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在阀门设计中的应用
SolidWorks在阀门设计中的应用
杨明华
(郑州中亚阀门制造有限公司河南荥阳450121)
摘要:
介绍了阀门设计、验证仿真系统,以Solidorks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COSMOSWORKS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DN300PN1.0Mpa蝶阀的设计为例来具体说明Solidworks,及其插件Cosmosworks在阀门设计中的应用,软件的版本为SolidworksOfficePremium2007,其中集成了建模工具Solidworks,流体分析工具CosMosFloworks、动力学分析工具CosMosMoton、和静态应力分析工具CosMosWorks。
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)
它体现了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、陈列、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,CosMosworks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、图家标准规定,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)
CosMosworks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)
CosMosworks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。
CosMosworks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
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- 关 键 词:
- 阀门 设计 中的 应用