（机械设计及理论专业论文）焊接蝶阀结构分析及参数化设计.pdf

一；“：0 一， 、j n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 i，lii-一r一 |。r j1 、r一日1i， 慧 名j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：啧屋狄 日期：砌身洞衫囱 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： ， j，rf ， 气 ： - 东北大学硕士学位论文 摘要 焊接蝶阀结构分析及参数化设计 摘要 参数化设计过程是指从功能分析到创建参数化模型的整个过程。参数化设计方 法作为一种全新的设计方法现在已广泛被工业界所采用。它所具有的高效性、实用 性等特点使其成为设计工作的发展方向。参数化设计应用水平的高低直接决定了企 业设计效率与设计质量的高低和企业核心竞争力的强弱。产品绝大多数为定型产品， 这些产品的系列化、通用化和标准化程度很高，这就为蝶阀产品的参数化设计提供 了可靠的依据。 采用了p r o e n g i n e e r ，a n s y s 软件及v i s u a lc + + 高级语言为工具，使用动态连 接库的形式，对p r o e n g i n e e r 进行二次开发。系统具体操作流程是通过人机交互界 面，用户输入所需的基本参数并进行必要的校核计算，就可以通过程序计算得出蝶 阀的主要尺寸参数，如阀杆直径、蝶板壁厚等，继而将这些参数导入到p r o t o o l k i t 应用程序中，由p r o t o o l k i t 自带的函数将数据传递到事先由p r o e n g i n e e r 已建立好 的模型中，再通过输入一些辅助的尺寸参数，从而实现蝶阀各个零件的三维模型以 及蝶阀装配体模型的生成，并可以根据生成的零件的三维模型生成二维工程图纸。 二维工程图纸的模板均符合国家和企业标准，所生成的装配工程图可自动生成明细 表等。 本系统建立了独立的数据存储系统，已保存了企业内标准系列蝶阀产品的尺寸 数据，另外用户也可根据需要对相关参数进行修改，并将修改所得的数据保存到用 户自行命名的文本文件中，用户再次使用这些数据时可以采用提取文件的方法重新 载入，不需要重新输入。 本系统的完成提高了蝶阀产品的生成效率，缩短开发周期，提高设计质量，降 低设计费用，具有一定的实用价值，另外还可通过使用a n s y s 等计算机辅助分析 软件实现对蝶阀产品的优化设计，符合现代技术的发展要求。 关键词：蝶阀：结构分析；参数化设计；p r o e n g i n e e r ， ： 0 ， 一一_ 二坠查学硕士学位论文 a b s t r a c t -_-一_一一_ w e l d i n gb u t t e r f l yv a l v es t r u c t u r a la n a l y s i s a ndp a r a m e t e r i z e d d e s i g n a bs t r a c t t h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g ni saw h o l ep r o c e s sf r o mt h ea n a l y s e so f f u n c t i o nt ot h e c r e a t i o no fp a r a m e t e r i z e dm o d e l s p a r a m e t r i c d e s i g n ，a sa l le n t i r e l yn e wm e t h o do f d e s i g n ，h a sb e e ni n t r o d u c e da b r o a db yi n d u s t r y s u c hc h a r a c t e r i s t i c sa st h ee f f i c i e n c y p r a c t i c a b i l i t i e se t c t h a ti th a sm a d ei tt h ed i r e c t i o no ff u t u r ed e s i g n i td e t e r m i n e sd e s i g n e f f i c i e n c ya n dt h eh e i g h to fd e s i g n i n g q u a l i t y a n d p o w e ro fe n t e r p r i s e sk e y c o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s ed i r e c t l yt od e s i g nt h el e v e lo ft h ea p p l i c a t i o nl e v e li n p a r a m e t e r t h em o s to fb u