第02章 計算機在設(shè)計中的應(yīng)用

第二章計算機在設(shè)計中的應(yīng)用計算機用于工程設(shè)計的優(yōu)點具有程序化或自動化運行速度快顯示出智能化特征計算機用于化工設(shè)計的發(fā)展過程（20世紀(jì)）50年代：計算機進入化工設(shè)計過程始于1955年，當(dāng)時，主要用于化工單元過程的計算。60年代：凱洛格公司于1963年開發(fā)了第一個化工流程模擬軟件，實現(xiàn)了全流程的物料和能量衡算。這一期間，開始出現(xiàn)化工專業(yè)軟件公司。計算機用于化工設(shè)計的發(fā)展過程（20世紀(jì)）70年代：基于計算機圖形學(xué)的CAD方法用于化工設(shè)備和工廠設(shè)計；過程控制CAD進入實用階段。80年代：化工過程設(shè)計實現(xiàn)了流程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，物性計算，過程穩(wěn)態(tài)模擬、動態(tài)模擬和優(yōu)化的CAD集成軟件工具；3D實體模型法用于化工設(shè)備和工廠的設(shè)計。90年代：基于高性能PC和GUI集成化環(huán)境得到了普及應(yīng)用，虛擬工廠設(shè)計方法進入實用階段。21世紀(jì)的發(fā)展趨勢：虛擬工廠設(shè)計方法成為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)今計算機在化工設(shè)計中的應(yīng)用可被稱為：化工CAD（計算機輔助化工設(shè)計）ComputerAidedDesigninChemicalEngineering常見化學(xué)化工應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)處理桌面工具科學(xué)計算化工模擬流體力學(xué)反應(yīng)動力學(xué)量子化學(xué)ChemOffice，ChemSketch，ChemWindowOrigin，ExcelMatlab，Mathematica，Mathcad，MapleAspen，ProII，ChemCAD，AutoPlantFluent，CFX，PHOENICSChemKinMaterialStudio，Gaussion，VASP分子模擬概述概念：利用理論方法與計算技術(shù)，模擬或仿真分子的微觀結(jié)構(gòu)及運動等微觀現(xiàn)象，從而得到宏觀性質(zhì)。應(yīng)用：領(lǐng)域非常廣泛，包括生物醫(yī)藥、催化、高分子、微電子及微機械、力學(xué)及物理學(xué)、化學(xué)化工、地質(zhì)礦產(chǎn)等等化工中的主要應(yīng)用（1）復(fù)雜體系的相平衡（2）微孔界質(zhì)和相介面性質(zhì)（3）蛋白質(zhì)在溶液中的穩(wěn)定性基本方法：量子力學(xué)方法（QM，QuantumMechanics）分子力學(xué)方法（MM，MolecularMechanics），F(xiàn)orceField分子動力學(xué)方法（MD，MolecularDynamics）蒙特卡羅方法（MC，MonteCarlo）分子模擬軟件目前分子模擬軟件的種類較多,各有各的優(yōu)點和用途。以下簡單介紹一些主流的分子模擬軟件的用途。（1）MaterialsStudioAccelrys公司專為材料科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)的新一代材料計算軟件。它能方便地建立3D分子模型,深入分析有機晶體、無機晶體、無定形材料以及聚合物,可以在催化劑、聚合物、固體化學(xué)、結(jié)晶學(xué)、晶粉衍射以及材料特性等材料科學(xué)研究領(lǐng)域進行性質(zhì)預(yù)測、聚合物建模和X射線衍射模擬,操作靈活方便,并且能夠最大限度地運用網(wǎng)絡(luò)資源。GAMESS-UK(分子電子結(jié)構(gòu)計算軟件)Genebrowser(生物技術(shù)、基因治療資源導(dǎo)航)Glide(分子對接程序)GROMOS(通用分子動力學(xué)軟件包)(部分免費)HyperChem(分子模擬)InterprobeChemicalServices(分子模型化軟件)Jmol(分子可視化軟件)(免費)MacroModel(分子力學(xué)計算程序)MARDIGRAS和CORMA(弛豫矩陣分析)(免費)MCPRO(用于蛋白質(zhì)和核酸的蒙特卡羅模擬軟件)MDRANGE(分子動力學(xué)計算ionranges)(免費)MDynaMix(分子動力學(xué)計算軟件)(免費)MOE(分子模擬應(yīng)用環(huán)境、方法開發(fā)平臺)MOLMOL(生物大分子3D結(jié)構(gòu)分析和顯示、NMR結(jié)構(gòu)解析)(免費)3DMolecularDesigns(蛋白質(zhì)及其他3D分子物理模型快速成型技術(shù))（2）其他一些分子模擬軟件化工CAD概述概念：利用計算機輔助完成化工設(shè)計過程中的各項工作。內(nèi)容分類：

