基于CATIA的蝶閥產品關聯設計技術

蓋彥龍，耿翔宇，胡海霞

（河北科技大學 機械工程學院，河北 石家莊 050018）

0 引言

隨著CAD 技術應用的不斷深入，參數化設計技術也隨著逐步發展起來，并且有著強大的實用價值。參數化設計的核心就是通過參數和約束驅動模型，修改參數值，可以實現模型的修改和聯動。

閥門是各種液體輸送系統中的控制部件，具有截止、調節、導流、防止逆流、穩壓、分流或溢流泄壓等功能，廣泛用于石油、化工、冶金、電力、長輸管線等工業領域[1]。其中，蝶閥是閥門行業的主導產品之一，通過關閉件（蝶板）圍繞閥軸旋轉，實現閥門的開啟與關閉，有良好的流體控制特性和關閉密封特性，通常按結構形式可分為中線、單偏心、雙偏心和三偏心蝶閥，具有較高的系列化程度。

在蝶閥產品的設計過程中，常會因為需求的變更，而引起大量的設計變更。在傳統的設計模式下，零件設計過程中相互獨立，在發生設計為變更時，重復性勞動大，易出錯。本文采用關聯設計技術（Associated Design）[2]，在上下游設計之間建立輸入輸出的驅動和約束關系，有效地解決了以上問題。

1 基于關聯關系的參數化建模思想

參數化設計，也稱為尺寸驅動，是通過改動圖形中的某一部分或某幾部分的尺寸，或者修改已經定義好的參數，自動完成對圖形中相關部分的修改，從而實現對圖形的驅動[3]。在參數化設計中，設計者只需將零件的關鍵尺寸定義為參數，通過修改參數就可以實現對產品幾何模型的修改和優化。關聯設計是一種特殊形式的參數化設計方法，通過驅動上游設計中的幾何特征（如點、線、面、坐標等），影響和控制下游設計。

1.1 關聯設計的基本概念

關聯，指互相貫連，事物之間所具有的彼此約束和聯系。在蝶閥產品設計過程中，公稱通徑DN 的變化勢必會引起端法蘭和加強周筋的結構變化、上下支承的變化勢必會引起筒身結構的變化等。關聯設計是在參數化設計技術的基礎之上，把模型的參數化上升為模型與模型之間的幾何元素的驅動關系，當上游設計更改時，可以將信息及時反應到下游相關設計專業，保持數據的一致性[4]。在產品設計過程中通過關聯設計技術，可以實現總體與結構、結構內部之間設計關聯，在設計需求更改時，可以有提高協調和響應速度[5]。

關聯設計可以分為縱向關聯和橫向關聯兩大類?？v向關聯是單向性的，即上游設計的變化會引起下游結構的變化，而下游設計信息的變化，對上游設計的結構沒有任何影響。橫向關聯是雙向性的，更改橫向關聯的任何一個零、部件的設計，都會引起其他零、部件的結構變化。

1.2 關聯設計的實現方法

實現關聯設計的關鍵是通過對設計對象的分析，得出設計對象之間的相互影響關系，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聯關系。

（1）參數驅動的關聯。參數驅動的關聯是指在零件拓撲結構不變的情況下，以一定方式引用反映產品設計意圖的工程參數作為產品零部件設計的尺寸參變量，且給出參數與裝配結構中不同零件上的對應結構關系[6]。參數驅動關聯的建立可以是同一零件中的不同參數，也可以在裝配體中不同的零件之間建立。這種關聯的建立要有一定的方向性，在一組相互關聯的參數中，把最要的參數設置為一級參數，次要的參數設置為二級參數，再次之的設置為三級參數，以此類推。當設計方案發生變化時，只要對一級參數進行適當的修改，就可以驅動其他參數自動發生變化。

（2）骨架模型的關聯。骨架模型用來描述產品模型的空間需求，重要的安裝位置或運動，是產品裝配的三維空間規劃[7]，是決定設計對象結構的具有聯系的接口 （下游設計參考上游設計的幾何元素） 的集合。骨架模型包括的幾何元素主要是： 基準面、基準軸、基準點、坐標系統等。骨架模型直接驅動下游的零部件設計，是關聯設計的神經中樞[5]，其劃分的合理性，對關聯設計的實現至關重要。骨架模型的建立要有一定的規范，需要對接口和骨架進行命名，對接口和骨架的引用方式進行說明，避免造成在關聯設計過程中引用和設計的混亂。