t t e r f l yv a l v ep r o d u c t sa r ea p p r o v e dp r o d u c t ，t h o s ep r o d u c t sa r e w e l ls e r i a l i z e ，g e n e r a l i z e d ，s t a n d a r d i z ea n dp r o v i d et h ep r o o f o fp a r a m e t r i cd e s i g n t h i st h e s i sh a ss e tu pt h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r i z e ds y s t e m ，t h i ss y s t e ma d o p t s p r o e n g i n e e r , a n s y sa n dv c + + a st o o l ，p e r f o r m ss e c o n d d e v e l o p m e n tb a s e do n p r o e n g i n e e rw i t ht h ed y n a m i cl i n k i n gl i b r a r ym o d e t h eu s e rc a ni n p u tb a s i cp a r a m e t e r s t h r o u g ht h em a n 。m a c h i n ei n t e r a c t i v es y s t e m ，p r o c e e dt h en e c e s s a r yc h e c ka n a l y s i sa n d g 吼t h em a j o rp a r a m e t e r ss u c ha st h et h i c k n e s so fd i s c ，t h ed i a m e t e ro fv a l v es t e m ，e t e t h ep a r a m e t e r sw i l lt r a n s m i tt op r o t o o l k i ta p p l i c a t i o np r o g r a m ，t h r o u g ht h ef u n c t i o no f p r o t o o l k i tt r a n s m i tt h em o d e l st h a th a de s t a b l i s h e db yp r o e n g i n e e ra n di n p u ts o m e a u x i l i a r yp a r a m e t e r s t h eu s e rw i l lg e tt h eb u t t e r f l yv a l v et h r e e d i m e n s i o n a lp a r tm o d e l a n dt h ea s s e m b l e dm o d e l h ea l s oc 蛆g e tt h es c h e d u l ed r a w i n gt h a tm a t c h sg ba n d q b a n dc o n t a i n st i t l eb l o c k t h es y s t e mh a ss e tu pt h ei n d e p e n d e n td a t a s t o r a g es y s t e m ，t h e r ea r es t a n d a r d s e r i a l i z a t i o nb u t t e r f l yv a l v ep r o d u c t s d a t a ，t h eu s e rc a na l s om o d i f yt h ed a t ai fh eh a s a n o t h e rn e e d sa n ds a v et h ed a t aa sat e x tf i l e i ft h eu s e rn e e d st ou s e t h i sf i l ea g a i n ，h e c a ns e l e c tt h i sf i l ed i r e c t l y t h ea c h i e v e m e n to ft h i s s y s t e mh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e i tw o u l dd e v e l o pt h e g e n e r a t i n ge f f i c i e n c yo fb u t t e r f l yv a l v eg o o d s ，s h o r t e nt h ed e v e l o pc y c l e ，i m p r o v ed e s i g n q u a l i t