论文部分内容阅读
摘 要：CAD也被称为计算机辅助设计（Computer Aided Design），是指利用计算机帮助设计人员进行工程设计，以提高设计工作的自动化程度，节省人力、物力的新型技术，也是近年来发展迅速的一门新兴学科。本文结合实际工作经验，分析了CAD技术的主要功能与特点，并就CAD技术在石油机械设计中的应用进行了探讨与研究。
关键词：cad技术；石油；机械设计；应用
一、CAD技术的功能与特点
1、CAD技术的功能
（1）几何造型。几何造型功能也是CAD技术的核心技术之一，是指设计者可在终端屏幕中将作品构思描绘为一个几何模型并利用CAD技术进行表达，计算机则将这个模型图转换为图形数据，并存入数据库中。在整个设计过程中，模型图可以反复调出与修改。几何造型功能，根据设计时图元的不同，还可细分为线框模型、面框模型和体框模型这三种形式。
（2）工程分析。工程分析功能是当几何模型生成后，可利用CAD软件系统对该模型进行静态和动态下的结构计算与分析，包括了强度、刚度、振动、非线性变形、热变形等多方面的具体分析，还可计算得出几何模型的体积、重量、表面积、转动惯量、质量中心等相关参数。从而有利于设计者确定产品性能的最优化参数。
（3）模拟试验。模拟技术也被称为仿真运动分析，其目的是在计算机中模拟与实际工程系统相符合的工况条件，以此对模型进行试验与研究。利于CAD技术的模拟试验功能，可以极大的提高产品设计工作的一次成功率，有效缩短产品的开发周期。
（4）自动绘图。在机械产品的设计过程中，图纸即为产品设计的语言。如采用传统的设计方法，若将设计者所有构思、计算在图纸中进行表达，需要花费大量的时间用于绘图。而CAD技术所具有的自动绘图功能，可以自动绘制二维、三维的各类设计图纸、设计计算、数据表格等多种文件，还可根据用户的需要对图纸进行放大、缩小、旋转和平移。
2、CAD技术的特点
（1）提高设计效率。当设计者采用CAD技术进行石油机械产品设计时，可以利用系统中多种先进的功能以及先进的设计方法，来提高设计的效率与设计能力。例如，可利用有限元设计法、优化设计法、几何规划法等现代化设计方法来提高产品的设计效率，相较传统设计方法，既省时省力，又经济科学。
（2）缩短设计周期。CAD技术最大的特点之一，即是使设计者和计算机能实现连续且迅速的思维交流，从而最大化的发挥出设计者的思维联想能力与创造能力。因此，CAD技术在石油机械产品设计中的应用，不仅可以提高设计的质量，而且能极大缩短产品的设计周期，带动企业经济效益的提升。据相关资料统计，利用CAD技术进行机械产品的设计，一般产品的设计周期可缩短60%～80%左右，首次设计的一次成功率可达到90%以上。
（3）提升经济效益。CAD技术在石油机械产品设计中的应用，由于可明显缩短工艺准备、设计周期以及制造周期，降低了原材料的消耗，因此可显著提升产品的经济效益。据相关资料统计，CAD技术在机械产品设计中的应用，普遍可提高产品经济效益10%～25%左右。
二、CAD技术在石油机械设计中应用的要点
1、线图、数表的输入与检索
石油机械产品设计与多数普通机械零部件产品的设计类似，在设计之前需查对、校核相关技术规范与使用手册中的标准数据、技术规程、系列参数，以及各类计算所需的系数。这些数据多数是以数表、曲线图形和数列的形式给出。在设计之前，需将上述线图和数表中的数据输入到计算机中，为后续的设计做好准备。
2、产品零部件的选择
结合需要开发的石油机械产品，选择相关的标准件、通用件以及系列化元件。同时，还应选择有关行业、企业的标准，包括了材料规格、设计标准及计算方法等等。例如，需在设计时选择轴承型号，并跟进标准轴承的通用算法来设计标准轴承。
对于设计时图形的输出问题，为了减少设计过程中图形程序的工作量，应当合理拟定输出图形的内容。例如，对于典型的结构件，可以采用只输出尺寸而无图形的图，使之能与已印好的无尺寸但有图形的图复合而成为完整的设计图。
3、设计参数的合理取值
在石油机械产品的设计时，往往涉及到产品参数的合理取值问题。例如，带井下减速器的支承节设计时，需要将行星齿轮传动中的齿轮模数取值为标准值，将齿数取值为整数等等。这就需要设计过程中，根据产品应用的范围、实际工程需要来确定参数的合理取值。
4、合理确定设计变量
在对石油机械产品进行优化设计时，还往往会遇到设计变量的问题。在对设计变量进行选择时，应分清主要与次要的矛盾。例如，对于对全局影响不大的设计变量，应尽量减少该类变量的个数，因为这类变量越多时，设计过程和相应计算也会越复杂。同时，还应将限制设计变量取值范围的约束条件弄清楚，例如材料的机械性能约束、工艺条件约束、标准约束、环境约束以及尺寸变量约束等等。
三、CAD技术未来的发展方向
