軟件是唯一被中國鐵路機車車輛總公司選定作為本行業(yè) 進行有限元分析的基本軟件，是第一個通過中國壓力容器標準化技術委員會認 證并在國務院十七個部位推廣使用的分析軟件，近十年來，a n s y s 軟件在壓 力容器行業(yè)發(fā)揮著巨大作用，成為壓力容器分析設計的事實上的標準。a n s y s 為推動c a e 分析設計在該領域的普及做出了卓有成效的工作，為提高我國壓力 容器分析設計水平做出了巨大的貢獻【3 5 1 。 2 3 2a n s y s 二次開發(fā)技術簡介 a p d l 即a n s y s 參數化設計語言( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 是a n s y s 軟件二次開發(fā)的工具之一作為一種參數化語言，它可以用來自動 完成一些通用性強的任務或參數化建模。a p d l 是優(yōu)化設計和自適應劃分網格 的基礎，為一般問題的求解提供了許多簡單高效的手段。 a p d l 具有多種功能：參數、表達式和函數、分支和循環(huán)、重復功能和復 寫、宏和用戶子程序。 進行有限元分析的過程中，假設求解結果表明有必要對程序進行修改設計， 那么就必須改變模型的幾何形狀和尺寸，并重復分析，當模型復雜或修改較多 四川大學碩卜學位論文 時，整個過程需要耗費大量的時間和精力，嚴重影響程序設計和工程應用效率 吲。 a n s y s 程序中的參數化設計語言a p d l 用建立智能分析的手段為用戶提 供自動完成上述循環(huán)的功能，即程序的輸入可以根據指定的函數、變量以及選 出的分析標準作決定。a p d l 允許復雜的數據輸入，使用戶實際上對任何設計 或分析的屬性都