y , a n dw o u l da l s ob eo p t i m i z ed e s i g nt h ep r o d u c t st h r o u g ht h ec a es o f t w a r es u c h a sa n s y s s oi ti ss a t i s f yt h ed e v e l o p m e n to fm o d e m t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：b u t t e r f l yv a l v e ；s t r u c t u r a la n a l y s i s ；p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ；p r o e n g i n e e 1 1 1 0 1 l r i 0 东 3 1p r o t o o l k i t 简介19 3 2 二次开发方法的研究1 9 3 2 1 二次开发工具2 0 3 2 2p r o t o o l k i t 的工作模式2l 东北大学硕士学位论文目录 3 3 二次开发的关键技术2 2 3 3 1 p r o t o o l k i t 的接口一2 2 3 3 2p r o t o o l k i t 的编译，连接，注册和卸载2 3 3 4 二次开发在本系统中的应用2 6 3 4 1 菜单设计技术及应用2 6 3 4 2 模型访问函数3 0 3 4 3 参数对象和参数的访问3 2 3 4 4m f c 对话框的链接一3 4 第4 章蝶阀的参数化设计3 6 4 1 阀门简介3 6 4 1 1 阀门功用3 6 4 1 2 阀门分类3 6 4 1 3 阀门的基本参数3 7 4 1 4 蝶阀的结构38 4 2 蝶阀参数化设计计算3 9 4 2 1 阀门参数化的设计过程3 9 4 2 2 阀门参数的计算和校核- 3 9 4 3 焊接蝶阀结构有限元分析4 4 4 3 1 有限元功能模块简介4 4 4 3 2 蝶板结构的有限元分析4 7 第5 章参数化系统的应用5 4 5 1 人机互换界面的设计5 4 5 1 1 系统参数输入界面5 4 5 1 2 系统参数计算界面5 5 5 1 3 系统设计信息界面5 8 5 1 4 使用须知界面5 9 5 2 系统模块设计简介5 9 5 2 1p r o e n g i n e e r 主界面一5 9 5 2 2 阀门三维零件图界面一6 0 5 2 3 阀门零件工程图界面6 3 5 2 4 阀门装配图界面6 4 5 2 5 阀门装配工程图6 5 5 3 系统数据文件的使用6 6 v 东北大学硕士学位论文 5 3 1 数据文件 第6 章结论 参考文献 致谢一 v i 。 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 阀门是各种流体装置中不可缺少的控制设备。在国民经济各个部门中有着广泛 的应用。在石油，天然气，煤炭和矿石的开采、提炼加工和管道输送系统中；在化 工产品，医药和食品生产系统工程中；在水电，火电和核电的电力生产系统中；在 船舶，车辆，飞机以及各种运动机械的流体系统中，都大量地使用阀门。此外，在 国防生产系统中和航天等新技术领域里也使用着各种性能特殊的阀门i l j 。因此，阀 门是我国国民生产中不可缺少的重要机械产品。 阀门的品种规格很多，从简单的截断装置到极为复杂的自控系统，其品种和规 格众多。阀门可以控制空气、水、各种腐蚀性化学介质、液态金属和放射性物质等 各种类型的流体的流动。改革开放以来，我国阀门行业得到了快速发展，现已基本 形成人才培养、科学研究、产品开发设计和制造较为完善的体系，除少数的特殊阀 门产品外，现有的产品品种和数量基本能满足国民经济各部门的需要，但各类阀门 的可靠性和配套能力与国际水平仍有较大的差距1 2 j 。 参数化设计是近年来c a d 在实际应用中提出的新课题，它以尺寸驱动为特征， 使c a d 系统具有交互式绘图的功能，甚至可以根据用户提供的信息驱动系统自动 绘图。参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改己定义好 的零件参数，自动完成图中相关部分的改动。它极大地改善了图形的修改手段，提 高了设计的柔性。 参数化设计的发展，已经成为促进工业发展的重要因素。参数化概念的深入人 心使得模型设计的水平不断提高，使计算机能生成更加精确的模型，包括有限元模 型，从而能在较短的时间里得到准确的结果。用户可以方便的改变产品的结构性能， 进行多次试验，校核试验结果，以达到更准确的结果。此外，它也大大减少了试验 所消耗的资金。 在现代工业设计和生产中，对产品进行参数化设计已经开始普及。用户利用这 些技术，可以准确快捷的对产品进行改进，并且能够非常直观地得到改进后的结果； 对不合理的部位进行优化设计，从而最大程度的得到性能优良的产品。利用参数化 设计和虚拟现实技术可以大大降低产品的开发成本和设计周期，节约资金和时间p j 。 