（化工过程机械专业论文）干气密封参数化设计系统研究.pdf

摘要 随着工业的快速发展，对密封的要求向零泄漏、无污染、长寿命发展，在这种情形 下，非接触式气体润滑密封( 简称“干气密封 ) 以其特有的一系列优点得到了越来越 广泛的应用。干气密封设计过程中需要查阅许多参数，计算、校核大量数据以及基于 a u t o c a d 软件利用计算出的尺寸值绘制大批工程图。传统的设计方法中零件的结构形 状不能灵活改变，而且结构相似、尺寸不同的零件，其设计图纸不能重复利用，因此， 设计周期长，设计效率低。 为弥补干气密封传统设计方法的不足，本文将c a d 技术应用到干气密封设计中， 以p r o e n g i n e e rw i l d f i r e2 0 为平台，利用p r o t o o l k i t 二次开发工具和v i s u a lc + + 6 o 开发环境，开发了适应先进技术要求的干气密封参数化设计系统。在掌握干气密封 工作原理及结构设计理论的基础上，编写了干气密封结构参数计算程序，研究了 p r o e n g i n e e r 系统与p r o t o o l k i t 应用程序接口技术、人机交互界面技术、三维实体参 数化设计技术、二维工程图生成技术和自动装配技术，建立了p r o e n g i n e e r 环境下的三 维模型样板库、装配关系模型库和标准工程图模板库，在此基础上编写p r o t o o l k i t 应用程序实现了干气密封参数化设计系统的运行，并对装配件干涉检查技术作了详细的 分析。 此系统界面友好，用户可在人机交互对话框中输入零件设计参数，系统自动完成设 计参数的检索、传递及更新，实现了干气密封零件的三维参数化设计、二维工程图生成 及自动装配，并对装配件进行干涉检查以验证零件设计的合理性，从而提高了设计效率 并为进一步有限元分析打下基础。 关键词：干气密封，参数化设计，工程图生成，自动装配 s t u d yo np a r a m e t r i c a ld e s i g ns y s t e mf o rd r yg a ss e a l t i a ny i n g ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f h a om u m i n g a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y ，t h er e q u i r e m e n t so fs e a li n c l i n e dt on ol e n oc o n t a m i n a t i o na n dl o n gl i f e ，u n d e rt h i ss i t u a t i o n ，d r yg a ss e a lh a db e e na p p l i e dm o m o r ew i d e l yd u et oi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s d u r i n gt h ed e s i g nc o u r s eo fd r yg a ss e ： d e v i s e r sh a dt od r a wl a r g eq u a n t i t i e so fe n g i n e e r i n gd r a w i n g sw i mt h ef i x e dd a t ab a s a u t o c a d ，t h es t r u c t u r eo fp a r t sc a n tb ec h a n g e de a s i l yi nt h ed r a w i n g s ，a n df o rt h e w i t hs i m i l a rs t r u c t u r e ，t h eb l u ep r i n tc a n tb eu s e dr e p e a t e d l y ，s ot h ee f f i c i e n c yw a sd e c r e w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fd r yg a ss e a l i np e t r o c h e m i c a la n dt h er a p i dd e v e l o p m c a d t e c h n i q u e ，ap a r a m e t r i c a ld e s i g ns y s t e mf o rd r yg a ss e a li sd e v e l o p e di no r d e rt o u pt h ed i s a d v a n t a g e si nt r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d t h es y s t e mi sd e v e l o p e do nt h ep l a t f o p r o e n g i n e e rw i l d f i r e2 0w i t ht h eh e l p so fp r o t o o l k i ta n dv i s u a lc + + 6 0 1 1 t h e s i s ，ac a l c u l a t i o n a lp r o g r a mi sc o m p i l e db a s e do nw o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e s i g nt h e c d r yg a ss e a l 。