CAD/CAE集成的三偏心蝶閥參數化設計
抽取影響蝶閥性能的幾何參數，建立參數化模型，在Solidworks環(huán)境中利用VBA實(shí)現了蝶閥零件的參數化建模。將模型導入有限元分析環(huán)境，實(shí)現了CAD/CAE 的集成。有限元計算表明，參數化模型可以實(shí)現不同參數幾何模型的快速重構，為數字化設計和方案優(yōu)化提供了可能。
蝶閥被廣泛應用于管道系統，特別是其他控制閥難以滿(mǎn)足的大口徑管道控制系統。近年來(lái)，隨著(zhù)現代工業(yè)的發(fā)展，蝶閥的使用已從低壓供水擴展到高溫，或者低溫介質(zhì)，壓力也從低到高，廣泛用于空分、化工、冶金、污水處理等領(lǐng)域。而且口徑越來(lái)越大，性能要求不斷提高，壽命要求不斷延長(cháng)。三偏心蝶閥，在相同的工況條件下，具有摩擦力矩小、閥軸承受的力矩小、可滿(mǎn)足更高的工藝要求等特點(diǎn)。三偏心金屬密封蝶閥閥座的密封形線(xiàn)周長(cháng)是隨角度偏心增加而增加，能滿(mǎn)足較高的溫度和壓力工況，但金屬閥座的彈性小，密封性能較差。同時(shí)三偏心結構蝶閥的空間運動(dòng)較為復雜，常常因結構寸設計不合理，導致密封副相互卡塞、干涉而使蝶板不能正常啟閉。傳統設計由于計算理論粗糙，設計理念保守，造成結構笨重，結構設計不合理，使用壽命短，同時(shí)性能提高困難等問(wèn)題的困擾。
利用計算機輔助設計（CAD）計算機輔助分析（CAE）技術(shù)，對產(chǎn)品的運動(dòng)干涉、強度、剛度等各項性能進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)化，使企業(yè)在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和舊產(chǎn)品的改造過(guò)程中，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，從而提高了企業(yè)競爭能力。參數化建模是CAD/CAE 設計中一項非常重要的關(guān)鍵技術(shù)[1,5-7] 。采用參數化模型，設計者可以通過(guò)調整參數來(lái)修改和控制產(chǎn)品的幾何形狀，實(shí)現產(chǎn)品的精確的數字化幾何造型[2] ；對己有設計的修改，只需變動(dòng)相應參數，而無(wú)需重復產(chǎn)品設計的全過(guò)程，提高了設計效率，縮短設計周期[3-4] 。
基于SolidWorks 平臺，開(kāi)發(fā)了三偏心蝶閥的三維參數化設計系統，實(shí)現三偏心蝶閥的參數化設計。利用Workbench 軟件提供的有限元分析功能實(shí)現了參數化模型的有限元分析和性能評價(jià)，為設計者提供了設計產(chǎn)品和評估產(chǎn)品性能的支撐環(huán)境，在設計階段就可以對閥門(mén)整機進(jìn)行各種性能分析評價(jià)，包括強度、啟閉性能和密封性能等，以達到在實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出來(lái)之前，能及早發(fā)現產(chǎn)品的設計問(wèn)題，并不斷提升閥門(mén)的各項性能。
1、結構特點(diǎn)和面臨的關(guān)鍵問(wèn)題
三偏心結構的密封副為一對斜圓錐面，其結構如圖1 所示。其蝶板由圓錐斜切而成，閥座是與碟板錐度相同的內錐面，圓錐角為A2。3 個(gè)偏心分別為：蝶板回轉中心相對于通徑軸線(xiàn)的徑向偏心E1、蝶板回轉中心相對于閥座中面的軸向偏心E2 以及圓錐面軸線(xiàn)相對于通徑軸線(xiàn)的角度偏心A1；同時(shí)圓錐軸線(xiàn)與閥座中面的交點(diǎn)相對于通徑軸線(xiàn)之間有徑向偏心E3。
由于三偏心蝶閥特殊的構造和復雜的三維幾何關(guān)系，它的傳統設計過(guò)程非常麻煩，一個(gè)合格的設計方案需要許多次的設計驗算才能找到。特別是，它的各項性能與主要幾何參數之間的關(guān)系，到目前為止尚未解決。利用計算機輔助設計（CAD）技術(shù)就可以大大簡(jiǎn)化三偏心蝶閥的設計過(guò)程，并將設計方案的驗算和檢查通過(guò)計算機來(lái)實(shí)現，減輕設計人員負擔。同時(shí)，利用計算機輔助分析（CAE）技術(shù)可以進(jìn)行設計方案的應力分析和強度設計，使設計方案滿(mǎn)足設計規范的條件下結構更加合理。
圖1 蝶閥密封結構簡(jiǎn)圖
利用CAD 和CAE 軟件集成，對三偏心蝶閥進(jìn)行實(shí)際使用工況條件下的仿真試驗，對其密封性能、啟閉性能及其主要部件的強度、剛度等在設計階段進(jìn)行分析、比較和仿真模擬，指導實(shí)際產(chǎn)品設計，并不斷對影響性能的幾何參數進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使數字化設計階段的設計模型性能不斷改善，徹底擺脫基于經(jīng)驗的傳統設計模式。
4、結束語(yǔ)
基于CAD/CAE 集成的參數化設計和有限元建模，利用VBA 技術(shù)提供了三偏心蝶閥的參數化設計和計算仿真分析的一體化方案。不僅實(shí)現了三偏心蝶閥的參數化零件三維設計，同時(shí)實(shí)現了產(chǎn)品的有限元分析和性能評價(jià)。與傳統的產(chǎn)研發(fā)過(guò)程相比，本文方法為產(chǎn)品性能評價(jià)和改善提供了一種廉價(jià)高效的途徑，可以作為實(shí)物產(chǎn)品模型性能試驗的補充和擴展，大大節約產(chǎn)品研發(fā)費用，縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期。其研究方法有一定的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻
[1] 熊光楞, 范文慧, 陳曉波. 復雜產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的仿真技術(shù)[J]. 系統仿真學(xué)報, 2004, 16(2): 194-201.
[2] 龍靖宇, 吳小珍. 基于A(yíng)NSYS 的偏軌箱形主梁參數化建模[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2003,26(1): 58-60.
[3] 張 氫, 盧耀祖, 高順平, 等. 基于知識的產(chǎn)品級參數化虛擬設計的可重用性研究[J]. 中國機械工程,2003, 14(20): 1753-1757.
[4] 顏云輝, 張海燕, 楊會(huì )林, 等. 虛擬裝配系統的建模、干涉檢驗及仿真[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004, 25(2): 153-155.
[5] 郭曉寧, 褚金奎, 楊 軒. 基于SolidWorks 的空間連桿機構實(shí)體運動(dòng)分析軟件的開(kāi)發(fā)[J]. 機械科學(xué)與技術(shù), 2003, 22(4): 619-621.
[6] 楊昌明, 陳次昌, 王金諾. 軸流泵的三維造型與數值模擬[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2004, 39(2):139-141.
[7] 關(guān)振群, 顧元憲, 張洪武, 等. 三維CAD/CAE一體化的參數化動(dòng)態(tài)有限元建模[J]. 計算機集成制造系統-CIMS, 2003, 9(12): 1112-1119.