1 1 国内阀门行业的发展 改革开放以来，我国阀门行业得到了快速发展，现已基本形成人才培养、科学 研究、产品开发设计和制造较为完善的体系，除少数的特殊阀门产品外，现有的产 品品种和数量基本能满足国民经济各部门的需要，但各类阀门的可靠性和配套能力 1 - 矿一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 与国际水平仍有较大的差距。 1 1 1 国内阀门的基本情况 2 0 0 0 年全行业企业数1 3 0 8 个，其中合资企业l1 个。科研院所有机械工业合肥 通用机械研究所、沈阳阀门研究所以及1 2 个厂办研究所，职工人数1 8 5 万人，其 中工程技术人员9 2 0 0 人。工业总产值1 0 0 亿，工业增加值3 2 亿，固定资产原值6 2 2 亿，净值4 0 5 亿，销售收入9 1 1 亿，利税总额7 4 亿，其中利润总额2 3 亿。全员 劳动生产率1 7 2 9 7 元人；主要出口值1 5 亿。机械系统阀门协会会员企业1 6 7 家， 其中合资企业5 个，科研院所7 个。职工人数8 5 万人，其中工程技术人员5 5 0 0 人。 根据1 9 9 9 年协会会员企业资料统计，工业总产值4 2 亿，工业增加值9 7 亿，固定 资产原值3 1 7 亿，净值2 0 9 亿，销售收入2 8 7 亿，利税总额1 5 亿，其中利润总额 1 9 5 8 万。全员劳动生产率1 5 1 8 6 元人，主要产品产量2 0 万吨。国内阀门行业发展 经过这些年的发展，已具有一定的优势，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 我国阀门行业生产的品种规格大幅度增多； ( 2 ) 改革开放以来，我国阀门行业引进大量设计制造技术，通过对引进技术消化 和借鉴合资企业的先进经验，尤其是大幅度的采用国际和国外先进标准，阀门行业 己有3 0 多家取得了1 s 0 9 0 0 0 认证和1 l 家取得了a p i 认证，同时还有十多家长期生 产出口产品。我国阀门产品质量明显提高，有的达到了发达国家水平； ( 3 ) 通过“七五”、“八五”的技术改造，阀门行业的技术装备水平和生产工艺也有 较大提高和改善。不但降低了劳动强度，而且提高了零部件质量和劳动效率； ( 4 ) 目前阀门行业的技术标准体系己经比较完整，己有l8 4 项国家标准和行业标 准，有些主要基础标准和产品标准已达到国际和国外先进水平； ( 5 ) 阀门设计水平较过去有了较大的提高，基本实现了“三无”设计【4 1 。 1 1 2 与国外阀门行业的差距 国外的阀门产品在技术水平和质量方面优于国内产品，我国阀门的生产和技术 水平与发达国家相比还有很大的差距，主要是在阀门设计水平和生产工艺以及管理 水平上。主要表现在下述几个方面： 1 从劳动生产率比，按1 9 9 5 年资料，美国产值为1 0 7 亿美元，德国7 9 亿马克， 法国6 1 亿法郎，日本4 2 亿美元。劳动生产率美国为1 3 8 万美元人年，德国9 6 万 美元人年，法国8 8 万美元人年，日本9 5 万美元人年，我国全国平均只达3 万元 人民币人年。 2 从进出口来比，据资料称，国际上各国出口阀门总额约6 0 亿美元。美国出口 1 6 2 亿美元，进口1 6 8 亿美元。德国出口1 8 8 7 亿美元，进口1 1 3 2 亿美元，日本 出口1 1 3 2 亿美元，进口4 0 3 亿美元。我国1 9 9 6 年出口只有1 2 6 4 亿美元，进口2 6 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 亿美元。 3 从产业结构和产品结构来比，发达国家的阀门厂，无论是生产品种、工艺、 规模都各有专长，其显著特点是重复性很少。我们国家重大装备需要的要求严，难 度大的一些特殊阀门，基本上依靠进口。行业的总体技术水平和质量水平一般，生 产效率低，经济效益差。可见，我国阀门行业的生产和技术水平与发达国家相比还 有很大的差距1 5 6 j 。 1 2 目前国内c a d c a m 及参数化技术概况 c a d c a m 技术在机械工程的设计与制造方面的应用，已成为衡量一个国家的 科技现代化和工业现代化水平的重要指标。c a d c a m 被广泛地应用到机械工程的 各个阶段中，现已形成了一个专门的机械c a d c a m 市场及行业。 c a d c a m 是人脑与电脑结合的产物，是计算机、信息技术与设计、工艺、生 产、控制相互交汇融合的新技术。它推动了制造业脑力劳动的技术革命，使设计者 甩掉图板、不用图纸、不需要书写大量管理文件，可用电子软样机代替实体样机， 用屏幕上实时仿真模拟代替实物的试验。通过三维动态图象技术构思新产品，以供 用户评价选择，使传统的顺序工作变为现代的并行工程1 7 j 。 我国c a d c a m 技术的应用起步于2 0 世纪6 0 年代末，开发与推广应用， c a d c a m 技术己经广泛地应用在机械、建筑等行业。应用c a d c a m 技术提高了 企业的设计效率、轻了技术人员的劳动强度、缩短了设计周期、c a d c a m 技术的 应用正在如火如荼地展开。