（机械制造及其自动化专业论文）基于结构设计单元的阀门产品设计技术研究与实现.pdf

摘要 摘要 阀门是流体输送管路的重要控制设备，广泛应用于国民经济各个领域。阀门产 品种类繁多且极具系列化特征，如何实现产品的快速设计，是阀门行业c a d 技术应 用的重要研究课题。 课题研究面向阀门行业应用和产品设计过程，通过对典型阀门产品设计流程与 结构特点的研究分析，基于结构设计单元的概念和设计思想，以典型阀门产品( 蝶 阀) 为研究对象进行了结构设计单元的合理划分，并构建了产品结构设计单元构成 层次结构模型；基于该模型，构建了参数化结构设计单元库并实现参数驱动；通过 分析、总结和归纳不同结构设计单元的知识构成特点和结构关系特点，研究确定了 基于结构设计单元的产品设计实现机制与构建模式，以及系统构建的总体框架结构； 通过研究分析不同结构设计单元间的装配关联和约束关系，确定装配基准捕捉机制， 实现了阀门产品的快速设计和自动装配；同时，通过自定义结构设计单元库的构建， 方便企业常用标准件、通用件及各种非通用自定义结构设计单元模型的入库与调用。 基于结构设计单元的阀门产品快速设计系统构建，以国产三维c a d 软件 c a x a 实体设计及其二次开发接口i c a p i 为支撑平台，利用数据库管理系统 m i c r o s o ra c c e s s 构建领域设计知识支持库，为阀门产品的快速设计提供了高效的设 计实现工具。 关键词：阀门；结构设计单元；快速设计；c 伐实体设计；参数化设计；自动装 配 a b s t r a c t - 目；目l 目j l e = ：= = l _ _ _ ；= 目= = _ i i | = = = 自；= = 目g ；= = = = 目= - _ _ e = = = 目- _ j 目= # = = e 目= # a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tc o n t r o le q u i p m e n to fn u i d 仃a n s p o r tp i p e l i n e ，v a l v ei sw i d e l y u s e d i 1 1d i 恐f e n td o m a i n so fn a t i o n a le c o n o m y v a l u ep r o d u c th a sv a r i 0 1 l s虹n d sa n d s e r i a l i z a t i o nf e a ：t u r e ，a n dh o w t or e a l i z et h er 印i dd e s i g ni sa z l i m p o n a n t 瑶s e a r c hs u b j 多c tm c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n i nm ev a l v ei m l s 时 t h es u b i e c tr e s e a r c hi so r i e m e dt om ev a l v ei n d u s t 巧印p l i c a t i o na n dt l l ep r o c e s so f p r o d u c td e s i g n b a s e do nt l l ec o n c e p t i o na n dd e s i g ni d e ao f t h es t m c t u i ed e s i 弘u 血，t 1 1 e p a p e rt 狄e st l et ) ，p i c a lv a l v ep r o d u c t ( b u ：七t e 棚yv a l v e ) a sm e r e s e 鲫c ho 场e c tt 0d i v i d e 恤 姗c 骶d e s 啦 u i l i t 洲o n a j l ym r o u g hs n j d y i n g t l l e d e s i 伊 f 1 0 w觚d咖c t u r e c h a r a c t 砸鲥c so fm ev a l v ep r o d u c t a n dt h eh i e r a r c m c a ls t m c t u r em o d e lo fm ep r o m l c t 咖咖r ed e s 细u 1 1 i ti sa l s ob u i l t b a s e do nn l i sm o d e l ，t h ep a r 锄e 仃i cs t n l c n 鹏d e s l 舯唧t 1 i b r a r yi sb u i h 锄dt h ep a r 锄e t e r 缸v i n gi s a c b i e v c d t h er e a l i 撕o nm e c h 疵s ma 1 1 d c o n s 乜m c t i o nm o d e lo fm ep r o d u c td e s i 印b a s e do n 殉1 j c t u r ed e s i g n u 1 1 i ta r ed e t e l m i n e db y 觚a l y z i n g ，s l l m m 撕z i n ga n di n d u c t i n gt h ec h 觚u c t 舐s t i c so fk n o w l e d g ec o m p o s i t i o n a i l d s l m c t u r er e l a t i o no ft h ed i 虢r e n ts t m c t u r ed e s i 口u 1 1 i t s ，a n dt h eo v e r a l l 仃锄e 姗c t u r e 耐。 