t h e n ，t h ej o i n tm e t h o do fp r o e n g i n e e rs y s t e ma n dp r o t o o l k i ta p p l i c ； t h et e c h n o l o g yo fi n t e r a c t i v ei n t e r f a c ea r er e s e a r c h e d t h i r d l y , t h et e c h n o l o g yo f p a r a m e d e s i g n ，t h em e t h o do fd r a w i n gc r e a t i o na n da u t o m a t i ca s s e m b l ya r es t u d i e di n t e n s f o u r t h l y , 3 dm o d e ll i b r a r y ，2 dt e m p l a t ed a t a b a s ea n da s s e m b l yr e l a t i o n s h i pd a t a b a s ea r ee s t a b b a s e do np r o e n g i n e e r o nt h e s eb a s e s ，ap r o t o o l k i ta p p l i c a t i o ni sc r e a t e dt oa c h i e v f u n c t i o n o fp a r a m e t r i c a l d e s i g ns y s t e mo fd r yg a ss e a l a tl a s t ，d e t a i l e da n a l y s e i n t e r f e r e n c ec h e c k o u ti sg i v e n t h es y s t e mh a sf r i e n d l yi n t e r f a c e ，s ol o n ga st h eu s e ri n p u t sn e w d e s i g np a r a m e t e t h ec o m p o n e n t s ，t h es y s t e mc a ns e a r c h ，t r a n s f e ra n d u p d a t et h e m ，t h e nt h e3dm o d e l s ，t h d r a w i n g sa n dt h ea s s e m b l yc a nb eg a i n e da u t o m a t i c a l l y , a n da l s 0t h ei n t e r f e r e n c ec h e c k o c a r r i e do u ti no r d e rt ov a l i d a t et h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n a sar e s u l t ，t h ee f f i c i e n c y r e l i a b i l i t ya r ei m p r o v e dg r e a t l y , a n daf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sl a i k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ，p a r a m e t r i c a ld e s i g n ，s c h e d u l ed r a w i n gc r e a t i o n ，a u t o n a s s e m b l y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 著有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名- ) 翌堕日期：如。舻年6 月f 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：1 刁莹 指导教师签名：三耋至五砻丝型 p 日期：枷。睥6 月f 日 日期：硼年易月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 机械密封是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的轴向旋转密封装置，它靠弹性元 件对静、动环端面摩擦副进行预紧，并且介质压力与弹性元件压力也起到压紧作用，从 而达到密封效果【l 】，常用于泵、压缩机、反应搅拌釜等旋转式流体机械。 