毕业设计论文开题报告.docx
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毕业设计论文开题报告
毕业设计（论文）开题报告
题目：
燃气轮机可视化装配仿真
院（系）机电工程学院
专业机械设计制造及其自动化
班级100203
姓名秦凯
学号
导师千学明
2015年2月28日
一．选题的背景及意义
在全球一体化不断加剧的环境中,当今制造业也将与其他行业一样,面临着来自于全球市场日益增大的竞争压力.为了迅速适应全球市场需求变化,提高自身竞争力,制造企业必须使产品满足开发时间短,质量高,成本低,服务优良,环保效果良好及适应能力强等条件,从而来满足顾客的不同要求.那些在市场竞争中处于劣势的企业,往往是由于没有注重产品开发环节,因此产品开发是制造企业在市场竞争中取胜的关键.在产品生命周期的众多环节中,产品装配处于十分重要的环节.据相关统计,在工业国家,大约1/3的人力在产品的生产工程中从事产品装配相关的活动,约百分之三十到百分之五十生产费作为装配和调试的费用,约百分之四十到百分之六十生产制造总工时用到产品的装配,因此,在产品的装配阶段发生问题,将导致产品设计与加工制造的改变,不但会延长产品的开发周期,而且会增加产品的开发成本,不利于企业提升自身的竞争力.燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备,是典型的高新技术密集型产品.作为高科技的载体,燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平,是21世纪的先导技术.发展集新技术,新材料,新工艺于一身的燃气轮机产业,是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一,具有十分突出的战略地位.由于多方面原因,我国的燃气轮机同国际先进水平相比人存在很大差距,尚未形成真正的产业.诸多领域动力落后的状态,已成为制约国民经济发展的瓶颈.
因为发动机结构复杂,零件数目巨大,航空维修工作中存在大量的人为差错.对燃气轮机装配过程进行仿真,可以实现生产,工艺与制造资源的虚拟协同设计,缩短设计周期,降低设计成本.
Ｎ
Ｙ
Ｎ
Ｙ
图１－１燃气轮机可视化装配仿真流程图
从图中可以看出，一个完备的闸阀计算机辅助设计系统具有以下的优点：
（1）闸阀方案的优化设计闸阀CAD技术可以帮助技术人员运用系统工程进行方案的优化设计，从整体的角度来认识设计对象，优化闸阀的结构布局方案。
（2）闸阀结构设计与分析闸阀设计方案选定好后，技术可以帮助设计人员进行闸阀结构的几何模型（二维、三维）设计与分析；可以方便、快捷地进行产品结构的几何外形的设计与修改；可以立体地、多角度地、直观地观察产品的外形、颜色是否符合消费者的审美观，操作部件是否符合人机工程学等。
（3）闸阀的性能分析与动态模拟设计人员还可以利用CAD技术对闸阀的工作过程、运动过程进行模拟，对闸阀的性能进行计算、分析，若不满足要求，可以方便地重新修改设计。
（4）自动生成闸阀的设计文档资料通过CAD技术，可以快速地生成精确美观的闸阀设计文档，如装配图、零件图等；也可以自动生成产品技术数据文件，这些技术数据还可以直接用于后续的闸阀CAＭ系统。
二．国内外研究发展现状
闸阀行业最早产生于20世纪30年代的意大利米兰，在西方国家接近有70年的历史，而我国的闸阀产业只有20年的发展。
2.1国外发展现状
国外闸阀研究机构对闸阀的设计与基础理论、新材料、新工艺、产品性能、可靠性和标准化的研究十分重视。
其科研特点如下：
①试验研究与新产品开发密切结合；②内部研究课题与引进国外技术密切结合；③重视高新技术在闸阀上的应用研究；④重视高参数和特殊工况用闸阀的试验研究；⑤重视闸阀基础理论的研究工作；⑥重视现场试验与改进工作[4-5]。