但是，应该看到这样一个现实，目前国内产品处于一个 较低的水平上。从目前来看，能尽快地发挥其作用，就会给企业带来不必要的损失， 也为下一步c a d c a m 技术的应用发展制造了障碍p j 。 1 2 1c a d 技术的发展历程 1 二维c a d 技术发展 进入2 0 世纪6 0 年代，c a d 技术随着在计算机屏幕上绘图变为可行而开始迅速 发展，人们借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘图。这时c a d 技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这 就是二维计算机绘图技术c a d 的含义仅仅是图板的替代品，以二维绘图为主要目 标的算法一直持续到2 0 世纪7 0 年代末期，随着技术的发展，c a d 系统参与和介入 产品设计过程的程度越来越深，系统功能越来越强，逐步发展成为真正的计算机辅 助设计系统。 2 曲面造型技术与三维c a d 系统发展 2 0 世纪6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的 线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效的表达几何数据间的拓扑关系， 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 由于缺乏形体的表面信息，c a m 及c a e 均无法实现。2 0 世纪7 0 年代飞机和汽车 工业的蓬勃发展给三维c a d 带来了良好的机遇，法国达索飞机制造公司在二维绘 图系统c a d a m 的基础上，丌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 ，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视 图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得 c a m 技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统带来了第一次c a d 技术革命，改 变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。 3 实体造型技术与三维c a d 系统发展 由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性， 如质量、重心、惯性矩等，对c a e 十分不利，在当时星球大战计划的背景下，为降 低巨大的太空实验费用，许多专用分析模块得到开发。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 。实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，有助于 统一c a d c a e c a m 的模型表达，给设计带来了方便，代表着未来c a d 技术的发 展方向。 4 参数化技术与三维c a d 系统发展 进入2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司提出了一种比无约束自由造型更新颖的算 法：“参数化实体造型方法”。其特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺 寸驱动设计修改。但在参数化技术发展初期，一方面很多技术难点有待于攻克；另 一方面将全部软件重新改写又需要大量的开发工作和投资，因而被c v 公司否决。 p r o e 是第一个采用参数化技术的c a d 软件，他第一次实现了尺寸驱动零件设计修 改。进入2 0 世纪9 0 年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通 用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。 5 变量化技术和三维c a d 系统发展 参数化技术在1 9 9 0 年前后几乎成为c a d 业界的标准，由于c a t i a 、u g 、c v 、 e u c l i d 都在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其他应用，重新开发一 套完全参数化的造型系统困难很大。因此，他们采用的参数化系统基本上都是在原 有模型技术的基础上进行局部、小块的修补。c a t i a 、u g 、c v 在推出自己的参数 化技术以后，均采用了复合建模技术。复合建模技术把线框模型、曲面模型及实体 模型叠加在一起，难以全面应用参数化技术。