CAD技术作为20世纪全球最杰出的工程技术成果之一，也是跨世纪的关键技术。CAD技术在我国各行各业的应用与发展水平，已成为了衡量一个国家现代化工业水平的重要标志，也在一定程度上反映了一个国家的综合实力。CAD技术包括了多种工程应用软件，如AutoCAD、3DS Max、Maya、CATIA、UG、Solid Works等，这些软件普遍具有功能强大、使用便捷、集成化程度高等特点，在石油机械产品设计中均有着广泛的应用，并逐渐呈现出参数化、智能化和标准化的应用与发展特点。
1、参数化。传统的CAD软件系统普遍是采用固定的尺寸值来定义几何元素，对图形的修改需要将原线条删除后进行重画，机械产品的设计工作需要重复在原有设计基础上进行改动。利用参数化设计，可以使所设计的零部件结构形状定型，并利用一组参数来约定零部件的尺寸关系，使设计结果的改动受尺寸所驱动，而不需考虑尺寸细节，以赋予设计修改更大的自由度。参数化设计也是现代CAD技术的重要发展方向。
2、智能化。随着现代化计算机复杂设计软件智能化程度的提升，原有繁琐的操作过程可逐渐由计算机智能化进行处理。例如石油机械产品的尺寸标注，原来每增加一个尺寸，均需要多个操作步骤，而随着软件智能化程度的提升，用户只需要指明标注对象，尺寸就可在图中适当的位置进行自动标注。同时，系统的智能化还能根据设计环境提供多种不同的人机交互工具，使用户的使用更加方便、快捷。
3、标准化。由于各种CAD软件系统中数据的急剧膨胀，且不同系统产生的数据文件多采用了各种不同的数据格式，甚至各个软件系统中数据元素的类型也不尽相同，这种情况也制约了CAD技术的进一步应用与发展。为此，为了实现CAD技术信息的共享化并方便技术成果的应用，都应当推进CAD技术的标准化工作。
总结：
本文结合实际工作经验，分析了CAD技术的主要功能与特点，并就CAD技术在石油机械设计中的应用要点与未来发展方向进行了探讨与研究。CAD技术在石油机械设计中的应用，可以借助计算机完成设计中的复杂计算项目，从而极大加快了设计速度，而且在设计过程中实现了良好的人机交互，有利于设计方案的修改和寻找最优化方案，为提高石油机械产品设计质量的提高，以及缩短产品的开发周期都创造出了极为有利的条件。
参考文献：
[1] 蔡洪.论CAD技术在机械设计中的应用[J].科技咨询，2010（23）.
[2] 陈林波.浅析CAD技术及发展趋势[J].中国新技术新产品，2011（10）.
[3] 张跃通.AUTOCAD2000入门与提高[M].北京：清华大学出版社，2000.
关键词：cad技术；石油；机械设计；应用
一、CAD技术的功能与特点
1、CAD技术的功能
（1）几何造型。几何造型功能也是CAD技术的核心技术之一，是指设计者可在终端屏幕中将作品构思描绘为一个几何模型并利用CAD技术进行表达，计算机则将这个模型图转换为图形数据，并存入数据库中。在整个设计过程中，模型图可以反复调出与修改。几何造型功能，根据设计时图元的不同，还可细分为线框模型、面框模型和体框模型这三种形式。
（2）工程分析。工程分析功能是当几何模型生成后，可利用CAD软件系统对该模型进行静态和动态下的结构计算与分析，包括了强度、刚度、振动、非线性变形、热变形等多方面的具体分析，还可计算得出几何模型的体积、重量、表面积、转动惯量、质量中心等相关参数。从而有利于设计者确定产品性能的最优化参数。
（3）模拟试验。模拟技术也被称为仿真运动分析，其目的是在计算机中模拟与实际工程系统相符合的工况条件，以此对模型进行试验与研究。利于CAD技术的模拟试验功能，可以极大的提高产品设计工作的一次成功率，有效缩短产品的开发周期。
（4）自动绘图。在机械产品的设计过程中，图纸即为产品设计的语言。如采用传统的设计方法，若将设计者所有构思、计算在图纸中进行表达，需要花费大量的时间用于绘图。而CAD技术所具有的自动绘图功能，可以自动绘制二维、三维的各类设计图纸、设计计算、数据表格等多种文件，还可根据用户的需要对图纸进行放大、缩小、旋转和平移。
2、CAD技术的特点
（1）提高设计效率。当设计者采用CAD技术进行石油机械产品设计时，可以利用系统中多种先进的功能以及先进的设计方法，来提高设计的效率与设计能力。例如，可利用有限元设计法、优化设计法、几何规划法等现代化设计方法来提高产品的设计效率，相较传统设计方法，既省时省力，又经济科学。
（2）缩短设计周期。CAD技术最大的特点之一，即是使设计者和计算机能实现连续且迅速的思维交流，从而最大化的发挥出设计者的思维联想能力与创造能力。因此，CAD技术在石油机械产品设计中的应用，不仅可以提高设计的质量，而且能极大缩短产品的设计周期，带动企业经济效益的提升。据相关资料统计，利用CAD技术进行机械产品的设计，一般产品的设计周期可缩短60%～80%左右，首次设计的一次成功率可达到90%以上。
