王康碩，任滔，楊懷毅，丁國良*，董洪洲，宋曉，李剛

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江杭州 311835）

0 引言

隨著市場競爭激烈、時間成本越來越高，空調(diào)換熱器生產(chǎn)企業(yè)需要快速設計換熱器，及時參與投標競價。換熱器的快速設計包括：快速、準確設計出滿足要求的換熱器結(jié)構(gòu)以及換熱器的快速繪制。

對于換熱器結(jié)構(gòu)的快速設計，換熱器仿真提供了必要的方法[1-2]。國內(nèi)外的相關軟件已經(jīng)比較成熟，如國外馬里蘭大學和上海交通大學開發(fā)的換熱器仿真軟件[2-4],可以實現(xiàn)換熱器快速建模，模擬換熱器性能精度高，可以滿足實際工程需求[2]，但是只能通過OpenGL等技術在軟件中顯示換熱器三維圖形，沒有開發(fā)或調(diào)用三維繪圖軟件的接口，因此沒有直接生成三維換熱器圖形的功能。

對于三維換熱器的快速出圖，目前應用最廣的三維繪圖軟件是SolidWorks軟件，具有功能強大、易學易用等特點，但是需要從繪制草圖到構(gòu)建特征的方法逐一實現(xiàn)換熱器的各個特征，因此無法實現(xiàn)換熱器的快速繪制功能。

為了實現(xiàn)換熱器快速設計，需要將換熱器仿真軟件和繪圖軟件結(jié)合起來。目前的結(jié)合方法需要人工識別仿真軟件中大量的結(jié)構(gòu)參數(shù)，人工將這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為SolidWorks繪圖所需的信息。然后，換熱器種類繁多，結(jié)構(gòu)（換熱器芯體、包括鈑金件在內(nèi)的配件）復雜，且SolidWorks繪圖需要詳細的坐標參數(shù)，導致繪制一款大型換熱器往往需要一天甚至更長時間，限制了換熱器設計的效率。因此，快速繪圖需要一個集成換熱器結(jié)構(gòu)快速設計和圖形快速生成的一體化平臺將換熱器設計到換熱器繪圖的過程有效關聯(lián)起來。

本文研究了翅片管換熱器仿真軟件中換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)與三維繪圖軟件所需的繪圖參數(shù)坐標之間的映射關系，開發(fā)了基于換熱器仿真軟件的圖形生成的一體化平臺。

1 仿真與圖形生成一體化平臺搭建

集成換熱器結(jié)構(gòu)的快速設計和圖形的快速生成需要讀取設計軟件的結(jié)構(gòu)信息，并轉(zhuǎn)化為圖形繪制所需的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)。如圖1所示，空調(diào)換熱器組件的仿真與圖形生成一體化平臺的作用是：用程序自動讀取仿真軟件中換熱器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)編寫 SolidWorks可識別的繪圖代碼，即對SolidWorks進行二次開發(fā)，自動生成對應的換熱器及組件的圖紙。具體的平臺開發(fā)思路如圖2所示。

第一步，通過換熱器仿真軟件設計出性能滿足要求的換熱器結(jié)構(gòu)，通過流文件序列化（XmlSerializer）方法將仿真軟件中存儲換熱器結(jié)構(gòu)信息的類序列化，生成包括換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的Xml流文件，便于后續(xù)對繪圖軟件（SolidWorks）二次開發(fā)時調(diào)用。

第二步，調(diào)用 SolidWorks的 COM 接口，對SolidWorks進行二次開發(fā)，分別編寫換熱器芯體以及鈑金件的 API的繪圖函數(shù)[5-6]。將編譯好的程序生成解決方案即可生成換熱器芯體繪圖插件和鈑金件繪圖插件。

第三步，啟動程序會自動打開SolidWorks，在工具下面找到對應的插件，點擊即可啟動程序主函數(shù)。對于換熱器芯體插件讀入流文件后即可生成換熱器芯體。對于鈑金件繪制插件除了讀入換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還需通過界面讀入其它鈑金件結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)，生成鈑金件圖形。

