蓋彥龍，耿翔宇，胡海霞

（河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

0 引言

隨著CAD 技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)也隨著逐步發(fā)展起來，并且有著強(qiáng)大的實(shí)用價(jià)值。參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心就是通過參數(shù)和約束驅(qū)動(dòng)模型，修改參數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)模型的修改和聯(lián)動(dòng)。

閥門是各種液體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能，廣泛用于石油、化工、冶金、電力、長(zhǎng)輸管線等工業(yè)領(lǐng)域[1]。其中，蝶閥是閥門行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，通過關(guān)閉件（蝶板）圍繞閥軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥門的開啟與關(guān)閉，有良好的流體控制特性和關(guān)閉密封特性，通常按結(jié)構(gòu)形式可分為中線、單偏心、雙偏心和三偏心蝶閥，具有較高的系列化程度。

在蝶閥產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，常會(huì)因?yàn)樾枨蟮淖兏鸫罅康脑O(shè)計(jì)變更。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式下，零件設(shè)計(jì)過程中相互獨(dú)立，在發(fā)生設(shè)計(jì)為變更時(shí)，重復(fù)性勞動(dòng)大，易出錯(cuò)。本文采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)（Associated Design）[2]，在上下游設(shè)計(jì)之間建立輸入輸出的驅(qū)動(dòng)和約束關(guān)系，有效地解決了以上問題。

1 基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的參數(shù)化建模思想

參數(shù)化設(shè)計(jì)，也稱為尺寸驅(qū)動(dòng)，是通過改動(dòng)圖形中的某一部分或某幾部分的尺寸，或者修改已經(jīng)定義好的參數(shù)，自動(dòng)完成對(duì)圖形中相關(guān)部分的修改，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的驅(qū)動(dòng)[3]。在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者只需將零件的關(guān)鍵尺寸定義為參數(shù)，通過修改參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品幾何模型的修改和優(yōu)化。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是一種特殊形式的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，通過驅(qū)動(dòng)上游設(shè)計(jì)中的幾何特征（如點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)等），影響和控制下游設(shè)計(jì)。

1.1 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的基本概念

關(guān)聯(lián)，指互相貫連，事物之間所具有的彼此約束和聯(lián)系。在蝶閥產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，公稱通徑DN 的變化勢(shì)必會(huì)引起端法蘭和加強(qiáng)周筋的結(jié)構(gòu)變化、上下支承的變化勢(shì)必會(huì)引起筒身結(jié)構(gòu)的變化等。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是在參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，把模型的參數(shù)化上升為模型與模型之間的幾何元素的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，當(dāng)上游設(shè)計(jì)更改時(shí)，可以將信息及時(shí)反應(yīng)到下游相關(guān)設(shè)計(jì)專業(yè)，保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性[4]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中通過關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)總體與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)內(nèi)部之間設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)，在設(shè)計(jì)需求更改時(shí)，可以有提高協(xié)調(diào)和響應(yīng)速度[5]。

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)可以分為縱向關(guān)聯(lián)和橫向關(guān)聯(lián)兩大類。縱向關(guān)聯(lián)是單向性的，即上游設(shè)計(jì)的變化會(huì)引起下游結(jié)構(gòu)的變化，而下游設(shè)計(jì)信息的變化，對(duì)上游設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)沒有任何影響。橫向關(guān)聯(lián)是雙向性的，更改橫向關(guān)聯(lián)的任何一個(gè)零、部件的設(shè)計(jì)，都會(huì)引起其他零、部件的結(jié)構(gòu)變化。

1.2 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是通過對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的分析，得出設(shè)計(jì)對(duì)象之間的相互影響關(guān)系，包括零件與零件、部件與部件以及零件與部件之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（1）參數(shù)驅(qū)動(dòng)的關(guān)聯(lián)。參數(shù)驅(qū)動(dòng)的關(guān)聯(lián)是指在零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下，以一定方式引用反映產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖的工程參數(shù)作為產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)的尺寸參變量，且給出參數(shù)與裝配結(jié)構(gòu)中不同零件上的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)關(guān)系[6]。參數(shù)驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)的建立可以是同一零件中的不同參數(shù)，也可以在裝配體中不同的零件之間建立。這種關(guān)聯(lián)的建立要有一定的方向性，在一組相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)中，把最要的參數(shù)設(shè)置為一級(jí)參數(shù)，次要的參數(shù)設(shè)置為二級(jí)參數(shù)，再次之的設(shè)置為三級(jí)參數(shù)，以此類推。當(dāng)設(shè)計(jì)方案發(fā)生變化時(shí)，只要對(duì)一級(jí)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，就可以?qū)動(dòng)其他參數(shù)自動(dòng)發(fā)生變化。

（2）骨架模型的關(guān)聯(lián)。骨架模型用來描述產(chǎn)品模型的空間需求，重要的安裝位置或運(yùn)動(dòng)，是產(chǎn)品裝配的三維空間規(guī)劃[7]，是決定設(shè)計(jì)對(duì)象結(jié)構(gòu)的具有聯(lián)系的接口 （下游設(shè)計(jì)參考上游設(shè)計(jì)的幾何元素） 的集合。骨架模型包括的幾何元素主要是： 基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)點(diǎn)、坐標(biāo)系統(tǒng)等。骨架模型直接驅(qū)動(dòng)下游的零部件設(shè)計(jì)，是關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的神經(jīng)中樞[5]，其劃分的合理性，對(duì)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。骨架模型的建立要有一定的規(guī)范，需要對(duì)接口和骨架進(jìn)行命名，對(duì)接口和骨架的引用方式進(jìn)行說明，避免造成在關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)過程中引用和設(shè)計(jì)的混亂。

