基于solidworks的快開人孔參數(shù)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

王 鶯，龔彥業(yè)

（ 浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

人孔是壓力容器的主要受壓元件，在條件允許的情況下每臺壓力容器應(yīng)至少設(shè)置一個(gè)人孔。 它主要是為工作人員在容器內(nèi)部檢修與維護(hù)提供進(jìn)出通道，有時(shí)候也作為快速補(bǔ)料通道。 由于壓力容器在使用過程中需要承受內(nèi)壓或外壓，人孔代替開孔部位的筒壁承受壓力，其強(qiáng)度、剛度和密封性能為壓力容器的安全使用發(fā)揮著極其重要的作用。因此對人孔的研究顯得格外重要[1]。 快開人孔作為人孔的型式之一，具有快速開啟的特性和功能。正是基于這一特性和功能， 在保證安全性的前提下，還要考慮開合結(jié)構(gòu)的裝配特性和便利功能以及人孔蓋選材的合理性。 不銹鋼快開人孔在食品、制藥等需要連續(xù)生產(chǎn)的行業(yè)中應(yīng)用廣泛，具有使用量大、使用面廣等特點(diǎn)。 經(jīng)濟(jì)效益逐漸被人們所重視，開發(fā)新型快開人孔結(jié)構(gòu)對經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

本文通過對一個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目案例的構(gòu)思、設(shè)計(jì)與實(shí)施，從簡單到復(fù)雜[2]，對產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真。 主要使用solidworks中的系列零件設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)對快開人孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，編輯零部件的尺寸參數(shù)生成一系列的標(biāo)準(zhǔn)零部件，使產(chǎn)品的參數(shù)很容易修改，各項(xiàng)數(shù)據(jù)能直觀地反饋到設(shè)計(jì)人員手中。 這在一定程度上保證了模型與圖紙之間的緊密聯(lián)接，自然地建立人機(jī)交互從而提高快開人孔的研究效率[3-4]。 后期對裝配體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬仿真，直觀地展示快開人孔的工作原理，在整個(gè)模型的運(yùn)動(dòng)仿真中， 每個(gè)步驟是相互影響和關(guān)聯(lián)的，通過完善運(yùn)動(dòng)三維模型，處理反饋信息，改變模型運(yùn)動(dòng)環(huán)境，并與分析的結(jié)果進(jìn)行對比，判斷機(jī)構(gòu)的合理性，是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。

1 不銹鋼快開人孔的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

圖1 所示不銹鋼快開人孔主要由筒節(jié)（ 件①）、耳板（件②）、下法蘭（ 件③）、墊片（ 件④）、上法蘭（件⑤）、壓緊蓋（件⑥）、螺母（ 件⑦）、活節(jié)螺栓（ 件⑧）、把手（ 件⑨）、球冠形封頭（ 件⑩）、限位板（ 件○1）、轉(zhuǎn)軸耳板（件○12）、銷軸（件○13）組成。

圖1 快開人孔

快開人孔蓋采用球冠形封頭型式，可以減薄封蓋的厚度和增加封蓋的承壓能力。 球冠形封頭與上法蘭焊接連接，焊縫采用連續(xù)滿焊型式。 筒節(jié)與下法蘭焊接連接，耳板在與筒節(jié)周向均勻布置，和筒節(jié)及下法蘭焊接。 活節(jié)螺栓、壓緊蓋和耳板組成活動(dòng)組件，成套使用。 上下法蘭通過壓緊塊的成套組件，在活節(jié)螺栓擰緊的情況下，對人孔形成壓緊力。 本模擬中，壓緊塊和活節(jié)螺栓采用12 個(gè)。 在其他設(shè)計(jì)中，允許通過改變活動(dòng)組件的數(shù)量和螺栓大小，達(dá)到壓緊人孔的目的。 人孔的上下法蘭蓋上各自焊接耳板和限位板，耳板的作用是通過耳板的開孔插入銷軸，使打開的封蓋能隨銷軸270°自由轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到輕松開啟的目的。 耳板上焊有限位板，其作用是使人孔蓋在有限的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。 本模擬中限位范圍控制在147°，可根據(jù)需要改變角度。 通過限位板的限位功能，可以保證人孔在最大開啟空間的前提下，不影響設(shè)備其它部件的使用，不占用更多空間，同時(shí)可以保護(hù)設(shè)備和法蘭蓋。

2 快開人孔關(guān)鍵零部件三維建模與參數(shù)化設(shè)計(jì)

