三維CAD技術在化工設備設計教學中的應用

鄭曉冬

（濱州學院化學與化工系，山東濱州256600）

化工設備設計，是一門綜合性的機械類課程，是培養化工專業設計人才的必修課程之一，對化工專業的本、專科教學有著重要影響。其內容涉及化工機械、過程裝備與控制工程專業的全部基礎課程，和部分專業課程。但目前我國的化工設備設計教學，主要強調機械基礎的基本理論和設計計算，而對完整的應用型、創新性設計略顯不足。

在傳統的化工設備設計課程教學過程中,由于學生處于被動的知識接受狀態，較少參與到設備設計工作中，從而導致教學效果不理想。

主要原因，一方面是傳統教學所采用實例較少[1]，或者學生對于一些實際化工生產中的設備所知甚少，導致學生們對接觸到的很多公式和計算方法感到枯燥無味，所學知識得不到靈活運用，以致學習的積極性不高。

另一方面，化工設備的設計需要一定的空間想象力，而大多數學生面對的大都是二維的平面圖、剖面圖及局部視圖，由于從二維抽象到三維形象的思維過程比較困難，即使花大量的時間和精力都難以掌握,因此他們往往缺乏對設備整體的或局部的形象認識。

而傳統教學恰恰大都是面對模型、教具、或二維圖片進行講解，致使學生難以形成規律性的認識,對于書上表述的規律、定理不能和實際形體聯系起來。因此，結合三維CAD技術的實例教學方法，已成為化工設備設計課程教學的必然趨勢。

化工設備的特點，一是大型化，二是種類多。大型化的化工設備主要是化工單元操作設備，如塔器、反應器、換熱器與儲槽等；種類多主要指設備種類多，以及設備上的零部件種類多、規格多。

化工設備雖然種類繁多，但組成各類設備的常用零部件種類還是較有限的，而每種零部件的基本形狀變化也不大，因此，建立用于化工設備設計的CAD系統是完全可行的，主要應用過程包括以下方面。

1 基準零件模型庫的創建

由于化工設備自身的功能要求和結構特點，絕大多數零部件都已標準化、系列化，并在各種化工設備上通用。因此，零件模型庫的建立，首先要對零件進行合理分類，以便在教學中能夠快速有效地檢索。

化工設備的零部件一類是通用零部件，如螺栓、螺釘等；另一類是多種典型化工設備常用零部件，如筒體、接管、封頭、支座、法蘭、人手孔等。

將一些常用的零件模型參數化，并將其存在圖庫中，繪圖時根據需要從圖庫中按菜單調用有關模型，并將之拼裝成有關的零件圖形，由于模型已經參數化，可以方便地修改尺寸，這種利用參數化模型拼裝成設備的方法，可以極大地提高效率。

目前大多數CAD軟件都支持參數化功能，如Auto CAD、SolidWorks、Pro/E、UniGraphics（UG）等[2]。

這樣在教學中就可以利用創建好的零件庫，根據設計尺寸的需要來調用零部件模型，并可以在組合前，將這些零部件模型展現給同學們觀看，以提高感性認識和對設備結構的了解。

2 化工設備的結構設計及整體裝配

零件模型庫建立完畢后，接下來就是根據所調用的零件進行設備的整體組裝。利用三維CAD技術中的裝配設計功能,可以準確地進行結構和曲面復雜的部件的設計，借助于智能捕捉三維約束工具,使得零件裝配如同搭積木一樣簡單方便。

整個組裝的過程直觀、方便，經過三維裝配的化工設備可以任意旋轉，能進行干涉檢查和間隙檢測[3]。通過向同學們展示，可以加深他們對設備結構特征、裝配特征的理解，還可以通過爆炸過程、剖視過程、運動仿真等功能，提高對設備結構、工作中運動過程的感性認識。利用三維CAD軟件中的運動分析模塊，如Pro/E[4]，還可以進一步進行機構的干涉分析，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。分析結果可以進一步修改零件的結構設計或者調整零件的材料。這樣可以讓學生更加實際了解所設計的產品，很多問題在組裝的過程中就可以發現、講解以及解決。

3 三維模型生成二維視圖的逆向學習

傳統的三維建模，是根據模型的二維視圖由平面生成，而我們采用模型數據庫調用零部件組裝成設備的方法，在教學中回避了這一模式，但是我們可以由組裝成的設備三維模型生成二維視圖，二維平面圖及剖視圖，可以在三維模型的任何面上選取[5]，這一逆向學習過程，可以加深學生對二維視圖的理解和學習，教師可以進一步引導學生由二維視圖重新制作三維模型以加強記憶。

通過這種逆向教學法，學生可以真正參與到設備的設計工作中，而不需要經歷太多的抽象、枯燥的理解過程，教師與學生的教學互動也變得相對活潑、形式多樣，這也應該是未來設備設計課程教學模式發展趨勢。

4 對教學人員的新要求

利用三維CAD技術進行化工設備設計的教學工作，同時對教學者也提出了一定的要求，如三維實體建模基礎、計算機語言的編程水平、較強的設計理念，甚至還動畫制作等等方面，教學者的計算機水平與教學效果息息相關，這與傳統的課堂板書教學要求大相徑庭。在當今的教學環境中，應充分利用計算機教學的優勢，將原本枯燥、乏味的板書教學變得生動、活潑，課程中灌輸“實用性、創新性”的設計理念，使學生真正參與到設計工作中，從而達到“寓教于樂”、“授人以漁”的教學目的。

除了課堂教學和課外作業外，適當安排一定課時數的上機操作實踐，對提高學生應用能力也非常重要。通過上機實踐環節，不但使教師與學生面對面接觸，保持良好的互動關系，也能使教師充分了解學生實際動手能力和設計水平上的不足，及時改進教學方法，調整教學進度，提高課程的教學品質。

5 結束語

三維CAD技術的出現和發展，能顯著地提高課程的教學效率和教學品質。除了化工設備設計課程外，其他課程如化工原理課程設計、化工機械基礎、化工設計等相關課程，與CAD技術相結合，也能取得不錯的教學效果，提高學生的參與熱情。通過應用三維CAD技術，有效地化解了設計課程中的教學難點，達到寓教于樂的目的，提高了學生的學習興趣，激發了他們的參與熱情。另一方面也強化了學生的工程設計意識，提高了學生的計算機應用水平，拓寬了學生的知識面，提高了學生動手能力和創新意識，以適應現代設計制造業的發展需要，增強了學生的就業競爭力。

[1]曾 石.化工設備設計課程中實例教學的應用[J].廣州化工，2010，38(12):282-283.

[2]陳建國，張 玲.CAD三維建模技術的發展[J].機電技術，2010，(4):141-145.

[3]林慧珠.CAXA實體設計在化工設備設計中的應用[J].化工裝備技術，2005，26(5):69-71.

[4]高士敏.Pro/E在化工設備設計中的應用[J].安徽科技，2009，(3):41-42.

[5]劉李梅，解 青.三維CAD軟件淺析[J].機械管理開發，2011，(2):205-206.