比如美国Autodesk公司为了闸阀乃至整个机械行业的发展需求，对AutoCAD的相继开发，它对闸阀设计有着深远的意义。
以下图2-1为AutoCAD二次开发工具的演变。
ActiveXAutomationVisualLISP
AutoLISPADSDCLADS-RXObjectARX
1986年1988年1990年1992年1994年1996年1998年
第一代第二代第三代
图2-1AutoCAD二次开发工具的演变
2.2国内发展现状
改革开放以来，我国闸阀设计水平也有了较大的提高，计算机作为一种设计工具大大提高了设计效率和准确度[6]。
湖南大学与长沙阀门厂的钟昌勤和胡平等对基于特征的闸阀CAD系统进行了研究[7]；原江汉石油学院的冯定等将闸阀CAD／CAM系统分为设计计算模块、分析模块、动态图库模块、CAM模块、动态数据库5个模块进行了研究[8]；四川大学的姚进、李勇等运用Delphi以及MDT软件建立了软密封胶板闸阀、撑开式平板闸阀、三偏心蝶阀等4种阀门零部件参数化图库，可对这4种阀门进行快速系列化设计[9]；兰州理工大学的何世权、刘世辉等研究了VB及Solidworks二次开发技术在闸阀产品设计中的应用[10]；沈阳大学的黄晓光和孙荣全研究了AutodeskInventor在闸阀新产品开发中的应用[11]；北京机械工业学院的高平、孙江宏对基于UG的闸阀CAE进行了研究，利用UG软件强大的CAD／CAE功能进行闸阀的建模、装配、关键部分的运动仿真及阀体的有限元分析[12]。
这些研究有的开发了闸阀CAD系统，有的利用其它CAD软件对闸阀进行设计、校核、绘图等，提高了闸阀设计的效率和准确度，对企业的科技进步起到了重要作用。
目前国内虽已开发了一些闸阀CAD软件，但是对于我国闸阀企业的需要来说仍然是凤毛麟角。
闸阀的种类繁多，而每一种类又可以分为很多小类，因此如果想开发一种放之四海而皆准的闸阀CAD系统是不可能的。
在已开发的闸阀类CAD系统中，有的是以二维软件为平台，跟不上现在三维设计发展的需要；有的单纯是绘图系统，缺少产品设计、计算和校核环节；有的虽然以三维软件为平台，但是缺乏必要的理论设计计算模块和有限元分析模块的集成；有的虽然有类似模块，但是要调用很多其它软件，不仅要对各软件进行复杂的接口设计和数据传输，而且购买各种软件的开支对于一般的中小型企业显然也是难以承受的。
基于以上分析，面向闸阀或其他机械制造企业，有必要以SolidWorks三维软件作为平台，运用可视化编程软件对其进行二次开发，编制出包含设计计算模块、系列化设计模块、参数化设计模块、三维和二维相结合的绘图模块、有限元分析模块等相结合的闸阀CAD系统软件。
该CAD系统软件对于缩短产品设计周期，提高产品标准化程度将起到重要作用。
三．本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法
3.1课题研究的主要内容
（1）对软件系统需求分析，并进行系统规划；
（2）结合所学的理论知识和工程实践，进行总体设计、详细设计与编码、测试等全过程，创建计算机辅助设计系统界面，并且建立数据库，设计浏览界面，建立二维、三维图形；
3.2闸阀研究方案
3.2.1闸阀支撑软件 闸阀支撑软件主要用来实现几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。
分为闸阀计算机分析软件（主要用于工程设计中的各种数值计算和分析）、闸阀CAD/CAM软件系统（支持二维和三维图形方式下进行产品及零件的定义）、闸阀数据库管理系统（DBMS）（用于管理庞大的数据信息、对数据进行各种操作）和闸阀网络服务软件。
3.2.2闸阀开发方法一个功能完善的闸阀应用软件，包含着图形处理、数据管理、校核计算等几大部分。
