徐振東 王二強(qiáng)

摘 要：針對板翅式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計周期長的問題，本研究提出了一種結(jié)合CATIA軟件進(jìn)行二次開發(fā)板的翅式換熱器參數(shù)化建模。首先利用Microsoft Visual Basic開發(fā)工具自帶的控件庫對板翅式換熱器計算求解的界面進(jìn)行設(shè)計，其次根據(jù)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(jìn)行調(diào)用和處理，最終實(shí)現(xiàn)板翅式換熱器的熱力計算、三維模型創(chuàng)建和計算結(jié)果的數(shù)據(jù)存儲等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，所開發(fā)的軟件可實(shí)現(xiàn)不同系列板翅式換熱器的快速設(shè)計，大幅降低技術(shù)人員的設(shè)計周期，提高設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞：板翅式換熱器;CATIA;VB

中圖分類號：TK172;TP311.52 ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。隨著市場對換熱器的需求量大幅增加，導(dǎo)致板翅式換熱器的設(shè)計周期不斷被壓縮。板翅式換熱器的設(shè)計過程為：技術(shù)人員根據(jù)客戶需要開展性能計算，并進(jìn)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(jù)了技術(shù)人員大量精力，導(dǎo)致其不能專心技術(shù)開發(fā)。為此，開發(fā)相關(guān)設(shè)計軟件來實(shí)現(xiàn)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(shè)計效率具有重要意義。

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

1 程序設(shè)計原理

本研究設(shè)計的板翅式換熱器為飛機(jī)發(fā)動機(jī)常用換熱器，由封蓋、側(cè)板、封條、波紋板、隔板組成。結(jié)合傳熱過程，使用“熱效率-傳熱單元數(shù)法”進(jìn)行熱力計算[2]，對于熱力學(xué)計算中受溫度影響的物性參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)λ、動力黏度μ等參數(shù)，在工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。在程序設(shè)計時，根據(jù)所選流體選擇相應(yīng)的物性參數(shù)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(jù)換熱量要求計算初始出口溫度值Ti，同時設(shè)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(jié)束。否則以Ti+1求取平均溫度值來進(jìn)行第二次迭代計算，直至滿足精度要求。

2 程序設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

在利用VB開發(fā)工具進(jìn)行板翅式換熱器輔助程序開發(fā)時，首先利用VB自帶的控件庫進(jìn)行界面設(shè)計[3]，其次根據(jù)計算程序框圖編寫主程序邏輯代碼，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序主體的熱力計算、模型創(chuàng)建和數(shù)據(jù)存儲等功能。

2.1 用戶界面設(shè)計

圖2為應(yīng)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(qū)和3個功能按鈕，技術(shù)人員可通過交互界面對板翅式換熱器進(jìn)行性能計算、模型創(chuàng)建和數(shù)據(jù)存儲。用戶界面各模塊分別為：工況參數(shù)模塊（包括板翅式換熱器冷熱兩側(cè)流體入口溫度、入口壓力、入口流量參數(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計模塊（包括產(chǎn)品外形尺寸、隔板、側(cè)板、兩側(cè)封條寬度等參數(shù)的輸入，以及換熱器材質(zhì)的選擇）、波紋板設(shè)計模塊（包括波紋板波形的選擇及其相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的設(shè)計）、物性參數(shù)模塊（包括兩側(cè)流體的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、動力黏度、熱容比、雷諾數(shù)、普朗特數(shù)、傳熱系數(shù)的輸出）、結(jié)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(chǎn)品重量輸出）。

2.2 程序功能實(shí)現(xiàn)

板翅式換熱器輔助設(shè)計應(yīng)用程序的開發(fā)涉及多種技術(shù)，包括COM組件技術(shù)、VB編程技術(shù)及CATIA二次開發(fā)技術(shù)等。板翅式換熱器輔助設(shè)計應(yīng)用程序模型的創(chuàng)建主要是對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，其中涉及大量的CATIA API的調(diào)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(jìn)行編程的核心。