s v s t e mc o n s 们】c t i o ni sa l s o 百v e n n o u g hr e s e a r c h i i l g t 1 1 ea s s e m b l er e f e r e n c e 锄d c o n s t r a i n tr e l a t i o nb e t w e e nd i 衔e n ts t r u 叽鹏d e s i g n 吼i t s ，t h ec a p t u r em e c h a m s mo t 2 u s s e m b l vs t a n d 砌i sd e t e 肌i n e dt 0r e a l i z et l l er a p i dd e s 啦a i l da u t o m a t i ca s s e m b l yo tn l e v a l v ep r o d u c t a t 恤s 锄et i m e ，m ec o n 咖l c t i o no f m eu s e r - d e f i n e ds t m 咖r ed e s i 印删t i i b r a r vi sc o n v e n i e n tt ot h ee n t e 印打s et os t o r ea n dc a l lm e s t a l l d a r dp a r c s ，啪v e r s a lp a r t s a n du s e r - d e f i n e ds t m c n 脱d e s i 匦眦i tm o d e l s v 砒v ep r o d u c tr a p i dd e s i 印s y s t e mi sc o n s t m c t e db a s e do ns t r u c t u r ed e s l 萨u m t ，w i 也 m cs u p p o r t i n gp l a t f o 肌o fd o m e s t i c3 dc a ds o 州a x a s o l i dd e s i 印觚di t s s e c o n d a 巧d e v e l o p i n gi n t e r f a c ei c a p i t h es u p p o n i n gb a s eo f d o m a i nd e s i 鲈k n o w l e d g e i sc o r i s 锄】c t e db yt l l ed 乱a b a s em a l l a g e m e n ts y s t e mm i c r o s o 丘a c c e s s ，w h i c hp r o v i d e s e f i i c i e n tr e 撕z a t i o nt o o lf 0 rt h er 印i dd e s i 口o f v a l v ep r o d u c t s k 呵w o r d sv a l v e ；姗咖ed e s i 口u i l i t ；r a p i dd e s i 朗；c a x as 0 1 i d ；p a r a m 嘶cd e s i 印； a u t o m a t i ca s s e m b l y 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 阀门在国民经济各主要行业领域( 石油、化工、电站、长输管线、核工业、低 温工程、宇航以及海洋采油等) ，作为管路流体输送系统中的重要组成部件，具有调 节管路中介质的压力和流量；阻止介质倒流；截止介质的流通；使介质产生两个或 更多分流等控制功能l lj 。 用于流体控制的阀门，从最简单的截断装置到极为复杂的自控系统，其品种和 规格繁多。阀门的公称通径从十分微小的仪表阀，到公称通径达1 0 米、重几十吨的 工业管路用阀；阀门可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性化学物质、泥浆、油 品、液态金属和放射性流体等各种类型流体的流动；阀门的工作压力可从 1 3 1 0 。m p a 到1 0 0 0 m p a ；工作温度可从一2 6 9 的超低温到1 4 3 0 的高温。阀门的 控制可采用多种传动方式，如手动、电动、气动、液动、电一气或电一液联动及电磁 驱动等；也可在压力、温度或其他形式传感信号的作用下，按预定的要求动作，进 行简单的开启或关闭1 2 l 。 