非接触式气体润滑密封( 简称“干气密封”，也称“气膜密封) 技术是2 0 世纪6 0 年代末在气体润滑轴承的基础上发展起来的，是近年来被采用的密封新技术之一。干气 密封是采用“以气封气”、流体动静压结合的非接触式机械密封，它利用流体动压效应 使旋转的两个密封端面保持非接触状态，是目前世界上最先进的一代高速透平压缩机轴 端密封型式。这类密封有以下突出优点：密封效果好，功耗低；端面非接触，磨损小， 寿命长：可靠性高，运行平稳，维护费用低；重量轻，占地面积小，省去了庞大的密封 油系统，消除了密封油对工艺回路污染的可能性f 2 1 。 j o h nc r a n e 公司从2 0 世纪6 0 年代末开始研究气膜润滑端面密封技术，到2 0 世纪 8 0 年代初已完全达到实用化的程度。到2 0 世纪9 0 年代初，与进口高速透平压缩机配套 的干气密封开始进入中国市场。由于干气密封的优点十分突出，目前已大量应用在炼油、 化工行业的泵、风机、压缩机上【3 1 。 目前国内机械密封产品相对于国外先进产品有很大的差距，其原因主要是生产条件 落后和工艺、设计手段落后。在干气密封传统的设计方法中，一般是基于a u t o c a d 软 件利用固定的尺寸值将于气密封各零件设计好，然后将其装配到一起，绘制出相应的二 维图纸。这种设计方法对于零件的结构形状不能灵活的改变，一旦零件尺寸发生变化， 必须重新绘制其对应的设计图纸，而且，结构相同、尺寸不同零件的设计图纸不能够重 复利用，这样在零件的相似性设计上也消耗了大量的人力物力，降低了设计的效率。而 且，二维设计过程中，设计人员借助平面视图来反映产品的外形及结构，通过二维图纸 来表达机器的工作原理、各零件的装配关系、零件连接方式及传动路线等，依靠二维图 纸在设计、分析、制造各环节进行交流。这种方法与人们观察和认识事物的习惯有一定 的距离，使得设计人员不能够直观地看到零件的形状。 要改变机械密封产品的落后状况，首先要提高设计水平。在先进设计理论、先进制 造技术的推动下，c a d 技术已取得了长足的进步，目前c a d c a m 已发展成为一个受 人瞩目的高技术产业，并广泛应用于机械、电子、航空、船舶等行业，这就要求把设计 领域、生产领域与先进的科学技术结合起来。在这种形势下，干气密封的设计与制造应 第一章绪论 积极采用c a d c a m 技术，用先进的设计理论来保证设计质量，使干气密封的设计与制 造逐步向半自动化、自动化、高效化发展【4 】。在c a d 发展初期，c a d ( c o m p u t e r a i d e d d r a w i n g ) 的含义仅仅是图板的替代品，而非现在我们经常讨论的c a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) 所包含的全部内容。c a d 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到7 0 年 代末期，以后作为c a d 技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。人们在设计时的初 衷是三维的，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、制造工艺等关联概念的三维 实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的三维实体，而二维设计在这方面存在着一些不 足，因此，三维设计是发展的必然趋势，通过对现有的设计软件进行二次开发得到适用 的参数化设计系统也成为目前c a d 研究的一个发展方向。 三维c a d 技术存在着一系列优点，可以提供完整的三维产品模型数据，根据需要 将三维产品模型数据生成工程图纸，还可以提供给专用程序进行有限元分析或者直接传 递给制造部门进行编程数控加工，并且可以产生高度真实感照片或者输出到快速成型设 备作样品，提供市场部门使用。因此，三维产品模型数据可以满足产品供应链上很多环 节需要，实现产品数据交换与共享。三维c a d 系统不仅具备零件设计功能、图纸设计 功能以及装配件设计功能，还可以开发标准件及各种专用零件库，并可以借助计算机完 成结构性分析、可装配性分析、干涉检查、物性计算等，以保证制造实施的可行性。因 此，利用三维c a d c a m 技术，可以降低产品开发风险，提高产品设计成功率。从长远 发展观点看，三维c a d 技术必然会替代二维c a d 绘图。 目前三维c a d 技术在机械、电子、模具等众多领域内的应用，正呈现一片繁荣。 但是知名的c a d c a m 软件如p r o e n g i n e e r 、u g 、s o l i dw o r k s 以及华正c a x a 系统等 都是商品化的通用平台。这些通用软件需要考虑各行业、各地区用户的需要，而并非针 对某一领域甚至某种产品的专用软件，而不同企业有不同的产品，其设计方法、产品结 构不尽相同，所以这些软件不能满足行业特殊设计要求。只有通过结合自身实际情况对 c a d 系统进行用户化二次开发，把通用的c a d 系统转化为具有行业特色的c a d 系统， 才能真正达到推广c a d 软件应用的目的，增强企业的产品设计开发能力，提高产品设 计质量，缩短产品研发周期。