化工設備設計中CAD/CAM/CAE的應用

張子健

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林吉林 132001）

0 引言

我國機械制造生產領域正面臨轉型關鍵期，如何生產出體型輕巧、高效率、低成本的設備零部件，成為化工設備設計中的主要任務。而大力開發CAD/CAM/CAE 系統，可將我國機械制造推向更高臺階，完成技術革新。

1 探究CAD/CAM/CAE 系統內容

1.1 CAD 功能內容簡介

CAD（Computer Aided Design）即計算機輔助設計，該類軟件在機械制圖中應用廣泛，可通過計算機完成機械設備部件的平面與立體繪圖工作。由于在化工設備設計中涉及到大量方案規劃、數據計算及分析等作業，借助多方案對比，確定最優方案，各類包含數字、文字與圖形的方案信息均儲存在計算機中，方便隨時調取查看。以往情況下，化工設備設計人員先繪制草圖，而后進行專業化修改，最終繪制成專業圖的這一系列工作，則由計算機完成，可節省大量設計時間，提高工作效率。計算機利用系統編程運算，能夠快速生成設計結果，作圖時間大大縮減，方便設計人員對全圖實行檢驗校正。在CAD 軟件中，可以任意將圖形實行轉移、放大、縮小、鏡像復制等操作，更加方便了圖形繪制。

1.2 CAM 功能內容簡介

CAM（Computer Aided Manufacturing）即計算機輔助制造，該類軟件主要參與機械生產作業的全過程，貫穿在生產準備階段到產品制造完成，其將計算機同設備生產流程相關聯，制造過程全部由計算機負責完成，包括設備生產計劃、生產管理、設備的控制與操作，而且還可利用該軟件，分析產品生產中產生的各項數據，科學規劃物料的使用情況，并可精準檢驗生產完成的設備零部件。

1.3 CAE 功能內容簡介

機械制造中的CAE（Computer Aided Engineering）即計算機輔助工程，該類軟件主要被用來探究機械產品的各項物理性能，如力學性能、結構性能等（圖1）。該軟件可高效利用計算機，密切機械生產的各個環節，做到信息的高度集成，貫穿到機械加工的全生命周期。CAE 還能夠開展靜態和動態結構分析，深度探究產品內部存在的線性與非線性問題以及流體、電磁等。

圖1 CAE 的功能

2 化工設備設計中引入CAD/CAM 系統操作

將CAD/CAM 系統應用在化工設備中，主要作用就是產品設計，關系到化工產品最終質量，決定其實用價值。安全性始終是化工設備生產的核心追求，這使得零部件的設備環節極為關鍵。如今被廣泛應用在產品設計中的高級CAD/CAM 系統，具有強大的設計功能，可以完成各類型難度系數極高的零部件設計。其中，CAD/CAM 即UG，是化工設備制造領域極受追捧的高級軟件，該軟件集合了CAD/CAM/CAE 的功能，在機械制造業應用頻率極高。本文以UG 對化工設備中的通用零部件橢圓形封頭進行三維設計為例，簡單介紹CAD/CAM 軟件在化工設備中的應用。

封頭廣泛應用在化工設備中，屬于通用型零部件，橢圓形封頭屬于其系統類型的一種（圖2），在制造業應用頻率較高，且我國也推出以內/外徑作為公稱直徑的橢圓形封頭標準系列。UG 中對于標準件的設計可通過建立部件族或標準件庫來調用，類似于橢圓形封頭就可以通過建立部件族或標準件庫，該項功能可以有效提高設計效率，縮短部件制造時間。對于橢圓形封頭的立體設計，具體流程為先參照有關數據信息繪出橢圓形封頭的輪廓曲線，之后采用拉伸或旋轉等手段，完成橢圓封頭的三維繪圖。

圖2 橢圓形封頭

化工用橢圓形封頭具有一定的標準規格，相關標準件庫具有極為重要的作用，有助于設備零部件的設計與生產。針對比較常用的標準件，UG 設定了標準件庫，如螺栓、螺釘、齒輪、墊圈等，設計人員也可以參照實際需要，設立相應的標準件庫和部件族隨時進行調用，方便設備的設計過程。UG 還擁有外掛的功能，即針對標準件庫實施“搭橋”操作，設計者需要這些標準件時就可以直接點擊，選擇相應的標準即可獲得所需的標準零部件。設計人員直接點擊法蘭，就可以選用所需的法蘭標準件。UG 本身具有多種功能模塊，提高了設備設計過程中的專業性，部件生產的精準度和制造效率都能得到大幅度改善，推動了機械制造的設計與開發。

