川崎前锋vs上海上港:CAD/CAE集成的三偏心蝶閥參數化設計

AutoCAD教程 陳曉霞 天津工業大學機械電子學院

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  抽取影響蝶閥性能的幾何參數,建立參數化模型,在Solidworks環境中利用VBA實現了蝶閥零件的參數化建模。將模型導入有限元分析環境,實現了CAD/CAE 的集成。有限元計算表明,參數化模型可以實現不同參數幾何模型的快速重構,為數字化設計和方案優化提供了可能。

  蝶閥被廣泛應用于管道系統,特別是其他控制閥難以滿足的大口徑管道控制系統。近年來,隨著現代工業的發展,蝶閥的使用已從低壓供水擴展到高溫,或者低溫介質,壓力也從低到高,廣泛用于空分、化工、冶金、污水處理等領域。而且口徑越來越大,性能要求不斷提高,壽命要求不斷延長。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、可滿足更高的工藝要求等特點。三偏心金屬密封蝶閥閥座的密封形線周長是隨角度偏心增加而增加,能滿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。同時三偏心結構蝶閥的空間運動較為復雜,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,同時性能提高困難等問題的困擾。

  利用計算機輔助設計(CAD)計算機輔助分析(CAE)技術,對產品的運動干涉、強度、剛度等各項性能進行評價和優化,使企業在新產品的開發和舊產品的改造過程中,縮短產品開發周期、提高產品質量、降低成本,從而提高了企業競爭能力。參數化建模是CAD/CAE 設計中一項非常重要的關鍵技術[1,5-7] 。采用參數化模型,設計者可以通過調整參數來修改和控制產品的幾何形狀,實現產品的精確的數字化幾何造型[2] ;對己有設計的修改,只需變動相應參數,而無需重復產品設計的全過程,提高了設計效率,縮短設計周期[3-4] 。

  基于SolidWorks 平臺,開發了三偏心蝶閥的三維參數化設計系統,實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現了參數化模型的有限元分析和性能評價,為設計者提供了設計產品和評估產品性能的支撐環境,在設計階段就可以對閥門整機進行各種性能分析評價,包括強度、啟閉性能和密封性能等,以達到在實際產品開發出來之前,能及早發現產品的設計問題,并不斷提升閥門的各項性能。

1、結構特點和面臨的關鍵問題

  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 個偏心分別為:蝶板回轉中心相對于通徑軸線的徑向偏心E1、蝶板回轉中心相對于閥座中面的軸向偏心E2 以及圓錐面軸線相對于通徑軸線的角度偏心A1;同時圓錐軸線與閥座中面的交點相對于通徑軸線之間有徑向偏心E3。

  由于三偏心蝶閥特殊的構造和復雜的三維幾何關系,它的傳統設計過程非常麻煩,一個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系,到目前為止尚未解決。利用計算機輔助設計(CAD)技術就可以大大簡化三偏心蝶閥的設計過程,并將設計方案的驗算和檢查通過計算機來實現,減輕設計人員負擔。同時,利用計算機輔助分析(CAE)技術可以進行設計方案的應力分析和強度設計,使設計方案滿足設計規范的條件下結構更加合理。

 蝶閥密封結構簡圖

圖1 蝶閥密封結構簡圖

  利用CAD 和CAE 軟件集成,對三偏心蝶閥進行實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行分析、比較和仿真模擬,指導實際產品設計,并不斷對影響性能的幾何參數進行改進和優化,使數字化設計階段的設計模型性能不斷改善,徹底擺脫基于經驗的傳統設計模式。

4、結束語

  基于CAD/CAE 集成的參數化設計和有限元建模,利用VBA 技術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。不僅實現了三偏心蝶閥的參數化零件三維設計,同時實現了產品的有限元分析和性能評價。與傳統的產研發過程相比,本文方法為產品性能評價和改善提供了一種廉價高效的途徑,可以作為實物產品模型性能試驗的補充和擴展,大大節約產品研發費用,縮短新產品研發周期。其研究方法有一定的實用價值。

參考文獻

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