9 0 年以前的s d r c 公司已经摸索了几 年参数化技术，在经历采用逐步修补方式还是采用参数化技术的探索后，以参数化 技术为蓝本，提出了“变量化技术”，1 9 9 0 至1 9 9 3 年，s d r c 投资l 亿多美元，将软 件全部重新改写，推出了全新体系结构的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 。 以三维c a d 为核心的创新设计系统是实现产品创新设计的重要手段，据国外 有关调查报告分析，应用三维c a d 设计可使企业生产力提高4 6 ，取代二维c a d 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 已成为企业和技术发展的必然。在大量发展二维c a d 和以几何处理为主的三维c a d 系统后，国际上知名的c a d 软件供应商( 如e d s 、p t c 、i b m 等) 都在投巨资研 究开发支持具有创新设计能力的三维设计核心系统，以期继续保持世界制造业的优 势和c a d 软件产业的垄断地位1 1 0 d2 1 。 1 2 2c a d 技术发展趋势 计算机软、硬件水平的不断提高为c a d 技术的发展提供了必要条件，全球化 激烈的市场竞争为c a d 的普及应用提供了动力。c a d 技术在现代制造系统起着举 足轻重的作用，伴随着制造业信息化的进程，c a d 将获得更大的发展和更广泛的应 用。c a d 技术在近期的发展趋势可概括为如下几方面： ( 1 ) 微机化过去，c a d 主要以工作站为硬件平台，目前，以w i n d o w s 体系为主 的微机己占有计算机应用的大部分市场，随着微机硬件水平的不断提升，随着 w i n d o w s 技术的发展，特别是w i n d o w sn t 4 0 的推出，使得微机环境的可靠性、安 全性和运行效率得到极大改善。微机作为c a d 平台己为广大c a d 用户接受。为占 有具有广大用户的微机c a d 市场，不少c a d 软件商将工作站上的c a d 软件移植 到微机上，如i - d e a s ，u g i i ，p r o b n g i n e e r 等。也出现不少直接在微机上开发出来的 新的c a d 软件，如m d t , s o l i d w o r k s ，s o l i d e g e 等。微机化促进了c a d 的广泛应用， 是c a d 技术发展的一个最重要的特点和趋势。 r ( 2 ) 集成化集成化就是共享数据。针对制造业而言，集成化就是把设计、分析、 工艺、加工、管理等各个环节的各种功能软件有机地结合起来，统一数据的描述及 交换，协调各功能软件的有效运行。其中计算机集成制造系统( c i m s ) 是c a d 系统 集成发展的一个重要方向。集成化c a d 能缩短产品研制周期，增强企业的竞争力。 ( 3 ) 智能化初级的智能化表现在c a d 软件的人性化、使用方便，典型是应用动 态导航技术，引导设计者一步步进行设计。更迸一步，根据具体设计方法、技术及 经验，在处理数值性的工作的基础上，进行推理型工作，包括方案构思与拟订、最 佳方案选择、结构设计、评价、决策以及参数选择等。这些工作需要知识、经验与 推理，将专家系统技术与c a d 技术结合起来，是智能化c a d 系统发展的必然趋势 ( 4 ) 规范化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。这里所说的c a d 资源主要是指各种标准件库和标准 符号库等。它是由各国标准和国家标准所规定的，是工程设计的重要依据。目前许 多参数化系统中都不专门提供标准件模块，理由是参数驱动的能力使得系列化设计 变得容易，因此该项工作留给了用户。但根据实际经验发现，用户一般希望系统越 方便越好，从以前的直接调用方式返回到自己建库的方式，不易被接受，而且标准 件的三维视图和二维图的简化画法的不同也是麻烦。因此，建立标准件库对用户还 是必要的。 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 5 ) 网络化计算机网络是现代计算机技术与通讯技术相结合的产物。网络的最 大作用是实现资源共享。c a d 系统只有通过网络互连起来，才能达到资源共享和协 同作用，发挥更大的效益。c a d 的公用信息、图形、编码、标准零部件等都存贮在 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，交换所需的中间处理数据和最终结果。网络化为应用计算机的各部门实现信 息共享、协同作业提供了物质基础条件 ( 6 ) 并行化并行设计作为并行工程在产品设计开发活动中的体现，是从传统串 行顺序方式演化到合作并行求解方式的一项重要技术。c a d 的集成化与网络化为 c a d 实现并行设计提供了软硬件基础。c a d 并行设计实现产品的方案设计、概念 设计、详细设计、分析设计、工艺设计、加工仿真各阶段工作在各设计部门同步进 行，各个设计部门的设计信息共享，并以规定流程实现交流、反馈，牵一发动全身， 同时对各阶段设计中的问题进行修正，保证能在方案完成的同时，产品即可加工出 来。