基于数字化设计平台的固定管板换热器三维参数化设计

吴 量 任 超 樊新宇

（华陆工程科技有限责任公司 西安 710065）

压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其在航空航天、石油化工、能源和医药等领域起到关键作用。压力容器设计作为压力容器全寿命周期过程中极为重要的一环，通过工艺计算、强度计算及结构设计等产生大量设备参数，进而依托模型、图纸等载体完成信息传递。压力容器在设计环节中涉及大量数据交互、计算和分析，随着我国压力容器设计、制造技术的不断进步和工程项目建设周期的不断优化，压力容器的设计对数字化智能化的需求日益增加[1-2]。

以往工程项目实施过程中，压力容器的设计工作相对独立，以固定管板换热器为例，其设备信息的传递大多以二维图纸为载体，布管、结构设计、强度计算、制图等环节均较为离散，其设计过程是一个以数据计算数据、以参数设计参数的过程，其中有大量的设计计算、查图查表以及工程经验分析等工作，借助软件计算、人工查值以及专家咨询是开展上述工作的主要途径，设计人将以上碎片化数据或参数通过人工进行整合，制图，从而完成压力容器设计。

设计数据缺乏连贯性，利用率低，人工占比过高是当前提质增效的难点和瓶颈，也是智能化设计首先需要解决的问题。

基于数字化设计平台的参数驱动和数据传递，可以将传统的压力容器设计过程转变为数字化和程序化的流程，提高压力容器设计的效率和质量，减少人为错误和重复性工作，节省时间和资源。同时以压力容器设计产生的数据链可以支持更精确的模拟和分析，帮助优化压力容器的设计，提高其性能和安全性[3]。

此外，通过数字化设计平台的建设，可以将压力容器在设计、制造、运营和维护阶段相关的数字信息在全寿命周期内得到跟踪和管理，实现压力容器产品全寿命周期的数字化协同管理，提高效率和可持续性[4-5]。

1 固定管板换热器三维参数化设计开发

固定管板换热器作为典型压力容器，在化工装置中应用广泛，工程项目设计工作开展过程中占比较高。固定管板换热器的设计包括工艺计算、布管、管程及壳程结构设计等多个环节，同时需要将各个环节产生的设计数据通过二维图纸表达出来。应用三维参数化设计，通过多个设计子程序的串联，结合对三维设计软件的二次开发，实现从数据到模型，再到图纸的全流程参数化设计。

1.1 固定管板换热器三维参数化设计流程

固定管板换热器三维参数化设计流程如图1所示。工艺参数经过强度计算、结构设计、三维模型参数化建模、二维图纸生成等环节，完成固定管板换热器参数化设计。工艺参数输入作为固定管板换热器设计参数生成的基础，工艺参数包含管、壳程基本尺寸参数、介质的类型、温度、压力等多个方面，应确保工艺参数输入的完整性，对于具备数据直接传递的应进行数据读取，对于需要进行二次处理的工艺数据，应完善后输入。

图1 固定管板换热器参数化设计流程

结构设计相关参数的生成需要完善相关强度计算及查值。强度计算采用内嵌或外接压力容器强度计算软件，相关软件或子程序应考虑预留互通接口。对于需要用标准查值或查图的参数，将涉及的参数及标准图表进行数据库管理，保证数据同源。计算完成后的最终参数作为设计参数参与后续建模等工作。

在三维参数化设计流程中，应按照设校审习惯和标准要求，根据操作方特点合理设置操作断点，避免过度闭环，影响设计效率和质量。

1.2 固定管板换热器三维模型参数化设计

固定管板换热器三维模型参数化设计应遵循换热器设计流程及装配关系，如图2 所示，按照基本壳体—布管—穿管束—设置接管流程进行。在三维软件二次开发时应验证子程序之间的参数连续性，对布管等具有设计自主性的部分应设置子程序断点。

图2 固定管板换热器参数化设计子程序示意

在支撑布置及接管设置时，应梳理智能布置逻辑，自动进行干涉性提醒，并加入有效补强范围等判据。对于标准件模型的引用和装配，应统一索引字符，同时对标准件模型中的关联参数进行数字化转化，使之与平台参数联动，确保装配关系的匹配。当标准件引用具有多目标时，应设置子模型，使目标间标准件相互独立，避免参数关联。

1.3 固定管板换热器二维图纸生成

固定管板换热器二维图纸的生成是在三维模型和参数的基础上进行的。为实现设计意图的完整表达，二维图纸的生成从两方面进行。如图2 所示，一方面沿用三维模型主体，采用合理的剖切视图，完成固定管板换热器各个整体视图关系的表达。另一方面，通过参数传递，对节点视图、设计数据表、管口表等一系列参数信息进行更新关联。

经三维模型剖切、投影关系的二维表达与传统二维制图会有部分差异，对于不影响设计意图表达的，应经评估后采纳接受(如轴测图等)；对于影响设计意图表达或表达不清的，应采用节点图、数据表等形式补充表达，避免表达不清。

三维设计软件生成的二维图纸应完善与不同二维软件间的格式映射，以实现二维图纸的二次编辑和修改。

2 数字化设计平台的三维参数化设计功能建设

2.1 数字化设计平台参数获取与整合

依托数字化设计平台开展三维参数化设计，关键在于工艺、结构参数遵循设计逻辑传递与集成，因此参数获取和整合是参数化设计的核心。围绕参数获取和整合，应该关注上下游专业数据传递、参数化设计程序集成和数据结构化存储等方面问题。经过工程项目运行调研，以下列3 个方面为切入点：

