2021-03-12
摘要：介绍了阀门设计、验证仿真系统，以SolidWorks软件在蝶阀设计中的应用为例，说明了计算机辅助设计在阀门设计过程中的重要性。
主题词：SolidWorks 阀门 计算机辅助设计
概 述:阀门作为一种控制流体通断，节流和改变压力的主要装置，广泛应用于城市供水，石油、化工、电力和矿山等各个领域，关系着人身和设备的安全，影响着设备的运行效率，在国家大力提倡节能减排的今天，对阀门的安全性、稳定性提出了更高的要求，另一方面，阀门市场竞争的日趋白热化，又要求企业不断减少生产成本，提高生产效率。以上两方面，要求我们的设计工作者设计的阀门既要安全可靠，又要尽量降低成本，而计算机辅助设计为我们设计出“质优、价廉”的阀门产品提供了有效的途径。
主要内容：计算机辅助设计经过多年的发展，已日趋成熟，已从简单的绘图工具发展成为集建模、装配体、动画仿真、有限元分析、优化分析，甚至后期加工的数控编程等各个方面的智能化设计工具。如今市场上主流的计算机辅助设计软件有SolidWorks，CATIA，UG、Pro/E、Autocad/Inventen等。其中美国SolidWorks公司推出的三维机械设计软件SolidWorks与市场上其他三维CAD软件相比，在Windows操作平台下面世最早，以其较高的性价比赢得了众多客户，在设计性能上保持“功能强”和“效率高”等优点的同时，操作风格上又具备“入门易”和“见效快”等特点，还能够很方便地与其他CAD软件进行数据交换。它的基本设计思想是：用数值参数和几何约束来控制3D几何值建模过程，生成了3D要件和装配体模型（其中包括有限元分析和优化分析过程），再根据工程实际需要做出不同的2D视图和各种标注，完成零件工程图和装配工程图，在几何体模型直至工程图的全部设计环节，实现全方位的实时编辑修改。
我们阀门设计的周期通常包括以下步骤：
（1）在CAD系统中创建零件的模型设计文件
（2）制作该设计文件的实体原型
（3）根据应用环境对原型进行现场测试（如：试压、开关等）
（4）评估现场测试的结果
（5）根据现场测试结果修改设计
（6）反复以上过程，直至获得满意的解决方案
在缺少分析工具时，只有经过上述漫长且昂贵的产品开发周期反复实验，才能回答这些问题。
SolidWorks中的插件Simulation提供了对模型（零件或装配体）进行应力分析，频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析的一整套解决方案，使用户可以用变通计算机测试自己的设计进行模拟试验，从而减少或避免昂贵且费时的现场测试，因此可以大大减少成本，缩短开发周期，加速产品上市，在市场激烈竞争的环境下，产品推出对速度对企业的效益及至生命有极其重要的意义。
本文以DN300 1.0Mpa蝶阀的设计为例来具体说明Solidworks,及其插件Simulation在阀门设计中的应用，软件的版本为Solidworks Office Premium2018，其中集成了建模工具Solidworks，应力分析工具Simulation。
按照通常的设计步骤，在这里我们采用自下而上的设计方法，首先是初步构思DN300蝶阀的基本结构、尺寸，绘制阀门的各个零部件模型，然后对其进行装配。打开Solidworks2007软件，我们会发现有“零件”、“装配体”、“工程图”三个选项（图1）。
图（1）
这三个选项体现了Solidworks在建模过程中的三个基本功能。我们选择“零件”。打开如下零件建模界面（图2）。
（图2）
图中上端是为标准工具栏，左侧为建模工具栏和设计树，右侧为草图绘图工具。中间为绘图区。如绘制一个圆柱体，只需首先选择一个基准面，然后绘制草图，对圆进行拉伸，一切操作根据左侧的提示即可进行。当然，Solidworks提供了拉伸、拉伸切除、旋转、扫描、放样等丰富的建模工具。同时也提供了种类繁多的镜像、阵列、尺寸驱动、复制、粘贴等丰富的编辑工具，可随时对模具进行修改。下面图示为用Solidworks创建的阀体、阀板等零件模型。
模型建成后，可对其进行虚拟装配，装配界面如下，装配的过程主要是通过各种约束条件对零件进行定位，Solidworks提供了了我们设计中所要用到的所有约束条件。如果我们选择了两个零件的要素，Solidworks自动提供两个零件要素可能存在的约束条件，供我们选择。如下图3，我们选择了阀板轴孔和轴外圆，软件自动提示“同轴心”，供我们选择。
（图3）
如装配图中需要标准件，Solidworks同样能够提供，如下图所示。最后我们把阀门的各个零件进行装配，装配结果如下图所示。
（图4）
完成建模过程后，我们需要对设计结果进行验证，如对壳体、阀板进行压力测试，对阀轴进行扭矩测试等，Simulation可以对单个零件进行测试，也可对整个装配图进行测试。
下面对阀体进行壳体试验，启动研究项，我们选择静态研究（图5），
首先选择约束条件，对法兰孔进行固定（图6）
(图5)
(图6)
然后是选择压力、国家标准规定，蝶阀壳体试验为公称压力1.5倍，我们选择压力为1.5×106N/m2（即1.5Mpa）作用面为阀体内孔 (图7)。
（图7）
下一步，对阀体进行网格化(图8)，打开设计检查向导,设定失效准则及全系数(图9),运行分析。
（图8）
（图9）
分析的结果在左边的设计树中得以体现，其中有应力图解、应变图解、变形图解、安全系数图解，分别双击各项目,如下图（图10-13）所示。
（图10）
（图11）
（图12）
（图13）
Simulation对装配体同样可以进行应力分析。如下图所示的装配图。由于在装配过程中，阀体、阀板、阀轴等各个零件之间已存在相互约束关系，故只需约束法兰孔，进行网格化处理，模拟实际试压情况对装配体内部施加压力(图14)，运行应力分析。该过程可对整个装配体进行应力分析，也可对装配体中的单个零件进行应力分析，操作步骤和壳体试验相似。
（图14）
Simulation可以用不同颜色来显示出不同的安全系数区域，我们可以据此，对安全系数小于设计值的区域进行加强，对安全系数对远远高于设计值的区域进行优化。Simulation提供了专门的优化工具，这里不加赘述。
结语：
从以上设计过程可以看出，SolidWorks软件的设计思想非常符合我们在阀门设计过程中的思维方式,其应力分析部分保证了阀门的安全性要求,其优化功能又降低了阀门成本,该软件在阀门设计及模拟测试过程中，作用突出，充分满足了设计者在阀门行业及至整个机械行业的需求。
参考文献
（1）关鼎 、肖平阳 SolidWorks三维造型典型实例教程 机械工业出版社 2006
（2）刘国良、刘洛麒 SolidWorks2006完全自学手册——图解COSMOSWorks 电子工业出版社2006
（3）中国机械工业标准汇编（阀门卷） 全国阀门标准件技术委员会编 中国标准出版社 2006