随着c a d c a m 技术的日趋成熟，三维c a d 软件以及为 符合企业特殊需要而进行的系统的二次开发问题就成了广大c a d 用户和研究人员面临 的重要课题。 在三维c a d 技术迅猛发展的背景下，为了提高效率，减少相似零件设计的重复劳 动，加快新产品开发周期，我们可采用参数化设计来进行干气密封的设计。参数化设计 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 是基于系列化零件的共同特征所得到的，用一组控制参数来约束零件的结构尺寸。这样， 就可以建立一个存储标准化、系列化零件的参数化模型库，对于相似的零件就不需要重 复设计，只需要采用参数化设计的方法，将这些零件从参数化模型库中调出后赋以一组 新的控制参数就能生成新的设计图纸，这样就大大地减少了设计的工作量，提高了生产 效率，缩短了设计周期。与传统设计方法相比，参数化设计方法最大的不同在于它存储 了设计的整个过程，能设计出一簇而不是单一的产品模型。参数化设计可以通过变动某 些控制参数而不必运行产品设计的全过程来更新设计，它成为进行初始设计、产品模型 的编辑修改、多种方案的设计和比较的有效手段。 干气密封参数化设计系统的研究是一个新兴的课题，是密封设计发展的一个新的趋 势，把c a d 技术应用到干气密封的设计中能减少设计者的重复劳动，缩短新产品开发 周期、大幅度提高劳动生产率。本文在掌握干气密封工作机理及结构设计理论基础上以 p r o e n g i n e e r 为开发平台，采用v i s u a lc + + 6 0 和p r o t o o l k i t 二次开发工具进行干气 密封参数化设计系统( p a r a m e t r i c a ld e s i g ns y s t e mf o rd r yg a ss e a l ) 的开发，实现了干 气密封零件的三维参数化设计、二维工程图生成和干气密封自动装配。本系统能够使设 计人员从传统、烦琐、重复的设计工作中解脱出来，从而有更多的精力从事密封领域的 创造性工作，在提高设计人员的工作效率和干气密封设计质量的同时，具有很大的经济 效益和社会意义。 3 第二章 干气密封参数化设计概述 第二章干气密封参数化设计概述 2 1干气密封参数化设计的理论基础 干气密封是采用“以气封气 、流体动静压结合的非接触式机械密封，是目前世界 上最先进的一代高速透平压缩机轴端密封型式。干气密封参数化设计的理论基础之一是 机械密封设计技术。机械密封的设计分三种情况，即标准型机械密封设计、非标准通用 型机械密封设计、专用机械密封设计。g b 6 5 5 6 8 6 机械密封的型式、主要尺寸、材料 和识别标志标准所规定的机械密封的型式为内装、旋转式机械密封以及由其组合而成 的轴向双端面机械密封。就型式而言，它仍有一定的局限性，如未包括使用较多的静止 式、外装式等。 为提高机械密封的标准化程度，在机械密封设计中应当尽量选择标准件，而且应将 非补偿环作为标准通用件来处理。当非补偿环自成体系后，在设计机械密封时只需选用 作为标准通用件的非补偿环。这样，不仅简化了设计工作，便于组织批量生产，同时也 给用户使用提供了较大的选择余地。 机械密封的设计主要根据被密封介质的特性和使用条件，先选择型式结构和材料， 再进行补偿环与非补偿环、辅助密封圈、弹性元件、传动机构及固定结构的设计【5 】。 干气密封参数化设计的另一理论基础是c a d 技术。随着计算机的普及和软件技术 的发展，计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 在工程设计领域中得到 了广泛的应用。c a d 是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品设计构思和论 证、产品总体设计、零件设计、有关零件的强度、刚度等分析计算和图纸绘制等工作1 6 。 c a d 系统是设计过程中的信息处理系统，它充分利用了计算机高效准确的计算功 能、图形处理功能以及复杂工程数据的存贮、传递、加工功能，在运行过程中，结合设 计者的经验、知识及创造性，形成一个人机交互、各尽所长、紧密配合的系统。个较 为完整的c a d 系统的工作过程如图2 1 所示，它包括以下几个方面： ( 1 ) 通过市场需求调查以及用户对产品性能的要求，向c a d 系统输入设计要求。 在c a d 系统中首先进行设计方案的分析和选择，然后，利用几何建模功能，构造出产 品的几何模型，计算机将此模型转换为内部的数据信息，存储在系统的数据库中； ( 2 ) 调用c a d 系统程序库中的各种应用程序对产品模型进行详细设计计算及结构 方案优化分析，以确定产品总体设计方案及零件的结构及主要参数，同时，调用c a d 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 系统中的图形库，将设计的初步结果以图形的方式输出： 侉 改 设 计 输入设计要求 1 c a d 选择设计方燕 i 三维几何造型羽产品模型 ， 一t 优化工程装配仿真物性 设计分析运动仿真分析 - n 一 毒y ii i 辏描图样文件i l 转匍c a ml 图2 一lc a d 系统的工作流程 f i 9 2 - 1 f l o wc h a r to fc a ds y s t e m ( 3 ) 通过计算机辅助工程分析计算功能对产品进行性能预测、结构分析、工程计 算、运动仿真和装配仿真，即利用计算机数值分析求解速度快、效率高的优势，对设计 产品的结构和性能指标进行必要的工程分析、计算和仿真； ( 4 ) 根据计算机显示的结果，设计人员对设计的初步结果作出判断，如果不满意， 可以通过人机交互方式进行修改，直至满意为止。