目前，国内阀门生产企业大都采用流行的二维或三维通用c a d ( c o m p u t e r a i d e d d 商印，计算机辅助设计) 软件进行阀门产品设计，但是此类软件也存在一些弊端， 由于过于强调其通用性从而导致设计人员在设计阀门产品时，不能满足特定行业需 要对系统的要求，重复性设计工作较多；无法实现设计经验和设计资源的快速有效 运用，很难满足提高阀门产品设计效率和设计质量的要求。 因此，面向阀门产品行业应用与设计流程，通过研究分析典型阀门产品结构与 设计特点，构建符合阀门产品设计流程和设计惯例的快速设计系统，寻求探讨阀门 产品快速设计的实现途径和模式，具有十分重要的现实和实用意义。以此为基础， 可以提高产品的设计效率和规范产品结构，实现产品设计中对知识经验的获取和重 用，以及设计知识和设计资源的规范化存储与管理。 1 2 阀门产品及其设计与结构特点 1 2 1 阀门产品族构成与分类 阀门产品种类繁多，不同的分类方法构成了其较为庞大的产品家族。通常采用 的阀门分类方法及其产品构成如下所示1 1 2 j ： ( 1 ) 按自动和驱动分类分为安全阀、止回阀、减压阀、蒸汽疏水阀、空气疏 水阀、紧急切断阀等。 ( 2 ) 按用途和作用分类截断阀类( 包括截止阀、闸阀、球阀、旋塞阀、蝶阀、 河北科技人学硕+ 学位论文 隔膜阀等) ：止回阀类( 用于阻止介质倒流，如各种不同结构的止回阀) ；调节阀( 调 节管路中介质的压力和流量) ；安全阀；排污阀等。 ( 3 ) 按主要技术参数分类可按公称通径分类( d n 小于等于4 0 i m 的阀门称 之为小口径阀门，5 0 3 0 0 n u n 的阀门叫中口径阀门，还有大口径和特大口径阀门) ； 按公称压力分类( 工作压力低于标准大气压称为真空阀，小于等于1 6 a 啪阀门称 为低压阀，类似此种分法还有中、高、超高压阀门) 等多种分类方法。 ( 4 ) 按结构特征分类关闭件沿着阀座的中心线移动为截门形；关闭件沿着垂 直于阀座中心线的方向移动为闸门形；关闭件是柱塞、锥塞或球体围绕本身的轴线 旋转为旋塞和球形：关闭件的圆盘，围绕阀座内的轴线旋转( 中线式) 或围绕阀座 外的轴线旋转( 偏心式的结构) 为蝶形；还有滑阀形等。 ( 5 ) 按结构原理分类主要分为闸阀包括楔式闸阀、升降杆式闸阀、旋转杆式 闸阀、快速启闭闸阀、平行式闸阀；蝶阀包括中线蝶阀和偏心蝶阀；旋转阀包括球 阀、旋柱阀、旋塞阀：截止阀包括上螺纹阀杆截止阀、下螺纹阀杆截止阀、直通式 截止阀、角式截止阀、三通截止阀等；节流阀；止回阀包括旋起式止回阀、升降式 止回阀、蝶式止回阀、球形止回阀等：安全阀包括微启式安全阀、全启式安全阀、 全封闭式安全阀等：减压阀包括活塞式减压阀、薄膜式减压阀、气包式减压阀；蒸 汽疏水阀包含机械型蒸汽疏水阀、热静力型蒸汽疏水阀等；隔膜阀：多用阀等。 在上面的几种方法中，国内和国际上最常见的使用方法是按照结构原理分类的阀 门，然后结合阀门其他的分类方法使用。 1 2 2阀门产品设计与结构特点 通常，阀门产品设计基于管路系统对阀门提出的总体使用要求，即阀门设计应 满足工作介质的压力、温度、腐蚀、流体特性以及操作、制造、安装、维修等方面 对阀门提出的全部要求。同时，阀门产品常以公称通径、公称压力、驱动方式、适 用介质、工作温度等主要技术指标的不同，分别形成以上述特定技术指标为主特征 的系列阀门产品，设计问题和产品结构的相似性使其具有极高的系列化程度。 同时，阀门产品设计基于企业和设计人员长期积累的设计经验知识，以及相关 的各种标准、规范。通常，阀门产品具有如下的设计和结构特点p j ： ( 1 )阀门产品设计具有其特有的、可遵循的、规律性的专业业务领域知识，不 同类型的系列阀门产品有着各自相同或相似的设计计算模式。因此，在领域专业知 识驱动下，通过规范产品设计流程，可以显著提高设计质量与效率。 ( 2 ) 产品的系列化程度高，设计问题和产品结构的相似性导致非常适合采用模 块化和参数化设计。 ( 3 )阀门产品标准件和通用件较多，便于成组技术和特征建模技术在c a d 系统 2 第一章绪论 中的应用。 1 3 课题研究的背景、来源和意义 基于结构设计单元的阀门产品设计技术研究与实现，课题来源于河北省科技计划 项目“知识驱动的阀门产品数字化设计制造集成系统研究与开发”，项目编号： 1 0 2 1 2 11 4 d 。 我国阀门生产企业众多、产品各异，特定系列阀门产品生产多以多品种、小批 量为特点，市场状况快速多变。如何有效利用企业长期积累的产品设计资源，寻求 满足系列阀门产品设计的高效和快速设计方法与手段，成为阀门生产企业普遍面临 的问题和需求。 由于机械产品的系列化设计通常遵循基本相同( 或相似) 的设计流程，并拥有与设 计流程相匹配的零部件典型结构。同时，机械产品通常由相关部件和零件构成，其 部件则由下一级子部件和零件构成；以此类推，可认为产品是由零件按照有序、特 定的装配关联关系装配而成的。因此，面向行业应用和产品设计过程，研究分析特 定系列化产品的结构与设计特点，通过合理的模块化结构设计单元划分并构建其参 数化驱动模型，可以寻求实现基于结构设计单元的系列产品快速设计。 1 4c a d 技术的发展现状 基于计算机图形学、以产品几何模型为核心的c a d 技术发展至今已经有几十年 的历史，广泛应用于机械、汽车、航空、建筑等各个领域，成为现代工程设计不可 或缺的辅助工具1 4 j 。 