（机械设计及理论专业论文）pff系列阀体的参灵敏化建模与强度分析.pdf

蜜塞堕窒堕垂盔堂堕主堂垡堡墨7 2 8 9 一 y 3 摘要 本文阐述了参数化建模的基本思想及过程，在u g i i1 6 0 软件开发平台上，用 m o d e l i n g 模块及其二次开发工具g r i p 语言完成p f f 系列化阀体的参数化建模：阐 述了有限元法的基本理论及数值计算方法，运用计算机辅助设计c a e 软件 m s c n a s t r a n 及m s c p a t r a n 对p f f a 3 5 6 5 阀体进行了有限元应力分析，获得与试验 结果较为吻合的结论。 本文建立了p f f 系列阀体的参数化建模方法：绘制了阀体的应力分布云图，为 阀体强度设计提供了理论和实践依据。 关键词：参数化建模，有限元分析，应力分析，强度分析 一， ， 坚墨型塑堡盟垄墼些堡堡皇塑星坌堑 ： a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，g e n e r a lt h o u g h t sa n dp r o c e s s e so fp a r a m e t r i cm o d e l i n g t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d ，as e r i e so fp f fv a l v em o d e l sa r ec r e a t e do nt h e p l a t f o r mo fu g i i1 6 0w i t ht h em o d e l i n gm o d u l ea n dg r i p s ，as e c o n dd e v e l o p m e n t t 0 0 1 t h em a i nf e at h e o r i e sa n dm e t h o d sa r ea l s od e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h e s t r e s sa n a l y s i so fp f fv a l v ei sc o m p l e t e dw i t hm s c n a s t r a na n dm s c p a s t r a n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea n a l y s i sr e s u l t sa c c o r dw i t ht h ep r a c t i c a lr e s u l t s t h ep a r a m e t r i cm o d e l so fp f fs e r i e sv a l v e sa r ec r e a t e da n dt h es i r e s s - d i s t r i b u t i n gf r i n g eo ft h ev a l v e sa r eo b t a i n e di nt h i sp a p e r ，w h i c hp r o v i d e s s t r e n g t hd e s i g no ft h ep f fs e r i e sv a l v e st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lc r i t e r i o n k e y w o r d s ：p a r a m e t r i cd e s i g n ，f e a ，s t r e s sa n a l y s i s ，s t r e n g t ha n a l y s i s ： 妻塞堕皇塾墨盔堂堡主兰堡堡塞二一 第一章绪论 1 1计算机辅助设计发展简史及发展方向a 卅 计算机辅助设计( c a d ) 是用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行 设计、修改及显示输出的一种设计方法，同时它也是- - f 3 多学科的综合性应用新技 术。 从方法学角度看，在c a d 中人与计算机密切合作，在决定设计策略、信息处理、 修改设计及分析计算等方面充分发挥各自的特长。例如计算机在信息存储与检索、 分析与计算、图形作图与文字处理、以及代替人作大量重复枯燥工作等方面有特殊 优点；但在设计策略、逻辑控制、信息组织及发挥经验和创造性方面，人将起主导 作用。因此二者的有机结合必然能提高设计质量、缩短设计周期、降低设计费用。 计算机辅助设计主要研究用计算机及其外围设备和图形输入输出设备帮助人们 进行产品或工程进行设计，它是随着计算机及其外围设备和图形设备及其软件的发 展而发展的。它经历了如下几个发展阶段： ( 1 ) 准备和酝酿时期( 5 0 6 0 年代初) 1 9 5 0 年美国麻省理工学院( m i t ) 研制出“旋风i 号”( w l l i r l w i n di ) 类似于 示波器的图形设备，用它可以显示简单的图形。1 9 5 8 年，美国c a l c o m p 公司研制出 滚筒式绘图仪：g e r b e r 公司研制出平板绘图仪。