（机械设计及理论专业论文）蝶阀参数化设计系统开发及优化设计.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y d e v e l o p m e n to fb u t t e r f l yl v ep a r a m e t r i c d e s i g ns y s t e ma n do p t i m a l d e s i g n b yx uc h u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rk o n gx i a n g w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者繇嚷云耍 日期： 学位论文版权使用授权书 ，7 1 一 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年。一年口一年半口 一繇钤疤 签字日期 1 1 。瓜 两年口 翩躲钆弹 签字目期：叫、7 卜 东北大学硕士学位论文 摘要 蝶阀参数化设计系统开发及优化设计 摘要 蝶阀由于性能优越，尺寸小，重量轻等优点，越来越广泛应用于国民经济的各 个部门。我国阀门行业发展迅速，现有产品已能满足国民生产要求，但总体技术质 量水平一般，生产效率低，与发达国家相比仍有较大差距。参数化设计所具有的高 效性、实用性等特点使其成为设计工作的发展方向，其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。蝶阀产品绝大多数为定 型产品，系列化、通用化和标准化程度很高，为蝶阀产品的参数化设计提供了可靠 的依据。 鉴于以上情况，论文以s o l i d w o r k s ，a n s y s 软件及v i s u a lb a s i c 高级语言为工 具，开发了蝶阀参数化设计系统。通过人机交互界面，用户输入所需的基本参数并 进行必要的理论校核计算，计算得出蝶阀的主要尺寸参数，如阀杆直径、蝶板壁厚 等，然后在后台调用a n s y s 软件进行蝶板等核心零部件的强度刚度校核和参数优 化，将优化后参数导入到s o l i d w o r k s 程序中，通过a p i 函数将数据传递到己建好的 模型中，通过输入一些辅助的尺寸参数，实现蝶阀各零部件的三维模型以及蝶阀装 配体模型的生成，并根据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。 建立了独立的数据存储系统，已保存企业内标准系列蝶阀产品的尺寸数据，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命名的文 本文件中，再次使用这些数据时可以采用提取文件的方法载入，不需要重新输入。 通过蝶阀参数化设计系统的开发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强度刚度校核和优化设计，可以提高产品质量， 降低生产成本，符合现代技术的发展要求。 关键词：蝶阀；参数化设计；优化设计；s o l i d w o r k s ；a n s y s i i - 东北大学硕士学位论文a b s 仃a c t d e v e l o p m e n to fb u t t e r f l yv a l v ep a r a m e t r i c d e s i g ns y s t e ma n do p t i m a ld e s i g n a b s t r a c t t h e b u t t e r f l yv a l v eh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ed i f f e r e n ti n d u s t r ya r e a s ，i th a sg o o d s e a la n df i n ew e a r a b i l i t ya n dl o n gs e r v i c el i f e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a s v a l v ei n d u s t r y t h ee x i s t i n gp r o d u c t sa l r e a d ym e e tt h er e q u i r e m e n t so fn a t i o n a lp r o d u c t ， b u tt h eg e n e r a ll e v e lo fo v e r a l lt e c h n i c a lq u a l i t ya n dt h ep r o d u c t i v i t yi ss t i l law i d eg a p b e t w e e nd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，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 so f p a r a m e t r i cd e s i g n ，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 y a n dt h e h e i g h t o f d e s i g n i n gq 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 s o 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 e da n d p r o v i d e t h ep r o o fo fp a r a m e t r i cd e s i g n at 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 mh a sb e e ns e tu pi nt h i st h e s i s ，t h i ss y s t e m a d o p t ss o l i d w o r k s ，a n s y sa n dv ba st o o l ，p e r f o r m