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实现化工设备虚拟仿真建模及其可视化管理
2010年8月31日    评论:    分享:

    来源:第三维度(http://www.d3dweb.com)
    作者:吴俊飞  刘清亮  付  平


    摘要 采用VB编程语言在AutoCAD平台下开发了化工设备三维建模及可视化管理系统,系统对化工厂常见的设备如换热器、反应釜、塔设备、储罐以及阀门管道等设计了三维快速建模程序,可在AutoCAD下快速建立化工设备的三维仿真模型,并在此基础上将设备三维模型和设备台账数据库对应起来,实现了设备三维模型与其对应信息的添加、删除、修改及定位显示等功能。

    一、引言

    可视化管理使管理者对其所管理的设备有形象具体的概念,对设备所处的位置、外形及所有参数一目了然,无论是新厂房的规划设计还是已有设备的合理使用和管理,都会大大减少管理者的劳动强度,提高了管理效率和管理水平。

    该系统利用VB编程语言对AutoCAD进行了二次开发,对化工企业的常见设备例如换热器、反应釜、塔、储罐以及三维管道和阀门仪表等开发出了三维快速建模程序。通过开发的可视化系统界面中输入设备的几个简单参数即可在AutoCAD界面中迅速建立该设备的三维简单模型,进而即可建立起车间以及整个工厂的三维仿真模型,在该模型图中通过AutoCAD提供的平台可以实现动态漫游。该系统还将设备的属性信息与其对应的三维模型联系起来,将图形中不能显示的信息添加到设备台账数据库中,将设备形状及其在工厂中的位置与设备的性能参数联系起来,从而可实现设备在图形中的定位显示等功能。

    二、系统开发思路及总体结构

    图形是可视化管理的基础,要想实现可视化管理首先要建立设备的三维图形,三维模型图的建立需要两大类基本参数,即设备的形状参数和位置参数,形状参数确定设备的整体形状,位置参数决定设备在模型图中的安放位置,确定了工厂设备的这两类参数,其模型图就可以建立了。接下来的任务就是将图形与数据库相结合,把设备的各类属性参数添加到数据库中,以实现其可视化管理。

    三维模型建立及可视化管理如图1所示。

三维模型建立及可视化管理

     三、基于AutoCAD的三维可视化仿真原理

    三维可视化仿真(Three Dimensional Visual Simulation,3DVS)是计算机仿真技术和系统建模技术相结合后形成的一种新型仿真技术,其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理,同时实现仿真软件界面的三维可视化。将科学计算中产生的数据及结果转化为图形或图像的技术已成为可视化仿真的核心技术之一;另一个核心技术就是基于面向对象技术的建模过程图形用户界面的设计,即可视化建模的实现,这两项技术构成了可视化仿真技术中“可视化”的主要内容。

    AutoCAD作为一种基本的绘图软件在工程设计中得到了广泛应用,但它主要用于绘制零件图和装配图,由于其在三维建模方面的不足及其他大量三维建模软件如Pro/e、UG、SolidWorks、SolidEdge等的应用,限制了其在三维建模方面的应用,但在价格及其目前企业的通用性方面还是占有其独有的优势。由于AutoCAD具有开放的结构体系,使得用户可以根据自己的需求,对其进行二次开发。如果将AutoCAD中的三维建模功能进行开发,对各类实体的建立都以可视化的界面代替,则可以大大提高三维建模的效率。该系统即是以此为契机,利用VisualBasic编程语言对AutoCAD进行的二次开发,将各种常见化工设备开发了其三维快速建模程序,并以图块形式放入其所在模型的位置,从而快速建立起工厂的三维仿真模型。

    作为该系统研究核心内容的三维可视化体现在以下几个方面:(1)用各类实体图形显示工厂的分布情况;(2)利用AutoCAD提供的平台对画面进行交互操作,可更改观测位置、动态漫游、实时缩放等;(3)实现对实体信息实时添加、查询设备,并对查询到的设备在图形中定位显示。

    四、AutoCAD下设备及工厂三维模型的建立

    应用可视化的设计界面可对所需化工设备建立起其三维模型,三维可视化建模界面如图2所示,具体开发步骤如下。

图2 三维可视化建模界面
图2 三维可视化建模界面

    1.建立三维视觉网格

    由于AutoCAD在三维建模方面的不足,使得众多设备及实物不容易在模型空间定位,为此必须首先在模型空间中建立一个视觉平面,便于确定实体的安放位置。视觉网格的建立是通过控制AutoCAD下3DMesh命令来建立的,它包括网格的长度、宽度及网格密度等参数。