整个5 0 年代，大多采用电子管计算 机、用机器语言编程，计算机主要用于科学计算，为之配置的图形设备仅具有输出 功能，c a d 技术处于被动式的图形处理阶段。 ( 2 ) 蓬勃发展和进入应用时期( 6 0 年代) 1 9 6 2 年美国m i t 林肯实验室的i e s u t h e r l a n d 发表了“s k e t c h p a d ：一个人机通 讯的图形系统”的博士论文，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号 的数据结构等新思想，从而为c a d 技术的发展和应用打下了理论基础。6 0 年代中 期出现了许多商品化的c a d 设备，如1 9 6 4 年美国m m 公司推出了商品化的计算机 绘图设备：美国通用汽车公司的多路图形控制台，实现各阶段的汽车设计。6 0 年代 末，美国安装的c a d 工作站已达2 0 0 多台，可供几百人使用。 ( 3 ) 广泛使用的时期( 7 0 年代) 1 9 7 0 年美国a p p l i c o n 公司第一个推出完整的c a d 系统。在此时期出现了廉价 的固体电路随机存储器、产生逼真图形的光栅扫描显示器、光笔、图形输入板等多 种形式的图形输入设备，出现了面向中小企业的c a d c a m 商品化系统。7 0 年代末， 美国c a d 工作站安装数量超过1 2 0 0 台，使用人数超过2 5 万。 p f f 系列阀体的参数化建模与强度分析 ( 4 ) 突飞猛进的时期( 8 0 年代) 图形系统和c a d c a m 工作站的销售量与日俱增，1 9 8 1 年美国实际安装c a d 系统5 0 0 0 套，1 9 8 3 年超过1 2 0 0 0 套，1 9 8 8 年发展到6 3 0 0 0 套。c a d c a m 技术从 大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展：从用于产品设计发展到用 于工程设计。 ( 5 ) 标准化、集成化、智能化的发展时期( 8 0 年代中期以后) 图形接口、图形功能日趋标准化，从1 9 7 7 年由s i g g r a p h 特别兴趣小组g s p c 推出c o r e 图形标准以来，这十年中出现了计算机图形接口c g i ( c o m p u t e rg r a p h i c s i n t e r f a c e ) 、计算机图形文件标准c g m ( c o m p u t e rg r a p h i c sm e t a f i l e ) 、计算机图形核 心系统g k s ( g r a p h i c sk e r n e ls y s t e m ) 、面向程序员的层次交互式图形标准p h i g s ( p r o g r a m m e r sh i e r a r c h i c a l i n t e r a c t i v e g r a p h i c ss t a n d a r d ) 以及基本图形转换规范 i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 。这里的标准有些是面向图形设备的驱动 程序包，有些是面向用户的图形程序包，有些是面向不同c a d 系统的文档规范。这 些标准的制定和采用为c a d 技术的推广和移植、为资源信息共享起到了重要作用。 目前，c a d 技术的集成化主要体现在以下四个方面。 ( 1 ) 系统构造由过去单一功能变成接合功能，出现由c a d ( 计算机辅助设计) c a m ( 计算机辅助制造) c a e ( 计算机辅助工程) 构成的c i m s ( 计算机集成制造 系统) ： ( 2 ) c a d 技术中的有关软件( 含国际标准) 和算法不断固化，即用集成电路及 其功能块来实现有关软件和算法的功能： ( 3 ) 多处理机、并行处理技术用于c a d 中、使工作速度成百倍地增加： ( 4 ) 网络技术在c a d 中被普遍采用，使近程和远程的资源都能即时共享。 人工智能( a i - a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 和专家系统技术( e s ：e x p e r ts y s t e m ) 在c a d 中的应用大大提高了自动化设计的程度，出现了a i c a d 新学科，a i c a d 把工程数 据库及其管理系统、知识库及其专家系统、用户接口管理系统集于一体，形成如图1 1 所示的结构。 图1 1 人工智能c a d 系统 2 童室堕皇堕丕盔兰堡主兰垡墼 c a d 技术可广泛应用于国民经济的各个方面，归纳起来有以下几个方面： ( 1 ) 工程和产品设计 采用c a d 技术后、首先是工程、产品设计和施工图纸可不必人工绘制。目前许 多工程、产品的投标项目规定必须提交用c a d 技术产生的图纸，手绘图纸不再接受。 有些工作不用c a d 技术根本无法用人工完成，如集成电路掩膜版图的生成。在土建 领域采用c a d 技术后，可节省方案设计时间约9 0 、投标时间3 0 、重复绘图作 业费9 0 。 ( 2 ) 仿真模拟和动画片制作 应用高性能的c a d 工作站可以真实地模拟机械零件的加工处理过程、飞机起 降、船舶进出港口、物体受力破坏等现象：在电影界可用来产生动画片和电影片的 特技镜头。 ( 3 ) 事务管理 在事务管理中采用c a d 技术可绘制各种形式的统计管理图表，如直方图、扇形 图、库存图等。用图表反映事实将会更清晰、形象直观。 ( 4 ) 绘制测量图 用c a d 技术绘制地理、地形图、矿藏勘探图、气象图、人口分布密度图以及有 关的等值线、等位面图，早已在四化建设中产生了巨大的作用。 ( 5 ) 机器人 用c a d 技术可以模拟各种形式的机器人、机械手及其运动环境。 现在c a d 技术已成为工程界普遍重视、深入了解、广泛应用、不断发展和提高 的热点，随之它所发挥的作用将会越来越大。 1 2 课题的提出 p f f ( 平板法兰) 系列阀体是石油机械中用途广泛的流体控制设备零件，随着市 场需求的不断发展，对阀体要求也越来越高，为了适应市场变化，使企业能在激烈 的竞争中求得发展，必须采用先进的设计手段，来缩短产品的设计周期，提高产品 的设计质量，从而达到降低产品成本，提高企业产品设计水平的目标。 目前，国外对阀体的设计已广泛用了计算机辅助设计及仿真技术，并且已形成 较完善的设计规范和标准。如美国的a p i 标准、日本的d i s 标准及英国的b s 标准。 而国内很多中小型企业对阀体的设计仍停留在经验设计及仿制的基础上，这就不可 避免的出现，设计周期长、设计质量低、设计准则模糊、产品成本高。这些已成为 制约企业发展的主要因素。 本课题针对p f f 阀体产品系列结构相似性程度高及阀体有关设计模式相同的特 点，采用参数化设计比较合适，在设计上采用世界上一流的c a d c a m 软件( u g i l l 6 0 ) 及c a e 软件( m s c n a s t r a n 及m s c p a t r a n ) ，运用u g i l l 6 0 软件的参数化功能模块 3 ! 坚墨型塑堡塑垄墼些垒夔兰堡室坌堑 一一 及二次开发工具g r i p 语言，完成p f f 系列化阀体的参数化建模。根据国内外阀体的 强度破坏试验，结合阀体的结构工艺特点，运用有限元分析、实验结果分析完善了 阀体的强度设计准则，实现了强度破坏试验的计算机仿真。这大大提高设计人员的 设计效率和准确性，缩短新品的设计周期。将会给企业带来很大的经济效益和社会 效益。 在u g i l l 6 0 软件的平台上，运用u g i l l 6 0 软件参数化设计功能模快m o d e l i n g 、 e x p r e s s i o n 及二次开发工具g r i p 语言，结合p f 结构特点和特征参数，建立该系列 化阀体的参数化模板，完成p f f 系列化阀体的参数化建模( 即利用表达式建立各特 征之间的相互关系，改变主参数就能得到相应阀体的系列化模型) ，以便为阀体有限 元分析及结构优化提供物理模型。根据不同阀体的结构特点、工艺特点确定相应的 有限元分析模型( 包括边界条件、载荷状况、单元特性、材料特性等) ，采用p a t r a n 程序实现对阀体结构的网络自动划分，利用n a s t r a n 程序进行求解，完成对阀体强 度分析，同时考虑不同单元、单元多少及阀体特征参数改变时对分析结果的影响， 通过前后置处理器p a t r a n 提供分析数据的可视化结果及动画仿真。根据强度破坏理 论及国内外阀体零件的设计规范及相应的设计标准，为系列阀体强度设计提供了有 力的依据。 本课题主要解决的难题是： ( 1 ) 建立p f f 系列阀体的参数化模板。 ( 2 ) 完善阀体强度设计准则。 ( 3 ) 实现阀体强度试验的计算机仿真。 1 3 本课题研究方法 p f f 系列化阀体的研究方法包括理论分析、计算与实验。利用u n i g r a p h i c s s o l u t i o n 公司( 简称u g s ) 的u g i i l 6 0 软件进行建模，建立p f f 系列阀体的参数化模 板：利用t h em a c n e a l s c hj v e n d l e rc o r p o r a t i o n ( 简称m s c 公司) 推出的有限元软件 p a t r a n 、n a s t r a n 对p f f 系列化阀体进行有限元分析，完善阀体强度设计准则：对 阀体进行压力破坏试验，验证分析模型的正确性和计算结果的准确性。具体步骤由 以下五部分组成，技术路线如图l 一2 所示。 ( 1 ) 根据p f f 系列化阀体结构特点及特征参数，在u g i i l 6 0 平台上完成该系 列阀体的参数化建模。 ( 2 ) 将阀体物理模型离散化为相应的数学模型，包括有限单元的选择、单元划 分、载荷状况、边界条件、材料特性等。 ( 3 ) 运用m s c p a t r a n 、n a s t r a n 软件完成阀体的有限元分析计算，并提供可 视化结果及分析结果数据。 ( 4 ) 在压力试验和有限元分析计算的基础上，根据国内外阎体零件的设计规范， 4 南京航空航天大学硕士学位论文 完善p f 系列阀体的强度设计准则。 ( 5 ) 参照国际上流行的a p i ( 美国石油学会) 标准制定试验条件及方案，对阀 体进行压力破坏试验。 