圖1 換熱器自動繪圖平臺作用

圖2 換熱器自動繪圖平臺開發(fā)思路

2 換熱器芯體圖形生成

2.1 難點分析

換熱器芯體中最核心、復雜的部分是連接管，并且每款換熱器的管路連接方式各不相同，圖3所示為任意管路連接方式的一種。

連接方式的信息以某種特定形式（有向圖）存儲在仿真軟件中[4]，程序中存儲連接方式的信息是任意的，存儲的結(jié)構(gòu)信息無法直接用于繪圖軟件，而繪制連接管需要確定的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此，換熱器芯體插件的難點是將任意的連接方式的存儲信息反編碼為編寫 SolidWorks繪圖函數(shù)時所需的特定參數(shù)坐標。

圖3 換熱器芯體自動繪制難點

2.2 解決思路

將存儲換熱管路信息的有向圖轉(zhuǎn)化成用于SolidWorks繪圖的位置坐標的思路是，通過數(shù)學描述的方法將有向圖中換熱器連接管的信息表達出來，再通過公式反編碼成對應的繪圖坐標[8-10]。

確定換熱器芯體空間結(jié)構(gòu)參數(shù)后，平臺通過對繪圖軟件(SolidWorks)進行二次開發(fā)，通過程序?qū)D形自動繪制出來。SolidWorks二次開發(fā)方法主要有兩種，尺寸驅(qū)動法和模型驅(qū)動法。尺寸驅(qū)動法是通過改變模型零件的尺寸，獲得一系列總體結(jié)構(gòu)相同而尺寸不同的方法。該方法無需反復構(gòu)建模型，只需通過尺寸變量驅(qū)動，生成的零件源于同一個零件模板；模型驅(qū)動方法[5-7]是通過程序代碼將繪圖的整個過程（選擇平面、創(chuàng)建草圖、拉伸特征等）進行逐一描述。該方法所需代碼量與模型的復雜程度直接相關，通常需要大量代碼才能完成。由于換熱器尚無模型，故采用模型驅(qū)動法進行二次開發(fā)[9-20]。

2.3 解決方法

在仿真軟件中，換熱器的管路信息用有向圖表示[8]。有向圖的點集和邊集分別采用公式(1)和公式(2)表達，并用二維矩陣Mij存儲[5]。

反編碼矩陣Mij，如圖4所示，將每根管路的起始管編號(i)、終止管編號(j)存儲在數(shù)據(jù)列表中。

圖4 換熱器芯體自動繪制思路與方法

編寫繪圖代碼時，先訪問連接管位置記錄數(shù)組，得到連接管位置，再利用換熱器的行列距信息（如圖5）通過解碼代碼計算出在三維空間內(nèi)，每一個管路的起始管圓心的位置坐標，然后將坐標作為繪制連接管函數(shù)的參數(shù)，則可以繪制出每一個連接管。具體的解碼方法分為5步。

1）計算連接管的起始管（終止管）的行數(shù)Nrow。

式中：N——每列的管數(shù)。

2）計算連接管的起始管（終止管）x坐標，xi。

式中，R(m)為第m行的行距。

3）計算連接管的起始管（終止管）的列數(shù)Ncol。

4）計算連接管的起始管（終止管）y坐標，yi。

式中，C(Nrow，n)為第Nrow行第n列列距。

5）計算連接管的起始管（終止管）z坐標，zi。

式中，L為換熱器管長，m。

圖5 換熱器管相關參數(shù)

可以將矩陣內(nèi)每一個管路的起始、終止管路的信息轉(zhuǎn)化為繪圖時所需的坐標，這兩個坐標即是該管路兩個端點的坐標，但是只有這兩個端點的坐標還不能在SolidWorks中繪制出連接管，因為繪制半圓弧的API函數(shù)需要三點的坐標，所以，根據(jù)式(8)計算出圓弧中點的坐標（x，y，z）。

圖6 換熱器U管參數(shù)

以圖6中任意一U型管（換熱器管圓i、j之間）為例，將參數(shù)帶入，對應的參數(shù)方程為式(10)～式(12)：

其中，xi、xj、yi、yj、zi、zj，見式(3)～式(7)。

由此繪制出二維U管后，還需要一個將二維線條轉(zhuǎn)化為三維換熱器管的命令。在SolidWorks中，大多使用掃描命令。掃描形成換熱器連接管時，對于不同連接管需選擇相應的草圖，掃描時只能選擇對應的起始或終止換熱器管圓。說明每一個圓管面都需作為一個單獨的草圖存在。

