基于VB的CATIA二次開發在板翅式換熱器設計中的應用

徐振東 王二強

摘 要：針對板翅式換熱器結構復雜、設計周期長的問題，本研究提出了一種結合CATIA軟件進行二次開發板的翅式換熱器參數化建模。首先利用Microsoft Visual Basic開發工具自帶的控件庫對板翅式換熱器計算求解的界面進行設計，其次根據板翅式換熱器性能計算求解過程來編寫程序代碼，然后建立VB和CATIA的連接，對CATIA API進行調用和處理，最終實現板翅式換熱器的熱力計算、三維模型創建和計算結果的數據存儲等功能。試驗結果表明，所開發的軟件可實現不同系列板翅式換熱器的快速設計，大幅降低技術人員的設計周期，提高設計效率。

關鍵詞：板翅式換熱器;CATIA;VB

中圖分類號：TK172;TP311.52 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1003-5168（2022）9-0019-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.003

Application of Auxiliary Development Program for Plate-Fin Heat

Exchanger Based on CATIA and VB

XU Zhendong? ? WANG Erqiang

（AVIC Xinxiang Aviation Industry（Group） Co.，Ltd.，Xinxiang 453049，China）

Abstract：Aiming at the problems of complex structure and long design period of plate-fin heat exchanger，this study proposesa parametric modeling of plate-fin heat exchanger combined with the secondary development of CATIA software was proposed.Firstly， the interface design of the calculation and solution of the plate-fin heat exchanger is carried out by using the control library that comes with the Microsoft Visual Basic program development tool.Secondly，the program code is written according to the calculation and solution process of the plate-fin heat exchanger，then establish the connection between VB and CATIA to call and process the CATIA API.Finally，the functions of thermal calculation，3D model creation and data storage of calculation results of plate-fin heat exchangers are realized.The results show that the developed software can realize the rapid design of different series of plate-fin heat exchangers，greatly reduce the design cycle of technicians，and improve the design efficiency

Keywords：plate-fin heat exchanger;CATIA; VB

0 引言

板翅式換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、可靠性高等優點，被廣泛應用于航空航天領域。隨著市場對換熱器的需求量大幅增加，導致板翅式換熱器的設計周期不斷被壓縮。板翅式換熱器的設計過程為：技術人員根據客戶需要開展性能計算，并進行定制化的換熱器三維建模和二維工程圖編制。該工作占據了技術人員大量精力，導致其不能專心技術開發。為此，開發相關設計軟件來實現對板翅式換熱器的自動計算及建模，對提高板翅式換熱器的設計效率具有重要意義。

國內較成熟的板翅式換熱器設計軟件具有通用性強等優點，但大多數軟件都是基于AutoCAD和SolidWorks[1]，且交互界面選擇性輸入的參數多，與工程實踐中的設計工作融合度不高。本研究以Microsoft Visual Basic（以下簡稱“VB”）為系統開發工具，開發出一套基于CATIA的板翅式換熱器應用程序，該應用程序不僅可以提高設計效率，還可縮短設計周期，更可為其他形式的換熱器設計提供參考。

1 程序設計原理

本研究設計的板翅式換熱器為飛機發動機常用換熱器，由封蓋、側板、封條、波紋板、隔板組成。結合傳熱過程，使用“熱效率-傳熱單元數法”進行熱力計算[2]，對于熱力學計算中受溫度影響的物性參數，如導熱系數λ、動力黏度μ等參數，在工作溫度范圍內進行多項式擬合。在程序設計時，根據所選流體選擇相應的物性參數代入求解，圖1為換熱器的熱性能計算流程。

熱力計算主要采用迭代法求解。首先根據換熱量要求計算初始出口溫度值Ti，同時設定計算精度值ε，由流體初始平均溫度確定物性后，重新計算出新的流體出口溫度值Ti+1。若Ti和Ti+1差值絕對值小于精度值ε，計算結束。否則以Ti+1求取平均溫度值來進行第二次迭代計算，直至滿足精度要求。

2 程序設計與實現

在利用VB開發工具進行板翅式換熱器輔助程序開發時，首先利用VB自帶的控件庫進行界面設計[3]，其次根據計算程序框圖編寫主程序邏輯代碼，從而實現應用程序主體的熱力計算、模型創建和數據存儲等功能。

2.1 用戶界面設計

圖2為應用程序的用戶界面，從圖2中可以看出，用戶界面包括5個模塊區和3個功能按鈕，技術人員可通過交互界面對板翅式換熱器進行性能計算、模型創建和數據存儲。用戶界面各模塊分別為：工況參數模塊（包括板翅式換熱器冷熱兩側流體入口溫度、入口壓力、入口流量參數的輸入）、性能要求模塊（包括換熱量、冷邊流阻及熱邊流阻要求的輸入）、結構設計模塊（包括產品外形尺寸、隔板、側板、兩側封條寬度等參數的輸入，以及換熱器材質的選擇）、波紋板設計模塊（包括波紋板波形的選擇及其相關結構尺寸參數的設計）、物性參數模塊（包括兩側流體的比熱容、導熱系數、密度、動力黏度、熱容比、雷諾數、普朗特數、傳熱系數的輸出）、結果顯示模塊（包括計算效率輸出、冷熱邊流阻輸出、散熱量輸出、冷熱邊出口溫度輸出、產品重量輸出）。

