CAD/CAE集成的三偏心蝶閥參數(shù)化設(shè)計
抽取影響蝶閥性能的幾何參數(shù)，建立參數(shù)化模型，在Solidworks環(huán)境中利用VBA實現(xiàn)了蝶閥零件的參數(shù)化建模。將模型導(dǎo)入有限元分析環(huán)境，實現(xiàn)了CAD/CAE 的集成。有限元計算表明，參數(shù)化模型可以實現(xiàn)不同參數(shù)幾何模型的快速重構(gòu)，為數(shù)字化設(shè)計和方案優(yōu)化提供了可能。
蝶閥被廣泛應(yīng)用于管道系統(tǒng)，特別是其他控制閥難以滿足的大口徑管道控制系統(tǒng)。近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，蝶閥的使用已從低壓供水?dāng)U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(jié)構(gòu)蝶閥的空間運動較為復(fù)雜，常常因結(jié)構(gòu)寸設(shè)計不合理，導(dǎo)致密封副相互卡塞、干涉而使蝶板不能正常啟閉。傳統(tǒng)設(shè)計由于計算理論粗糙，設(shè)計理念保守，造成結(jié)構(gòu)笨重，結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)輔助設(shè)計（CAD）計算機(jī)輔助分析（CAE）技術(shù)，對產(chǎn)品的運動干涉、強(qiáng)度、剛度等各項性能進(jìn)行評價和優(yōu)化，使企業(yè)在新產(chǎn)品的開發(fā)和舊產(chǎn)品的改造過程中，縮短產(chǎn)品開發(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(shù)化建模是CAD/CAE 設(shè)計中一項非常重要的關(guān)鍵技術(shù)[1,5-7] 。采用參數(shù)化模型，設(shè)計者可以通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制產(chǎn)品的幾何形狀，實現(xiàn)產(chǎn)品的精確的數(shù)字化幾何造型[2] ；對己有設(shè)計的修改，只需變動相應(yīng)參數(shù)，而無需重復(fù)產(chǎn)品設(shè)計的全過程，提高了設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期[3-4] 。
基于SolidWorks 平臺，開發(fā)了三偏心蝶閥的三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)三偏心蝶閥的參數(shù)化設(shè)計。利用Workbench 軟件提供的有限元分析功能實現(xiàn)了參數(shù)化模型的有限元分析和性能評價，為設(shè)計者提供了設(shè)計產(chǎn)品和評估產(chǎn)品性能的支撐環(huán)境，在設(shè)計階段就可以對閥門整機(jī)進(jìn)行各種性能分析評價，包括強(qiáng)度、啟閉性能和密封性能等，以達(dá)到在實際產(chǎn)品開發(fā)出來之前，能及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計問題，并不斷提升閥門的各項性能。
1、結(jié)構(gòu)特點和面臨的關(guān)鍵問題
三偏心結(jié)構(gòu)的密封副為一對斜圓錐面，其結(jié)構(gòu)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(nèi)錐面，圓錐角為A2。3 個偏心分別為：蝶板回轉(zhuǎn)中心相對于通徑軸線的徑向偏心E1、蝶板回轉(zhuǎn)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(gòu)造和復(fù)雜的三維幾何關(guān)系，它的傳統(tǒng)設(shè)計過程非常麻煩，一個合格的設(shè)計方案需要許多次的設(shè)計驗算才能找到。特別是，它的各項性能與主要幾何參數(shù)之間的關(guān)系，到目前為止尚未解決。利用計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)就可以大大簡化三偏心蝶閥的設(shè)計過程，并將設(shè)計方案的驗算和檢查通過計算機(jī)來實現(xiàn)，減輕設(shè)計人員負(fù)擔(dān)。同時，利用計算機(jī)輔助分析（CAE）技術(shù)可以進(jìn)行設(shè)計方案的應(yīng)力分析和強(qiáng)度設(shè)計，使設(shè)計方案滿足設(shè)計規(guī)范的條件下結(jié)構(gòu)更加合理。
圖1 蝶閥密封結(jié)構(gòu)簡圖
利用CAD 和CAE 軟件集成，對三偏心蝶閥進(jìn)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(qiáng)度、剛度等在設(shè)計階段進(jìn)行分析、比較和仿真模擬，指導(dǎo)實際產(chǎn)品設(shè)計，并不斷對影響性能的幾何參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使數(shù)字化設(shè)計階段的設(shè)計模型性能不斷改善，徹底擺脫基于經(jīng)驗的傳統(tǒng)設(shè)計模式。
4、結(jié)束語
基于CAD/CAE 集成的參數(shù)化設(shè)計和有限元建模，利用VBA 技術(shù)提供了三偏心蝶閥的參數(shù)化設(shè)計和計算仿真分析的一體化方案。不僅實現(xiàn)了三偏心蝶閥的參數(shù)化零件三維設(shè)計，同時實現(xiàn)了產(chǎn)品的有限元分析和性能評價。與傳統(tǒng)的產(chǎn)研發(fā)過程相比，本文方法為產(chǎn)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(chǎn)品模型性能試驗的補充和擴(kuò)展，大大節(jié)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用價值。
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