3 換熱器芯體配件圖形生成

3.1 難點分析

在換熱器芯體配件中，鈑金件數(shù)量最多，結(jié)構(gòu)最復雜。鈑金件的作用是與換熱器芯體裝配，便于安裝、固定，保護換熱器管束，鈑金件的自動繪制需要解決兩個難點。

由于鈑金件數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復雜，無法對每一種鈑金件類型單獨開發(fā)，因此對鈑金件類型的結(jié)構(gòu)特征進行總結(jié)、提取，開發(fā)幾個通用的鈑金件模型是鈑金件二次開發(fā)的第一個難點。將這些結(jié)構(gòu)特征進行組合即可繪制任意類型的鈑金件。

將鈑金件的特征總結(jié)歸納后，如何存儲鈑金件各個特征的參數(shù)，并且將這些特征參數(shù)轉(zhuǎn)化繪圖時所需的參數(shù)是第二個難點。例如，對中心板進行打孔使鈑金件與換熱器管束能夠配合是裝配的關鍵。然而，每款換熱器管束的管排數(shù)、管列數(shù)、行間距、列間距等參數(shù)各不相同，說明管束的位置千變?nèi)f化，所以，需要將記錄每根換熱器管參數(shù)的列表轉(zhuǎn)換為繪制換熱器管束所需的參數(shù)。

3.2 解決思路

對于第一個難點，解決的思路是根據(jù)先整體后局部、先重要特征后次要特征、優(yōu)先考慮出現(xiàn)頻率高的特征等原則提取換熱器配件的特征。依次提出的特征為：整體造型、中心板開孔（平孔或翻邊孔）、切角、鉚螺母、平孔、四方孔等，這些特征具有通用性。

對于第二個難點，解決的思路是先理清各個特征數(shù)據(jù)的來源，并將所有參數(shù)統(tǒng)一調(diào)取，統(tǒng)一存儲。

3.3 解決方法

對換熱器配件的特征進行組略提取后，將每個特征可能出現(xiàn)的不同情況進一步細分，具體如表1所示。

整體造型可以為U型、L型、矩形、斜型、翻邊型5大類。其中翻邊型鈑金件的四周翻邊高度（可以為0）、方向均可選擇，故整體造型共有10種以上的方式；中心板開孔方式可以全部開平孔，或平孔與翻邊孔結(jié)合；切角方式可以四角都切，或只切一角、兩角，典型的鈑金件可有3種切角方式；鉚螺母的數(shù)量在2～3之間不等，常用的3類結(jié)構(gòu)見表1；平孔的數(shù)量未定，通常左右側(cè)各開1～2個；常規(guī)的四方孔只有表1所示的1種類型。因此，按照排列組合共可提供300種以上的鈑金件類型。

對于第二個難點，將所有特征結(jié)構(gòu)的參數(shù)都存儲在鈑金件插件的一個數(shù)據(jù)存儲類里面，該類參數(shù)有的通過換熱器芯體結(jié)構(gòu)得到，有的需要用戶通過界面輸入，如圖7所示。

表1 鈑金件特征

圖7 鈑金件數(shù)據(jù)存儲

以中心板的開孔為例，從最小編號1開始遍歷換熱器管的數(shù)據(jù)存儲列表中的每一根換熱器管，根據(jù)里面的管列距、管間距確定該管的圓心坐標。具體的公式與繪制換熱器連接管時確定起始（終止）管圓的圓心坐標完全相同，這里不再重復。

確定中心板孔的位置坐標后，還需確定開孔的方式才能繪制，而開翻邊孔的位置隨機，將每個孔的開孔信息記錄在數(shù)據(jù)存儲類的一個布爾型的二維數(shù)組里（1為翻邊孔，0為平孔），通過用戶交互界面，讓用戶點擊選擇翻邊孔的位置，如圖8所示，翻邊孔記錄在數(shù)組 Str[,]對應的位置。繪制中心板孔時，先判斷Str中對應位置的值，確定該位置是否為翻邊孔，先繪制出所有平孔，再繪制出剩下的翻邊孔。