以UG 功能模塊中的曲面造型為例，該項功能是高級CAD/CAM 軟件中最為強大的一項，其覆蓋了二維到三維、圖像到實體、結構設計到運動仿真等一系列的設備制造領域，該模塊強大的操作能力，從設備設計貫穿到生產制造等諸多環節，極大地提高了作業效率。對于化工設備生產制造中的沖壓成型件，利用UG 中的鈑金成型模塊，可以很方便地建立零部件模型，經過結構分析與仿真模擬，不僅能及時對產品進行改進，還可以預測到可能存在的問題。現階段，綠色環保理念同樣融入到化工制造業，各企業致力于推行技術的綠色升級，制造新型環保設備。而UG 除具備產品的設計和裝配功能，還可以結合其他系統，利用計算機完成部件的設計制造作業，開展虛擬制造和仿真，加速綠色制造理念在化工領域的深入。

3 化工設備設計中引入CAE 系統操作

CAE 是基于CAD 和CAM 的又一技術升級，該技術的應用范圍更加廣泛，包括機械、土木工程、電子信息、生物醫藥等。該技術包容計算機和工程分析技術的各方面功能，實現計算分析、數字方針和結構優化等系列操作。在實際生產過程中，設備承受多方面外力作用，為保持運轉安全性，設備的各項性能必須保持在最佳水平。為做到安全生產，節省一定的制造成本，在設備展開正式生產前，會分析測評相關參數，以保證設計出的產品滿足標準規范。使用傳統的設計方式，可以計算出生產所需的相關參數值，之后接受測試。該種方式可以滿足小部件的設計檢驗工作，但對于大部件生產，如飛機機翼的設計，該種方式不再適用。CAE 利用產品結構分析和性能測試，可有效縮短設計時間，及時發現結構中的不足之處，完成功能結構的優化。該技術的參與，降低了設備部件的報廢率，減少了不必要的資源浪費，增大了生產的經濟效益。

容器類的化工設備，形狀、結構較為多樣，這類設備均要承受較大的外部或內部壓力，所以將內部壓力值高于0.1 MPa 的容器稱為壓力容器。壓力容器的設計分為規范設計和分析設計兩類，前者主要針對彈性失效準則設計，后者則基于塑性失效和疲勞失效標準設計。兩者相比，后者顯然更具科學性。

ANSYS 軟件在CAE 類軟件中具有理想的分析設計能力，利用ANSYS 分析壓力容器設計極具操作性。壓力容器由圓柱、頭、法蘭、軸承構成，在壓力容器結構中具有不連續區域，利用ANSYS 開展分析和設計工作，必須分析這些不連續區域，消除不合理的結構，完善整體設計。針對ANSYS 高壓容器球形頭與簡化的有限元分析的結構的節點位移云圖，從中能夠了解到，連接區域內部壓力作用下的變形情況。從云圖中也可以掌握結構應力的分布情況，實行網格加密劃分，能夠有效提高分析結果的精準度，促進后續設計工作的開展。查看裙子支持區域的應力分布情況，能夠了解到桶、圓頭和裙子過渡區的最大應力分布，而該分布情況表明存在集中形式的圓角應力。設備設計的結果必須符合相關標準規定，可參照績效評估標準，之后開展優化分析，以期制造出符合技術指標且輕量級的結構。

4 結語

在化工設備設計中，有必要合理應用CAD/CAM/CAE 系列軟件，其具有強大的模塊功能，有助于設備部件的結構優化，性能的仿真模擬。不僅如此，利用這類軟件，同樣符合綠色環保設計理念，可推動我國化工制造業向著綠色環保方向發展，有助于相關工藝技術的革新與升級。該類型軟件將機械制造業推向新臺階，展現出我國制造業將迎來更加輝煌的未來，進而掀起新一輪的技術革命。