面向热风炉耐材的三维设计软件研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 面向热风炉耐材的三维设计软件研究 姓名：陈佺 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：刘云华;朱林 20080526 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 摘 要 随着三维 CAD 技术的迅速发展， 三维 CAD 系统越来越广泛地应用在工程项目设计 中传统的热风炉设计工作主要是在二维 CAD 系统下完成的，大量重复繁杂的设计工 作都是由工程设计人员手工绘制完成， 导致人力和设计时间的大量浪费， 设计效率低下， 而且很容易出错为此，本文结合与中冶赛迪工程技术股份有限公司合作的研究项目， 展开了热风炉耐材三维设计软件系统的研究 热风炉的结构复杂，砖的砌筑规则也是多种多样，砌筑要求非常严格从大量热风 炉的结构实例中，经过归纳总结，分析了砌筑过程中布砖的约束，在此基础上设计了几 种典型的布砖方式充分考虑工程设计人员的设计流程，思维方式和设计习惯，提供便 于操作的交互方式工程设计人员只要确定简单的砖的尺寸和位置信息，就可以完成布 砖的操作，去除了大量重复的工作，大大提高了设计效率，缩短了设计周期。

一座热风炉需要使用种类繁多，数量巨大的耐火砖，而且部分耐火砖指标接近，即 不利于施工管理，又不方便砌砖为了尽量减少砖库中砖的数量，布砖时从砖库中优化 选砖认真分析了优化选砖问题，建立优化问题的数学模型采用符号编码方式，设计 了遗传算法的选择、交叉和变异算子以及其它执行参数，从砖库中选择最优的砖组合， 在满足布砖约束的同时，使砖组合中砖的种类最少通过实例验证，算法得到了很好的 结果 基于上述研究， 在 VC 2003 平台上利用 COM 组件技术开发了热风炉三维设计系统 该系统实现了三维建模、三维布砖和二维出图等热风炉设计的整个过程，减少了工程设 计人员的工作量，提高了设计效率 关键字关键字：热风炉 遗传算法 三维砌筑设计 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the rapid development of the 3D CAD technology, 3D CAD systems are more and more widely used in engineering design. The traditional hot blast stove design process suffers from its low efficiency because the stoves are often designed with two-dimensional CAD systems and a large number of repetitive design tasks are completed manually by design engineers. In order to improve the efficiency of design, a 3D design software system for hot blast stove is developed and some key techniques used in this software development are presented in this paper. Structures of hot blast stoves are complex and rules for their brick masonry are of variable types. In this research, several typical brick layout methods are developed after summarizing traditional methods used for a number of hot blast stove cases and taking into account design flows, design habits and other requirements. The interactive design is one of the major methods, which is convenient in a 3D CAD system. The masonry operations can be successfully completed after engineering staffs specify the information of brick sizes and brick locations. These methods proposed in this paper can greatly improve efficiency and reduce design cycles. A hot blast stove needs to use many kinds of refractory bricks, whose parameters are close to each other. This makes the management of the brick library difficult. In order to minimize the size of the brick library and reduce costs, an optimization program is developed to choose bricks from the brick library. Based on a careful analysis on the related issues, the mathematical model is established. After that, the genetic algorithm based on real number encoding is introduced to solve the optimization problem, in which, selection, crossover and mutation operations of genetic algorithms and other operation parameters are designed. When brick collections selected from the brick library meet given constraints, the type number in the collections is minimal. After verifying through a practical example, a satisfactory result is obtained. Based on the above research, a three-dimensional design system for hot blast stoves is developed with the VC 2003 platform and COM component technologies. The system realizes three-dimensional modeling, masonry and two-dimensional drawing output. The system also reduces workload and improves the efficiency of the design. Keyword: hot blast stove genetic algorithm 3D masonry design 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□ ，在_____年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题来源、目的和意义课题来源、目的和意义 本课题来源于华中科技大学 CAD 中心和中冶赛迪工程技术股份有限公司联合开发 的项目――热风炉耐材三维设计软件开发，该项目要求系统实现热风炉整体三维建模、 按不同材质划分板块、在板块中标准砖和异型砖的布置、各种二维截面图和砖型图的输 出。

传统的热风炉设计方法中，截面布砖图，砖型图都是在二维 CAD 系统环境下完成， 砖量和砖型的统计都是由工程技术人员手动地完成 由于一座热风炉所需要的砖数量多 达几十万块，砖型有数十种，截面布砖图数量多而且复杂，工作量非常大，导致设计效 率低下同时，砖的数量巨大，统计经常出现疏漏使统计结果出现偏差，并且偏差不容 易被发现在实际的工程中经常需要按砖的材料，砖的作用部位，砖的形状等规则分类 统计，使统计的复杂度和工作量大幅度的增加，统计结果经常出错，给工程施工过程中 带来很多的不便和损失 热风炉的设计过程是一个复杂的过程，板块和板块之间，砖与砖之间需要满足很多 约束，结构非常复杂由于二维系统不能表达热风炉的三维形状，现有三维设计系统往 往难以满足热风炉设计的个性化要求目前，三维 CAD 技术已经越来越成熟并得到更 加广泛的应用，而三维 CAD 技术在热风炉设计中的应用尚属国内空白，因此，热风炉 耐材三维设计软件的研究和开发成为炼铁行业关注的重点 本论文的研究目的在于，开发满足工程应用要求的热风炉耐材三维设计软件系统， 实现热风炉三维参数化建模，热风炉墙体砌砖，砖型和砖臏的分类统计，截面二维工程 图的自动输出和标注。

本论文研究工作的直接现实意义是为合作单位热风炉结构设计提供快捷、 高效的设 计工具，提高设计效率使热风炉的设计工作从传统的二维环境转移到三维环境中来， 符合 CAD 技术的发展趋势 对于三维 CAD 技术在冶金行业的应用具有一定的抛砖引玉 的作用，有助于我国冶金行业热风炉设计事业的发展，增强设计实力 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 相关文献综述相关文献综述 人类从开始规模较大的液态生铁的冶炼到现在大规模先进炼铁经历了相当长的历 史[1]随着长期的生产实践和技术进步，冶炼技术得到了长足的发展，冶炼设备也不断 的更新和完善热风炉是炼铁生产过程中的重要设备之一在高炉炼铁生产过程中，需 要向高炉的内部鼓入大量的助燃空气，以促进高炉内炼铁反应的进行，由于高炉内部温 度很高，鼓入常温空气将会导致高炉内部温度急剧下降，不利于炼铁反应的进行，因此 需要鼓入高温的空气热风炉的作用就是把鼓风加热到要求的温度，从而燃烧焦炭以把 铁矿石还原成铁水 热风炉早在 1828 年就在美国出现，当时是用煤做燃料加热铁管，当常温空气从灼。