基于UG换热设备的研发

　　1、三维设计软件UG概述

　　换热设备是将热流体热量传递给冷流体的设备，它是化工、炼油、轻工、制药、食品、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。随着各行业对换热设备性能需求的不断提高，各种新型换热设备的研制势在必行。

　　在换热设备研发过程中.目前绝大部分企业仍然采用二维设计软件，有时为了提供急需的报价信息，或追赶工期，设计人员通常是在旧图样上直接进行尺寸修改，或模仿老产品仓促地进行设计。这样，采用二维设计的弊端就难以避免:一是与同三维模型关联的工程图相比，修改二维图形的工作量相当繁琐，原有图样利用率极低。二是平面图形不能形象直观地反映实体。修改设什和创新结构设计中存在的问题在设计初期很难被发现。三是在倡导"分析设计法"的今天，二维设计无法为CAD/CAM提供三维的分析模型，不能预见产品在生产和使用中可能出现的问题。四是不能迅速提供准确、可靠的报价信息。而三维设计软件UG能较好解决以上的这些问题，具有很好的应用前景。

　　2 UG在换热设备结构设计中的运用

　　2.1三维造型设计

　　换热设备因具有品种多、单件、小批量等特点，若仍采用二维平面设计显然不能满足当今市场时效性的需求。为了能及时地给客户提供经济可行的方案，便于与客户进行技术交流，采用三维造型设计是行之有效的选择。在当今三维造型软件中，UG以其独特的技术优势遥遥领先。选用UG平台进行设计，既可以向客户展示产品模型，又能通过虚拟装配及时发现传热设计中常出现的问题:换热设备管束组装设计是否可行;折流板布置是否确当;新颖结构是否实用。此外，由UG建立的主模型，利用工程图模块、CAE/CAM模块可同时进行零件的出图、工程分析和加工工艺编写等工作。应用UG进行整套产品设计，为销售部门抢占商机赢得了许多宝贵的时间。

　　2.2参数化设计

　　一台换热设备无论其具有何种功能，它通常是由圆筒、封头、接管、法兰和支座等组成。因此，各种换热设备在结构上都具有一定的相似性。而参数化设计就是将结构形状比较固定的零件用一组参数的尺寸关系来表示，进行零件的变异设计时，只需修改相应的参数即可完成。UG软件具有强大的参数化建模功能。对于换热设备中标准件设计，如圆筒、封头、法兰、支座等，提取出特征参数和主要尺寸参数，便可以用UG进行参数化设计。UG中部件族的功能就是用于建立一系列结构相同而部分参数不同的部件。部件族的功能特点是在一个部件的基础上，通过电子表格设置各个部件的参数，然后利用电子表格设置的参数快速生成一系列部件，而不必逐个建立各个部件，从而大大提高了建模效率。根据其特点，其特别适用于标准件和常用件等部件的建立。如在图1所示椭回形封头的基础上，按照图2所示填写部件组成员的名称和参数，添加所需部件，从而完成相同结构不同参数的封头设计。

　　2.3优化设计

　　降低成本是换热设备"技改项目"中的重要目标之一。要想实现这个目标，优化设计是必经之路。为了避免过去"一次设计一个方案"的情形，现在针对用户的每个订单都提出几套可行方案，然后对每个方案进行具体的"性价比"分析，最后从中选取最优的设计方案。换热设备的优化设计通常是在给定的载荷、材料以及基本组成结构形式下，通过选取合适的设计变量，使换热设备的某项指标达到最优值。运用UG完全可以解决这个问题。以带椭圆封头的固定管板式换热器为例，为了降低材料成本，优化设计时通常选最小质量为目标函数。设计变量一般选筒体的内直径、长度、厚度。约束条件一般包括:满足换热面积;封头、管板和筒体的厚度应满足相应的强度和刚度。经过优化设计，能大大降低换热设备的设计成本。

　　2.4有限元分析

　　在高参数、大型化的场合，为了保证换热设备的使用寿命和安全，设计时必须对承压的重要元件管板、壳体、管束、膨胀节等进行相应的强度计算和校核。工作中，换热设备要受到压力载荷和温度载荷的作用。由于换热设备设计标准GB 151中仅仅阐述了受压力影响的设计，国内外学者已经对换热设备受压力和温度载荷藕合作用的情形展开了深人研究。在诸多方法中，有限元法已成为建立分析数学模型的最重要方法。随着UG软件日益完善，其自带有限元分析模块可以取代常规的有限元分析软件(如Ansys, Marc等)，进行某些工程分析。尤其在处理复杂模型时，运用UG进行有限元分析有以下两大优势:其一，避免以往由Pro/E, UG等造型软件向ANSYS等分析软件转化的过程，减少了许多因转化带来的许多额外工作。其二，根据有限元分析结果，直接修改主模型，由于UG各模块间具有关联性，工程图会自动地进行相应修改。

　　2.5管板布管

　　换热管是换热设备的重要组成部分。设计过程中，它的布局合理与否将直接影响整个设备的传热效果。换热管在管板上的排列形式通常为三角形、正方形、转角正三角形、转角正方形。布管时，传统的设计手段是二维平面设计法。对刚从事换热设备设计新手而言，因布管成功率较低，会带来许多重复工作。此时，若采用UG进行设计，工作量能大大减少。根据实际需要，能进一步优化布管，合理确定拉杆、接管的位置，使换热设备的传热效果和整体性能得到可靠保证。

　　2.6整体装配

　　在完成各零件模型的设计后，根据设计要求利用UG提供的Assembly模块装配零件，采用从底向上建模、自顶向下建模和混合建模3种方法，通过一定的装配约束关系，调用已建立的零部件库可实现换热设备的快速装配，这样设计者对于各零部件间的匹配关系就有了一个很直观的认识，有助于设计的整体进程。

　　3结语

　　根据换热设备的产品特点，合理地使用UG各功能模块，能很好解决该产品研发过程中遇到的设计问题。这不但为设计出优质、高效的产品提供了科学依据，而且还能为从事换热设备设计企业创造出可观的经济效益。