化工设备设计中CAD/CAM/CAE的应用

张子健

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林吉林 132001）

0 引言

我国机械制造生产领域正面临转型关键期，如何生产出体型轻巧、高效率、低成本的设备零部件，成为化工设备设计中的主要任务。而大力开发CAD/CAM/CAE 系统，可将我国机械制造推向更高台阶，完成技术革新。

1 探究CAD/CAM/CAE 系统内容

1.1 CAD 功能内容简介

CAD（Computer Aided Design）即计算机辅助设计，该类软件在机械制图中应用广泛，可通过计算机完成机械设备部件的平面与立体绘图工作。由于在化工设备设计中涉及到大量方案规划、数据计算及分析等作业，借助多方案对比，确定最优方案，各类包含数字、文字与图形的方案信息均储存在计算机中，方便随时调取查看。以往情况下，化工设备设计人员先绘制草图，而后进行专业化修改，最终绘制成专业图的这一系列工作，则由计算机完成，可节省大量设计时间，提高工作效率。计算机利用系统编程运算，能够快速生成设计结果，作图时间大大缩减，方便设计人员对全图实行检验校正。在CAD 软件中，可以任意将图形实行转移、放大、缩小、镜像复制等操作，更加方便了图形绘制。

1.2 CAM 功能内容简介

CAM（Computer Aided Manufacturing）即计算机辅助制造，该类软件主要参与机械生产作业的全过程，贯穿在生产准备阶段到产品制造完成，其将计算机同设备生产流程相关联，制造过程全部由计算机负责完成，包括设备生产计划、生产管理、设备的控制与操作，而且还可利用该软件，分析产品生产中产生的各项数据，科学规划物料的使用情况，并可精准检验生产完成的设备零部件。

1.3 CAE 功能内容简介

机械制造中的CAE（Computer Aided Engineering）即计算机辅助工程，该类软件主要被用来探究机械产品的各项物理性能，如力学性能、结构性能等（图1）。该软件可高效利用计算机，密切机械生产的各个环节，做到信息的高度集成，贯穿到机械加工的全生命周期。CAE 还能够开展静态和动态结构分析，深度探究产品内部存在的线性与非线性问题以及流体、电磁等。

图1 CAE 的功能

2 化工设备设计中引入CAD/CAM 系统操作

将CAD/CAM 系统应用在化工设备中，主要作用就是产品设计，关系到化工产品最终质量，决定其实用价值。安全性始终是化工设备生产的核心追求，这使得零部件的设备环节极为关键。如今被广泛应用在产品设计中的高级CAD/CAM 系统，具有强大的设计功能，可以完成各类型难度系数极高的零部件设计。其中，CAD/CAM 即UG，是化工设备制造领域极受追捧的高级软件，该软件集合了CAD/CAM/CAE 的功能，在机械制造业应用频率极高。本文以UG 对化工设备中的通用零部件椭圆形封头进行三维设计为例，简单介绍CAD/CAM 软件在化工设备中的应用。

封头广泛应用在化工设备中，属于通用型零部件，椭圆形封头属于其系统类型的一种（图2），在制造业应用频率较高，且我国也推出以内/外径作为公称直径的椭圆形封头标准系列。UG 中对于标准件的设计可通过建立部件族或标准件库来调用，类似于椭圆形封头就可以通过建立部件族或标准件库，该项功能可以有效提高设计效率，缩短部件制造时间。对于椭圆形封头的立体设计，具体流程为先参照有关数据信息绘出椭圆形封头的轮廓曲线，之后采用拉伸或旋转等手段，完成椭圆封头的三维绘图。

图2 椭圆形封头

化工用椭圆形封头具有一定的标准规格，相关标准件库具有极为重要的作用，有助于设备零部件的设计与生产。针对比较常用的标准件，UG 设定了标准件库，如螺栓、螺钉、齿轮、垫圈等，设计人员也可以参照实际需要，设立相应的标准件库和部件族随时进行调用，方便设备的设计过程。UG 还拥有外挂的功能，即针对标准件库实施“搭桥”操作，设计者需要这些标准件时就可以直接点击，选择相应的标准即可获得所需的标准零部件。设计人员直接点击法兰，就可以选用所需的法兰标准件。UG 本身具有多种功能模块，提高了设备设计过程中的专业性，部件生产的精准度和制造效率都能得到大幅度改善，推动了机械制造的设计与开发。