1 4 论文指导思想 图l 一2 技术路线 u g s 公司的系统软件及其二次开发语言g r i p 、m s c 公司开发的m s c n a s t r a n 及m s c p a t r a n 软件是本课题研究的主要工具。运用u g i l l 6 0 软件中的参数化建 模块及其二次开发语言g r i p 完成p f f 阀体的参数化建模，运用m s c n a s t r a n 及 m s c p a t r a n 软件对p f f 阀体进行有限元分析。 有限元分析即将连续体或结构人为的分割成许多单元，并认为单元与单元间只 通过节点相连接，这样就把具有无限自由度的连续体的受力分析转化为具有有限个 自由度的离散模型的力学分析，形成与实际结构近似的数学模型。在此基础上，根 据分块近似的思想，在单元上，先假设一个简单函数，用节点参数来近似地表示单 元内参数的真实分布和变化规律。在结构分析中，节点参数一般选取单元的节点位 移，单元内的位移分布可表示为这些节点位移的函数。这个过程通常称为选择单元 的位移函数。由此，利用力学原理( 如变分原理和虚功原理等) 推导建立每个单元 的平衡方程组。然后，再把所有单元的平衡方程组组集成表示整个结构力学特性的 代数方程组，最后，引入边界条件求解代数方程组便可获得各个节点的位移，进而 求得各个单元的应力。有限元分析包括固体力学中的三个基本方程：平衡微分方程、 本构方程与几何运动方程。平衡微分方程是描述根据静力平衡条件推导出来的应力 分量与体力分量之间的关系方程式；本构方程描述了材料各参数，如应力、应变、 应变率、载荷作用时间、温度等之间的关系；几何运动方程是描述结构的位移函数 与应变函数之间的关系。 众所周知，在弹性力学里，为了简化计算而反映事物的本质，对材料性质作了 些假设口l ，实践证明，其所致误差很小。一、假设物体是连续的，不留任何空隙。 故物体内的一些物理量，例如应力、应变、位移等，才可用坐标的连续函数来表示。 s 孚凰圈 p f f 系列阀体的参数化建模与强度分析 二、假设物体是完全弹性的，不留任何残余变形。故温度不变时，物体在任一瞬时 的形状就完全取决于它在这一瞬时所受的外力，与它过去受力情况无关。材料服从 虎克定律，应力与应变成正比关系。三、假设物体是均匀的。即整个物体的所有各 部分具有相同的物理性质，其弹性模量和泊桑系数不随位置坐标而变。四、假设物 体是各向同性的。即物体内每一点各个不同方向的物理性质和机械性质都是相同的。 当然如用显微镜来看，即使是工程上常用的钢及其合金材料，它们所含的晶体也是 各向异性的。但相对于物体尺寸来讲，其晶体非常微小，而且是杂乱排列的，物体 的性质是无数晶体的平均性质。故从统计学观点看，物体是近似各向同性的。五、 假设物体的变形是微小的。即物体在受力后整个物体所有各点的位移都远小于物体 的原有尺寸，因而应变和转角都很小。这样，在考虑物体的变形后的平衡状态时， 可用变形前的尺寸来代替变形后的尺寸，而不致有明显的误差：且在考虑物体的变 形时，应变和转角的平方项或乘积项都可略去不计，使弹性力学中的微分方程成为 线形方程。根据这些得到的最后控制方程是线性的。应力、应变、位移与载荷间均 匀为线性关系。它大大简化了问题的求解，对大多数工作环境，求解得到的结果是 可以接受的。 根据阀体的结构特点和工作情况，完全符合以上五点假设。对阀体的研究即以 线性理论及n a s t r a n 、p a t r a n 软件对阀体进行分析计算，进而得出云图显示。 本论文第二章介绍了p f f 3 5 6 5 阀体的参数化建模：第三章介绍了p f f 3 5 6 5 阀 体电测和爆破试验：第四章系统阐述了有限元法的基本理论：运用n a s t r a n 及 p a t r a n 软件进行对阀体进行有限元分析计算，计算结果与实验结果相吻合，完善 了阀体强度设计准则。 塑室堕窒堕蒌盔兰堡主兰垡坚 第二章g r i p 实现p f f 阀体参数化建模 2 1 概述 近年来，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、网络技术等取得了飞 速的进步。实践证明，将信息技术应用于制造业的改造，是现代制造业发展的必由 之路。8 0 年代初，先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统开始得到 实施，在国内外已经有许多的成功范例。基于科技发展的这种趋势，将计算机辅助 设计与制造系统引入阀体的生产实践中并取得了成功。 随着计算机辅助设计与制造技术的发展，在零件几何模型表达上，相继出现了 线框模型、曲面模型、实体模型等。大型c a d 软件大部分都具有这三种建模功能。 但几何造型方法是通过简单和有限的几个几何体素进行布尔运算构造复杂形体，在 实际工程应用中存在许多问题，表现在： ( 1 ) 不适合设计人员的思维方式，机械零件许多体素在功能、制造上明确、完 整，能联想其工艺设计、制造加工等方面的要求。但在几何描述上，它们强制地被 支解成多个简单体素，缺乏对加工制造信息的传递，增加设计者的思维负担。 ( 2 ) 造成特征体素的分离。零件的一个完备特征体素被两个或两个以上的传统 几何体素共同构造。事实上，它们之间有固定的拓扑关系。