根據(jù)其對象和內(nèi)容可分為四大領(lǐng)域：計算機輔助過程設(shè)計（CAPD）

ComputerAidedProcessDesign計算機輔助過程控制設(shè)計（CAPCD）

ComputerAidedProcessControlDesign計算機輔助過程設(shè)備設(shè)計（CAPED）

ComputerAidedProcessEquipmentDesign計算機輔助過程工廠設(shè)計（CAPPD）

ComputerAidedProcessPlantDesign計算機輔助過程設(shè)計（CAPD）化工過程設(shè)計：指針對于化學(xué)工業(yè)和與化學(xué)相關(guān)的過程工業(yè)生產(chǎn)中進行的化學(xué)過程與物理過程的設(shè)計。區(qū)別幾個概念：化工設(shè)計、化工廠設(shè)計、化工過程設(shè)計、化工工藝設(shè)計：化工設(shè)計是泛稱，在不同場合可分別指化工廠設(shè)計、化工過程設(shè)計和化工工藝設(shè)計，其內(nèi)涵最廣，意義不是十分明確?；S設(shè)計化工過程設(shè)計（核心）化工廠房建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計總圖設(shè)計，….等非工藝部分設(shè)計化工工藝設(shè)計（核心）公用工程設(shè)計、外管設(shè)計，…等（化工設(shè)計）計算機輔助過程設(shè)計（CAPD）內(nèi)容建立可行的工藝流程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算物質(zhì)的化學(xué)和物理性質(zhì)進行過程的物料、能量衡算過程運行狀態(tài)仿真模擬設(shè)備工藝計算(確定設(shè)備的工藝條件參數(shù))過程運行特性分析(靈敏度、操作彈性分析)過程參數(shù)優(yōu)化設(shè)計文檔的編繪計算輔助過程設(shè)計（CAPD）軟件工具過程模擬系統(tǒng)或者流程模擬系統(tǒng)，是一類綜合性計算機軟件。美國ASPENTech公司的ASPEN系列軟件包AspenOnev7.3

AspenPlus，AspenProperties，AspenEnergyAnalyzer，AspenHysys等。美國SimSci公司開發(fā)的ProII

。美國ChemStations公司開發(fā)的ChemCAD。美國WinSimInc.公司開發(fā)的DesignII青島科技大學(xué)（青島化工學(xué)院）等單位聯(lián)合開發(fā)的ECSS（EngineeringChemistrySimulationSystem）計算機輔助過程控制設(shè)計（CAPCD）內(nèi)容：過程控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制方案，并進行系統(tǒng)控制性能的仿真模擬。儀表和自控項目的施工設(shè)計

對每個具體的測控點進行儀表選型、儀表回路圖繪制、安裝圖繪制和材料統(tǒng)計等?？刂瓶茖W(xué)與工程自動控制專業(yè)計算機輔助過程控制設(shè)計（CAPCD）工具軟件：針對于化工過程控制系統(tǒng)設(shè)計ASPENTech公司的Dynamics&ModulerSimSci公司的DYNSIMHoneywell公司的UniSimMatLab公司的Simulink計算機輔助過程設(shè)備設(shè)計（CAPED）內(nèi)容：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的選型設(shè)計

根據(jù)過程設(shè)計提出的設(shè)備工藝條件參數(shù)，選擇適用結(jié)構(gòu)和規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，設(shè)計設(shè)備安裝方式。非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的機械設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械性能設(shè)計、加工工藝設(shè)計、安裝方式設(shè)計。軟件工具：美國Autodesk公司的AutoCAD美國PTC公司（參數(shù)技術(shù)公司）的Pro/Engineer（Pro/E）其他許多機械設(shè)計軟件，如UG、CATIA等過程裝備與控制專業(yè)計算機輔助過程工廠設(shè)計（CAPPD）內(nèi)容：設(shè)備布置設(shè)計（EquipmentArrangement）

設(shè)備在三維空間的合理布置。配管設(shè)計（Piping）管道及管件的規(guī)格選擇和在3維空間的合理布置，管段的加工圖。鋼結(jié)構(gòu)支架、平臺設(shè)計（SteelStructure）工廠的可視化模型（Visualization）計算機輔助過程工廠設(shè)計軟件工具：美國INTERGRAPH公司開發(fā)的PDS（PlantDesignSystem）

PDS是一個網(wǎng)絡(luò)運行軟件，它采用Client-Server工作模式，即數(shù)據(jù)和模型放置在服務(wù)器上，設(shè)計者在客戶機上工作。

INTERGRAPH又推出了PDS的最新升級產(chǎn)

SmartPlant3D5.0英國AVEVA公司（原CADCentre公司）開發(fā)的PDMS（PlantDesignManagementSystem）美國BENTLEY公司（原屬美國REBIS公司）開發(fā)的AutoPlant

運行在AutoCAD平臺上的工廠設(shè)計軟件。該軟件可在真實的三維環(huán)境下進行設(shè)計，模型建立過程智能性強，符合設(shè)計人員思維習(xí)慣。INTERGRAPH公司開發(fā)的CADWorxAutoDesk公司的AutoCADPlant3D（PlantDesignSuite）

AutoPlant簡介AutoPLANT是全球使用最廣泛的基于AutoCAD的工廠設(shè)計軟件，新版本完全兼容64位AutoCAD、Windows和MicrosoftOffice。

AutoPLANT產(chǎn)品包括用于管道、設(shè)備、等角圖、電纜管道和鋼架設(shè)計的規(guī)格驅(qū)動三維設(shè)計工具，以及用于儀表和布線、數(shù)據(jù)表及工藝儀表流程圖的二維工藝設(shè)計應(yīng)用程序。新版產(chǎn)品的許多全新增強功能可進一步簡化工作流程、改善信息共享和工程內(nèi)容管理、降低風(fēng)險、促進更有效的變更管理，從而帶來更高質(zhì)量的項目。既能在主機數(shù)據(jù)庫斷開的情況下以“公文包模式”運行，又能以可在各種規(guī)模項目團隊之間共享信息的“項目