1）数据整合与集成。整合不同来源的数据，包括设计规范、工艺要求、历史数据等，形成统一的数据源。利用数据库将分散的数据整合到一个统一的数据平台中，方便设计人员便捷访问和使用所需参数。

2）标准与知识库参数化。关联数据库的标准并参数化，包括与固定管板换热器设计相关的尺寸、材料规格、工艺要求等，确保设计符合要求。建立知识库逻辑，汇集专业知识、经验和最佳方案，为设计人员提供参考和指导，保证设计的准确性和一致性。

3）工作流程优化。集成专业内设计工作流程，通过程序消除烦琐的手动步骤，实现自动化和高效的设计过程。利用数字化设计平台，设计优化上下游工作流程，提高设计效率，减少重复性工作，同时保持设计的一致性和准确性。

通过以上3 个方面的切入点，数字化设计平台能够整合和获取固定管板换热器设计所需的参数和规范，并提供优化的工作流程。这样的设计平台可以简化数据获取过程，提高设计精度和效率，促进设计过程的标准化和一致性。通过优化工作流程，设计人员可以更好地利用数字化设计平台的功能，提高设计质量和工作效率。

2.2 参数化设计与设计平台兼容性建设

为实现参数化设计与数字化设计平台的兼容与联动，应该保证数字化设计平台上的参数、架构及子程序接口与参数化设计部分匹配，按以下3 个步骤开展：

1）系统需求分析和规划。进行参数化设计和数字化设计平台的需求分析，确定两者在功能和接口方面的兼容性需求。研究现有的固定管板换热器三维参数化设计子程序和数字化设计平台，明确软件间的接口需求和数据交互方式。

2）接口设计与数据交互。设计并实施参数化设计与数字化设计平台之间的接口，以确保二者之间的数据交换和集成顺利进行。确定数据格式、数据传输方式、数据标准和接口协议等规范，保证参数化设计工具与数字化设计平台之间的数据兼容性。开发和选择合适的数据中间格式，以确保参数化设计工具生成的数据能够被数字化设计平台正确识别和使用[6]。

3）测试和优化。在兼容性建设完成后，进行系统测试和验证，确保参数化设计与数字化设计平台之间的数据交互和功能兼容性达到预期目标。通过测试和反馈获取用户的意见和建议，及时调整和优化系统以提升兼容性和用户体验。在实际应用中进行迭代和持续改进，不断优化参数化设计与数字化设计平台的兼容性，提高数据交互的准确性和效率。

通过以上3 个步骤，参数化设计与数字化设计平台的兼容性可以得到建设和优化，确保两者之间的数据交互和功能兼容性，提高设计效率和协同工作的效果。

如图3 所示，通过将传统设计工具进行数字化封装及整合，依托数据链参数传递，可以实现一条数据链、多项专业工作的集成化设计。同时该工作可分阶段、分内容开展，在保证数据同源、参数同链的情况下，实现快速投用，逐步拓展。

图3 数字化设计平台基本架构

3 基于数字化设计平台的固定管板换热器参数化设计

按照本文上述思路，本单位开发了包含条件接收及发送、个人权限登录、项目管理、参数化设计、进度管理和数据分析等功能的压力容器数字化设计平台，平台主页面及功能区划分见图4。

图4 数字化设计工作平台界面

平台以属性卡的形式分区管理多类参数信息，其中上下游专业信息可以用于条件接收及发送，项目及压力容器信息用于设计管理。通过对数据流参数的明确，接入多个参数相关的API 子程序，通过数据流和命令流驱动子程序运行，按设计人设计习惯合理设置程序断点，从而完成从平台数据到模型，再到图纸的全流程三维参数化设计。设计产生的大量数据，可直接按规则输出轻量化模型数据文件，供设备布置及配管，同时也可以实现数据流在管口材料表生成等其他多项专业工作间的联动，为压力容器数字化交付提供支持[7-8]。

与此同时，针对压力容器产品的采购、制造、监检等运用维护信息预留属性卡，可实现与产业链上下游的参数和数据的对接。

经过统计，应用该设计平台的固定管板换热器设计工作平均人工时效率提高7 倍，图面正确率提升显著。至2023 年11 月底，已在24 个国内外大型工程项目中应用，完成模型设计200 余台。

4 结论

本文研究了基于数字化设计工作平台的固定管板换热器的三维参数化设计方法。通过全面描述从工艺参数到三维模型再到二维工程图纸的参数化设计全流程，揭示了数字化转型和参数化设计在压力容器设计中的重要作用，主要有以下结论：

1）本文提出了基于数字化设计平台的固定管板换热器参数化设计方法。通过数字化设计平台，将固定管板换热器设计过程实现了全流程数字化。通过合理设置工艺参数，利用三维建模软件创建三维模型，并经过参数化调整和优化，最终生成了二维工程图纸。通过数字化设计平台的应用，固定管板换热器的设计变得更加高效、准确和灵活。

2）本文揭示了数字化转型对固定管板换热器设计过程的重要影响，探讨了智能化设计在参数化设计中的应用。平台将智能化设计与参数化设计相结合，进一步提升了固定管板换热器设计的水平。通过智能化的参数设置、逻辑优化和子程序辅助，实现了自动化和智能化的设计过程。这在节约时间、提高效率、优化性能等方面带来了明显的优势。

同时，压力容器数字化转型在设计平台的进一步改进和完善，智能化设计技术的发展与应用等仍面临复杂逻辑和图面处理等方面的一些挑战和问题。未来的开发可以进一步推动数字化转型在压力容器设计中的应用，提升设计效率和性能。