从产品设计开发的角度来看，c a d 技术的发展经历了三个主要阶段：基于图纸、 基于特征、基于过程，并正在经历第四个阶段：基于知识。 ( 1 ) 基于图纸阶段c a d 被诠释为计算机辅助制图，也就是说c a d 系统仅仅 是图板的代替品，设计人员借助c a d 来摆脱传统的手工制图，将工程设计图看成“点、 线、圆弧”等二维几何元素的集合，最显著的不足就在于不能对设计意图进行捕捉。 ( 2 ) 基于特征阶段基于特征的产品模型是基于几何产品模型的一个里程碑式 的发展，这种模型着眼于更好地表达产品完整的技术和生产管理信息，使产品设计 工作在更高的层次上进行。特征的引入，避免了计算机内部实体模型资料和外部特 征资料的不一致和冗余，被认为是解决c a d c a m 集成的最有效的途径。 ( 3 ) 基于过程阶段c a d 为工程设计人员提供设计过程的向导、设计实现的逻 辑顺序以及其它和设计过程相关的信息。基于过程的c a d 技术融合了特定的工程设 计实践经验、相关标准和实施准则，引导工程设计人员完成预定的某一类产品的设 计工作。 ( 4 ) 基于知识阶段对于工程设计，知识是驱动力，几何模型构建是产品配置 河北科技人学硕十学位论文 和工程演算规则驱动的，基于知识的c a d 注重一个工业产品在其全生命周期的各个 阶段，是否能够充分利用各种实践经验、专家知识以及其它相关的信息。 c a d 技术的核心即产品建模技术取得的发展，从最早的二维绘图到整个产品的 三维建模，其中经历了多种造型方法，包括线框造型、曲面造型、实体造型和特征 造型等。此外，在产品设计建模中还包括产品的需求分析、功能设计、结构和设计 特点分析数据库管理等方面。 c a d 技术的相关研究工作，已在许多方面取得了长足发展。其中尤以c a d 建 模技术最具代表性，参数化设计技术得到了广泛的应用，由传统的手工绘制图纸、 三维实体模型演变到不同层次结构的参数化表示模型，典型代表为产品的变型设计 【5 1 ，产品特征造型等；同步建模【6 】技术也渐渐进入设计人员的视野，强调基于特征的 建模方法，结合尺寸驱动和约束驱动为一体，实现建模过程的快速性和创新性，提 高了建模的灵活度。 在异构c a d 系统协同方面，应用最为广泛的的是产品数据交换技术，基于i g e s ( 基本图形交换规范，嘶t i a l 脚i c se x c h a l l g es p e c i f i c a t i o n ) 和s t e p ( 产品数据转 换规范，s t a i l d a r df o r t h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t e ) 标准实现。基于参数化特 征的交换技术开发了多个工具，从而也被广泛使用，异构c a d 系统在线集成技术也 得到了快速的发展【7 j 。c a x 集成技术由四方面组成：计算机辅助设计( c a d ) 、计算 机辅助工艺设计( c o m p u t c ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 、计算机辅助工程 ( c o i n p u t e r 加d e de n g i n e e 血g ，c a e ) 和计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e d m 锄u f a c n l r e ，c a m ) ；其发展方向由信息集成向知识集成方面快速发展。对于c a x 领域其他方面的发展，人们正在寻求更有效的方法以提高产品设计质量与效率。 1 5c a d 技术在阀门产品设计中的应用现状 随着c a d 技术的不断发展，阀门产品的设计在上世纪九十年代也基本实现了计 算机辅助设计。发展到现在，以计算机辅助设计的方式进行阀门产品的设计技术日 趋成熟，而且f 在向基于知识的方向快速发展。目前阀门的计算机辅助二维绘图技 术已经发展的比较成熟，而且现在正在向三维辅助设计和c a x 集成方向发展。 四川大学【8 】与成都乘风阀门公司合作开发的阀门设计系统，主要用于解决软密封 胶板闸阀、撑开式平板闸阀、以及采用铸造阀体与蝶板的三偏心蝶阀的阀门设计问 题。该系统以d e l p h i 为开发工具，以全参数列表方式驱动a u t o d e s k 公司的三维c a d 设 计软件h v e n t o r ( 或m d t ) 完成零件几何造型。由于没有在支撑平台直观的三维环境 下完成造型设计，三维模型的尺寸约束情况没有得到直接体现，一旦驱动失败需要 反复回到列表环境下更改，系统的设计合理性与易用性有待完善；系统功能主要包 括阀门辅助设计计算平台、阀门零部件设计参数管理平台、阀门开发工程数据查询 4 第一章绪论 和编辑平台等组成部分，运用知识工程中的领域知识表示技术及基于规则和案例的 协同推理，分别针对相对分离的零部件造型进行参数驱动。 兰州理工大学【9 】进行了阀门三维参数化建模与仿真分析的研究，通过有限元分析 计算，给出产品密封副密封性能、阀杆扭矩、阀门各部位的应力分布以及其主要零 部件的强度与变形数据和评价结论。