修改后的产品设计模型仍存储在c a d 系统的数据库中，并可通过绘图机输出设计图和有关文档。 从上述过程可以看出，从初始的设计要求到产品设计结果，都是信息的不断产生、 修改、交换、存取的过程，在该过程中，设计人员仍起着非常重要的作用。一个优良的 c a d 系统应能保证不同部门的技术人员能相互交流和共享产品的设计信息，并能够随 时观察、编辑修改设计，实施编辑处理，直到获得最佳设计结果。 2 2 干气密封技术概述 干气密封是基于现代流体动压润滑理论的新型非接触式机械密封，通过在密封面间 通入气体形成具有一定刚度的气膜来实现密封作用。干气密封由动环、静环、弹簧座、 压盖和轴套等组成，如图2 2 所示。动环装在弹簧座内，并用弹簧加压，使动环端面紧 密贴合在静环端面上。动环依靠传动凹圆的作用随轴同步旋转。在结构上，干气密封与 5 菩固 崎 第二章干气密封参数化设计概述 普通机械密封显著不同的是：动、静环密封端面较宽；在动环或静环端面上加工出特殊 形状的流体动压槽，如螺旋槽，槽深一般在3 1 0 t m 之_ f b q m 。 图2 - 2 干气密封结构示意图 f i 9 2 2 s c h e m a t i cd r a w i n go fd r yg a ss e a l 干气密封工作原理可用图2 3 来说明。当动环按图示方向旋转时，流体动压槽把外 径侧( 称之为上游侧) 的高压隔离气体在粘性剪切力的作用下泵入密封端面之间，使由 外径至槽径处气膜压力逐渐增加，而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降；因端面膜压增 加使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力，迫使在静止状态下保持接触的两端 面分离( 2 1 。当开启力与闭合力达到平衡后，端面间形成一层气膜，密封保持非接触、无 磨损运转，其气膜厚度一般维持在2 - 3 1 上m 。由高压隔离气体所形成的气膜阻塞了相对低 压的密封介质泄漏通道，实现了密封介质的零泄漏或零逸出。 动 密 静环 日下游侧 动环 图2 - 3 干气密封工作原理 f i 9 2 - 3p r i n c i p l eo fd r yg a ss e a l 通常，在下列情况下可以优先考虑采用干气密封：要求密封介质零逸出、密封介质 对摩擦温升敏感、要求工艺产品高纯度无污染、泵易抽空丽使密封发生干运转、要求密 封辅助系统简易可靠、密封运行维护费用低等【2 1 。首先，应当考虑的是针对具体的密封 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 介质选择与之相容的阻塞气体，可以是氮气、洁净的仪表气或蒸汽等。尽管干气密封无 需阻塞气体循环系统和冷却系统，但必须保证现场能够提供稳定可靠的气源，这使得干 气密封目前的应用受到了一定的限制。另外，干气密封端面开槽技术也限制了其应用。 但是相比较而言，干气密封仍旧是一种密封效果好且应用广泛的非接触式机械密封。 2 3c a d 技术概述 自1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机在美国出现后，人们就不断地将计算机技术引 入机械设计、制造领域。早在2 0 世纪5 0 年代便首次研制成功数控机床，通过不同的数 控程序就可以实现对不同零件的加工。随后，麻省理工学院的伺服机构实验室研究成功 用计算机制作数控纸带，实现了n c 编程的自动化。在此基础上，人们提出了如下设想： a p t 程序系统是通过描述走刀轨迹的方法实现计算机辅助数控编程，那么，能不能不描 述走刀轨迹，而是直接描述零件本身? 由此产生了c a d 的最初概念【6 j 。 2 3 1c a d 技术发展历程 在过去的5 0 多年里，c a d 技术经历了从无到有、从二维到三维、从单机设计到网 络化协同设计的高速发展过程。美国麻省理工学院( m i t ) 研制出的类似于示波器的图 形设备“旋风1 号( w h i r l w i n di ) 可以显示简单图形，而1 9 5 8 年滚筒式绘图仪和平板 绘图仪的出现标志着交互式计算机图形学研究的开始，此时，c a d 技术处于被动式的 图形处理阶段。6 0 年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可行。 但此时出现的c a d 系统只是极为简单的线框式系统，只能表达基本的几何信息，不能 有效表达几何数据间的拓扑关系。这种情况一直持续到7 0 年代末期，以后的c a d 技术 作为一个分支而相对独立、平稳地发展，共经历了四次重大的技术革命。 7 0 年代在飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视 图、特征纬线的方式来近似表达。由于三视图方法表达的不完整性，制作出来的样品与 设计者的初衷有很大差异，要求更新设计手段的呼声越来越高。