2021-03-12
摘要：介紹了閥門設(shè)計(jì)、驗(yàn)證仿真系統(tǒng)，以SolidWorks軟件在蝶閥設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為例，說明了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在閥門設(shè)計(jì)過程中的重要性。
主題詞：SolidWorks 閥門 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
概 述:閥門作為一種控制流體通斷，節(jié)流和改變壓力的主要裝置，廣泛應(yīng)用于城市供水，石油、化工、電力和礦山等各個(gè)領(lǐng)域，關(guān)系著人身和設(shè)備的安全，影響著設(shè)備的運(yùn)行效率，在國家大力提倡節(jié)能減排的今天，對(duì)閥門的安全性、穩(wěn)定性提出了更高的要求，另一方面，閥門市場競爭的日趨白熱化，又要求企業(yè)不斷減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。以上兩方面，要求我們的設(shè)計(jì)工作者設(shè)計(jì)的閥門既要安全可靠，又要盡量降低成本，而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為我們?cè)O(shè)計(jì)出“質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉”的閥門產(chǎn)品提供了有效的途徑。
主要內(nèi)容：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)經(jīng)過多年的發(fā)展，已日趨成熟，已從簡單的繪圖工具發(fā)展成為集建模、裝配體、動(dòng)畫仿真、有限元分析、優(yōu)化分析，甚至后期加工的數(shù)控編程等各個(gè)方面的智能化設(shè)計(jì)工具。如今市場上主流的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件有SolidWorks，CATIA，UG、Pro/E、Autocad/Inventen等。其中美國SolidWorks公司推出的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWorks與市場上其他三維CAD軟件相比，在Windows操作平臺(tái)下面世最早，以其較高的性價(jià)比贏得了眾多客戶，在設(shè)計(jì)性能上保持“功能強(qiáng)”和“效率高”等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，操作風(fēng)格上又具備“入門易”和“見效快”等特點(diǎn)，還能夠很方便地與其他CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它的基本設(shè)計(jì)思想是：用數(shù)值參數(shù)和幾何約束來控制3D幾何值建模過程，生成了3D要件和裝配體模型（其中包括有限元分析和優(yōu)化分析過程），再根據(jù)工程實(shí)際需要做出不同的2D視圖和各種標(biāo)注，完成零件工程圖和裝配工程圖，在幾何體模型直至工程圖的全部設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全方位的實(shí)時(shí)編輯修改。
我們閥門設(shè)計(jì)的周期通常包括以下步驟：
（1）在CAD系統(tǒng)中創(chuàng)建零件的模型設(shè)計(jì)文件
（2）制作該設(shè)計(jì)文件的實(shí)體原型
（3）根據(jù)應(yīng)用環(huán)境對(duì)原型進(jìn)行現(xiàn)場測試（如：試壓、開關(guān)等）
（4）評(píng)估現(xiàn)場測試的結(jié)果
（5）根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果修改設(shè)計(jì)
（6）反復(fù)以上過程，直至獲得滿意的解決方案
在缺少分析工具時(shí)，只有經(jīng)過上述漫長且昂貴的產(chǎn)品開發(fā)周期反復(fù)實(shí)驗(yàn)，才能回答這些問題。
SolidWorks中的插件Simulation提供了對(duì)模型（零件或裝配體）進(jìn)行應(yīng)力分析，頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析的一整套解決方案，使用戶可以用變通計(jì)算機(jī)測試自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，從而減少或避免昂貴且費(fèi)時(shí)的現(xiàn)場測試，因此可以大大減少成本，縮短開發(fā)周期，加速產(chǎn)品上市，在市場激烈競爭的環(huán)境下，產(chǎn)品推出對(duì)速度對(duì)企業(yè)的效益及至生命有極其重要的意義。
本文以DN300 1.0Mpa蝶閥的設(shè)計(jì)為例來具體說明Solidworks,及其插件Simulation在閥門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，軟件的版本為Solidworks Office Premium2018，其中集成了建模工具Solidworks，應(yīng)力分析工具Simulation。