ss e c o n dd e v e l o p m e n tb a s e do n s o l i d w o r k sw 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 e tt 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 c t h ep a r a m e t e r sw i l lt r a n s m i tt os o l i d w o r k sa 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 s o l i d w o r k st 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 ys o l i d w o r k sa 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 ， t h ea s s e m b l e dm o d e l ，a n dc a ng 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 dq ba n d c o n t a i n st i t l eb l o c k t h ei n d e p e n d e n td a t as t o r a g es y s t e mh a sb e e ns e t u pi nt h es y s t e m ，t h e r ea r e s t a n d a r ds 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 f h eh a sa 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 et h i sf i l e a g a i n ，h ec a ns e l e c tt h i sf i l ed i r e c t l y t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mw o u l d d e v e l o pt h eg 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 y v a l v eg o o d s ，s h o r t e nt h ed e v e l o p c y c l e ，i m p r o v ed e s i g nq u a l i t y , a n dw o u l da l s ob e o 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 ha sa n s y s s oi ti ss a t i s f y t 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 ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；o p t i m a ld e s i g n ；s o l i d w o r k s ；a n s y s - i i i - 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s tr a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 国内阀门行业的发展现状1 1 1 1 国内阀门行业的基本现况1 1 1 2 与国外阀门行业的差距2 1 2c a d 技术发展概况2 1 2 1c a d 技术的发展历程3 1 2 2 我国c a d 技术的研究现状4 1 3 项目研究背景5 1 4 本课题研究的内容和意义6 第2 章蝶阀参数的理论计算9 2 1 阀门简介9 2 1 1 阀门功能及分类9 2 1 2 阀门的基本参数1 0 2 1 3 蝶阀介绍1 0 2 2 蝶阀参数设计计算1 2 2 2 1 阀门参数化的设计过程1 2 2 2 2 蝶阀参数的计算和校核1 2 2 3 本章小结1 8 第3 章蝶阀关键零部件的有限元分析及优化1 9 3 1 有限元参数化建模及优化设计1 9 3 1 1 有限元软件介绍1 9 3 1 2 有限元参数化建模2 0 3 1 3 优化设计介绍2 1 3 2 蝶阀关键零部件的有限元分析2 3 3 2 1 蝶板参数化建模及前处理2 3 3 2 2 求解并分析结果2 4 3 3 蝶阀关键零部件的有限元优化2 6 3 3 1 提取状态变量和目标变量2 6 3 3 2 指定分析文件及优化变量2 7 3 3 3 优化并分析结果2 8 1 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 4 本章小结3 0 第4 章基于s oi d w o rk s 的蝶阀参数化建模3 1 4 1s o l i d w o r k s 及二次开发概述3 l 4 1 1s o l i d w o r k s 概述3 1 4 1 2s o l i d w o r k s 二次开发机制及方法3 2 4 2 基于s o l i d w o r k s 的参数化建模3 3 4 2 1 参数化建模技术3 3 4 2 2 蝶阀的参数化模型设计3 4 4 3 蝶阀实例介绍3 6 4 3 1 蝶板的参数化建模3 6 4 3 2 蝶阀装配体的生成及干涉检查3 7 4 3 3 蝶阀工程图的生成3 8 4 4 本章总结4 1 第5 章参数化设计系统的应用4 2 5 1 软件间的接口4 2 5 1 1v b 和s o l i d w o r k s 的联接4 2 5 1 2v b 和a n s y s 的联接4 2 5 1 3 数据的传递和保存4 3 5 2 参数设计系统运行实例4 4 5 2 1 系统参数输入界面4 5 5 2 2 参数计算界面4 6 5 2 3 有限元分析及优化界面4 9 5 2 4 参数信息表界面5 4 5 3 参数化建模系统简介5 5 5 3 1s o l i d w o r k s 主界面5 5 5 3 2 蝶阀三维零件图界面5 6 5 3 3 蝶阀零件工程图界面5 9 5 3 4 蝶阀装配体界面6 0 5 3 5 蝶阀装配工程图界面6 0 5 4 本章小结6 0 第6 章结论及展望6 2 6 1 结论6 2 6 2 展望6 3 参考文献6 4 致谢6 7 v 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【1 1 。