（3）提升经济效益。CAD技术在石油机械产品设计中的应用，由于可明显缩短工艺准备、设计周期以及制造周期，降低了原材料的消耗，因此可显著提升产品的经济效益。据相关资料统计，CAD技术在机械产品设计中的应用，普遍可提高产品经济效益10%～25%左右。
二、CAD技术在石油机械设计中应用的要点
1、线图、数表的输入与检索
石油机械产品设计与多数普通机械零部件产品的设计类似，在设计之前需查对、校核相关技术规范与使用手册中的标准数据、技术规程、系列参数，以及各类计算所需的系数。这些数据多数是以数表、曲线图形和数列的形式给出。在设计之前，需将上述线图和数表中的数据输入到计算机中，为后续的设计做好准备。
2、产品零部件的选择
结合需要开发的石油机械产品，选择相关的标准件、通用件以及系列化元件。同时，还应选择有关行业、企业的标准，包括了材料规格、设计标准及计算方法等等。例如，需在设计时选择轴承型号，并跟进标准轴承的通用算法来设计标准轴承。
对于设计时图形的输出问题，为了减少设计过程中图形程序的工作量，应当合理拟定输出图形的内容。例如，对于典型的结构件，可以采用只输出尺寸而无图形的图，使之能与已印好的无尺寸但有图形的图复合而成为完整的设计图。
3、设计参数的合理取值
在石油机械产品的设计时，往往涉及到产品参数的合理取值问题。例如，带井下减速器的支承节设计时，需要将行星齿轮传动中的齿轮模数取值为标准值，将齿数取值为整数等等。这就需要设计过程中，根据产品应用的范围、实际工程需要来确定参数的合理取值。
4、合理确定设计变量
在对石油机械产品进行优化设计时，还往往会遇到设计变量的问题。在对设计变量进行选择时，应分清主要与次要的矛盾。例如，对于对全局影响不大的设计变量，应尽量减少该类变量的个数，因为这类变量越多时，设计过程和相应计算也会越复杂。同时，还应将限制设计变量取值范围的约束条件弄清楚，例如材料的机械性能约束、工艺条件约束、标准约束、环境约束以及尺寸变量约束等等。
三、CAD技术未来的发展方向
CAD技术作为20世纪全球最杰出的工程技术成果之一，也是跨世纪的关键技术。CAD技术在我国各行各业的应用与发展水平，已成为了衡量一个国家现代化工业水平的重要标志，也在一定程度上反映了一个国家的综合实力。CAD技术包括了多种工程应用软件，如AutoCAD、3DS Max、Maya、CATIA、UG、Solid Works等，这些软件普遍具有功能强大、使用便捷、集成化程度高等特点，在石油机械产品设计中均有着广泛的应用，并逐渐呈现出参数化、智能化和标准化的应用与发展特点。
1、参数化。传统的CAD软件系统普遍是采用固定的尺寸值来定义几何元素，对图形的修改需要将原线条删除后进行重画，机械产品的设计工作需要重复在原有设计基础上进行改动。利用参数化设计，可以使所设计的零部件结构形状定型，并利用一组参数来约定零部件的尺寸关系，使设计结果的改动受尺寸所驱动，而不需考虑尺寸细节，以赋予设计修改更大的自由度。参数化设计也是现代CAD技术的重要发展方向。
2、智能化。随着现代化计算机复杂设计软件智能化程度的提升，原有繁琐的操作过程可逐渐由计算机智能化进行处理。例如石油机械产品的尺寸标注，原来每增加一个尺寸，均需要多个操作步骤，而随着软件智能化程度的提升，用户只需要指明标注对象，尺寸就可在图中适当的位置进行自动标注。同时，系统的智能化还能根据设计环境提供多种不同的人机交互工具，使用户的使用更加方便、快捷。
3、标准化。由于各种CAD软件系统中数据的急剧膨胀，且不同系统产生的数据文件多采用了各种不同的数据格式，甚至各个软件系统中数据元素的类型也不尽相同，这种情况也制约了CAD技术的进一步应用与发展。为此，为了实现CAD技术信息的共享化并方便技术成果的应用，都应当推进CAD技术的标准化工作。
总结：
本文结合实际工作经验，分析了CAD技术的主要功能与特点，并就CAD技术在石油机械设计中的应用要点与未来发展方向进行了探讨与研究。CAD技术在石油机械设计中的应用，可以借助计算机完成设计中的复杂计算项目，从而极大加快了设计速度，而且在设计过程中实现了良好的人机交互，有利于设计方案的修改和寻找最优化方案，为提高石油机械产品设计质量的提高，以及缩短产品的开发周期都创造出了极为有利的条件。
参考文献：
[1] 蔡洪.论CAD技术在机械设计中的应用[J].科技咨询，2010（23）.
[2] 陈林波.浅析CAD技术及发展趋势[J].中国新技术新产品，2011（10）.
[3] 张跃通.AUTOCAD2000入门与提高[M].北京：清华大学出版社，2000.