并行化c a d 是全新的c a d 组织形式，最大程度缩短产品研制周期，是大型企 业实施c a d 的发展趋势l l3 。”j 。 总之，随着网络技术、i n t e r n e t 技术和可视化技术的发展和普及，c a d 系统将 更加广泛地采用越来越开放的体系结构，以及基于w e b 的信息管理和智能化设计制 造等技术，最终发展成为集设计绘图、分析计算、智能决策、产品可视化、数据交 换、远程异地协同设计为一体的综合性系统。 1 3 项目研究背景 阀门是石油、化工、电站、长输管线、造纸、核工业、各种低温工程、宇航以 及海洋采油等流体输送系统中的控制部件，具有导流，截止，调节，节流，防止逆 流，分流或溢流卸压等功能i lj 。阀门广泛应用于石油、化工、冶金、电力、纺织、 轻工、机械制造、建筑和国防军工等国民经济各部门。阀门的品种规格很多，分别 起着不同的作用，如开、关、调节、安全保护、节能和疏水等，是一种量大面广的 产品。目前，我国阀门行业得到了快速发展，现已基本形成人才培养、科学研究、 产品开发设计和制造较为完善的体系，除少数的特殊阀门产品外，现有的产品品种 和数量基本能满足国民经济各部门的需要，但各类阀门的可靠性和配套能力与国际 水平仍有较大的差距，面对日益激烈的市场竞争，要想生存就要重视产品结构的调 整，勇于技术创新，研制开发高附加值及国际领先水平产品【1 6 , 1 7 】。 蝶阀作为阀门产品的一种，是石油、化工、冶金、电站等部门不可缺少的流体 控制设备。蝶阀结构简单，开闭迅速，流体阻力和操作扭矩小，外形尺寸小，重量 轻，适合制造外形较大的阀，适用于低压，输送水、煤气、空气等介质。蝶阀有如 下特点【1 8 】： ( 1 ) 产品系列中，结构相似性程度高，非常适合子采用模块化、参数化设计； 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 蝶阀有关设计计算模式相同或耷甘似； ( 3 ) 蝶阀标准件和通用件较多，为成组技术和特征建模技术在c a d 系统中的应用 打下良好的基础。根据蝶阀产品的以上特点，对蝶阀产品进行参数化设计已经成为 必然。 1 4 本课题研究的内容和意义 蝶阀产品以其结构紧凑，质量轻，扭矩小，安装操作简单，密封效果好，使用 寿命长等特点，已在国民经济的各个领域中得到广泛应用。本课题的研究目的就是 归纳、整理、研究蝶阀产品的计算、设计并将其程序化，完成蝶阀参数化设计系统 的开发。 本课题主要研究内容： ( 1 ) 蝶阀的设计思路，设计计算方法及组成结构，利用有限元进行分析； ( 2 ) 分析蝶阀主要部件，蝶板及阀体，找出其尺寸之间的关联性，利用p r o e 软件 对蝶阀部件进行参数化建模； ( 3 ) 蝶阀主要部件尺寸的设计计算并将其程序化：善 ( 4 ) 采用p r o e 软件及v i s u a lc + + 高级语言为工具，结合p r o e 二次开发技术实现 蝶阀的参数化设计。 通过对不同公称通径的蝶阀产品的进行对比、考察，发现蝶阀产品结构相似程 度较高，随着公称通径的改变，主体结构有略微变化，适合进行参数化设计。而采 用p r o e 软件对蝶阀产品进行参数化设计，只需根据需要通过人机交互界面输入相 关参数，就可以得到公称通径不同的蝶阀产品模型，得出的三维模型便于观察，可 及时发现装配安装是否干涉，结构尺寸易于修改，并可以直接生成二维工程图纸。 大大减少了设计时间，缩短设计周期，提高设计效率，节约设计成本，另外还可通 过使用a n s y s 等计算机辅助分析软件实现对蝶阀产品的优化设计。 ，7 东北大学硕士学位论文第2 章系统的设计原理 第2 章系统的设计原理 2 1 系统设计遵循原理 系统开发应按照软件工程所确定的原则进行。软件工程是将理论和知识应用于 实践的科学，它借鉴了传统工程的原则和方法，以求高效地开发高质量软件。其中 应用了计算机科学、数学和管理科学。计算机科学和数学用于构造模型与算法，工 程科学用于制定规范、评估成本及确定权衡，管理科学用于计划、资源、质量和成 本的管理。实践证明，只有坚持软件工程的基本原则，既重视软件技术的应用，又 重视软件工程的支持和管理，并在实践中贯彻实施，才能高效地开发出高质量的软 件。 著名软件工程专家b w b o e h m 在19 8 3 年提出了软件工程七条原理，这七条基 本原理是确保软件产品质量和开发效率的原理的最小集合。 1 、用分阶段的生命周期计划严格管理； 2 、坚持进行阶段评审； 3 、实行严格的产品控制； 4 、采用现代程序设计技术； 5 、结果应能清楚地审查； 6 、开发小组的人员应该少而精； 7 、承认不断改进软件工程实践的必要性。 遵循上述七条基本原理，就能够按照当代软件工程基本原理实现软件的工程化 生产，但是，仅有上述六条原理并不能保证软件开发与维护的过程能赶上时代前进 的步伐，能跟上技术的不断进步。因此，b o e h n 、提出应把承认不断改进软件工程 实践的必要性作为软件工程的第七条基本原理。按照这条原理，不仅要积极主动地 采纳新的软件技术，而且要注意不断总结经验，例如，收集进度和资源耗费数据， 收集出错类型和问题报告数据等等。