提出了对复杂装配结构实体模型的装配参数进 行定义的基本思路和方法，为有限元分析提供了合理完善的模型。相关研究工作， 主要关注于针对有限元分析的参数化模型构建。 天津工业大学的陈晓霞，邢静忠1 1o 】在c a d c a e 集成的三偏心蝶阀设计中利用 v b a 在s 0 1 i d w o r k s 环境中实现了蝶阀零件的参数化建模。将模型导入有限元分析环 境，实现了c a d c a e 的集成。该方法实现了三偏心蝶阀的参数化零件三维设计， 同时实现了产品的有限元分析和性能评价。 1 6 课题主要研究内容 本文针对阀门行业及其代表性生产企业。的c a d 技术应用现状及产品设计需要， 选择典型阀门产品作为研究对象，研究探讨基于结构设计单元的阀门产品快速设计 技术及其实现模式。主要研究内容如下： ( 1 ) 通过对典型阀门产品设计流程与结构特点的研究分析，合理划分结构设计 单元，构建产品结构设计单元构成层次结构模型； ( 2 ) 基于产品结构设计单元构成层次结构模型，构建参数化结构设计单元库并 实现参数驱动； ( 3 ) 通过分析、总结和归纳不同结构设计单元的知识构成特点和结构关系特点， 研究确定基于结构设计单元库的产品设计实现机制与模式，提出系统构建的总体框 架结构； ( 4 ) 通过研究分析不同结构设计单元间的装配关联和约束关系，确定装配基准 捕捉机制，实现阀门产品的快速设计和自动装配； ( 5 ) 通过自定义结构设计单元库的构建，实现常用企业标准件、通用件及各种 非通用自定义结构设计单元模型的入库与调用。 本课题研究开发了基于结构设计单元的阀门产品设计专用c a d 系统，通过结构 设计单元参数化模型的创建、赋值、驱动与装配，实现阀门产品快速设计，对推动 阀门行业的c a d 技术应用，具有较为重要的理论和现实意义。 + 5 河北科技大学硕十学位论文 第2 章基于结构设计单元的阀门产品模型构建 2 1 产品模型及其集成知识模型 产品模型是捣关机械产品的整体构成表示，通常采用产品部件及其相关零 件子部件及其相关零件一二级子部件及其相关零件直至最终子部件及其 相关零件零件的层次结构，并在相关节点上通过任务分解与表示形成产品集成 知识模型表示【1 1 ，12 1 。 产品设计常常分解为一系列子部件设计问题。机械产品设计任务分解是基于产 品树状装配关系，为支持变形产品设计及系列产品设计，在标准型产品设计任务分 解结构的基础上建立统一产品设计任务分解结构及相应的分解知识。统一产品设计 任务分解结构的任务节点有整机节点、部件节点、零件节点、可选节点及配套件节 点。可选节点为适应变型产品或不同配置设计及系列产品需要【1 3 1 4 1 。 统一产品设计任务分解结构采用树状或图表示，与表示必选项，或表示可选项， 图的节点有整机节点、部件节点、零件节点、可选节点及配套件节点。与或图的根 节点为整机节点；可选项构成的节点为可选节点；配套件节点不再分解为叶节点。 如图2 1 所示为统一产品设计任务分解结构树状与或图【1 5 】。 住务1 嗲朱 任务1 1任务1 2 任务i n - l任务lj 1 瓜群群 任务1 2 2 群 任务1 n 1 2 刀 图2 1 任务分解结构树状与或图 f i g 2 - l t 塔kd i s a s s c m b l ys t r u 咖r ct r e e 锄d 巾rd i a g 阳m 产品设计知识模型有四层结构，第一层为统一产品设计任务分解结构，第二层 为从第一层选取的一具体任务的任务描述( 任务结构模型) ，第三层为第二层具体任务 的求解知识，第四层为系统库，用于支持第三层，如图2 2 所示。 依据上述四层模型可有效实现设计知识的分层和分类表示。将设计知识按任务 分层，再将每个设计任务的知识分类表示i _ 1 5 】。 6 第2 章基于结构设计单元的阀门产品模型构建 统一产品一 设计任务 分麓结构一 任务描述+ 求解知识一 系统库一 任务输入、输出一 求解方法、控制知识， 建议解：实例、计篁( 优化x 事实性知识、失 败实例、配套件查询等一 按验评估：仿真、试验及用户使用反馈、评估 等设计修改：问题与解决方法一 实例库、配套件目录库、笪法程序库、知识库、 事实描述文件库等 图2 2 产品设计知识模型 f i g 2 - 2 m o d e lo f p r o d u c td e s i g nk n o w l e d g e 2 2 基于结构设计单元的阀门产品建模 依据前面对产品模型及其集成知识模型的描述，分析阀门产品的结构和设计特 点，划分阀门产品的结构设计单元。根据划分的结构设计单元构建阀门的产品模型 和集成知识模型，为后续的产品设计打下基础。 阀门作为一类通用的机械产品，其产品设计具有一般机械设计的特点。同时， 阀门产品在结构和设计上又有不同于一般机械产品的特殊之处。在此以蝶阀为主要 研究对象，分析其结构和设计特点，得出的结论可以扩展到其他阀门产品。又由于 在机械产品中阀门是典型的系列化产品，所以也代表着系列化产品的设计特点。 2 2 1阀门产品结构和设计特点分析 2 2 1 1阀门产品总体结构 以典型阀门产品蝶阀为例，蝶阀的种类很多，通常按结构形式可分为中线、单 偏心、双偏心和三偏心蝶阀，偏心结构形式的不同导致了不同蝶阀子类的构成。