造型时若能以一个完整 体素来描述，将大大提高造型速率。 ( 3 ) 设计加工模型不统一。传统几何体素与常用零件的基本类型无对应关系， 与加工也无牵连，这使得设计加工不能统一考虑。 ( 4 ) 几何体素缺乏特征语义。体素几何描述复杂，体素间运算不直接。由于以 上原因，使得传统c a d 系统在实际造型中，操作繁琐，与设计习惯不一致，效率低， 影响实际使用。近年来发展起来的特征造型技术，试图克服原几何造型的不足，完 整地表达零件的各种信息，使设计制造一体化，被认为是c a d c a m 集成的有效途 径。 特征的概念首次由美国 c r o s s a r d 教授于1 9 7 8 年提出( 6 l ，后直到8 0 年代后期，才 为人们广泛接受。目前已有多种特征的定义，然而大多数有关特征的定义都是面向 几何形状并与应用相关，这类特征称为形状特征，还有一些定义不仅是面向零件的 几何属性，而且还非几何属性如精度、公差、材质等，这类特征又叫广义特征，广 义特征模型面向整个设计过程，能支持c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 。广义特征包含 如下具体特征类：形状特征、管理特征、精度特征、材料特征。形状特征是有产品 的几何拓扑信息，是特征模型的基础和核心。形状特征是管理特征、精度特征、材 料特征等的载体，是特征造型的首要问题。形状特征是一组与零件形状描述相关的 7 ! 坚墨型塑堡塑垄堑垡壅堡兰垡壁坌塑 有意义的信息集合，不同的形状特征对于构成零件的形状，满足零件的功能要求所 起的作用是不同的。 对于本课题所研究的p f f 系列化阀体是属标准化、系列化产品，零件形状具有 如下特点：不同种类的阎体结构相似，特征可以通用；同一系列的阀体零件形状结 构基本相似，特征完全通用。在对阀体的工程设计和科学分析中，常常要对相似结 构进行分析计算，通过数值实验得到最优模型或对相似结构在不同的工况进行分析， 这就会碰到重复建模的问题【7 8 l 。 本课题采用u g i i l 6 o 软件，并运用了相应的g r j p 模块，对阀体采用参数化建 模的方法，对其进行特征建模，从而避免了重复建模，同时能得到适用于产品计算 机辅助设计及制造的三维模型。在阀体造型过程中圆弧曲面的圆弧半径及位置在常 规设计中难以确定。而用u g i l l 6 0 软件设计阀体则可以应用其与阀体端法兰及中法 兰的相关性，一旦确定中法兰及端法兰的位置尺寸，则自动生成曲面，进而生成造 型匀称合理的阀体。本章主要阐述运用g r i p 实现p f f 阀体参数化建模的方法。 2 2 参数化建模的原理与方法9 有些企业的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 度较高。因此，进行这些产品设计所采用的数学模型及产品的结构都是固定不变的， 所不同的只是产品的结构尺寸有所不同，而结构尺寸的差异是由于相同数目及类型 的已知条件在不同规格的产品设计中取不同值而造成的。对于这类产品，我们可以 将已知条件及其它所有的随着产品规格而变化的基本参数用相应的变量代替；然后 根据这些已知条件和基本参数，由计算机自动查询图形数据库，或由相应的软件计 算出绘图所需的全部数据，由专门的绘图生成软件在屏幕上自动地设计出图形来。 这种方法称为参数化c a d 。 参数化c a d 的工作原理如图2 1 所示。首先通过人一机对话方式输入设计主 参数。根据输入的设计主参数，由专门的分析处理软件计算出其它有关的设计参数， 而更多的参数可从图形数据库查出。从参数c a d 程序库中调出专为之开发的绘图生 成软件，借助通用图形软件的支撑，在计算机屏幕上自动生成所设计产品的工作图 纸。如有不合适的地方，可利用图形支撑软件所提供的编辑功能交互地进行修改。 图2 一l 参数化c a d 应用软件主要用于标准化、系列化和通用化程度较高的定型产品， 如组合机床、水泵及阀门等。对于这些产品，通过变量选取不同的数值可以将结构 不同的产品归并成同一个参数图。通过输入的参数大小不同，从而得到实际所需的 结构。参数化c a d 也可以用于通过设置参数来改变特征体素的数目、类型及相对位 置，得到所需零件。 参数化c a d 与目前企业普遍采用的“哑图”设计方法是有区别的。“哑图”的 图形大小是固定不变的。设计人员根据已知条件确定图中各变量的取值并填在图中 表内，或直接标注。由于“哑图”的图形不随各部分的结构尺寸变化而变化，因此 不容易根据图形发现设计的错误及不合理之处。而参数化c a d 所得的图形是严格按 标注尺寸的大小比例得到的，反映了实际形状，比较直观，也易发现设计错误。 用传统的方法建立参数化c a d 软件需要编写相应的程序，工作量较大，也有一 定的难度。目前许多商品化的图形支撑软件具有“参数化”功能。采用这些图形支 撑软件开发参数化c a d 应用软件，可以直接在屏幕上绘出需要进行参数化处理的零 件或装配图图形：定义哪些参数尺寸是输入参数，哪些参数可根据输入的主参数从 建立的数据库及图形库中查出，哪些参数是根据已知参数由设定的公式计算出来等。 采用上述方法比较方便直观，一般工程技术人员经过短期培训就可以掌握，软件的 维护也比较方便。 用参数化c a d 进行特征建模存在以下特点：( 1 ) 效率高。