摘要：介紹了閥門設(shè)計、驗證仿真系統(tǒng)，以SolidWorks軟件在蝶閥設(shè)計中的應(yīng)用為例，說明了計算機(jī)輔助設(shè)計在閥門設(shè)計過程中的重要性。

主題詞：SolidWorks 閥門 計算機(jī)輔助設(shè)計

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、電力和礦山等各個領(lǐng)域，關(guān)系著人身和設(shè)備的安全，影響著設(shè)備的運行效率，在國家大力提倡節(jié)能減排的今天，對閥門的安全性、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)計工作者設(shè)計的閥門既要安全可靠，又要盡量降低成本，而計算機(jī)輔助設(shè)計為我們設(shè)計出“質(zhì)優(yōu)、價廉”的閥門產(chǎn)品提供了有效的途徑。

主要內(nèi)容：計算機(jī)輔助設(shè)計經(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)控編程等各個方面的智能化設(shè)計工具。如今市場上主流的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件有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)計軟件SolidWorks與市場上其他三維CAD軟件相比，在Windows操作平臺下面世最早，以其較高的性價比贏得了眾多客戶，在設(shè)計性能上保持“功能強(qiáng)”和“效率高”等優(yōu)點的同時，操作風(fēng)格上又具備“入門易”和“見效快”等特點，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)計環(huán)節(jié)，實現(xiàn)全方位的實時編輯修改。

我們閥門設(shè)計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)計文件

（2）制作該設(shè)計文件的實體原型

（3）根據(jù)應(yīng)用環(huán)境對原型進(jìn)行現(xiàn)場測試（如：試壓、開關(guān)等）

（4）評估現(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

（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，只有經(jīng)過上述漫長且昂貴的產(chǎn)品開發(fā)周期反復(fù)實驗，才能回答這些問題。

SolidWorks中的插件Simulation提供了對模型（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算機(jī)測試自己的設(shè)計進(jìn)行模擬試驗，從而減少或避免昂貴且費時的現(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)品推出對速度對企業(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)計為例來具體說明Solidworks,及其插件Simulation在閥門設(shè)計中的應(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)計步驟，在這里我們采用自下而上的設(shè)計方法，首先是初步構(gòu)思DN300蝶閥的基本結(jié)構(gòu)、尺寸，繪制閥門的各個零部件模型，然后對其進(jìn)行裝配。打開Solidworks2007軟件，我們會發(fā)現(xiàn)有“零件”、“裝配體”、“工程圖”三個選項（圖1）。

圖（1）

這三個選項體現(xiàn)了Solidworks在建模過程中的三個基本功能。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)計樹，右側(cè)為草圖繪圖工具。中間為繪圖區(qū)。如繪制一個圓柱體，只需首先選擇一個基準(zhǔn)面，然后繪制草圖，對圓進(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。同時也提供了種類繁多的鏡像、陣列、尺寸驅(qū)動、復(fù)制、粘貼等豐富的編輯工具，可隨時對模具進(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零件進(jìn)行定位，Solidworks提供了了我們設(shè)計中所要用到的所有約束條件。如果我們選擇了兩個零件的要素，Solidworks自動提供兩個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，我們需要對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證，如對殼體、閥板進(jìn)行壓力測試，對閥軸進(jìn)行扭矩測試等，Simulation可以對單個零件進(jìn)行測試，也可對整個裝配圖進(jìn)行測試。

下面對閥體進(jìn)行殼體試驗，啟動研究項，我們選擇靜態(tài)研究（圖5），

首先選擇約束條件，對法蘭孔進(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，對閥體進(jìn)行網(wǎng)格化(圖8)，打開設(shè)計檢查向?qū)?設(shè)定失效準(zhǔn)則及全系數(shù)(圖9),運行分析。

（圖8）

（圖9）

分析的結(jié)果在左邊的設(shè)計樹中得以體現(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，分別雙擊各項目,如下圖（圖10-13）所示。

（圖10）

（圖11）

（圖12）

（圖13）

Simulation對裝配體同樣可以進(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，模擬實際試壓情況對裝配體內(nèi)部施加壓力(圖14)，運行應(yīng)力分析。該過程可對整個裝配體進(jìn)行應(yīng)力分析，也可對裝配體中的單個零件進(jìn)行應(yīng)力分析，操作步驟和殼體試驗相似。

（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，對安全系數(shù)小于設(shè)計值的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，對安全系數(shù)對遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計值的區(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)計過程可以看出，SolidWorks軟件的設(shè)計思想非常符合我們在閥門設(shè)計過程中的思維方式,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)計及模擬測試過程中，作用突出，充分滿足了設(shè)計者在閥門行業(yè)及至整個機(jī)械行業(yè)的需求。

參考文獻(xiàn)

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