以 三偏心蝶阀为例，蝶阀的总体结构如图2 3 所示。 蝶阀产品主要由密封结构、填料与支承构件、连接支架、阀杆、阀体等组成的 蝶阀主体结构与驱动装置组成。其中，蝶阀主体结构提供了不同公称通径( d n ) 和 公称压力( p n ) 的管路系统的产品结构系列，并通过施加不同的驱动装置得到不同 驱动方式驱动的蝶阀产品。 7 河北科技大学硕七学位论文 驱动装置连接支架上支承填料组件阎体 f !， j 一_ j 。 。斟 下支承填料组 7 、 + 置， “! ：乏善善，一乎， l 7 “ 口 叫i ： h 姆一 j i l j 一 博 图2 3 三偏心蝶阀结构 。 f i g 2 - 3 s t r u d | u r eo f 们p l ee c c e n t r i cb u n e r f l yv a l v e 三偏心蝶阀的回转轴线( 即阀杆轴线) 与蝶板密封面偏置一个尺寸a ，并与阀体 通道轴线偏置一个尺寸b ，阀座回转轴线与阀体通道轴线形成一个角度c ，故形成三 偏心，示意图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 三偏心蝶阀密封副结构 f i g 2 - 4 s e a lv i c es t n l c t u r eo f t r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e 其密封的工作原理是：由于在双偏心密封蝶阀的基础上，将阀座回转轴线与阀 体通道轴线相成一个c 角。当三偏心蝶阀完全处于开启状态时，其蝶板密封面会脱 r ，t f 文卜。篝； 第2 章基丁结构设计单元的阀门产品模型构建 离阀座密封面，并在蝶板密封面与阀体密封面之间形成一个与双偏心密封蝶阀相同 的间隙，由于c 角偏置的形成会使长、短半径转动的蝶板大、小半圆上，蝶板密封 面转动轨迹的切线与阀座密封面形成两个角。使蝶阀启闭时蝶板密封面相对于阀座 密封面渐出脱离和渐入压紧，从而彻底消除了蝶阀启闭时蝶阀两密封面之间的机械 磨损和擦伤，从而大大提高了使用寿命j 。 2 2 1 2 阀门产品设计特点分析 阀门产品种类繁多，不同种类的产品结构差异大，设计过程各不相同，总体来 讲，阀门产品在结构和设计上具有如下特点： ( 1 ) 产品系列化程度高阀门产品种类繁多，系列化程度高，其产品设计的系 列化通常在三方向展开：公称通径方向、公称压力方向、驱动方式三个方向展开， 如图2 5 所示。 d n ( 4 0 30 0 0 m m ) 罨 阀门系列产品 图2 5阀门产品的系列设计 f i g 2 5 s e f i e sd e s i g no fb u t t e r f l yv a y e ( 2 ) 总体构成相似各类阀门产品在结构上主要由阀门主体结构与驱动装置两 大组成部分构成。通常，阀门产品主体结构由企业自行设计制造；驱动装置主要向 相关配套厂家直接订货，或向相关厂家定制主要部件( 如气缸、液缸等) ，而自行设 计制造必要的支撑构件。因此，阀门产品的设计开发工作，主要集中在阀门主体结 构上。 ( 3 ) 同类阀门产品主体结构相同和相似，遵循基本一致的产品设计规范和设计 流程，适合采用变型设计和参数化设计。 2 2 2 结构设计单元概念的提出。 目前，企业对产品的设计要求越来越高，要求设计人员不仅要实现产品的快速 设计，并且具有创新性。结构设计单元的概念由河北科技大学机械电子工程学院在 前期针对阀门产品设计的应用c a d 系统研究开发中提出，在本课题中结构设计单元 是指构成某一产品的具有一定的装配和设计关联关系并可独立参数驱动的零件、部 9 河北科技大学硕士学位论文 件、组件或局部典型结构的设计关联体【l6 】。 结构设计单元的概念具有广泛的含义，它可以是一个零件、一个复杂装配结构 的设计结构单元、由多个零件组成的部件( 子装配) ，也可以是由多个零件组成的组 合件；构成该组合件的零件可能是装配关系，也可能是具有设计关联关系的零件组 合体。其向下可自动分解为相关零件，向上可组合成相应部件【1 6 l 。丌。 机械产品通常由其子部件和零件构成，而子部件则可以由下一级子部件和零件 构成；以此类推，可认为产品是由零件按照有序、特定的装配关联关系装配而成的。 因此，复杂的机械设计问题通常按照设计流程和零部件生成顺序，逐级分解成相对 独立并简化的设计子问题。 西北工业大学针对鱼雷壳体的参数化设计【18 】主要是借助于成组技术和模块化设 计的思想，将鱼雷拆分成若干个标准设计单元，然后再将这些单元分组分类，建立 参数化模型，文中只是提到设计单元，没有给出给出如何划分设计单元与设计单元 的概念。 大连理工大学在履带起重机模块化参数化设计技术研究【19 j 中也涉及了设计单 元，此文主要是针对履带起重机的特点，依据模块划分的原则，提出了参数化模块 基本设计单元高级设计单元的履带起重机多层次模块结构。由参数化模块 组成基本设计单元，再由基本设计单元构成高级设计单元，作者只是把参数化模块 看作一个设计单元，没有具体描述设计单元的概念。 