输入已知条件后，基 本上不操作人员过多干预，就可以自动高效地完成设计工作：( 2 ) 可靠性高。由于 参数的确定是总结了企业类似图纸的设计经验，经过严格审查修改而成的，在程序 中又设置了足够的容错功能，使操作错误( 如各变量的不合理取值) 均能自动地排 除掉。因此，设计质量可靠；( 3 ) 适应性较差。由于这种设计方法是针对某特定类 型的系列化产品开发的，专用性非常强。当产品结构发生变化后，不能采用此设计 直接完成产品设计工作。如产品结构变动较小，可采用交互方法修改设计结果或直 接修改参数化c a d 设计；否则，对于结构变化较大的产品或新开发的产品，只能重 新编制软件。 2 3 参数化建模的过程【1 0 i 阀体的参数化模板是以u g i l l 6 0 软件为开发平台，以g r p 语言为二次开发工 具建立形成的。它缩短了通用c a d 软件的基本绘图功能与阀体专业化设计要求之间 的距离。 2 3 1 u g 软件的二次开发语言g r i p 简介 参数化设计是指设计对象的结构形状比较确定，可以用一组参数来约定几何元 坚墨型鲤壁整茎墼些垄堡芝塑垦坌堑 素之间的尺寸关系( 即几何元素之间具有一定的结构约束和尺寸约束) ，当赋予参数 值时，即产生设计结果。 g r i p 是u g i l l 6 0 软件提供的二次开发语言，属于交互式图形编程语言，在其 平台上几乎所有特征建模的功能都有相应的语句描述，可以非常方便地根据实际需 要通过编制程序来实现特定的自动操作。这种开发方式还具有运行效率高、简单易 学和不常驻内存的优点。g r i p 语言由四种类型的语句构成：变量，说明，函数和符 号。某些语句支持多参数选择，能够用几种不同的方法生成同个对象目标或执行 同一个操作。g r i p 语言的语法结构类似f o r t r a n 语言。熟悉f o r t r a n 或b a s i c 的用户很快就能简单掌握g r i p 的使用。 使用g r i p 语言，能通过编程实现实体建模、数控操作、创建新的窗口和其它 可执行过程。运用g r i p 实现参数化建模。主要用于解决针对工程设计中经常出现 的系列化产品需建立相似模型、进行模型结构优化的问题：以及在科学研究中需通 过数值实验确定某些模型参数等问题，具有广泛的实际应用价值。 2 3 2 参数化建模的步骤 1 启动g r i p 的工作环境 在w i n d o w s 9 8 平台可视化界面上，单击左下角的“开始”图标，选择子菜单中 “程序”，选取“程序”下拉菜单中“u n i g r a p h i c sv 1 6 0 ”，选取“u n i g r a p h i c s v 1 6 0 ” 弹出菜单中的“u go p e ng r i p ”，单击该按钮，这时就可以看到u g l 6 0 平台下g r i p 语言集成开发环境的界面( 如图2 2 所示) 。 g r i pa d v a n c e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tv 2 0 l e d i t 2 c o m p i l e 3 l i n k 4 c h a n g ed i r e c t o r y 5 l i s td i r e c t o r y q q u i t d i r = c ： e n t e ro p t i o n ： 1 6 s e n do u t p u tt o c 川 7 c o m p i l es i s t i n g a l l l 8 c h a n g ee d i t o r n o t e p a d 9 g r a d eb a t c h 0 t u r nm e n uo n o f f 图2 2g r i p 集成开发环境的界面 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 2 建模方案选择 对系列化产品，其结构相似，选择一种建模方案。在建模过程中，找出表述相 似特征的主要几何尺寸，使用对话框中参数表征该尺寸，以后可通过改变该参数实 现重复建模。 3 整体结构的程序建模 利用g r i pc o m m a n d s 命令，按照模型的特征，用程序语言描述各特征的建模造 型，完成整体结构的程序建模。检查程序有无语法结构错误，符合要求后，经 c o m p i l e l l i n k 联接即可产生可执行文件。 4 模型的显示 在u g l 6 0 可视化界面下，按下c t r l + g ，选中要执行的程序。然后通过对话 窗口，确定所需参数的值，就能得到所需要的模型。 2 3 3p f f 阀体的建模过程 p f f 阀体是系列化产品。由于其规格由阀体的圆柱直径、高度决定，则可将阀 体的圆柱直径、高度作为p f f 阀体的特征参数。利用u g i l l 6 0 的g r i p 语言编程功 能编制建模程序，输入不同的特征尺寸参数值，就能得到一系列不同规格的阀体。 为了使阀体参数化建模过程简单化和便于理解，具体过程可归纳为以下几步： ( 1 ) 根据p f f 阀体的结构特征，确定表征该几何形状的主要特征参数为：p f f 系列阀体的圆柱直径d 、高度h ； ( 2 ) 进入u g g r p 环境，利用e d i t 及g r i p 命令，完成p f f 阀体的程序建 模。