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以设计为中心的虚拟制造技术及在化工过程装备中的应用

2012/7/5    来源:互联网        
关键字:虚拟制造  数字化  数值仿真  化工过程装备  
本文在分析化工过程装备特点基础上,对过程装备虚拟制造技术平台的体系结构进行了探讨,以典型过程装备螺旋片导流式气液分离器为例,对其数字化建模方法、数值仿真技术、虚拟设计和制造环境进行了研究。初步结果表明:以设计为中心的虚拟制造技术的应用,可以有效地减少产品开发的时间和成本,提高产品质量。

    化工过程装备在国民经济建设中占有显著的地位。在化工生产过程中,为了实现不同的物理化学的反应,工艺过程常常千变万化,要求过程装备的服役条件千差万别,这就决定了化工过程装备具有多样性、复杂性、快速响应的特点。因此将虚拟制造技术应用到化工过程装备设计和制造中,可以改进传统的落后生产方式,提高生产效率,提高产品的市场竞争能力。为此,针对化工过程装备的具体特点,对过程装备的虚拟制造技术进行初步分析和研究。

1 以设计为中心的虚拟制造技术

    在化工过程装备中的应用随着经济改革的深入,我国的制造业正在由传统型向现代型过渡。其制造系统还存在着以下问题:系统投资较大、周期较长,难以评估效益及风险;开发新产品,无法有效预测其开发价值、所得效益及风险;不能确实有效地协调设计与制造各阶段的关系,得到企业整体全局最优效益。这些特点尤其在化工过程装备制造系统中表现明显。而以设计为中心的虚拟制造技术是一种软件技术,它可以解决以上存在的问题,且符合化工过程装备特点要求。

    1.1 化工过程装备的特点

    化工过程装备的特点是由过程工艺所决定的,为了实现不同的物理化学反应,工艺过程常常千变万化,因此过程装备的工艺性很强;其次,过程装备趋向于单系列化,其规模趋向于大型化,要求更长的运行周期,对过程装备的长期可靠性提出了极高的要求。另外,过程装备的服役条件千差万别:有高温、低温、深冷;有超高压、高压、中压、低压、真空等;有气、液、固三相之不同;有强酸、强碱、剧毒、易燃、易爆等,这些工艺特点决定了化工产品开发周期长和设计效率低的问题。此外,化工产品一次建成投资大,设备大多要求可重用;产品非标准件多,单独设计、改造任务繁重;制造加工过程具有很强的综合性,还包括大量焊接制造;行业法规性较强。由以上分析表明,多样性、复杂性和实现快速响应是化工过程装备的主要特点。因此,在运用先进制造技术实现快速、高效的设计、制造、生产过程时,必须要响应过程装备的特点要求。

    1.2 化工过程装备虚拟制造技术平台的体系结构

    化工过程是由众多不同的物理过程(如传热、传质、分离、干燥等)或化学反应所组成,由于其反应的环境、机理各不相同,操作条件各异,因而装置结构设计的好坏直接影响着反应设备内的物理过程和化学反应的效果。基于此分析,化工过程装备主要是采用基于过程(化学反应或物理过程)的仿真来优化产品和过程设计,以实现特定的制造目标,因此属于以设计为中心的虚拟制造系统。基于物理过程和化学反应的虚拟、基于设备控制过程的虚拟和基于设备安全服役的虚拟3部分组成了化工过程装备的虚拟制造系统。现代化工过程装备制造系统由现实物理系统(RPS)和现实信息系统(RIS)2个子系统组成。其中RPS由系统中的物理实体(包括材料、流体介质、设备、反应物料、加载器和控制器等)组成,当系统运行时,这些物理实体具有一定的行为和交互。RIS涉及信息处理和决策的活动,如设计、计划、调度、控制和评估等,它由计算机和人员组成。RPS向RIS发送状态报告,RIS生成并向RPS发送控制指令,两者只是进行有关信息的交换。用计算机VSS作相应解释就是虚拟物理系统(VPS)和虚拟信息系统(VIS)的交互作用。VPS包括虚拟反应系统(VPS)、虚拟流动系统(VFS)、虚拟服役系统(VIS)3个子系统。VIS是基于计算机支持的产品设计活动,它包括CAD、流体动力学传热学分析、数值仿真(有限元分析)、CAPPCAM等。RPS的信息反映到VPS,作用于其子系统。VRS受VIS命令的控制,并向VIS返回状态报告;VIS接收并检测信息后将控制命令作用于VFS,VFS再将其状态报告反馈给VIS;依次连续进行到VSS,达到既定目标。在系统运行过程中,CAD、力学分析、数值仿真(有限元分析)、CAPP和CAM等是以并行、协同的工作方式进行的。从而可减少产品的开发时间,有效节省资源,高效完成化工装备的设计制造工作。其体系结构如图1所示。

化工过程装备虚拟制造的体系结构

    图1 化工过程装备虚拟制造的体系结构

 

责任编辑:程玥
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