2 2 3 基于结构设计单元的阀门产品模型构建 通过前文对阀门产品的结构和设计过程的总结分析，现以蝶阀产品为例，按照 设计问题的描述即产品总体要求设计参数( 公称通径、公称压力、结构程度等参数) ， 采用本体论的知识构建基于结构设计单元的产品模型，具体的阀门产品设计是在该 模型的基础上实现的。 2 2 3 1 基于本体论的阀门产品族模型 本体论( o n t o l o g y ) 【2 0 ，2 1 】原是哲学的一个分支，主要研究客观事物的本质。本体 论近年来被引入知识工程领域，作为一种概念化的说明，本体论是对客观存在的概 念及其关系的一种描述。即本体是用于描述或表达某一领域知识的一组概念或术语， 用于组织知识库较高层次的知识抽象，或描述特定领域的相关知识。 知识工程技术中，引入本体的目的是使相关术语的表示“标准化”，以实现领域 知识的规范化和理解的一致性，进而实现知识的“可重用性 。 采用此种方法，完成结构设计单元的蝶阀产品模型及其集成知识模型的构建。 结合其产品特点实例，定义其实例检索与重用原则，实现基于结构设计单元的阀门 产品的快速设计。 l o 第2 章基丁结构设计单元的阀门产品模型构建 对于阀门产品的所有种类( 产品集合) 而言，阀门产品( 超类) 可以由不同的 子类构成，如蝶阀、盲板阀、放散阀等( 超类的泛化子类) 。不同的阀门产品子类又 可进步详细划分，如蝶阀又可划分为中线蝶阀、单偏心蝶阀、双偏心蝶阀、三偏 心蝶阀等。阀门产品族的本体模型，如图2 6 所示。 阀门产品 阀r j 类别 公称压力 结构长度 连接形式 驱动方式 适用介质 适用温度 巍批瞿 一 球阀 盲板阀 放散阀 、i 一、 f 摩 图2 6 阀门产品族的本体模型 f i g 2 - 6o n t o l o g ym o d e lo f v a l v eg r o u p 2 2 3 2 典型阀门产品( 蝶阀) 本体模型构建 ( 1 ) 典型阀门产品( 蝶阀) 主体结构结构设计单元的划分 根据前面提出的结构设计单元的概念，基于本体论对典型的阀门产品蝶阀进行 结构设计单元层次的划分，其方法是依据产品的的结构特点和产品的设计流程进行 结构设计单元的划分，此划分方法适用于所有阀门产品的设计，在此主要以蝶阀主 体的划分为研究对象，如图2 7 所示。 蝶阀的主体结构的划分按照结构设计单元的概念进行划分。其组成部分为阀体 ( 子部件) 包含筒身组件( 设计单元) 、上支承组件( 设计单元) 、下支承组件( 设 计单元) 、筒身加强结构( 设计单元) 、地脚支承( 设计单元) ；密封结构( 子部件) 包含密封副( 设计单元) 、阀杆轴座( 设计单元) 、蝶板加强结构( 设计单元) ；填料 组件( 组合件) 包含上支承填料组件( 设计单元) 、下支承填料组件( 设计单元) ； 阀杆既是设计单元又是子部件：连接支架和阀杆类似。由此图得出结构设计单元是 具有一定的装配和设计关联关系并可独立参数驱动的零件、部件、组件或局部典型 结构的设计关联体。 卣 河北科技大学硕士学位论文 密封副i 设计单元) ii 啊杆轴座( 设计单元) | i 螺扳加强结构( 设计单元) 同杆( 设计单元) ii 连接支架l 设计单元) i 子部件，k 子部件) 圭三苎苎翌璺! ! 兰竺苎垄! i 零件组合l ! 茎苎苎塾璺竺! 兰兰兰垂! i 零件组合) 图2 - 7 蝶阀主体结构设计单元 f i g 2 - 7m 萄o rs t r u c t u 佗d e s i g nu n i t so fb u n e r f l yv a i v e 上图为主体结构设计单元划分本体模型图，根据划分的结构设计单元可以实现 每个单元的参数化设计，对各个设计单元之间建立一定的关联关系，从而实现快速 装配完成整个产品的快速设计。 ( 2 ) 典型阀门产品( 蝶阀) 本体模型构建 对图2 7 蝶阀主体结构设计单元进一步划分，形成阀门产品的本体论模型。合理 划分结构设计单元，是实现系列阀门产品快速设计的基础。 因此，基于产品设计流程，并综合考虑产品设计者的思维方式和工作惯例，将 特定阀门产品的零部件设计分解为以结构设计单元为基本驱动元素的设计关联体， 提供阀门产品快速设计的高效参数化驱动结构设计单元。从而将复杂的设计问题逐 级分解成相对独立并简化的设计子问题，并通过预先构建和定义相关设计单元之间 ( 以及设计单元内部) 的装配关联和约束关系，实现零部件造型设计与快速装配。典型 阀门产品( 蝶阀) 的结构设计单元进一步详细划分如图2 - 8 所示。 ( 3 ) 基于结构设计单元构建产品本体模型的意义 采用结构设计单元的思想构建产品模型，目的是在系统构建和产品设计过程中 提高设计工作效率。依据该产品模型，可以以符合设计人员的思维方式和工作惯例 的设计方式，由设计人员确定生成结构设计单元的先后顺序，采用“自上而下 的 设计方法预先定义相关设计单元之间的装配关联和约束关系；在设计单元内部，采 用“自下而上的方式定义相关组成构件之间的关联和约束关系。以此为基础，实 现与设计过程同步的快速装配。 