程序清单如下： e n t i t y o b j ( 2 0 ) ，b l o c k ( 2 5 ) ，p ( 1 0 ) n u m b e d d ( 2 0 ) ，h ( 2 0 ) d a t a d ，3 3 0 ，3 7 5 ，2 7 6 ，2 5 5 ，2 8 0 ，2 2 8 ，1 8 0 ，2 3 0 ，2 8 0 ，2 2 8 ，1 8 0 ，2 3 0 d a t a h ，7 2 5 ，5 5 ，1 0 ，6 8 2 ，8 7 5 ，3 1 4 4 ，3 6 6 4 ，5 0 ，8 7 5 ，2 7 4 3 ，3 6 6 4 ，5 0 i = 1 b e l ： p a r a r r d p l e a s ei n p u td ( i ) ，h ( o ，d ( i ) 。，d ( i ) ，h ( i ) 一，h ( o ，r s p i f d ( i ) 0 j u m p w p w ： i f h ( i ) 0 j u m p w p w ： i f f i 3 d u m p x h l ： i f i s j u m p x h 2 ： i f f l 9 j u m p x h 3 ： i f i 1 3 j u m p x h 4 ： j u m p x x l ： 1 l 坚墨型堕签盟叁墼些堡堕皇堡堡坌堑二一 w p w m e s s g ，请检查参数的正确性 j u m p b e l ： x h l ： o b j ( i ) = s o l c y l o r i g i n ，4 0 6 4 ，3 5 00 ，h e i g h t ，h ( i ) ，d i a m t r , d ( i ) ，a x i s ，0 ，。1 ，0 i = i + l i f i 3 , j u m p b e l ： x h 2 ： o b j ( i ) = s o l c y l ，o r i 西n ，4 0 6 4 ，3 5 0 ，0 ，h e i g h t ，h ( i ) ，d i a m t r ，d ( i ) ，a x i s ，0 ，l ，0 i = i + 1 i f f i 5 j u m p b e l ： x h 3 ： o b j ( i ) = s o l c y l o r i g i n ，3 6 6 4 ，0 ，0 ，h e i g h t ，h ( i ) ，d i a m t r , d ( i ) ，a x i s ，1 ，0 ，0 i f f i 9 j u m p b e l ： 4 ： o b j ( i ) = s o l c y l o r i g i n ，4 4 6 4 ，0 ，0 ，h e i g h t ，h ( i ) ，d i a m t r , d ( i ) ，a x i s ，1 ，0 ，0 i = i + 1 i f f i 1 3 , j u m p b e l ： x x l ： o b j ( 1 3 ) = s o l c o n o r i g i n ，4 0 6 4 ，2 9 5 ，0 ，h e i g h t ，1 5 ，d i a m t r , 3 7 5 ，3 3 0 ，a x i s ，0 ，。1 ，0 o b j ( 1 4 ) = s o l c o n o r i g i n ，4 0 6 4 ，3 4 0 ，0 ，h e i g h t ，1 3 8 2 ，d i a m t r , 2 6 6 7 3 ，2 5 0 ，a x i s ，0 ，1 ，0 b l o c k ( i ) - - - u n i t e o b j ( i ) ，、v i 吐l ，o b j ( 1 3 ) b l o c k ( 2 ) = t m i t e o b j ( 2 ) ，w i t h ，b l o c k ( 1 ) b l o c k ( 3 ) - - u n i t e o b j ( 3 ) ，w i t h ，o b j ( 4 ) b l o c k ( 4 ) - - u n i t e o b j ( 1 4 ) ，w i t h ，b l o c k ( 3 ) b l o c k ( 5 ) = s u b v a b l o c k ( 2 ) ，、v i t l l ，b l o c k ( 4 ) o b j ( 1 5 ) = s o l c y i o r i g i n ，7 2 0 7 ，0 ，0 ，h e i g h t ，9 2 1 ，d i a m t r , 3 9 5 ，a x i s ，1 ，0 ，0 o b j ( 1 6 ) = s o l c y l o r i g i n ，0 ，0 ，0 ，h e i g h t ，9 2 1 ，d i a m t r , 3 9 5 ，a x i s ，1 ，0 ，0 b l o c k ( 6 ) = u n i t e o b j ( 5 ) , v j i t h ，o h j ( b l o c k ( 7 ) = u n i t e o b