此时法国人提出了贝赛 尔算法，使得开发者能在二维绘图系统c a d c 削基础上开发出以表面模型为特点的自 由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统c a t i a ，这带来了第一次c a d 技术革命【8 】。 7 0 年代末8 0 年代初，基于对c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件_ i d e a s 。由于实 体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d c a e c a m 的模 7 第二章干气密封参数化设计概述 型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来c a d 技术的发展方向【9 】。实体造 型技术的普及应用标志c a d 发展史上的第二次技术革命。 8 0 年代末，正当实体造型技术逐渐普及之时，c v 公司提出了一种更好的算法一参 数化实体造型方法，并为此成立了参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ) ，开始 研制命名为p r o e n g i n e e r 的参数化软件。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全 数据相关、尺寸驱动设计修改 1 0 】。早期的p r o e n g i n e e r 软件性能很低，只能完成简单的 设计工作，但由于第一次实现了以尺寸驱动零件设计，使人们看到了它今后将给设计者 带来的方便性。可以认为，参数化技术的应用主导了c a d 发展史上的第三次技术革命。 9 0 年代，s d r c 的开发人员发现参数化技术尚有许多不足之处，例如全尺寸约束这 一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥【l ，因此，提出了一种比参数 化技术更为先进的实体造型技术变量化技术，并攻克了一系列难题，形成了一整套独 特的变量化造型理论及软件开发方法。它的成功应用，为c a d 技术的发展提供了更大 的空间和机遇，驱动了c a d 发展的第四次技术革命。 2 3 2c a d 技术发展趋势 c a d 技术基础理论的每次重大进展，无一不带动了c a d c a m c a e 整体技术的提 高以及制造手段的更新，因此才有了c a d 技术的繁荣，促进了工业的高速发展。随着 c a d 技术的不断研究、开发与广泛应用，对c a d 技术提出了越来越高的要求。目前， c a d 技术正向着集成化、智能化、网络化、并行化、虚拟化和规范化的方向不断发展 1 2 】。 ( 1 ) 计算机集成制造系统是在新的生产组织原理指导下形成的一种新型生产模式， 要求从产品整体角度出发将c a d c a e c a m 集成起来，建立一种新的设计、制造、分 析一体化的系统，c a d 模型将最大限度地被后续的分析、加工、工艺和仿真所利用； ( 2 ) c a d 系统在控制产品的设计过程、应用工程设计知识、实现优化设计和智能 设计等的同时，也需具有丰富的图形处理功能，实现产品的“结构描述”与“图形描述” 之间的转换。因此，将人工智能引入c a d 系统是一种必然的趋势； ( 3 ) 在网络化c a d 系统下，c a d 的公用信息、图形、编码、标准零件等都存贮 在服务器的公用数据库中，用户c a d 工作站通过网络共享其中的数据，进行各自的工 作，交换所需要的中间处理数据和最终结果。随着w e b 技术的不断渗透，支持w e b 协 同设计方案的c a d 软件已经出现并趋于成熟； ( 4 ) c a d 并行化是指产品的方案设计、概念设计、详细设计、分析设计、工艺设 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 计、加工仿真各阶段工作在各设计部门同步进行，各部门的设计信息共享，并进行交流 反馈，同时对各阶段设计中的问题进行修正，保证方案的完成，并行化c a d 是大型企 业实施c a d 的发展趋势； ( 5 ) 虚拟化c a d 是利用虚拟现实技术发展而来的一种新的设计系统。可以在虚拟 环境中对模型进行各种角度的观察，这对缩短产品周期，节省制造成本有着重要的意义； ( 6 ) 规范化的趋势体现在数据模型的标准化、数据交换格式的标准化及c a d 资源 的规范化三个方面。随着c a d 系统的集成化和网络化，制定各种c a d 产品设计和数据 交换标准势在必行。 2 4 参数化设计研究现状 2 4 1 基于p r o e n g i n e e r 的参数化设计 基于特征的参数化技术首先在美国发展起来。目前，参数化技术已被大量用于汽车、 飞机、船舶等制造业中，产生了显著的经济效益。1 9 9 0 年，c h a l m e r su n i vo f t e c h n o l o g y 设计了尺寸要求十分复杂的液压缸；1 9 9 2 年，r a n d a l lt c 用参数化技术设计了螺旋桨； 1 9 9 7 年，p e n d e n n i ss h i p y a r dl t d ，将参数化技术用于豪华游艇的设计；2 0 0 1 年，韩国 a d v n s t o fs c i a n dt e c h 将专家系统技术与参数化技术结合，设计机器工具，并可自动 进行装配。