由于通用的CAD软件系统具有强大的功能和优势，且其本身就直接提供多种软件接口供用户开发，所以，本设计选定以VisualBasic6.0为开发工具，对Solidworks进行二次开发，设计并开发一套闸阀设计、绘图、计算于一体的闸阀CAD软件系统。
系统以模块进行设计，由参数输入、数据处理和绘图模块组成。
各模块之间相互独立，通过人机交互界面实现连接。
采用VB编写的自动化绘图程序，将绘制闸阀所需的关键参数为全局变量，通过对变量进行赋值，自动计算出绘制图形所需要的尺寸，调用绘图函数进行绘图；设计了图层、尺寸标注、标题栏和技术要求，实现了闸阀的自动化标注和绘制，弥补了Solidworks软件的不足。
3.2.3程序设计开发方法
对于本设计欲采用模块化的程序设计方法，其基本思想是：
把软件分成若干个相对独立、功能单一的模块。
模块化软件是一种逻辑清晰、层次分明的软件。
其优越性有以下几点：
a）由于模块是相对独立的，并且其功能单一完整，所以每个模块都可以独立地设计其计算方法，单独进行编码和测试，从而是复杂的程序编制工作得以简化，有效地控制了程序设计的复杂性。
b）由于模块是相对独立的程序块，所以一个模块中的错误是不易扩散和蔓延到其他模块中去，从而使软件的可靠性有了很大的提高。
c）采用模块化结构，可以由众人同时进行集体性开发，从而提高了软件的开发速度，缩短了软件开发周期。
d）由于软件具有模块化结构，所以软件开发工作可以把各个功能模块进行组合。
这就使一人做出的模块可以被他人使用，一次开发出的模块可以在不同的程序中多次使用，从而避免了程序开发的重复劳动，提高了闸阀软件开发效率。
e）闸阀计算机辅助设计软件投入运行后，在对软件进行维护时，能够以模块为单位进行测试和修正。
修正一个模块时不会影响其他模块的功能。
在软件需要扩充功能时，只需增加若干功能模块，而不会涉及整个程序的大面积修改。
因此，模块化软件具有良好的可维护性。
从闸阀软件工程技术上看，可靠性、效率和可维护性是软件质量的主要评价指标。
因此，用模块化程序设计方法来开发闸阀计算机辅助设计软件可以大大提高软件的质量。
在本闸阀计算机辅助设计软件的开发过程中，综合采用了面向对象和模块化程序设计方法，将系统分成不同的模块，程序中每个模块都是独立的，可以分别编制程序实现。
而各个程序模块之间则通过人机交互界面进行数据交换和传输。
这样，既降低了设计开发的复杂度，又便于程序和整个程序的维护和扩充。
本闸阀计算机辅助设计系统程序开发可分为三个模块：
a）用户登录模块：
用户登录模块是本系统的安全保障。
该模块的作用是只允许注册本系统的用户才能真正进入本系统内进行绘图操作。
b）闸阀参数输入和数据处理模块：
该模块的主要功能是让用户通过单选按钮选择闸阀的流量特性，通过文本框输入闸阀设计时所需的关键参数，然后将通过全局变量传递的参数值进行数据处理，计算出绘制图形所需的各点的坐标。
c）闸阀绘图模块：
该模块主要以Solidworks为图线支撑平台，调用绘图函数进行绘图，同时还包括图纸幅面的定制、标题栏和技术要求的书写。
系统各个模块之间的调用关系如图3-2所示。
图3-2闸阀模块调用关系图
四.本课题研究的重点难点
4.1闸阀的设计流程[13-14]
4.1.1设计输入
即设计任务书。
应明确阀门的具体参数（公称通径、公称压力、温度、介质、驱动方式等），使用的条件和要求（如室内或室外安装、启闭频率等）及相关执行的标准（产品的设计与制造、结构长度、连接型式、产品的检验与试验等）
4.1.2确定阀门的主体材料应根据设计输入的参数，经综合考虑后确定适用的阀门主体材料。
4.1.3确定阀门承压件的制造工艺方法（铸造、锻造、焊接、铸焊……）
4.1.4确定阀门阀门零件及总体结构型式[15-17]（即方案设计）
阀门零件：