以UG 功能模块中的曲面造型为例，该项功能是高级CAD/CAM 软件中最为强大的一项，其覆盖了二维到三维、图像到实体、结构设计到运动仿真等一系列的设备制造领域，该模块强大的操作能力，从设备设计贯穿到生产制造等诸多环节，极大地提高了作业效率。对于化工设备生产制造中的冲压成型件，利用UG 中的钣金成型模块，可以很方便地建立零部件模型，经过结构分析与仿真模拟，不仅能及时对产品进行改进，还可以预测到可能存在的问题。现阶段，绿色环保理念同样融入到化工制造业，各企业致力于推行技术的绿色升级，制造新型环保设备。而UG 除具备产品的设计和装配功能，还可以结合其他系统，利用计算机完成部件的设计制造作业，开展虚拟制造和仿真，加速绿色制造理念在化工领域的深入。

3 化工设备设计中引入CAE 系统操作

CAE 是基于CAD 和CAM 的又一技术升级，该技术的应用范围更加广泛，包括机械、土木工程、电子信息、生物医药等。该技术包容计算机和工程分析技术的各方面功能，实现计算分析、数字方针和结构优化等系列操作。在实际生产过程中，设备承受多方面外力作用，为保持运转安全性，设备的各项性能必须保持在最佳水平。为做到安全生产，节省一定的制造成本，在设备展开正式生产前，会分析测评相关参数，以保证设计出的产品满足标准规范。使用传统的设计方式，可以计算出生产所需的相关参数值，之后接受测试。该种方式可以满足小部件的设计检验工作，但对于大部件生产，如飞机机翼的设计，该种方式不再适用。CAE 利用产品结构分析和性能测试，可有效缩短设计时间，及时发现结构中的不足之处，完成功能结构的优化。该技术的参与，降低了设备部件的报废率，减少了不必要的资源浪费，增大了生产的经济效益。

容器类的化工设备，形状、结构较为多样，这类设备均要承受较大的外部或内部压力，所以将内部压力值高于0.1 MPa 的容器称为压力容器。压力容器的设计分为规范设计和分析设计两类，前者主要针对弹性失效准则设计，后者则基于塑性失效和疲劳失效标准设计。两者相比，后者显然更具科学性。

ANSYS 软件在CAE 类软件中具有理想的分析设计能力，利用ANSYS 分析压力容器设计极具操作性。压力容器由圆柱、头、法兰、轴承构成，在压力容器结构中具有不连续区域，利用ANSYS 开展分析和设计工作，必须分析这些不连续区域，消除不合理的结构，完善整体设计。针对ANSYS 高压容器球形头与简化的有限元分析的结构的节点位移云图，从中能够了解到，连接区域内部压力作用下的变形情况。从云图中也可以掌握结构应力的分布情况，实行网格加密划分，能够有效提高分析结果的精准度，促进后续设计工作的开展。查看裙子支持区域的应力分布情况，能够了解到桶、圆头和裙子过渡区的最大应力分布，而该分布情况表明存在集中形式的圆角应力。设备设计的结果必须符合相关标准规定，可参照绩效评估标准，之后开展优化分析，以期制造出符合技术指标且轻量级的结构。

4 结语

在化工设备设计中，有必要合理应用CAD/CAM/CAE 系列软件，其具有强大的模块功能，有助于设备部件的结构优化，性能的仿真模拟。不仅如此，利用这类软件，同样符合绿色环保设计理念，可推动我国化工制造业向着绿色环保方向发展，有助于相关工艺技术的革新与升级。该类型软件将机械制造业推向新台阶，展现出我国制造业将迎来更加辉煌的未来，进而掀起新一轮的技术革命。