j ( 1 6 ) ，w i t h ，b l o c k ( 6 ) b l o c k ( 1 4 ) - - u n i t e b l o c k ( 7 ) ，w i t h ，b l o c k ( 5 ) b l o c k ( 10 ) = u m t e o b j ( 9 ) ，w i t h ，o b j ( 1o ) b l o c k ( 1 1 ) - - x m i t e b l o e k ( 1 0 ) ，w i t h ，o b j o s ) b l o c k ( 15 ) - - - u n i t e p o l o c k ( 1 4 ) , w i t h ，b l o c k ( 11 ) b l o c k ( 8 ) = u n i t e o b j ( 7 ) ，w i t h ，o b j ( 8 ) b l o c k ( 1 2 ) - - u n i t e o b j ( 11 ) ，w i t h ，o b j ( 1 2 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 b l o c k ( 9 ) = s u b t r a b l o e k ( 1 5 ) ，、v i m , b l o c k ( 8 ) b l o c k ( 1 3 ) = s u b t r a b l o c k ( 1 5 ) ，、v i t l l ，b l o c k ( 1 2 ) o b j ( 1 7 ) - - = ；s o l c o n o r i g i n , ，a ( 6 a ，3 3 2 ，o ，h e i g h t ，5 ，d i 锄仃 7 7 1 3 2 ，6 0 ，a x i s ，0 ，i ，0 b l o c k ( 1 6 ) = u n i t e m i o c k ( 9 ) ，、v i m , o b j ( 1 7 ：i p ( 1 ) = p o i n f f 2 4 1 5 , - - 3 7 5 ，0 b l e n d b l o c k ( 1 6 ) ，r a d i u s ，8 0 ，p ( 1 ) p ( 2 ) 。p o i n t 2 7 9 4 ，- - 3 3 2 ，o b l e n d b l o c k ( 1 6 ) ，r a d i u s ，4 2 ，p ( 2 ) h a l t ( 3 ) 在u g g r i p 集成环境下，c o m p i l e 及l i n k 上述程序，可得到n - - f 执行文件。 ( 4 ) 最后在u g l 6 0 主界面下，按c t r l + g 调用可执行文件，这时会产生p f f 阀体特征参数对话窗口( 如图2 3 ) ，输入参数，就能得到用户所需的几何模型( 如 图2 4 ) 。 图2 3 p f f 系列阀体的参数化建模与强度分析 图2 4 直塞堕窒堕菱杰芏堡主堂堡丝兰一 第三章p f f a 3 5 6 5 阀体试验装置和结果 3 1 试验目的 为了验证江苏金湖机械厂生产的p f f a 3 5 6 5 阀体是否满足强度要求在工作压 力下是否安全，需要选取多大的安全系数，最大工作压力、破坏部位和形式，为设 计准则的制定和完善提供依据，对p f f a 3 5 6 5 阀体进行应力测试和爆破试验。 3 2 试验装置 试验是在高压试验室进行。试验通过电测来确定试件的局部屈服压力以及其应 力分布情况，通过标定进水量压力曲线关系( p v ) 进一步确定试件的整体屈服 压力。试验装置及流程如图3 一l 所示： i 一电机2 一高压泵3 一加水量简4 一阀门5 一管路 6 一稳压器7 一压力表8 试件9 一防护墙 图3 1 试验装置及流程图 3 3 试件结构，使用压力，材质性能 1 试件结构如图3 - 2 图3 - 2p f f a 3 5 6 5 阀体试件结构 2 使用压力：3 5 m p a 3 试件材质机械性能列于下表3 1 表3 1 材料 机械性能硬度 性质仃，m 口a仃 l d p a 6 由l q b z g 3 5 c r m o5 6 07 2 01 7 43 6 42 1 0 3 4 试验过程 1 布片情况 阀体可看成二个支管垂直相交而成。在预计可能出现最大应力的部位均布置了测 点，各测点布片情况见图3 3 。 贴片部位均经过细致清理，打磨去污，脱脂，并划上定位线。测试用应变片为 胶基2 * 3 m m ，电阻值为1 2 0 0 一1 2 0 4q ，灵敏系数k = 2 1 8 1 。用5 0 2 胶水将电阻 应变片粘贴在需要测试的部位上，然后用吹风机烘烤，并封上石蜡以防潮，最后焊 上测量导线。 南京航空航天大学硕士学位论文 a l l 5 为：! 喜磊 f b 图3 - 3p f f a 3 5 6 5 阀体测点分布图 2 布片说明 ( d 与a b 平行的应变片定为z 向，与z 向垂直的应变片定为t 向。 ( 2 ) 测点1 2 、1 3 、1 4 、1 5 为三向4 5 。应变花。 3 应变测试 试验用电源为2 2 0 v ，采用1 5 倍量程的压力表。用2 0 0 m p a 高压泵进行加压并 测试应力。在电测阶段主要记录了不同压力