2021-03-12
摘要：介紹了閥門設計、驗證仿真系統，以SolidWorks軟件在蝶閥設計中的應用為例，說明了計算機輔助設計在閥門設計過程中的重要性。
主題詞：SolidWorks 閥門 計算機輔助設計
概 述:閥門作為一種控制流體通斷，節流和改變壓力的主要裝置，廣泛應用于城市供水，石油、化工、電力和礦山等各個領域，關系著人身和設備的安全，影響著設備的運行效率，在國家大力提倡節能減排的今天，對閥門的安全性、穩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，又要求企業不斷減少生產成本，提高生產效率。以上兩方面，要求我們的設計工作者設計的閥門既要安全可靠，又要盡量降低成本，而計算機輔助設計為我們設計出“質優、價廉”的閥門產品提供了有效的途徑。
主要內容：計算機輔助設計經過多年的發展，已日趨成熟，已從簡單的繪圖工具發展成為集建模、裝配體、動畫仿真、有限元分析、優化分析，甚至后期加工的數控編程等各個方面的智能化設計工具。如今市場上主流的計算機輔助設計軟件有SolidWorks，CATIA，UG、Pro/E、Autocad/Inventen等。其中美國SolidWorks公司推出的三維機械設計軟件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，在設計性能上保持“功能強”和“效率高”等優點的同時，操作風格上又具備“入門易”和“見效快”等特點，還能夠很方便地與其他CAD軟件進行數據交換。它的基本設計思想是：用數值參數和幾何約束來控制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化分析過程），再根據工程實際需要做出不同的2D視圖和各種標注，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計環節，實現全方位的實時編輯修改。
我們閥門設計的周期通常包括以下步驟：
（1）在CAD系統中創建零件的模型設計文件
（2）制作該設計文件的實體原型
（3）根據應用環境對原型進行現場測試（如：試壓、開關等）
（4）評估現場測試的結果
（5）根據現場測試結果修改設計
（6）反復以上過程，直至獲得滿意的解決方案
在缺少分析工具時，只有經過上述漫長且昂貴的產品開發周期反復實驗，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）進行應力分析，頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析的一整套解決方案，使用戶可以用變通計算機測試自己的設計進行模擬試驗，從而減少或避免昂貴且費時的現場測試，因此可以大大減少成本，縮短開發周期，加速產品上市，在市場激烈競爭的環境下，產品推出對速度對企業的效益及至生命有極其重要的意義。
本文以DN300 1.0Mpa蝶閥的設計為例來具體說明Solidworks,及其插件Simulation在閥門設計中的應用，軟件的版本為Solidworks Office Premium2018，其中集成了建模工具Solidworks，應力分析工具Simulation。
按照通常的設計步驟，在這里我們采用自下而上的設計方法，首先是初步構思DN300蝶閥的基本結構、尺寸，繪制閥門的各個零部件模型，然后對其進行裝配。打開Solidworks2007軟件，我們會發現有“零件”、“裝配體”、“工程圖”三個選項（圖1）。
圖（1）
這三個選項體現了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）
圖中上端是為標準工具欄，左側為建模工具欄和設計樹，右側為草圖繪圖工具。中間為繪圖區。如繪制一個圓柱體，只需首先選擇一個基準面，然后繪制草圖，對圓進行拉伸，一切操作根據左側的提示即可進行。當然，Solidworks提供了拉伸、拉伸切除、旋轉、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、尺寸驅動、復制、粘貼等豐富的編輯工具，可隨時對模具進行修改。下面圖示為用Solidworks創建的閥體、閥板等零件模型。
模型建成后，可對其進行虛擬裝配，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行定位，Solidworks提供了了我們設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）
如裝配圖中需要標準件，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行裝配，裝配結果如下圖所示。
（圖4）
完成建模過程后，我們需要對設計結果進行驗證，如對殼體、閥板進行壓力測試，對閥軸進行扭矩測試等，Simulation可以對單個零件進行測試，也可對整個裝配圖進行測試。
下面對閥體進行殼體試驗，啟動研究項，我們選擇靜態研究（圖5），
首先選擇約束條件，對法蘭孔進行固定（圖6）
(圖5)
(圖6)
然后是選擇壓力、國家標準規定，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）作用面為閥體內孔 (圖7)。
（圖7）
下一步，對閥體進行網格化(圖8)，打開設計檢查向導,設定失效準則及全系數(圖9),運行分析。
（圖8）
（圖9）
分析的結果在左邊的設計樹中得以體現，其中有應力圖解、應變圖解、變形圖解、安全系數圖解，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行應力分析。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系，故只需約束法蘭孔，進行網格化處理，模擬實際試壓情況對裝配體內部施加壓力(圖14)，運行應力分析。該過程可對整個裝配體進行應力分析，也可對裝配體中的單個零件進行應力分析，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區域，我們可以據此，對安全系數小于設計值的區域進行加強，對安全系數對遠遠高于設計值的區域進行優化。Simulation提供了專門的優化工具，這里不加贅述。
結語：
從以上設計過程可以看出，SolidWorks軟件的設計思想非常符合我們在閥門設計過程中的思維方式,其應力分析部分保證了閥門的安全性要求,其優化功能又降低了閥門成本,該軟件在閥門設計及模擬測試過程中，作用突出，充分滿足了設計者在閥門行業及至整個機械行業的需求。
參考文獻
（1）關鼎 、肖平陽 SolidWorks三維造型典型實例教程 機械工業出版社 2006
（2）劉國良、劉洛麒 SolidWorks2006完全自學手冊——圖解COSMOSWorks 電子工業出版社2006
（3）中國機械工業標準匯編（閥門卷） 全國閥門標準件技術委員會編 中國標準出版社 2006