按照通常的設(shè)計(jì)步驟，在這里我們采用自下而上的設(shè)計(jì)方法，首先是初步構(gòu)思DN300蝶閥的基本結(jié)構(gòu)、尺寸，繪制閥門的各個(gè)零部件模型，然后對(duì)其進(jìn)行裝配。打開Solidworks2007軟件，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有“零件”、“裝配體”、“工程圖”三個(gè)選項(xiàng)（圖1）。
圖（1）
這三個(gè)選項(xiàng)體現(xiàn)了Solidworks在建模過程中的三個(gè)基本功能。我們選擇“零件”。打開如下零件建模界面（圖2）。
（圖2）
圖中上端是為標(biāo)準(zhǔn)工具欄，左側(cè)為建模工具欄和設(shè)計(jì)樹，右側(cè)為草圖繪圖工具。中間為繪圖區(qū)。如繪制一個(gè)圓柱體，只需首先選擇一個(gè)基準(zhǔn)面，然后繪制草圖，對(duì)圓進(jìn)行拉伸，一切操作根據(jù)左側(cè)的提示即可進(jìn)行。當(dāng)然，Solidworks提供了拉伸、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等豐富的建模工具。同時(shí)也提供了種類繁多的鏡像、陣列、尺寸驅(qū)動(dòng)、復(fù)制、粘貼等豐富的編輯工具，可隨時(shí)對(duì)模具進(jìn)行修改。下面圖示為用Solidworks創(chuàng)建的閥體、閥板等零件模型。
模型建成后，可對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配，裝配界面如下，裝配的過程主要是通過各種約束條件對(duì)零件進(jìn)行定位，Solidworks提供了了我們?cè)O(shè)計(jì)中所要用到的所有約束條件。如果我們選擇了兩個(gè)零件的要素，Solidworks自動(dòng)提供兩個(gè)零件要素可能存在的約束條件，供我們選擇。如下圖3，我們選擇了閥板軸孔和軸外圓，軟件自動(dòng)提示“同軸心”，供我們選擇。
（圖3）
如裝配圖中需要標(biāo)準(zhǔn)件，Solidworks同樣能夠提供，如下圖所示。最后我們把閥門的各個(gè)零件進(jìn)行裝配，裝配結(jié)果如下圖所示。
（圖4）
完成建模過程后，我們需要對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如對(duì)殼體、閥板進(jìn)行壓力測試，對(duì)閥軸進(jìn)行扭矩測試等，Simulation可以對(duì)單個(gè)零件進(jìn)行測試，也可對(duì)整個(gè)裝配圖進(jìn)行測試。
下面對(duì)閥體進(jìn)行殼體試驗(yàn)，啟動(dòng)研究項(xiàng)，我們選擇靜態(tài)研究（圖5），
首先選擇約束條件，對(duì)法蘭孔進(jìn)行固定（圖6）
(圖5)
(圖6)
然后是選擇壓力、國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，蝶閥殼體試驗(yàn)為公稱壓力1.5倍，我們選擇壓力為1.5×106N/m2（即1.5Mpa）作用面為閥體內(nèi)孔 (圖7)。
（圖7）
下一步，對(duì)閥體進(jìn)行網(wǎng)格化(圖8)，打開設(shè)計(jì)檢查向?qū)?設(shè)定失效準(zhǔn)則及全系數(shù)(圖9),運(yùn)行分析。
（圖8）
（圖9）
分析的結(jié)果在左邊的設(shè)計(jì)樹中得以體現(xiàn)，其中有應(yīng)力圖解、應(yīng)變圖解、變形圖解、安全系數(shù)圖解，分別雙擊各項(xiàng)目,如下圖（圖10-13）所示。
（圖10）
（圖11）
（圖12）
（圖13）
Simulation對(duì)裝配體同樣可以進(jìn)行應(yīng)力分析。如下圖所示的裝配圖。由于在裝配過程中，閥體、閥板、閥軸等各個(gè)零件之間已存在相互約束關(guān)系，故只需約束法蘭孔，進(jìn)行網(wǎng)格化處理，模擬實(shí)際試壓情況對(duì)裝配體內(nèi)部施加壓力(圖14)，運(yùn)行應(yīng)力分析。該過程可對(duì)整個(gè)裝配體進(jìn)行應(yīng)力分析，也可對(duì)裝配體中的單個(gè)零件進(jìn)行應(yīng)力分析，操作步驟和殼體試驗(yàn)相似。
（圖14）
Simulation可以用不同顏色來顯示出不同的安全系數(shù)區(qū)域，我們可以據(jù)此，對(duì)安全系數(shù)小于設(shè)計(jì)值的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，對(duì)安全系數(shù)對(duì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。Simulation提供了專門的優(yōu)化工具，這里不加贅述。
結(jié)語：
從以上設(shè)計(jì)過程可以看出，SolidWorks軟件的設(shè)計(jì)思想非常符合我們?cè)陂y門設(shè)計(jì)過程中的思維方式,其應(yīng)力分析部分保證了閥門的安全性要求,其優(yōu)化功能又降低了閥門成本,該軟件在閥門設(shè)計(jì)及模擬測試過程中，作用突出，充分滿足了設(shè)計(jì)者在閥門行業(yè)及至整個(gè)機(jī)械行業(yè)的需求。
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