    2.建立化工设备三维模型

    本系统完成了化工厂常见设备如换热器、反应釜、塔、储罐等三维建模程序,通过可视化的设计界面,可迅速建立各类设备的三维简单模型,并根据其相对位置将其放入模型空间中。由于其设计思路与方法大同小异,现仅以换热器为例说明。

    用户确定需要添加换热器设备,在三维建模的主窗体界面中察看并预览立体模型后,即可点击确定按钮进入到换热器参数设置窗体界面中进行该设备的参数设置。其参数主要包括以下内容:壳体(直径、长度)、管箱(直径、长度)、管板(直径、厚度)、管箱法兰(直径、厚度)、支座(长度、宽度、高度、支座间距)以及绕Z轴旋转角度、缩放比例等。

    用户在该设备的窗体界面中完成了参数设置之后,系统根据参数自动生成其模型图块,继而可在AutoCAD界面选取插入点以放置该设备模型(见图3)。

图3 管道及模型示意图
图3 管道及模型示意图

    应用可视化的设计界面可对所需化工设备建立起其三维模型,三维可视化建模界面如图2所示,具体开发步骤如下。

    3.设备间化工管道的连接

    在化工工厂中,化工设备之间的管道连接是极其重要而又复杂的工作,不仅要考虑管道连接的方式、管道的大小、长短,还要综合考虑管道的连接路径、连接方向及实际情况等。

    在添加管道模块中,用户可根据工厂中化工设备及建筑物的布局,进行三维管道的直径、长度、分布方向的确定,通过方向、长度的选择,一步一步地按照用户的意愿对化工设备进行任意三维空间管道的添加,如图3所示。

    4.其他附属部件的添加

    主要包括阀门、仪表、人孔、护栏、扶梯、方体等。

    通过以上过程即可在AutoCAD下建立起设备及工厂的三维仿真模型图。图4、图5所示为用本系统在AutoCAD下建立的工厂局部模型图及设备局部放大图。

工厂局部模型图及设备局部放大图
工厂局部模型图及设备局部放大图

设备局部放大图
设备局部放大图

    五、设备可视化管理

    在建立设备及工厂三维仿真模型的基础上,就可将设备图形上不能显示的一些属性信息添加到设备台账数据库.要想将设备图形的属性添加到Access数库,首先要能在AutoCAD下,实现实体的识别及选择。

    AutoCAD图形对象一般都有句柄(Handle)、对象标识(ObjectID)、实体名称(EntityName)、实体类型(EntityTyp)、对象叔的层(Layer)、对象所使用的线型和对象的可见性(Visible)等属性。AutoCAD中三维图形与数据库的连接,是通过其对象的句柄或其标识来识别设备图形,并将其作为数据库中字段,并据此来建立索引,从而将设备实体和数据库中的记录一对应起来。

    由于不同的图形中的同元的ID号可能相同,从而引起数据库的混乱所以每个图形文件必须唯一地对应数据库中的一个表。

    在该模块的窗体界面中,用户可以对整个化工工厂中的所有的压力容器的详细信息(如压力容器名称、编号、类别、材料、压力、温度、焊缝系数、安全等级状况等信息)进行查看、添加、保存、修改、删除、查询、生成Excel报表等操作管理。  

    建立设备台账数据库后,就可查看已经添加到数据库的设备图形各类信息,通过添加时记录的设备图形的句柄号及包容其最大矩形框两个角点的坐标就能在设备模型图中定位显示该设备。

    六、结束语

    本项目研究及开发不仅实现了化工设备总布局这一复杂系统的直观描述和化工设备总布局信息的高效应用与科学管理,而且提供了实用的应用模型,并实现设计成果的可视化表达,为决策与管理人员提供直观形象的信息支持;给化工设备管理与决策提供一个科学简便、形象直观的可视化分析手段,有助于推动设备管理工作的可视化、现代化发展,推广应用前景广阔。

    参考文献

    1  张晋西等,Visual Basic与AutoCAD二次开发.北京:清华大学出版社,2002

    2  蒋先刚.工程设备图形化管理系统的程序设计.机床与液压,2003(1):66~69

    3  刘正平.设备管理数字地图的开发.计算机应用,2001(8):6

    4  张秋余,魏政,董建设.计算机图纸与化工设备管理系统的设计与实现,计算机工程与应用,2003(11):225~227

    5  钟登华,宋洋大型水利工程三维可视化仿真方法研究.计算机辅助设计与图形学学报,2004(16):122~127   

标签:化工建模可视化
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