一種閥門零部件參數化及尺寸驅動設計方法的應用

谷金龍，周 晨，鄭 喆，白偉偉

（中核蘇閥科技實業股份有限公司，江蘇 蘇州 215129）

1 引言

20世紀90年代計算機制圖開始取代手工制圖，隨著計算機制圖的發展，CAD輔助設計工具繪圖應用廣泛。在國外，CAD技術的發展基本上是以參數化為基礎，使得現在的CAD技術和系統都具有較好的開放性，圖形接口和圖形功能日趨標準化。

閥門種類繁多，按作用分類有止回閥、截斷閥、分流閥、調節閥、多用閥、安全閥和其他特殊專用閥等，應用場景有石油、化工、電站、長輸管線、造紙、核工業、各種低溫工程、宇航以及海洋采油等流體輸送系統。大部分閥門零部件的幾何拓撲結構都是固定不變的，所以基于CAD的參數化和尺寸驅動技術能為閥門設計提供很大的便利。

2 問題提出

目前各大閥門廠使用基于CAD的參數化和尺寸驅動設計技術的較少，設計員設計閥門時大都以Excel輔助計算，然后根據所得結果，手動在CAD內繪制圖形。這種設計方法繪制單一尺寸單一磅級時效率尚可，在進行大批量同系列不同規格的閥門設計時，效率就非常低下。

高壓止回閥自緊密封中腔結構的常規設計流程如下，以便讀者更加了解參數化和尺寸驅動設計方法的優 越性。

1）首先打開根據MSS SP-144“Pressure Seal Bonnet Valves”標準編寫的《閥門設計手冊》中相關計算公式預先編輯好的Excel計算表格，表格中設計參數見下表，高壓止回閥自緊密封中腔結構二維圖如圖1所示。

圖1 高壓自緊密封中腔結構示意圖

表 高壓自緊密封中腔設計參數表

（續）

2）先確定密封圈外徑值（此值即為閥體中腔內徑值），然后調整其他參數，直到Excel表格顯示計算結果合格，高壓自緊密封止回閥中腔結構設計完畢。

3）根據Excel表格中的各個數據在CAD中繪制圖形完成出圖。

3 新設計方法的提出

根據計算公式總結并精簡高壓自緊密封止回閥中腔結構設計參數，需要用戶輸入的數據為密封圈外徑尺寸D、設計壓力P，其余尺寸可以由循環計算或者結構安排得到。所有尺寸確定之后，剩下的繪制工作主要在代碼上實現。高壓止回閥自緊密封結構尺寸設計順序圖如圖2所示。

圖2 高壓止回閥自緊密封結構尺寸設計順序圖

3.1 參數化和尺寸驅動實現方法

本文介紹的設計方法代碼編寫平臺為Visual Studio，利用Visual Studio .NET對AutoCAD進行二次開發開始于AutoCAD2004，發展至今其功能已相當完善，并且教程也很多，是新手以及熟練者的理想開發平臺。

.NET API為開發者提供了豐富的托管外包類，使之可以在Microsoft .NET Framework下，使用諸如Visual C++、Visual C#、VB.NET、Visual F#等基于.NET 的語言對AutoCAD 進行二次開發。

本文描述的對AutoCAD二次開發語言是C#，通過二次開發可以實現絕大多數手動操作AutoCAD可以實現的功能。C#作為.NET平臺代表語言，具有精確、簡單、類型安全、完全面向對象的特點。

AutoCAD保存的文件格式是DWG，DWG文件實際上對象型的數據庫文件，里面存放著各種符號表與一個命名對象詞典。對AutoCAD二次開發實現參數化繪圖，繪圖上實現的大部分操作都是通過事務處理向數據庫下面的各種符號表里的符號表記錄內添加對象來實現的。參數化和尺寸驅動繪圖實現方法如圖3所示。

圖3 參數化和尺寸驅動繪圖實現方法

3.2 代碼實現

（1）調用WinForm窗體獲取設計參數

由于WinForm窗體設計簡單易學，而且在本設計方法中其只需要承擔簡單的獲取用戶輸入參數的功能，故其是一個很好的人機交互工具選擇。WinForm窗體獲取設計參數如圖4所示。

圖4 WinForm窗體獲取設計參數

（2）獲取最適宜尺寸的代碼

下面舉例說明由循環計算確定尺寸的方法，根據MSS SP-144，b位置承壓應力計算公式簡化后為

式 中，P為 壓 力 等 級 標 記 數900，1 500，2 500或 4 500；S為閥體材料許用應力，取值48.3MPa；K為系數，當S用MPa表示時取值217.5。