圖8 中心板開孔方式

在繪制出每種特征以后，只需根據(jù)不同鈑金件的特征需求，對這些特征進行組合。該鈑金件插件可繪制上百種常用類型的鈑金件。

4 一體化平臺應用

一體化平臺由換熱器芯體插件、換熱器配件（鈑金件）插件組成。

換熱器芯體插件的開發(fā)過程為：1）設計Opendialog對話框，以便打開、讀入流文件；2）根據(jù)反序列化流文件得到的管長、管徑、管排數(shù)、管列數(shù)、管子的連接方式、翅片尺寸等參數(shù)依次編寫繪制換熱器管、連接管、翅片的API函數(shù)代碼；3）生成解決方案，即可生成SolidWorks插件。

換熱器芯體插件可繪制直型、一次彎折兩大類換熱器芯體，其中一次彎折換熱器的彎折角度、方向可在仿真軟件中指定。圖9所示為換熱器芯體插件運行結(jié)果。

鈑金件插件開發(fā)過程如下：1）讀入換熱器芯體的整體參數(shù)及換熱管位置；2）繪制鈑金件所需參數(shù)設計用戶交互界面以及相應對話框，并設計好數(shù)據(jù)存儲類，以便后續(xù)調(diào)用；3）調(diào)用數(shù)據(jù)存儲類的參數(shù)以及換熱器芯體參數(shù)依次編寫各個特征的API函數(shù)代碼；4）生成解決方案，即可生成鈑金件自動繪制的插件。

根據(jù)換熱器在現(xiàn)場的實際安裝、固定等需求，合理選擇鈑金件特征，如圖10所示。

以圖9和圖10所示的換熱器芯體及配件為例，與傳統(tǒng)繪制方法進行比較，見表2。傳統(tǒng)方法需要手動繪制換熱器管、翅片、逐一裝配連接管，繪制大型換熱器至少需要3 h；繪制換熱器配件（上下左右邊板）的所有特征至少需要2 h，而平臺可以實現(xiàn)換熱器芯體及配件一鍵生成，總體效率提高5倍以上。

圖9 換熱器芯體插件運行結(jié)果

圖10 版金件特征組合實例

表2 平臺與傳統(tǒng)出圖方式比較

5 結(jié)論

本文研究了翅片管換熱器仿真軟件中換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)與三維繪圖軟件所需的繪圖參數(shù)坐標之間的映射關系，開發(fā)了基于換熱器仿真軟件的圖形生成的一體化平臺，得到如下結(jié)論：

1）利用數(shù)學方法可以將仿真軟件中的換熱器結(jié)構(gòu)信息用三維繪圖軟件描述出來。通過解碼將仿真軟件中換熱器連接管位置、連接方式和換熱器管參數(shù)等存儲信息轉(zhuǎn)化為繪圖軟件中的繪圖坐標參數(shù)，并且對繪圖軟件二次開發(fā)，實現(xiàn)換熱器芯體的一鍵生成，避免了傳統(tǒng)的人工繪圖方法的手動裝配、耗時費力和出錯幾率較大的問題；

2）利用歸納的方法將繪制換熱器配件所需的特征提煉，即可通過特征組合的方式生成配件的三維圖形。利用數(shù)學描述的方法將結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)換為繪圖所需的坐標參數(shù)，實現(xiàn)鈑金件的自動繪制，避免了傳統(tǒng)的人工繪圖方法需要做大量重復性工作和繪圖效率低的問題；

3）該仿真與圖形生成一體化平臺可提高換熱器開發(fā)效率。根據(jù)實際應用，換熱器芯體插件的使用可以將繪圖效率提高10倍以上，且隨著換熱器芯體的管路連接越復雜，效率提升越顯著；換熱器配件（鈑金件）插件可以提高5倍以上的出圖效率，對于機柜鈑金件，可實現(xiàn)全特征自動繪制，且鈑金件非標結(jié)構(gòu)越少，提升效率越顯著。因此總的繪圖效率至少提高5倍以上。