第02章 計算機在設計中的應用

第二章計算機在設計中的應用計算機用于工程設計的優(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計的發(fā)展過程（20世紀）50年代：計算機進入化工設計過程始于1955年，當時，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。計算機用于化工設計的發(fā)展過程（20世紀）70年代：基于計算機圖形學的CAD方法用于化工設備和工廠設計；過程控制CAD進入實用階段。80年代：化工過程設計實現(xiàn)了流程拓撲結構設計，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備和工廠的設計。90年代：基于高性能PC和GUI集成化環(huán)境得到了普及應用，虛擬工廠設計方法進入實用階段。21世紀的發(fā)展趨勢：虛擬工廠設計方法成為標準。當今計算機在化工設計中的應用可被稱為：化工CAD（計算機輔助化工設計）ComputerAidedDesigninChemicalEngineering常見化學化工應用軟件數(shù)據(jù)處理桌面工具科學計算化工模擬流體力學反應動力學量子化學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，模擬或仿真分子的微觀結構及運動等微觀現(xiàn)象，從而得到宏觀性質(zhì)。應用：領域非常廣泛，包括生物醫(yī)藥、催化、高分子、微電子及微機械、力學及物理學、化學化工、地質(zhì)礦產(chǎn)等等化工中的主要應用（1）復雜體系的相平衡（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：量子力學方法（QM，QuantumMechanics）分子力學方法（MM，MolecularMechanics），F(xiàn)orceField分子動力學方法（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公司專為材料科學領域開發(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、結晶學、晶粉衍射以及材料特性等材料科學研究領域進行性質(zhì)預測、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)絡資源。GAMESS-UK(分子電子結構計算軟件)Genebrowser(生物技術、基因治療資源導航)Glide(分子對接程序)GROMOS(通用分子動力學軟件包)(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(分子動力學計算ionranges)(免費)MDynaMix(分子動力學計算軟件)(免費)MOE(分子模擬應用環(huán)境、方法開發(fā)平臺)MOLMOL(生物大分子3D結構分析和顯示、NMR結構解析)(免費)3DMolecularDesigns(蛋白質(zhì)及其他3D分子物理模型快速成型技術)（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)容可分為四大領域：計算機輔助過程設計（CAPD）

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

ComputerAidedProcessControlDesign計算機輔助過程設備設計（CAPED）

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

ComputerAidedProcessPlantDesign計算機輔助過程設計（CAPD）化工過程設計：指針對于化學工業(yè)和與化學相關的過程工業(yè)生產(chǎn)中進行的化學過程與物理過程的設計。區(qū)別幾個概念：化工設計、化工廠設計、化工過程設計、化工工藝設計：化工設計是泛稱，在不同場合可分別指化工廠設計、化工過程設計和化工工藝設計，其內(nèi)涵最廣，意義不是十分明確。化工廠設計化工過程設計（核心）化工廠房建筑、結構設計總圖設計，….等非工藝部分設計化工工藝設計（核心）公用工程設計、外管設計，…等（化工設計）計算機輔助過程設計（CAPD）內(nèi)容建立可行的工藝流程拓撲結構計算物質(zhì)的化學和物理性質(zhì)進行過程的物料、能量衡算過程運行狀態(tài)仿真模擬設備工藝計算(確定設備的工藝條件參數(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)化設計文檔的編繪計算輔助過程設計（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（青島化工學院）等單位聯(lián)合開發(fā)的ECSS（EngineeringChemistrySimulationSystem）計算機輔助過程控制設計（CAPCD）內(nèi)容：過程控制系統(tǒng)設計設計控制系統(tǒng)的拓撲結構，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。控制科學與工程自動控制專業(yè)計算機輔助過程控制設計（CAPCD）工具軟件：針對于化工過程控制系統(tǒng)設計ASPENTech公司的Dynamics&ModulerSimSci公司的DYNSIMHoneywell公司的UniSimMatLab公司的Simulink計算機輔助過程設備設計（CAPED）內(nèi)容：標準設備的選型設計

根據(jù)過程設計提出的設備工藝條件參數(shù)，選擇適用結構和規(guī)格的標準化設備，設計設備安裝方式。非標準設備的機械設計

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

設備在三維空間的合理布置。配管設計（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。鋼結構支架、平臺設計（SteelStructure）工廠的可視化模型（Visualization）計算機輔助過程工廠設計軟件工具：美國INTERGRAPH公司開發(fā)的PDS（PlantDesignSystem）

PDS是一個網(wǎng)絡運行軟件，它采用Client-Server工作模式，即數(shù)據(jù)和模型放置在服務器上，設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平臺上的工廠設計軟件。該軟件可在真實的三維環(huán)境下進行設計，模型建立過程智能性強，符合設計人員思維習慣。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、設備、等角圖、電纜管道和鋼架設計的規(guī)格驅(qū)動三維設計工具，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計應用程序。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