新加坡国立大学的w y n n eh s u 等人，以p r o e n g i n e e r 软件为平台，通过c 语 言编程开发出一种将装配设计分析与产品的概念设计相结合的系统，实现了产品的自动 装配【1 3 】。国外由于研究三维设计软件开发的时间较长，而且早已应用于相关行业，故在 其应用领域里的自主开发技术已经十分成熟和完善。 国内的许多企业也正在进行自主开发或进一步改造设计手段，许多高校和研究所也 正在对参数化系统的应用进行大量的研究工作，例如：基于p r o e n g i n e e r 的压铸模具c a d 系统研究，基于专家系统的减速器三维参数化c a d 系统的研究与开发，基于v i s u a lc + + 的离心泵叶轮参数化设计软件的开发等方面。目前基于p r o e n g i n e e r 的二次开发主要研 究内容包括：零件的三维参数化设计、二维工程图生成、标准件库的创建、零件的通用 装配仿真以及简单零件的设计系统开发，而开发方法主要集中在基于a u t o m a t i o n g a t e w a y 利用v b 对p r o e n g i n e e r 进行二次开发，或者利用p r o e n g i n e e r 自带的二次开发 工具p r o p r o g r a m 或p r o t o o l k i t 对其进行二次开发。 a u t o m a t i o ng a t e w a y 最显著的特点是可以用简单易用的v i s u a lb a s i c 建立需要的应 用程序，利用这个程序可以控制p r o e n g i n e e r 模型的建立过程，从而很方便地建立适合 9 第二章干气密封参数化设计概述 具体生产过程所用的二次开发应用程序。赵静等基于a u t o m a t i o ng a t e w a y 利用v i s u a l b a s i c 对p r o e n g i n e e r 进行二次开发实现了模具的计算机辅助参数化设计，开发过程简单 且能够达到一般的参数化设计系统的需要【l 4 1 。 p r o p r o g r a m 是p r o e n g i n e e r 的一个模块，可以用来记录特征的整个创建过程，以一 段带参数的简单程序来表示。通过适当修改这段程序，就可以方便地生成一簇外形类似 的特征。因此，当对一系列具有类似形状的产品进行开发时，就可以利用p r o p r o g r a m 对零件进行修改，以提高设计效率【1 5 】。刘海芳等对p r o p r o g r a m 模块进行二次开发，得 到了齿轮的参数化设计系统，利用再生成功能输入新的设计参数即可生成新参数下的齿 轮三维实体模型，从而达到了齿轮的三维参数化设计i l 引。 基于p r o t o o l k i t 对p r o e n g i n e e r 进行二次开发是目前广泛应用的一种二次开发方 法1 1 7 】。p r o t o o l k i t 是美国p t c 公司为p r o e n g i n e e r 软件提供的开发工具包，提供了 p r o e n g i n e e r 二次开发所需的函数库文件和头文件，使用户编写的应用程序能够安全地 控制和访问p r o e n g i n e e r 系统，并可以实现应用程序模块与p r o e n g i n e e r 系统的无缝集 成，还可以设计出方便实用的人机交互界面，从而大大提高系统的使用效率。 方兴等通过在v i s u a lc + + 编译环境下编写应用程序来提取p r o e n g i n e e r 三维模型样 板设计参数并驱动生成新参数控制下的零件三维模型，实现了齿轮参数化设计f l8 1 。过杨 等采用p r o e n g i n e e r 的参数化尺寸驱动设计技术开发出机车产品标准件库，并实现了与 装配环境的集成，同时还与标准数据库相连接，实现标准数据自动选择【1 9 1 。 陈辰等详细讨论了基于p r o e n g i n e e r 平台的工程图纸生成软件中零件视图、尺寸、 注释等的自动生成方法，并通过调用p r o t o o l k i t 的相关函数实现了p r o e n g i n e e r 平台 上轴类零件工程图纸的自动生成，从而极大提高了设计效率【2 0 】。徐斌等以p r o e n g i n e e r 软件为平台开发了发动机曲柄连杆机构，在实现零件的参数化设计开发的基础上，对结 构类型选择、二维工程图的绘制及结构的总装进行二次开发，对同类机械产品的参数化 设计起到了指导作用【2 。 易际明等在研究内燃机总体结构及建立内燃机参数化模型基础上，开发了双连杆内 燃机的装配仿真系统，运用多体动力学的方法对内燃机曲柄连杆机构进行了动态仿真分 析【2 2 1 。高霄汉等研究了基于p r o e n g i n e e r 二次开发技术的通用装配仿真软件的开发，通 过装配仿真系统模拟虚拟零件产品的装配过程，并对其装配过程进行三维仿真，在此基 础上进行各零件间的干涉检验和布局调整，从而使设计人员方便的实现这种面向功能和 面向装配的设计，并实时进行信息反馈【2 3 】。