2.2 程序功能實現

板翅式換熱器輔助設計應用程序的開發涉及多種技術，包括COM組件技術、VB編程技術及CATIA二次開發技術等。板翅式換熱器輔助設計應用程序模型的創建主要是對CATIA進行二次開發，其中涉及大量的CATIA API的調用和處理，CATIA API的對象模型主要包括文檔對象、視圖對象和窗口對象[4]，是對CATIA進行編程的核心。

為了實現對CATIA的操控，首先建立VB和CATIA的連接，在獲取Application對象后就能對其文檔進行操作。VB與CATIA的連接可通過嵌入在VB程序中的代碼進行訪問（代碼如下所示）。

Dim CATIA As Object

On Error Resume Next

Set CATIA = GetObject（， “CATIA.Application”）

If Err.Number <> 0 Then

Set CATIA = CreateObject（“CATIA.Application”）

CATIA.Visible = True

End If

On Error GoTo 0

連接成功后，可通過不同屬性和操作方法來添加零件（Part）、裝配體（Product）等文檔對象，再向程序中編入零件和產品實現的VB代碼，即可實現在軟件界面設置參數輸入窗口，通過對用戶參數的獲取調用相關函數和零件模型，從而實現對零件和產品設計參數化建模。

2.2.1 零件設計。Part是零件文檔最上層的對象，零件的創建是通過對Part對象的屬性包括三維軸系統（OriginElements）、草圖對象（Sketches）、實體特征（ShapeFactory）等的操作來完成的。

2.2.2 產品設計。產品創建的主要方法為添加組件和子產品，并對組件和子產品進行位置和約束管理。在產品裝配設計時，首先向產品添加組件或子產品，其中一個產品可以由若干個組件和若干個子產品組成，組件和子產品可通過Products對象進行管理，添加組件和子產品的方法有以下幾種。①AddComponent（）：添加一個已經存在的組件;②AddComponentsFromFiles（）：從文件數組中添加組件;③AddNewComponent（）：添加一個新的組件等。

產品在添加完組件或子產品后，應對產品的各組件進行位置約束，產品組件的位置是通過Position對象進行管理的，主要通過GetComponments（）和SetComponments（）兩種方法來確定組件的位置信息，可利用Move屬性來改變組件的空間位置。

另外，組件與組件之間的約束主要由Constraints對象來確定，Constraints對象包含創建約束的所有方法：AddMonoEltCst方法用于創建單個元素的約束，AddBiEltCst方法用于創建兩個元素間的約束，AddTriEltCst方法用于創建三個元素間的約束。在完成約束創建后，也就完成了產品裝配的過程。

圖3為應用程序界面上通過點擊模型創建按鈕后，快速調用CATIA自動繪制出的產品總成及零件三維模型。

2.2.3 數據存儲。在工作中，技術人員通常根據客戶的需求，計算不同邊界條件下的性能參數，這就需要調用程序的數據存儲功能。在該應用程序中，通過創建OLE Automation對象來實現VB和Excel的通信，建立統一的標準化數據輸出格式。用戶只須輸入各不同邊界條件，相繼點擊熱力計算、狀態存儲按鈕即可將結果數據快速導入Excel中。

利用VB操作Excel的步驟如下[5]。

①向VB工程中添加Excel類庫的引用。

②創建Object Linking and Embedding，即OLE Automation對象，獲取對Excel對象的調用。其程序為：

Dim xlApp AS Excel.Application

Set xlApp = CreateObject（“Excel.Application”）

③調用對象的方法，并在使用完對象清除所有引用對象的變量。

3 程序驗證

為了驗證該應用程序的準確性，本研究以某板翅式換熱器項目為例，設計出一款新型板翅式換熱器，表1所示為該型換熱器的主要設計參數。

在圖2所示的參數界面中輸入表1所示的主要設計參數和結構參數。當所有參數輸入完成后，點擊模型創建即可完成該型換熱器模型的更新，更新后的最終三維模型設計結果見圖4。

在圖2界面中，設置進出口邊界參數，點擊熱力計算按鈕即可完成一組設計點的性能計算。若性能計算結果符合要求，可通過點擊狀態存儲按鈕將本設計點的計算結果保存到相應Excel表格中，直至完成所有狀態點的性能計算結果，保存結果如圖5所示。

4 結語

本研究在對板翅式換熱器的設計計算方法進行分析的基礎上，以Microsoft Visual Basic作為程序開發平臺，并聯合CATIA Application及Excel，結合換熱器熱力計算、結構設計，開發出一套針對性強、實用性高的板翅式換熱器輔助設計程序。該程序可實現熱力計算、模型創建和數據存儲，特別適于設計點較多或處于產品上下游、與產品聯合性能計算的場合，可縮短換熱器設計周期，提高技術人員的工作效率。

參考文獻：

[1] 雪冰鋒，閻志祥，周安吉，等.基于SolidWorks和SQL的管殼式換熱器輔助設計軟件開發[J].現代制造工程，2019（9）：107-112.

[2] 余建祖.換熱器原理與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3] 李亞非，鄭玉，張軍強，等.Visual Basic程序設計教程[M].南京：南京大學出版社，2009.

[4] 胡挺，吳立軍.CATIA二次開發技術基礎[M].北京：電子工業出版社，2006.

[5] 張杜，李秀峰.利用VB+Excel實現農業數據的圖表分析[J].安徽農業科學，2009（3）：1372-1374.