（3）裝配關(guān)聯(lián)。裝配關(guān)聯(lián)是指產(chǎn)品中同組件、零件之間，尤其是相互之間有依存關(guān)系的組件、零件，存在著固定的空間幾何關(guān)系，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系不隨組件、零件尺寸大小的改變而發(fā)生變化。通常這種關(guān)聯(lián)關(guān)系通過相合約束 （Coincidence Constraint）、接觸約束 （Contact Constraint）、偏移約束（Offset Constraint）和角度約束 （Angle Constraint），四種約束方式實(shí)現(xiàn)。

2 蝶閥產(chǎn)品關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)模型

蝶閥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從總體上分為閥門主體結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)裝置兩大部分，其中閥門主體結(jié)構(gòu)可以劃分為閥體、蝶板、閥桿、連接支架、上、下支承填料組件等設(shè)計(jì)組件，三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of triple eccentric butterfly valve

基于蝶閥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元?jiǎng)澐諿8]，根據(jù)其裝配關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的組織和劃分，是實(shí)現(xiàn)蝶閥關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。蝶閥的主體結(jié)構(gòu)可以劃分為閥體 （子部件）、蝶閥（子部件）、上支承填料組件（設(shè)計(jì)單元）、下支承填料組件（設(shè)計(jì)單元）、連接支架（設(shè)計(jì)單元）、閥桿（設(shè)計(jì)單元）。其中閥體又可以向下劃分為筒身組件（設(shè)計(jì)單元）、上支承組件（設(shè)計(jì)單元）、下支承組件（設(shè)計(jì)單元）、筒身加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（設(shè)計(jì)單元）。蝶板又可以向下劃分為閥桿軸座（設(shè)計(jì)單元）、密封結(jié)構(gòu)（設(shè)計(jì)單元）、蝶板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（設(shè)計(jì)單元），如圖2 所示。

圖2 蝶閥主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元?jiǎng)澐諪ig.2 Design units division of butterfly major structure

3 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)在蝶閥產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

以蝶閥閥體設(shè)計(jì)為例，在設(shè)計(jì)過程中通過關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)建立出模型之間上下游的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，以便達(dá)到設(shè)計(jì)中上下游設(shè)計(jì)輸入與輸出間的相互關(guān)聯(lián)，說明關(guān)聯(lián)技術(shù)在蝶閥產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

閥體是整個(gè)蝶閥產(chǎn)品的基礎(chǔ)構(gòu)件，也是蝶閥設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的設(shè)計(jì)組件，其它結(jié)構(gòu)組件通過關(guān)聯(lián)約束裝配于閥體之上，形成蝶閥的整個(gè)主體結(jié)構(gòu)。閥體組件主要設(shè)計(jì)參數(shù)為公稱通徑（DN）、公稱壓力（PN）、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度（L），第一偏心（e1），這些主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別對(duì)筒身組件、上支承組件、下支承組件、筒身加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的重要影響。同時(shí)筒體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與上下支承組件之間存在橫向的關(guān)聯(lián)關(guān)系，筒體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)筒身的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)也起到了決定性作用。閥體的骨架模型如圖3 所示，主要包括公稱通徑（DN）、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度（L）、第一偏心（e1）等。骨架模型設(shè)計(jì)完成后需要將元素發(fā)布出去，以供下游模型設(shè)計(jì)使用。

在產(chǎn)品建模前，還需要根據(jù)閥門關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)層次劃分建立閥體裝配樹，并將零件保存到相應(yīng)文檔中，并將骨架模型發(fā)布的接口引入到模型文件中，通過參數(shù)化建模技術(shù)完成各個(gè)零件模型的建立，最終建立完成蝶閥閥體三維模型，如圖4 所示。

上游模型中建立了下游模型設(shè)計(jì)所需要的基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面等幾何元素，通過發(fā)布并引用幾何元素到下游設(shè)計(jì)模型中，建立上下游模型設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。如果上游設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型發(fā)生了更改，通過接口元素，就 會(huì) 將更改自動(dòng)傳遞到下游模型設(shè)計(jì)中，在符合模型參數(shù)化設(shè)計(jì)原則的前提下，實(shí) 現(xiàn) 設(shè)計(jì)的自動(dòng)更新。如圖5 所示，紅色零件為需要更新的端法蘭，當(dāng)骨架模型中接口元素發(fā)生變化時(shí)，引用該元素的下游設(shè)計(jì)模型就會(huì)提示更新（模型顏色變?yōu)榧t色），此時(shí)，下游設(shè)計(jì)按提示更新，即可得到新的產(chǎn)品模型。

圖3 蝶閥閥體骨架模型Fig.3 Skeleton model of butterfly valve body

圖4 蝶閥閥體三維模型Fig.4 The model of butterfly valve body

圖5 端法蘭的自動(dòng)更新提示Fig.5 Automatically updating of flange

4 結(jié)束語

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)是CAD 技術(shù)發(fā)展到一定階段的成果，通過關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，有效地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)信息的共享，加快速了信息的傳遞速度，并且保證了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性，減少了模型設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)的冗余。本文通過蝶閥閥體的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，建立了蝶閥閥體模型，證實(shí)了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)在蝶閥產(chǎn)品的可行性，有效地減少了設(shè)計(jì)人員的三維造型工作，提高了設(shè)計(jì)效率。

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