因此，阀 门是我国国民生产中不可缺少的重要机械产品。 改革开放以来，我国阀门行业得到了快速发展，现己基本形成人才培养、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 f a t , 网4 1 - - 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【2 1 。 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，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，极大地改善了图形的 修改手段，提高了设计的柔性。 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； 可以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【3 】。 1 1 国内阀门行业的发展现状 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1 1 个。科研院所主要有机械工业 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19 5 8 力。全员劳动生产率15 l8 6 元人，主要产品产量2 0 万吨【引。国内阀门行 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 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先进设计制造技术，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i s 0 9 0 0 0 认证和1 1 家取得了a p i 认证，同时还有十多家 长期生产出1 2 1 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 ) 目前阀门行业的技术标准体系己经比较完整，己有1 8 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； ( 4 ) 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； ( 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。 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2 0 0 3 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18 8 7 亿美元，进口11 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2 0 0 2 年出口只有1 2 6 4 亿美元，进口 2 6 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 2c a d 技术发展概况 c a d 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 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 市场及行业。 c a d 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 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 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【7 8 】。 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 时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， 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，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 ，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 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 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 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，它第一次实现了尺寸驱动零件设计修 改。 ( 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“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，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 已成为企业发展的必然。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d o - 1 2 】。 1 2 2 我国c a d 技术的研究现状 目前，c a d 技术日益完善，许多发达国家相继推出成熟的c a d c a e c a m 集 成化的商品软件，在设计理论、设计方法、设计环境、设计工具等各方面出现许多 成熟的现代c a d 技术。当今c a d 技术是计算机在工程中最有影响的应用技术，它 作为现在工程制造技术的重要组成部分，促进了科研成果的开发和转化，促进了传 统产业和学科的更新与制造，实现设计自动化，增强了企业及其产品在市场上的竞 争力，成为加强国民经济发展的一项关键性高新技术。 