以DN450 和DN500 兩種快開人孔模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)分析為例。 由于各部件的厚度與人孔的材料和設(shè)計(jì)壓力有關(guān)，屬于強(qiáng)度和剛度計(jì)算，不是本次模擬的程序所能計(jì)算的，因此在建模中屬于外部輸入數(shù)據(jù)。 本次模擬中以固定值代入。 DN500為筒節(jié)內(nèi)直徑為500 mm，DN450 為筒節(jié)公稱內(nèi)直徑為450 mm。 由于筒節(jié)直徑的不同，快開人孔的上下法蘭尺寸、球冠形封頭尺寸、壓緊蓋的尺寸等均不相同。 建立零件參數(shù)化設(shè)計(jì)表后，通過輸入尺寸參數(shù)，就得到新的模型， 而不需要重新繪制模型。通過變更參數(shù)來改變模型，可以迅速設(shè)計(jì)出適合不同場合不同公稱直徑的人孔。 下面我們以球冠形封頭為例，簡述其參數(shù)化設(shè)計(jì)過程。

2.1 建立球冠形封頭的模板模型

球冠形封頭與法蘭直接連接，是一個(gè)等厚的球體的球冠結(jié)構(gòu)。 用solidworks建立封頭模型時(shí)，在基準(zhǔn)面上繪制圓弧草圖和旋轉(zhuǎn)中心線，再利用“ 旋轉(zhuǎn)凸臺/基體” 命令，旋轉(zhuǎn)360°得到封頭的模型。

2.2 零件設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)命名

尺寸、參數(shù)和特征的名稱是三維模型的重要組成部分。 為了保證標(biāo)準(zhǔn)庫的準(zhǔn)確性，在使用過程中都應(yīng)該保持其唯一性。 在創(chuàng)建系列零件設(shè)計(jì)表的驅(qū)動(dòng)尺寸和參數(shù)之前，尺寸名稱需要更改為更加易于識別、有意義和便于記憶的名稱代碼，以便于擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)零件庫[5]。 將建好的球冠形封頭三維模型打開，建立空白的系列零件設(shè)計(jì)表格（見圖2），左鍵單擊 “1” 處，然后在 “2 封頭球內(nèi)徑D3”“3 封頭底半徑D1”“4 封頭球外徑D2” 處雙擊尺寸，并將這些參數(shù)命名為D3、D1、D2。

2.3 生成模型配置

在系列零件設(shè)計(jì)表單元格中對應(yīng)輸入兩種不同規(guī)格的參數(shù)值（見圖3），完成編輯之后，自動(dòng)生成新的模型配置。 點(diǎn)擊 “ ConfigurationManger” 設(shè)計(jì)數(shù)，會顯示出封頭的不同配置，如圖4（ a） 和（ b）。 雙擊配置名稱，系統(tǒng)就會調(diào)用系列零件設(shè)計(jì)表中的參數(shù)來驅(qū)動(dòng)生成封頭零件模型。

圖2 選取參數(shù)

圖3 設(shè)計(jì)表

圖4 封頭配置管理器

用同樣的方法完成壓緊塊、上法蘭、下法蘭、筒節(jié)等零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立零件庫，供用戶方便查找零部件，快速修改零件尺寸。

3 快開人孔的參數(shù)化裝配設(shè)計(jì)

裝配體設(shè)計(jì)包含自下而上設(shè)計(jì)方法和自上而下的設(shè)計(jì)方法兩種方法。 自下而上的設(shè)計(jì)方法是比較傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[6]。 自下而上設(shè)計(jì)方法是將已經(jīng)建立生成的零部件插入到裝配體中，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求配合所有零部件。 第二種自上而下設(shè)計(jì)方法則是從裝配體先開始設(shè)計(jì)工作，這是兩種方法的不同之處。 本文采用第一種設(shè)計(jì)方法，將快開人孔分為3 個(gè)部分安裝：筒節(jié)與下法蘭及周圍連接零部件的裝配；上法蘭與球冠封頭及周圍零部件的裝配；上法蘭與下法蘭耳板的裝配。 利用標(biāo)準(zhǔn)裝配關(guān)系重合、平行、同軸心等配合命令完成DN500 快開人孔的虛擬裝配。 完成DN500 快開人孔裝配后，在零件參數(shù)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用“ 配置零部件” 功能，進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)由DN500 轉(zhuǎn)換至DN450。

（1）選中裝配體所有零件，單擊 “配置零部件”，自動(dòng)生成DN500 裝配體配置。 通過改變耳板、 墊片、銷軸等零件的配置屬性為DN450，就可以實(shí)現(xiàn)新的DN450 裝配體配置。 用同樣的方法可生成多套新的快開人孔裝配體模型，從而實(shí)現(xiàn)快開人孔的參數(shù)化裝配設(shè)計(jì)。

（2）可在裝配體界面左側(cè)配置管理器中切換不同配置的模型，切換后具體屬性可在左側(cè)設(shè)計(jì)樹中查看。 若要修改快開人孔的某一零部件，既可以對單獨(dú)的零部件進(jìn)行修改，也可以直接在裝配體中進(jìn)行修改。