循環計算用Excel中的宏實現，Excel表格中C9單元格存儲φD的值，C10單元格存儲φD的值，I26單元格里面是一條IF語句，如果驗算墊片強度合格單元格的值就是1，否則就是0。C10單元格初值設為s-1，每循環一次其值減1，當循環中判斷墊片強度合格后退出循環，這時獲得一個確定的φD值。

上述只是舉例介紹φD尺寸獲得的過程，要想完整的獲得所有尺寸要考慮的東西還有很多，比如螺栓布局和擰緊空間是否足夠、閥蓋斜面到閥蓋底面的距離預留是否足夠等，這樣才能保證參數化設計結果的合理性。

（3）在AutoCAD中繪制圖形的代碼

C#作為面向對象的語言，具有代碼封裝的功能，利用好這個功能，可以在很大程度上減少參數化設計的代碼量。

下文介紹一些向AutoCAD中添加線條的封裝方法，簡單修改后可以實現向CAD中繪制各種線條如直線、圓、圓弧等，代碼繪制的部分圖形如圖5所示。

圖5 代碼繪制部分圖樣示意圖

（4）實現尺寸驅動功能

AutoCAD繪制出來的對象都繼承自DBObject類，DBObject有一個ExtensionDictionary屬性，開發者可以通過事務處理獲取其DBDictionary詞典，詞典可以存儲Group類，Group對象可以存儲很多ObjectId對象。這對新手有一些煩瑣，但是通過這些操作可以把多個線條或者標注與一個線條關聯起來。

AutoCAD提供一個IExtensionApplication接口，通過這個接口開發者可以實現雙擊特定實體的操作后執行預定義的操作。這里推薦將特定實體設置為多段線，因為其在AutoCAD繪圖中使用頻率較低，可以減少該代碼在不需要的時候觸發的次數。

把參數化繪制的所有對象的ObjectId屬性值存儲在一個Group對象中，要注意的是所有對象的ObjectId屬性值要按順序存儲，只有這樣接下來讀取的時候才方便對不同標注的進行識別。接著把這個Group對象存儲在參數化繪制的多段線的DBDictionary詞典中。當用戶修改標注的標注尺寸并雙擊對應的多段線后，代碼通過ObjectId屬性獲取用戶修改標注尺寸，然后根據獲取的標注尺寸重新調用參數化繪制代碼實現尺寸驅動。文字描述實現邏輯有些復雜，尺寸驅動的原理如圖6所示。

圖6 尺寸驅動邏輯示意圖

4 閥門零部件參數化及尺寸驅動設計展望

對閥門零部件或者整體進行參數化設計很早就有論文提到，但閥門產品種類眾多、結構眾多，必須要對大量的結構進行參數化代碼編寫，才能正在意義上提高閥門設計效率，這是一個巨大的工作量。

要實現閥門零部件參數化，要求設計者懂一些編程，并且對閥門設計要精通，參數化設計可以通過閥門廠家與軟件二次開發廠家進行合作開發，但是費用較高。考慮到此參數化設計在代碼上的難度并不大，故筆者認為，此項工作也可以通過在企業培養內部設計人員進行。

利用AutoCAD進行參數化及尺寸驅動二次開發可以有效的提升設計準確性、簡化閥門設計流程和縮短新產品的系列化開發周期。參數化及尺寸驅動設計在閥門設計中的應用，可以主要集中在以下兩個方面：

1）成熟產品零部件參數化設計。公司對于成熟產品總是有升級迭代的需求，升級迭代可能是計算公式的改進、材料性能的提升和結構形式的微調。對于這些改動，都可以通過簡單改動代碼和Excel計算表格使參數化及尺寸驅動設計滿足新產品設計要求。

2）新產品零部件參數化設計。公司新產品的設計往往是根據訂單需求來。當客戶需要某個規格的閥門時，設計員再來進行相應設計。新產品實現系列化設計往往需要幾年時間，有足夠的時間留給設計員進行參數化及尺寸驅動設計。

5 結束語

本文介紹了高壓止回閥自緊密封中腔結構參數化及尺寸驅動設計的設計原理及流程，為其他零部件參數化設計提供一些理論基礎并具有一定參考意義。另外此設計方法本身還具有以下優點：

1）把計算過程在Excel中完成，這樣就可以把計算公式與代碼分隔開，也就是達到低耦合的目的。代碼對接的是計算結果而不是計算過程，后續如果計算公式有修改并不影響原代碼執行。

2）在參數化設計的基礎上更進一步，實現尺寸驅動功能，并在很大程度上實現了代碼重用，可以有效提高閥門設計效率。