这些数据不仅可以用来评价新的软件技术的效 果，而且可以用来指明必须着重开发的软件工具和应该优先研究的技术1 9 】。 2 2 系统设计的开发 2 2 1 系统开发方法 现代c a d 系统的开发必须以软件工程的观点和正确的方法论为指导，以减少 和避免开发过程中的失误，提高效率和保证系统的质量。本蝶阀参数化c a d 系统 - 8 东北大学硕士学位论文第2 章系统的设计原理 严格按照软件工程学的方法进行开发。根据信息活动的规律，本系统软件的开发可 大体划分为四个阶段：总体规划、系统分析、系统开发和系统维护。前两个阶段是 以系统工程方法论为指导的总体设计，后两个阶段是以软件工程方法论为指导的软 件开发 2 0 , 2 1j 。本系统的开发阶段示意图如图2 1 所示。 ( 总体设计)( 软件开发) 图2 1 系统开发阶段示意图 f i g 2 1i t e r a t i v em o d e lo f s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 本系统是在对参数化设计的基本理论和二次开发技术等进行深入研究的基础 上，综合运用二次开发工具p r o t o o l k i t 、程序和族表所提供的功能，以及利用 v c + + 6 0 编程、开发出蝶阀参数化设计系统 2 2 , 2 3 】。其中涉及到以下主要内容： ( 1 ) 基于p r o e n g i n e e r 环境下的蝶阀三维参数化设计，通过研究的蝶阀的设计原 理，运用p r o e n g i n e e r 的参数化程序和族表，建立蝶阀的参数化三维模型。 ( 2 ) 获得设计模型的尺寸值和参数值并能自动生成三维参数化模型，设计系统 能自动获得设计模型的尺寸和参数的名称、类型和值，并将其显示在用户对话框列 表框中，用户可以在列表框中修改尺寸与参数的值，添加、删除参数，并且，设计 系统能将对尺寸和参数所做的修改实时地反映在设计模型中。 ( 3 ) 建立友好的用户菜单和对话框，利用p r o e n g i n e e r 二次开发工具 p r o t 0 0 l k i t 的菜单技术开发蝶阀设计系统菜单；同时结合m f c 的可视化对话框 设计技术创建设计系统交互式对话框。 ( 4 ) 建立蝶阀数据库，针对在蝶阀设计过程中用到的如材料性能、结构尺寸等参 9 东北大学硕士学位论文第2 章系统的设计原理 数建立阀门数据库，并实现对这些数据的基本管理，如添加、修改、删除等基本功 能。这样，在设计中可以很方便的查询这些参数值和验证参数设计参数的选择是否 合理。 2 2 1 系统二次开发结构图 蝶阀参数化设计系统的结构图如图2 2 所示。 图2 2 蝶阀参数化设计系统运行流程图 f i g 2 2t h ef l o wc h a r to f t h eb u t t e r f l yv a l v ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m - 1 0 - 东北大学硕士学位论文 第2 章系统的设计原理 2 3 结构类型的设计分析 2 3 1 蝶板的结构类型设计 根据阀门的功能不同，阀门的结构类型不同，性能功用决定着阀门的结构，本 阀门是大通径的水利水电站使用阀门，由于阀门直径比较大，用传统的铸造阀体， 阀板等阀门主要零部件来生产阀门显然不能满足工况环境的要求，也大大的增加了 生产成本，所以采用了等强度的焊接方式来取代铸造，由于焊接阀门不是常规的标 准化零件，所以在结构设计分析上有了很大的难度，除了在理论上的计算以外，大 量的计算机辅助设计分析是很重要的，本系统的结构设计分析就是在大量的计算机 试验的基础上得出的优化结构，虽然在理论上不能证明此结构类型是最优化的设计 结构，但在实验的基础上可以得到此结构类型是比较优化的结论，但此结构还需要 进一步的改进。 ( a ) ( b ) 图2 3 蝶板的结构类型等强度设计1 f i g2 3b u t t e r f l yp l a t et y p es t r u c t u r es t r e n g t hd e s i g nl 阀门是有很多的零部件组装而成的，主要零部件有阀体，阀板，密封圈，轴套， 阀轴，填料函等等，其中阀板和阀体是结构比较复杂的零件，由于特殊的工况和厂 1 1 东北大学硕士学位论文第2 章系统的设计原理 家的要求，本系统要设计的是双密封焊接蝶阀，采用等强度设计方法对蝶板进行设 计，通过计算机软件可以对阀门的结构类型进行建模，通过有限元对结构类型分析， 得出相对的优化结构类型。 由于蝶板采用的是双密封设计，所以要有双板面，如图2 3 中( a ) 的上下双板 面，其外轴座是蝶板上不可缺少的零件，根据阀门设计手册和技术人员的经验设计 出轴座的结构，采用等强度设计方法对蝶板的基本结构形状进行有限元的分析，在 分析的过程中轴孔为固定约束，自由度为0 ，上板面为受力面，等压力承载进行分 析，分析结果如( b ) ，在图( b ) 中，左图为蝶板应变分析云图，从图中可以看出板 面变形成圆弧状，图中下面的颜色条是代表应变和应力大小分布，从左到右依次增 大，蓝色代表最小，红色代表最大。根据颜色分布