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

2 蝶閥產品關聯設計模型

蝶閥產品結構從總體上分為閥門主體結構與驅動裝置兩大部分，其中閥門主體結構可以劃分為閥體、蝶板、閥桿、連接支架、上、下支承填料組件等設計組件，三偏心蝶閥結構，如圖1 所示。

圖1 三偏心蝶閥結構Fig.1 Structure of triple eccentric butterfly valve

基于蝶閥產品結構設計單元劃分[8]，根據其裝配關聯關系，對產品結構進行合理的組織和劃分，是實現蝶閥關聯設計的基礎。蝶閥的主體結構可以劃分為閥體 （子部件）、蝶閥（子部件）、上支承填料組件（設計單元）、下支承填料組件（設計單元）、連接支架（設計單元）、閥桿（設計單元）。其中閥體又可以向下劃分為筒身組件（設計單元）、上支承組件（設計單元）、下支承組件（設計單元）、筒身加強結構（設計單元）。蝶板又可以向下劃分為閥桿軸座（設計單元）、密封結構（設計單元）、蝶板加強結構（設計單元），如圖2 所示。

圖2 蝶閥主體結構設計單元劃分Fig.2 Design units division of butterfly major structure

3 關聯設計在蝶閥產品設計中的應用

以蝶閥閥體設計為例，在設計過程中通過關聯設計建立出模型之間上下游的相互關聯關系，以便達到設計中上下游設計輸入與輸出間的相互關聯，說明關聯技術在蝶閥產品設計中的應用。

閥體是整個蝶閥產品的基礎構件，也是蝶閥設計中結構最為復雜的設計組件，其它結構組件通過關聯約束裝配于閥體之上，形成蝶閥的整個主體結構。閥體組件主要設計參數為公稱通徑（DN）、公稱壓力（PN）、結構長度（L），第一偏心（e1），這些主要設計參數分別對筒身組件、上支承組件、下支承組件、筒身加強結構的結構設計產生的重要影響。同時筒體的結構設計與上下支承組件之間存在橫向的關聯關系，筒體的結構設計對筒身的加強結構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）、結構長度（L）、第一偏心（e1）等。骨架模型設計完成后需要將元素發布出去，以供下游模型設計使用。

在產品建模前，還需要根據閥門關聯設計結構層次劃分建立閥體裝配樹，并將零件保存到相應文檔中，并將骨架模型發布的接口引入到模型文件中，通過參數化建模技術完成各個零件模型的建立，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計所需要的基準點、基準線、基準面等幾何元素，通過發布并引用幾何元素到下游設計模型中，建立上下游模型設計的關聯關系。如果上游設計產品模型發生了更改，通過接口元素，就 會 將更改自動傳遞到下游模型設計中，在符合模型參數化設計原則的前提下，實 現 設計的自動更新。如圖5 所示，紅色零件為需要更新的端法蘭，當骨架模型中接口元素發生變化時，引用該元素的下游設計模型就會提示更新（模型顏色變為紅色），此時，下游設計按提示更新，即可得到新的產品模型。

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 端法蘭的自動更新提示Fig.5 Automatically updating of flange

4 結束語

關聯設計技術是CAD 技術發展到一定階段的成果，通過關聯設計技術的應用，有效地實現了設計信息的共享，加快速了信息的傳遞速度，并且保證了設計數據的一致性，減少了模型設計中數據的冗余。本文通過蝶閥閥體的關聯設計，建立了蝶閥閥體模型，證實了關聯設計技術在蝶閥產品的可行性，有效地減少了設計人員的三維造型工作，提高了設計效率。

[1] 陸培文.實用閥門設計手冊[M]. 北京: 機械工業出版社，2002.

[2] 劉俊堂，劉看旺.關聯設計技術在飛機研制中的應用[J]. 航空制造技術，2008，14.

[3] 潘雙夏.基于工程約束的產品參數化建模策略研究[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2001，9.

[4] 劉雅星.飛機并行協同研制模式與支撐技術探索[J]. 航空制造技術，2010，18.

[5] 田憲偉，曲直. 基于MBD 的關聯設計技術在飛機研制中的應用[J].航空工程進展，2013，3.

[6] 吳衛東，邢青松，廖文和. 基于關聯的機械產品自動裝配設計方法研究[J].機械科學與技術，2010，4.

[7] 齊從謙. 基于參數化技術的CAD 創新設計研究方法[J]. 中國機械工程，2003，14，8.

[8] 方憶湘，李蘭珍. 基于結構設計單元的系列閥門產品快速設計[J].現代制造工程，2012，5.