4 快開人孔的運(yùn)動(dòng)仿真

通過用三維軟件solidworks的仿真功能[7]，可對筒體設(shè)備法蘭組進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可針對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證并針對性地修改也可以在建模期間直接進(jìn)行參數(shù)修改，極大地縮短了建模周期，提高設(shè)計(jì)開發(fā)的效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值[8]。 在運(yùn)動(dòng)仿真過程中，主要的動(dòng)作過程是六角螺母與活節(jié)螺栓的擰出與緊固，活節(jié)螺栓繞銷軸做180°轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊蓋向下壓緊上法蘭和向上脫離動(dòng)作，壓緊蓋脫離后，人孔蓋可開啟，由于上下法蘭限位板的限位作用，人孔蓋將圍繞銷軸旋轉(zhuǎn)至147°。

4.1 制作螺母的旋轉(zhuǎn)

在建立馬達(dá)后，選擇螺母任意一個(gè)面和活節(jié)螺栓，并 確 定 轉(zhuǎn) 速， 可 以 采 用100 rad /s， 可 視 效 果更好。

4.2 制作螺母的上升動(dòng)作

根據(jù)查看配合， 螺母與螺栓上頂面為距離配合，可通過調(diào)節(jié)距離使得螺母上升。 先添加鍵碼，再編輯尺寸修改螺母與螺栓上頂面的距離為8。 通過制作螺母的旋轉(zhuǎn)與上升動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)螺母與活節(jié)螺栓的擰出效果。

4.3 制作壓緊蓋的上升動(dòng)作

螺母旋轉(zhuǎn)松動(dòng)后，壓緊蓋可向上活動(dòng)。 螺母上升延遲1s后，壓緊蓋再上升。 先添加鍵碼，再修改螺栓上表面與壓緊蓋的距離。 可通過調(diào)節(jié)螺栓上表面與壓緊蓋的距離，使得壓緊蓋上升。

4.4 壓緊蓋的向后旋轉(zhuǎn)

壓緊蓋上升一定距離后可向后旋轉(zhuǎn)，從而使得人孔蓋打開。 控制壓緊蓋向后旋轉(zhuǎn)的是壓緊蓋與基準(zhǔn)面的角度。 先添加鍵碼，再修改角度，將尺寸改為236°（在6 s的尺寸為176。 所以這里為176 +60 =236）。

4.5 上頂蓋向后旋轉(zhuǎn)

壓緊蓋脫離后，人孔蓋可開啟，人孔蓋將圍繞銷軸旋轉(zhuǎn)至147°。 查看配合得，控制限位板向后旋轉(zhuǎn)的是墊片與上法蘭之間的角度。 因此在添加鍵碼后，再修改尺寸為147°。

4.6 開啟關(guān)閉制作過程

在上述設(shè)置完成后，點(diǎn)擊 “ 計(jì)算”，計(jì)算一次后點(diǎn)擊播放，實(shí)現(xiàn)開啟動(dòng)作的過程。 為了實(shí)現(xiàn)關(guān)閉過程，選擇 “循環(huán)” 播放模式，實(shí)現(xiàn)快開人孔的開啟和關(guān)閉過程。 獲得完整開啟過程動(dòng)畫后，采取隔幀截圖。 螺母的勻速旋轉(zhuǎn)并上升離開壓緊蓋上表面動(dòng)作（見圖5（a））。 壓緊蓋的上升脫離對上法蘭的壓緊，隨后壓緊蓋、螺母及活節(jié)螺栓繞銷軸旋轉(zhuǎn)（ 見圖5（b））。 上頂蓋繞銷軸旋轉(zhuǎn)至147°，做出打開的動(dòng)作（見圖5（c））。

圖5 開啟過程動(dòng)畫截圖

5 結(jié) 語

通過本文所述快開人孔啟閉實(shí)例可以看出，對快開人孔的零部件使用solidworks建模，并在零部件建模完成后， 在可在模型中建立系列零件設(shè)計(jì)表，完成一系列的操作后，可以通過修改數(shù)據(jù)獲得不同參數(shù)的模型，還可對所有零部件進(jìn)行裝配，并使用配置零部件功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝配體在不同的參數(shù)之間切換。 一次建模并建立系列零件設(shè)計(jì)表可以減少大量重復(fù)性的建模工作，大大提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。 同時(shí)使用solidworks motion 插件的運(yùn)動(dòng)算列功能制作快開人孔的工作過程，包括螺母的上升和旋轉(zhuǎn)、壓緊蓋的上升和旋轉(zhuǎn)、壓緊蓋向后旋轉(zhuǎn)以及上頂蓋的開啟。通過觀察整個(gè)動(dòng)作過程，對開啟過程是否順暢、結(jié)構(gòu)尺寸是否有卡滯現(xiàn)象、是否能滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)需求等問題進(jìn)行判斷。