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 分析国内所作的基于p r o e n g i n e e r 的参数化设计系统，虽然只是针对机械产品的某 一部分或是某一特定功能所做的研究和开发，但是这给机械密封参数化设计系统的开发 奠定了理论基础，提供了开发思路。机械密封产品的零件规格多、品种杂，但就外形而 言，有许多相似之处。传统的设计方法存在着一系列的缺点，现代设计理念中要求新产 品开发周期要短，效率要高，因此对机械密封参数化设计系统进行研究是一个趋势。国 外著名的密封公司大多拥有自主开发的密封c a d 软件，典型的有j o h nc r a n e 公司的软 件，内含连贯一致的迭代模型程序，具有计算运行密封模拟值的功能，而我国在这方面 的研究开发还处于起步阶段，但也已有了一定的进展。 2 4 2 机械密封参数化设计 在机械工业c a d 技术的应用普及情况下，为提高企业的设计开发能力，合肥通用 机械研究所开发研制了“机械密封c a d 系统”。该系统主要用于密封企业的新产品设计j 为机械密封的新产品设计提供了方便、实用的环境，设计人员在此平台上可以简单、快 捷地设计出新的零件图及总装图，也可借助已有的零件图及总装图进行适当修改【2 4 】。 为满足c a d 一体化的工作要求，谷芳等用c 语言编制了双锥密封的设计计算程序 与a u t o c a d 的a d s 接口程序，实现了双锥密封的参数化绘图，并用f o xb a s e 软件建 立了传入a u t o c a d 所需的数据文件，实现了a u t o c a d 系统直接访问f o xb a s e 数据库。 该程序的建立为实现整个高压容器c a d 一体化打下良好的基础t 2 引。 由于经验类比法设计机械密封需要反复试验和修正，对设计质量和效率有所影响， 翁世修针对机床主轴机械密封提出一种设计模型和实现此模型的c a d 方法，应用已经 计算出的液膜压力、温度场分布和机械变形并对其进行优化，在保证一定的泄漏量和较 长的工作寿命的要求下，对机械密封进行c a d ，确定其主要结构和性能参数，这对于 机械密封c a d 工作的进一步研究具有指导意义1 2 6 】。 先前的密封参数化设计主要集中在密封结构及性能参数的确定、密封零件及总装二 维图库的建立及参数化绘图方面，但是仍旧建立在二维绘图基础上，不利于设计后期对 零件的后续分析模拟工作。p r o e n g i n e e r 是美国p t c 公司于1 9 8 9 年开发出来的三维实 体模型设计系统，具有基于特征、全相关和单一数据库等主要特点，为产品提供了从设 计、装配、制造、分析、数据管理、二次开发等一套完整的解决方案，除此之外还为用 户提供了多种二次开发工具，目前已在众多行业得到了广泛应用。基于p r o e n g i n e e r 的 密封c a d 软件的二次开发也取得了一定的进展。 第二章干气密封参数化设计概述 易际明等围绕陶瓷一石墨摩擦副机械密封对基于p r o e n g i n e e r 的c a d 开发方法及 技术进行了研究，并利用分布式数据库o r a c l e 和p r o e n g i n e e r 系统提供的二次开发工具 p r o t o o l k i t ，开发了陶瓷一石墨摩擦副机械密封c a d 系统【2 7 1 ，其结构如图2 4 所示， 该软件在密封的设计中可取得良好的效果，但是此系统也只是针对陶瓷一石墨摩擦副机 械密封，对于其他型式没有涉及，但是起到了指导作用。 ll 用户界面 i ! ， ；l 水封锪能选箨li 零件管理工具三维实体箍示li l 水封锪能选箨li 零件管理工具ii 三维实体箍示l li 。 l l_i ；同 一， 灞糊够盔 三缝 加豫效滑参数 ；l r j 工工工工车t 谴 l爨具具具邈 ! 一 l 。 a 毒 o 】 ；l jl 剿麾jl 懈j 图2 - 4 陶瓷石墨摩擦副机械密封c a d 系统结构 f i 9 2 - 4 c a da r c h i t e c t u r eo fm e c h a n i c a ls e a lw i t hc e r a m g r a p h i t er i n g s 青岛科技大学的庄春刚在研究美国p v r c 的螺栓法兰连接设计方法的基础上，以 v i s u a lb a s i c 为工具开发了法兰连接静密封计算机辅助设计系统，此系统不仅对螺栓法兰 连接的设计方法有所改进，而且实现了设计自动化，缩短了产品的开发周期【2 8 1 。 分析上述参数化设计的研究现状可以看出，目前的参数化设计主要集中在以下几个 方面： ( 1 ) 根据行业或企业的具体情况，建立辅助性的图形库、公差标注、表面粗糙度 标注、焊接符号标注、装配图编号标注等工具库，在设计与绘图中碰到图形库中的零件 时只需调出直接使用即可，可大大减少重复性劳动，提高效率： ( 2 ) 基于p r o e n g i n e e r 的机械产品c a d 系统已经有了一定的发展，在零件参数化 设计、零件工程图纸的自动生成、结构的总装以及装配仿真方面已经达到了一定水平， 这也给机械密封参数化设计系统的研究提供了开发思路； ( 3 ) 对于机械密封参数化设计而言，可以利用编程实现根据设计参数确定密封的