為了實(shí)現(xiàn)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(jìn)行操作。VB與CATIA的連接可通過嵌入在VB程序中的代碼進(jìn)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(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的VB代碼，即可實(shí)現(xiàn)在軟件界面設(shè)置參數(shù)輸入窗口，通過對用戶參數(shù)的獲取調(diào)用相關(guān)函數(shù)和零件模型，從而實(shí)現(xiàn)對零件和產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)化建模。

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

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

產(chǎn)品在添加完組件或子產(chǎn)品后，應(yīng)對產(chǎn)品的各組件進(jìn)行位置約束，產(chǎn)品組件的位置是通過Position對象進(jìn)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(chuàng)建約束的所有方法：AddMonoEltCst方法用于創(chuàng)建單個元素的約束，AddBiEltCst方法用于創(chuàng)建兩個元素間的約束，AddTriEltCst方法用于創(chuàng)建三個元素間的約束。在完成約束創(chuàng)建后，也就完成了產(chǎn)品裝配的過程。

圖3為應(yīng)用程序界面上通過點(diǎn)擊模型創(chuàng)建按鈕后，快速調(diào)用CATIA自動繪制出的產(chǎn)品總成及零件三維模型。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲。在工作中，技術(shù)人員通常根據(jù)客戶的需求，計算不同邊界條件下的性能參數(shù)，這就需要調(diào)用程序的數(shù)據(jù)存儲功能。在該應(yīng)用程序中，通過創(chuàng)建OLE Automation對象來實(shí)現(xiàn)VB和Excel的通信，建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)輸出格式。用戶只須輸入各不同邊界條件，相繼點(diǎn)擊熱力計算、狀態(tài)存儲按鈕即可將結(jié)果數(shù)據(jù)快速導(dǎo)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(chuàng)建Object Linking and Embedding，即OLE Automation對象，獲取對Excel對象的調(diào)用。其程序?yàn)椋?/p>

Dim xlApp AS Excel.Application

Set xlApp = CreateObject（“Excel.Application”）

③調(diào)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(yàn)證

為了驗(yàn)證該應(yīng)用程序的準(zhǔn)確性，本研究以某板翅式換熱器項(xiàng)目為例，設(shè)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(shè)計參數(shù)。

在圖2所示的參數(shù)界面中輸入表1所示的主要設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)所有參數(shù)輸入完成后，點(diǎn)擊模型創(chuàng)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(shè)計結(jié)果見圖4。

在圖2界面中，設(shè)置進(jìn)出口邊界參數(shù)，點(diǎn)擊熱力計算按鈕即可完成一組設(shè)計點(diǎn)的性能計算。若性能計算結(jié)果符合要求，可通過點(diǎn)擊狀態(tài)存儲按鈕將本設(shè)計點(diǎn)的計算結(jié)果保存到相應(yīng)Excel表格中，直至完成所有狀態(tài)點(diǎn)的性能計算結(jié)果，保存結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語

本研究在對板翅式換熱器的設(shè)計計算方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以Microsoft Visual Basic作為程序開發(fā)平臺，并聯(lián)合CATIA Application及Excel，結(jié)合換熱器熱力計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)出一套針對性強(qiáng)、實(shí)用性高的板翅式換熱器輔助設(shè)計程序。該程序可實(shí)現(xiàn)熱力計算、模型創(chuàng)建和數(shù)據(jù)存儲，特別適于設(shè)計點(diǎn)較多或處于產(chǎn)品上下游、與產(chǎn)品聯(lián)合性能計算的場合，可縮短換熱器設(shè)計周期，提高技術(shù)人員的工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[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(shè)計軟件開發(fā)[J].現(xiàn)代制造工程，2019（9）：107-112.

[2] 余建祖.換熱器原理與設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[3] 李亞非，鄭玉，張軍強(qiáng)，等.Visual Basic程序設(shè)計教程[M].南京：南京大學(xué)出版社，2009.

[4] 胡挺，吳立軍.CATIA二次開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5] 張杜，李秀峰.利用VB+Excel實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的圖表分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（3）：1372-1374.