我国c a d 研究术的应用起步于2 0 世纪6 0 年代来，几乎和工业发达国家同步， c a d 技术己经广泛地应用在机械、建筑等行业，应用c a d 技术提高了企业的设计 效率、减轻了技术人员的劳动强度、缩短了设计周期。在机械装备的计算机辅助设 计方面，在全国范围内来说，做得都比较多，尤其各大高校与企业合作进行的开发 占据了很大的份额。他们所采用的平台，一般来说，都是一些高级的通用c a d 软 件，像u g ，p r o e ，s o l i d w o r k s ，c a t i a 等等。 空军第一航空学院的韩玉芹和祖先锋所做的滚动轴承c a d 系统就是基于 a u t o c a d 用v b 二次开发的，以模块化设计思想为指导，以v i s u a lb a s i c 为开发工 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 具，对a u t o c a d 软件进行二次开发，此系统实现了设计绘图一体化，显著提高了 设计与绘图的质量和效率【l 3 1 。 南京航空航天大学航空宇航学院的谢岳峰和余雄庆做所的飞机外形参数化设计 系统就是基于c a t i a 用v c + + 二次开发的，主要解决了飞机外形的参数化描述和如 何根据这些参数通过编程方式自动生成飞机的外形三维图【i 引。 郑州大学机械工程学院的李大磊和王曙光在s o l i d w o r k s 平台上进行机床夹具定 位元件的二次开发，以v i s u a lb a s i c 为开发工具，利用m i c r o s o f ta c c e s s 作为数据存 储，开发出能够进行自动设计机床夹具定位件的工作平台【i 5 1 。 兰州理工大学的王瑶以s o l i d w o r k s 为开发平台，综合运用v i s u a lb a s i c 编程技 术和m i c r o s o f ta c c e s s 数据库管理技术，借助s o l i d w o r k sa p i 强大的二次开发功能， 开发完成了基于特征造型、可参数化驱动生成零部件的机床夹具三维标准件库的定 位件子库f 1 6 】。 但是，应该看到这样一个现实，尽管我国在c a d 技术的研究、开发和推广应 用等方面都取得了长足的进步，但是与工业发达国家相比，在开发和应用的广度与 深度方面，还存在很大的差距，主要表现在： 1 ) 具有自主版权和设计功能的c a d 应用软件较少； 2 ) 自主开发的c a d 应用软件商品化程度较低； 3 ) 引进c a d 软件的功能尚未得到充分开发和利用； 4 ) 不同行业和地区间的c a d 应用程度参差不齐。 虽然目前国内c a d 产品处于一个较低的水平，但如果能尽快地发挥其作用， 就会给企业减少不必要的损失，也为下一步c a d 技术的应用发展扫清了障碍。 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。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。 蝶阀的开启件为圆盘形的蝶板，蝶板绕着阀杆旋转，以改变通流截面的面积， 来达到调节流量的目的。蝶阀结构简单紧凑，质量轻，开闭迅速，流体阻力和操作 扭矩小，重量轻，安装操作简单，密封效果好，使用寿命长，适合制造外形较大的 阀门，适用于低压，输送水、煤气、空气等介质，并向高温、高压、大口径、高密 封性以及一阀多功能方向发展，其可靠性及其他性能指标均达较高水平，并已部分 取代截止阀、闸阀和球阀，在国民经济的各个领域中得到广泛应用，国内外各厂家 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 也相继投入精力进行研究。 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， 并提高设计手段，积极投身于新的设计方法的研究中，勇于技术创新，研制开发高 附加值及国际领先水平的阀门产品【1 6 i7 1 。 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，主要表现在 阀门设计水平和生产工艺以及管理水平上，在设计方面主要存在以下几方面的问题： ( 1 ) 基本上是采用二维c a d 软件作为阀门设计的绘图工具，而不是设计工具， 没有充分利用c a d 软件的强大功能，设计方法不合理； ( 2 ) 没有充分使用三维参数化设计软件及工程分析软件，主要依靠经验设计和样 机试验，设计效率低下，不符合现代机械产品设计的发展要求； ( 3 ) 没有建立完善的图纸文档管理系统，技术管理效率不高，直接影响了阀门设 计能力的发挥。 从以上分析可以看出，提高阀门企业阀门设计水平可以从几个途径进行： ( 1 ) 在设计手段上，正确引进先进的二维和三维设计系统以及三维运动仿真、有 限元分析等工程分析软件，并进行二次开发以适应阀门设计的需要： ( 2 ) 与技术力量雄厚的科研院所进行强强联合，研制开发技术含量高的新产品、 新工艺； ( 3 ) 建立完善的技术人员再培训机制，不断提高设计人员的设计水平。 通过对不同公称通径的蝶阀产品进行对比、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，大体结构比较类似，比较适合 进行参数化设计。蝶阀有如下特剧1 8 】： ( 1 ) 产品系列中，结构相似性程度高，非常适合于采用模块化、参数化设计； ( 2 ) 蝶阀有关设计计算模式相同或相似； ( 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 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过程，并将其程 序化，同时开发出基于a n s y s 的优化设计模块和基于s o l i d w o r k s 的参数化建模模 块，完成蝶阀参数化设计系统的开发。 