谷金龍，周 晨，鄭 喆，白偉偉

（中核蘇閥科技實業(yè)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(fā)展，CAD輔助設(shè)計工具繪圖應(yīng)用廣泛。在國外，CAD技術(shù)的發(fā)展基本上是以參數(shù)化為基礎(chǔ)，使得現(xiàn)在的CAD技術(shù)和系統(tǒng)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(diào)節(jié)閥、多用閥、安全閥和其他特殊專用閥等，應(yīng)用場景有石油、化工、電站、長輸管線、造紙、核工業(yè)、各種低溫工程、宇航以及海洋采油等流體輸送系統(tǒng)。大部分閥門零部件的幾何拓撲結(jié)構(gòu)都是固定不變的，所以基于CAD的參數(shù)化和尺寸驅(qū)動技術(shù)能為閥門設(shè)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(shù)化和尺寸驅(qū)動設(shè)計技術(shù)的較少，設(shè)計員設(shè)計閥門時大都以Excel輔助計算，然后根據(jù)所得結(jié)果，手動在CAD內(nèi)繪制圖形。這種設(shè)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(guī)格的閥門設(shè)計時，效率就非常低下。

高壓止回閥自緊密封中腔結(jié)構(gòu)的常規(guī)設(shè)計流程如下，以便讀者更加了解參數(shù)化和尺寸驅(qū)動設(shè)計方法的優(yōu) 越性。

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

圖1 高壓自緊密封中腔結(jié)構(gòu)示意圖

表 高壓自緊密封中腔設(shè)計參數(shù)表

（續(xù)）

2）先確定密封圈外徑值（此值即為閥體中腔內(nèi)徑值），然后調(diào)整其他參數(shù)，直到Excel表格顯示計算結(jié)果合格，高壓自緊密封止回閥中腔結(jié)構(gòu)設(shè)計完畢。

3）根據(jù)Excel表格中的各個數(shù)據(jù)在CAD中繪制圖形完成出圖。

3 新設(shè)計方法的提出

根據(jù)計算公式總結(jié)并精簡高壓自緊密封止回閥中腔結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，需要用戶輸入的數(shù)據(jù)為密封圈外徑尺寸D、設(shè)計壓力P，其余尺寸可以由循環(huán)計算或者結(jié)構(gòu)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(xiàn)。高壓止回閥自緊密封結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計順序圖如圖2所示。

圖2 高壓止回閥自緊密封結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計順序圖

3.1 參數(shù)化和尺寸驅(qū)動實現(xiàn)方法

本文介紹的設(shè)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(fā)開始于AutoCAD2004，發(fā)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(fā)平臺。

.NET API為開發(fā)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(fā)。

本文描述的對AutoCAD二次開發(fā)語言是C#，通過二次開發(fā)可以實現(xiàn)絕大多數(shù)手動操作AutoCAD可以實現(xiàn)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?qū)ο蟮奶攸c。

AutoCAD保存的文件格式是DWG，DWG文件實際上對象型的數(shù)據(jù)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(fā)實現(xiàn)參數(shù)化繪圖，繪圖上實現(xiàn)的大部分操作都是通過事務(wù)處理向數(shù)據(jù)庫下面的各種符號表里的符號表記錄內(nèi)添加對象來實現(xiàn)的。參數(shù)化和尺寸驅(qū)動繪圖實現(xiàn)方法如圖3所示。

圖3 參數(shù)化和尺寸驅(qū)動繪圖實現(xiàn)方法

3.2 代碼實現(xiàn)

（1）調(diào)用WinForm窗體獲取設(shè)計參數(shù)

由于WinForm窗體設(shè)計簡單易學(xué)，而且在本設(shè)計方法中其只需要承擔簡單的獲取用戶輸入?yún)?shù)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(shè)計參數(shù)如圖4所示。

圖4 WinForm窗體獲取設(shè)計參數(shù)

（2）獲取最適宜尺寸的代碼

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

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

循環(huán)計算用Excel中的宏實現(xiàn)，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(shè)為s-1，每循環(huán)一次其值減1，當循環(huán)中判斷墊片強度合格后退出循環(huán)，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(yù)留是否足夠等，這樣才能保證參數(shù)化設(shè)計結(jié)果的合理性。

（3）在AutoCAD中繪制圖形的代碼

C#作為面向?qū)ο蟮恼Z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(shù)化設(shè)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(xiàn)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(xiàn)尺寸驅(qū)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(fā)者可以通過事務(wù)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(guān)聯(lián)起來。

AutoCAD提供一個IExtensionApplication接口，通過這個接口開發(fā)者可以實現(xiàn)雙擊特定實體的操作后執(zhí)行預(yù)定義的操作。這里推薦將特定實體設(shè)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(fā)的次數(shù)。

把參數(shù)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(shù)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(yīng)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(jù)獲取的標注尺寸重新調(diào)用參數(shù)化繪制代碼實現(xiàn)尺寸驅(qū)動。文字描述實現(xiàn)邏輯有些復(fù)雜，尺寸驅(qū)動的原理如圖6所示。

圖6 尺寸驅(qū)動邏輯示意圖

4 閥門零部件參數(shù)化及尺寸驅(qū)動設(shè)計展望

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

要實現(xiàn)閥門零部件參數(shù)化，要求設(shè)計者懂一些編程，并且對閥門設(shè)計要精通，參數(shù)化設(shè)計可以通過閥門廠家與軟件二次開發(fā)廠家進行合作開發(fā)，但是費用較高。考慮到此參數(shù)化設(shè)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(yè)培養(yǎng)內(nèi)部設(shè)計人員進行。

利用AutoCAD進行參數(shù)化及尺寸驅(qū)動二次開發(fā)可以有效的提升設(shè)計準確性、簡化閥門設(shè)計流程和縮短新產(chǎn)品的系列化開發(fā)周期。參數(shù)化及尺寸驅(qū)動設(shè)計在閥門設(shè)計中的應(yīng)用，可以主要集中在以下兩個方面：

1）成熟產(chǎn)品零部件參數(shù)化設(shè)計。公司對于成熟產(chǎn)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(jié)構(gòu)形式的微調(diào)。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(shù)化及尺寸驅(qū)動設(shè)計滿足新產(chǎn)品設(shè)計要求。

2）新產(chǎn)品零部件參數(shù)化設(shè)計。公司新產(chǎn)品的設(shè)計往往是根據(jù)訂單需求來。當客戶需要某個規(guī)格的閥門時，設(shè)計員再來進行相應(yīng)設(shè)計。新產(chǎn)品實現(xiàn)系列化設(shè)計往往需要幾年時間，有足夠的時間留給設(shè)計員進行參數(shù)化及尺寸驅(qū)動設(shè)計。

5 結(jié)束語

本文介紹了高壓止回閥自緊密封中腔結(jié)構(gòu)參數(shù)化及尺寸驅(qū)動設(shè)計的設(shè)計原理及流程，為其他零部件參數(shù)化設(shè)計提供一些理論基礎(chǔ)并具有一定參考意義。另外此設(shè)計方法本身還具有以下優(yōu)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(jié)果而不是計算過程，后續(xù)如果計算公式有修改并不影響原代碼執(zhí)行。

2）在參數(shù)化設(shè)計的基礎(chǔ)上更進一步，實現(xiàn)尺寸驅(qū)動功能，并在很大程度上實現(xiàn)了代碼重用，可以有效提高閥門設(shè)計效率。