1 2 第2 章基丁结构设计单元的阀门产品模型构建 横向加强筋f 组件) li 径向加强筋( 组件l l i 上支承( 零件) 上支承( 零件ll 径向加强筋( 组件) i l 横向加强筋( 组件) 结构形式1 组件) | i 结构形式2 ( 组件) 直板结构( 组件) i l 复合结构( 组件ll 桥式结构( 组件) 筒身组件( 设计单元) i i 上支承组件( 设计单元) l | 下支承组件( 设计单元) i i 筒身加强结构( 设计单元) ll 地脚支承( 设计单元， 端法兰( 零件) | f 筒壁( 零件) 双偏心蝶阀 三偏心蝶阀 其它蛾陶 手动 蝶阀产品) 驱动装置 阀体( 子部件) 主体结构f 部件i 密封副( 设计单元) 组合阁座( 组件 阀座( 组件) ll 整体阀座( 零件) 螓板( 组件) ii 整体阀扳( 组件) 密封结构i 子部件) ii 阀杆轴座i 设计单元) lli 组合阀芯( 组件) 蝶板加强结构( 设计单元) li 结构形式l ( 组件) 填料组件l 组合件) 下支承填科组件( 设计单元) ii 上支承填科组件( 设计单元) il 连接支架( 设计单元) fl 阀杆设计单元) 台)h 零件组合) 子部件)l i ( 子部件) 结构形式2 ( 组件l 结构形式3 f 组件 垫片( 零件) i i 端盖( 零件) ll 对开环( 零件) il 填料f 零件) li 轴套( 零件) ll 填料压盖( 零件) 图2 8 基于结构设计单元的蝶阀产品本体模型 f 培2 8o n t o i o g ym o d e lo f b u t t e r f l yv a l v eb a s i 记o ns t n j c t u r ed e s 咖u n i t s 2 2 4 基于结构设计单元的阀门产品集成知识模型 基于本体论和面向对象技术构建的产品模型，表达了产品设计实例的抽象概念 集合和基于设计单元的产品类层次结构。同时，该模型也是一个设计实例类( 模板 实例) ：并以类( 超类) 、子类、关系、属性反映了产品构成的全貌，并通过赋予不 同的属性值形成系列化产品实例对象。同时，模型本身即为知识重用的一个体现。 通过前面产品集成知识模型的描述，现在介绍具体的阀门产品的知识构成和阀 河北科技大学硕士学位论文 门产品设计知识模型。以蝶阀实例为基础，依据产品设计流程和设计规则，通过确 定结构设计单元的参数化模型的生成，以及在标准实例不同层次上所需完成的设计 任务和需要的设计知识，可以明确产品的设计知识构成、产品设计数据之间的传递 和关联关系，以此构建产品知识模型。 2 2 4 1基于结构设计单元产品模型的设计任务分解与知识构成 由蝶阀产品原型实例所描述的结构设计单元模型，建立标准产品结构形式的统 一蝶阀产品设计任务分解。由此得出系统设计支持知识库是由蝶阀产品设计的相关 分解知识的集合与阀门的别的类型的产品的分类设计知识构成。 基于前面叙述的统一产品任务分解结构树状与或图，以同样的方法对基于结构 设计单元的蝶阀产品进行任务分解，三偏心蝶阀产品的总体设计任务分解结构树状 与或图如图2 9 所示。 蝶阀产品设计 ( 任务1 ：整机节点) 人 蝶阀土体结构设计驱动装置设计 【任务1 1 ：部件节点)( 任务1 2 ：配套件节点) 图2 9 蝶阀产品的设计任务分解 f i g 2 - 9 1 b kd i s a s s e m b l yo fb u n e r f l yv a l v e 基于结构设计单元的蝶阀产品快速设计，主要研究其主体结构设计，根据关键 技术参数的确定，按照设计人员的习惯完成蝶阀产品的设计，如图2 一l o 所示 蝶阀主体结构设计 ( 任务1 1 ：部件节点) 阀体 计算 ( 任务i 1 1 ：( 任务1 1 2 ： ( 任务1 1 3 ：( 任务1 1 4 ：结构( 任务1 1 5 ：结构( 任务1 1 6 ： 子部件节点)子部件节点)组合件节点) 设计单元节点)设计单元节点)计算节点) 图2 1 0 蝶阀主体结构的设计任务分解 f g 2 一1 0 亿kd i s 船s c m b i yo f b u t t e r f l yv a l v em 萄o rs t f l l c t u r e 根据三偏心蝶阀产品主体结构的树状与或图，结合基于结构设计单元的蝶阀本 体论模型的层次划分，下面给出部分任务节点详细任务分解的树状与或图。 ( 1 ) 阀体是三偏心蝶阀主体结构的基础构件，在蝶阀产品的主体结构设计中， 1 4 第2 章基丁结构设计单元的阀门产品模型构建 阀体是较为复杂，具有结构设计单元最多的子部件，阀体为子部件节点，包含五个 结构设计单元节点，筒身结构设计单元节点、上支承组件结构设计单元节点、地脚 支承结构设计单元节点、筒身加强结构设计单元节点和下支承结构设计单元节点， 对这五个节点进行更详细的划分。如筒身结构设计单元节点可分解为端法兰零件节 点和筒壁零件节点。阀体子部件设计的任务分解结构树状与或图如图2 1 1 所示- 。 筒身 阀体设计 ( 任务1 1 1 ：r 部件节点) 设计币儿 ( 仟务l ll l ： 设计单冗肖点) 构改汁币厄 ( 任务1 1 1 2 ： 设计咆，亡竹点) 构设计单元构设计堆元 f 任务1 11 3 ： 设计币元节点1 ( 任务1 11 4 ： 设计竹元宵点) 暂l 件结 构设计单元 ( 任务1 l15 ： 设计单元节点) 乃爿入a 端法兰设计筒壁设计 f 任务 11 11 1 ： 零件竹点) ( 任务 i i i i 2 ： 零件霄点) 上支承 设汁 ( 仟鳋 1 1 1 2 l ： 零件节点) 径向加横