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 本课题主要研究内容有： ( 1 ) 蝶阀的设计思路、设计计算方法、蝶阀结构组成、零部件间装配关系及工 作原理； ( 2 ) 蝶阀主要零部件尺寸的设计计算和强度校核方法并将计算过程程序化，得 到设计界面； ( 3 ) 利用a n s y s 对蝶板等核心零部件进行优化设计和强度刚度分析，使其更 经济合理，完善蝶阀产品； ( 4 ) 分析蝶阀主要零部件，如蝶板和阀杆，找出尺寸之间的关联性，以 s o l i d w o r k sa p i 语言、v i s u a lb a s i c 高级编程语言为工具，结合s o l i d w o r k s 二次开发 技术开发蝶阀的参数化建模模块，同时对s o l i d w o r k s 的工程图模块进行二次开发， 使之能够得到符合国标和企业标准的工程图纸； ( 5 ) 开发蝶阀主要零部件的参数数据库，同时利用s o l i d w o r k s 完成蝶阀零部件 的三维模型图库和工程图库的建立，并将整个设计系统联系起来。 本课题开发的蝶阀计算机辅助设计系统采用s o l i d w o r k s 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设计零部件，就可以得到 公称通径和公称压力不同的蝶阀产品模型，得出的三维模型方便观察，可及时发现 装配安装是否干涉，结构尺寸易于修改，并可以直接生成符合我国国标和企业标准 的二维工程图纸，且工程图已经模板化，可以大大避免设计错误。 同时，通过a n s y s 软件可以对蝶阀进行强度刚度分析，并进行结构和尺寸优 化，从而使蝶板的应力分布更加均匀，减少疲劳破坏可能发生的概率，使产品结构 更加合理，而且尺寸优化后可以提高企业效益。 蝶阀参数化设计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，另外通过使用a n s y s 有限元分 析软件实现对蝶阀产品的强度刚度校核和优化设计，可以提高产品质量，降低生产 成本，符合现代技术的发展要求。 7 蝶阀参数化设计系统的流程图如下所示： 导入a n s y s ，强度刚度校核 土 一 参数优化 上 参数导入s o l i d w o r k s 建模 上 生成工程图 上 生成装配图 上 完成 图1 1 蝶阀参数化设计系统运行流程图 f i g 1 1 f l o wc h a r to ft 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 8 东北大学硕士学位论文笫2 章蝶阀参数的理论计算 第2 章蝶阀参数的理论计算 2 1 阀门简介 2 1 1 阀门功能及分类 阀门是流体输送系统中的控制部件，主要功能有导流、截流、调节、节流、防 止倒流，分流或溢流卸压等功能【n 。具体来讲，它有以下几种用途： ( 1 ) 接通或切断管路各段的介质，如：闸阀、截止阀、止回阀、球阀等。 ( 2 ) 调节管路的流量和压力，如节流阀、安全阀、减压阀等。改变介质的流动 和方向，如：分配阀、三通旋塞等。指示和调节液面，如：液面指示器、液面调节 器等。 对阀门分类，首先应明确，类是将事物进行逻辑划分的基本概念，也就是要对 事物进行分类，必须从事物的最基本特征出发，即应从阀门的最基本概念和要素出 发。 阀门的种类繁多，可以按各种方法分类： ( 1 ) 按主要参数分类 按压力分类 1 ) 真空阀一工作压力低于标准大气压的阀门 2 ) 低压阀一公称压力p n 1 0 0 m p a 的阀门 按介质工作温度分类 1 ) 高温阀一t 4 5 0 的阀门 2 ) 中温阀一1 2 0 t 4 5 0 的阀门 3 ) 常温阀一4 0 t 1 2 0 的阀门 4 ) 低温阀一10 0 t 4 0 。c 的阀门 5 ) 超低温阀一t 10 0 的阀门 按阀体材料分类 1 ) 非金属材料阀门一如陶瓷阀门、玻璃钢阀门、塑料阀门 2 ) 金属材料阀门一如铜合盒阀门、铝合金阀门、铅合金阀门、阀门、蒙乃尔合 金阀门、铸铁阀门、碳钢阀门 ，9 ， 东北大学硕士学位论文 第2 章蝶阀参数的理论计算 3 ) 金属阀体衬里阀门一如衬铅阀门、钦合金低合金钢阀门、高合金钢阀门、衬 塑阀门、衬搪瓷阀门 ( 2 ) 通用分类法 这种分类方法即按原理、作用划分，又按结构划分，是目前国内、国际最常用 的分类方法。一般分为：闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、止回阀、 节流阀、安全阀、减压阀、疏水阀、调节阀。 2 1 2 阀门的基本参数 阀门的基本参数包括公称通径、公称压力和适用介质，这三者是阀门设计和选 用中不可缺少的因素。 ( 1 ) 公称通径 公称通径是指阀门与管路连接处通道的名义直径，它表示阀门规格的大小，是 阀门最主要的尺寸参数。公称通径是用做参考的经过圆整的数字，与加工尺寸数值 上不完全等同，为了便于设计、制造、选用和安装，我国已用国家标准的形式把公 称通径系列确定下来。公称通径的数值应符合国家标准。公称通径是用字母“d n ” 后跟一个数字标志。如公称通径1 2 0 0 m m 应标志为d n l 2 0 0 。 ( 2 ) 公称压力 公称压力是指阀门名义压力，它是阀门在基准温度下允许的最大工作压力。公 称压力用“p n ”表示，它表示阀门承压能力的大小，是阀门最主要的性能参数。在我 国，涉及公称压力时，为了明确起见，通常给出计量单位，以“m p a ”表示。应当指 出，并不是在任何情况下阀门都可以在其公称压力下使用。因为同一型号的阀门， 可能应用于各种不同的工况，因而阀门的实际工作温度常常不同于基准温度。由于 阀门材料的机械性能( 主要是强度) ，通常随着温度的升高而降低，所以若阀门的实 际工作温度高于其公称压力的基准温度时，它的允许最大工作压力将相应降低。 ( 3 ) 适用介质 阀门的工作介质可以是各种各样的，有些介质具有很强的腐蚀性，因此对阀门 的材料提出了不同的要求。按照选用材料和结构形式的不同，各种型号的阀门都有 一定的适用介质范围，在设计和选用阀门时也应给予考虑。 2 1 3 蝶阀介绍 3 0 年代，美国发明了蝶阀，5 0 年代传入日本，到6 0 年代才在日本普遍采用， 而在我国推广则是7 0 年代以后。目前世界上，一般在d n 3 0 0 毫米以上蝶阀已逐渐 代替了闸阀。蝶阀与闸阀相比有开闭时间短，操作力矩小，安装空间小和重量轻等 优点。以d n l 0 0 0 为例，蝶阀约2 t ，而闸阀约3 5 t ，且蝶阀易与各种驱动装置组合，