组成阀门外部壳体的零件一般有阀体和阀盖；内部零件（简称内件）一般有关闭件（闸板或阀瓣）、阀座及阀杆；密封件填料、垫片；操作件手轮等。
动件——操作阀门有移动或转动的关闭件，如闸板，阀瓣。
静件——操作阀门时没有动作的关闭件，如阀座。
密封面——动、静关闭件相互接触，形成接触密封的表面。
密封副——形成密封的两个或几个密封件接触面。
闸阀典型结构见下：
图4-1-1闸阀典型结构
4.1.5确定阀门的结构长度和连接尺寸
4.1.6确定阀体阀座处的流通通道尺寸
4.1.7闸阀的设计与计算
a）承压件壁厚的计算
b）密封副的总作用力和比压的计算
c）阀体与阀盖的连接型式和密封结构的确定
d）阀杆的强度计算
e）闸板的强度计算
f）中法兰的强度计算
g）阀盖的强度计算
h）支架的强度计算
i）阀杆螺母的强度计算
j）填料压盖的强度计算
k）活节螺栓的强度计算
l）销轴的强度计算
m）选配电动或气动传动装置及确定手动传动手轮的直径
n）阀门流量系数的计算
设计计算所用到的公式[13-20]如下表4-1-2所示：
名称
公式
序号
零件名称
计算项目
材料
钢、合金钢及不锈钢圆形闸阀
铸铁圆形闸阀
铸铁椭圆形闸阀
1
阀体
壁厚
P：
设计压力取PN
DN：
计算处的内径
[σL]：
许用拉应力
C：
附加余量
p:
工程压力PN，设计给定
Dn：
计算内经，设计给定
[σL]：
需用拉应力，查表
C：
附加余量
p:
工程压力PN，设计给定
a：
长半轴中心线
[σL]：
需用拉应力，查表
C：
附加余量
2
阀体密封面
密封面上总作用力及计算比压
密封面上总作用力：
FM=FMJ+FMF（密封面处介质作用力FMJ=π/4（DMN+bN）2p；
密封面上密封力FMF=π（DMN+bN）bMqMF；）
密封面计算比压：
q=MFZ/π（DMN+bM）bN
（密封面内径DMN:
设计给定；密封面宽度bM设计给定）
3
阀杆
强度验算
名称
符号
公式
单位
关闭时阀杆所受的最大总轴向力
F
F=FJ+W+QT
N
介质作用于阀杆的轴向力
FJ
FJ=πdF2PC/4
N
阀板作用在阀杆上的轴向载荷
W
W=N1μ1
N
阀门额定工作压力
PC
设计给定
MPa
阀杆最小截面积
A
A=πdmin2/4
mm2
闸阀驱动转矩（正常工况下）
MFZ
MFZ=FRFM
N.mm
根据第四强度理论：
阀杆所承受的合成应力
б∑
MPa
阀杆材料规定的最小屈服强度
бs
查参考文献
MPa
阀杆强度条件：
б∑<[б∑]为合格
合格
4
阀杆
头部强度验算
名称
符号
公式
单位
剪应力
F
F=（FFZ—F∑）/2bh
MPa
开启闸阀时总轴向力
FFZ
FFZ=K3KMJ+K4KMF+FP+FT
N
阀杆与填料摩擦力
F∑
F∑=Ψ*dF*br*p
N
闸阀阀杆轴向力计算系数
K3K4
查表4-37[13]
阀杆铣扁后界面宽度
b
设计给定
mm
阀杆铣变处到地面的高度
h
5
阀杆
稳定性验算
名称
符号
公式
单位
常温时中细长的下界
λ0
根据阀杆不同而异，最小取30
实际细长比
λ
λ=4uklF/dF
关闭时阀杆的总轴向力
FFZ/A
N
闸阀阀杆轴向力计算系数
K3K4
查表4-37[13]
mm
密封面上密封力
FMF
FMF=π（DMN+bN）bMqMF
N
阀杆径向截面上介质作用力
Fp
Fp=π/4d2F*p
N
临界压应力
2E/λ2
MPa
6
闸板
厚度
名称
符号
公式
单位
tB
tB=
+C
R：
自由周边：
1/2（DMN+bN）
mm
7
中法兰连接螺栓
常温时强度验算
名称
符号
公式
单位
操作下总作用力
F1
F1=FDJ+FDF+FDT+FFZ
N
最小预紧力
F2
F2=FYJ
N
计算压力
P
取公称直径PN
mm
关闭时闸阀总轴向力
FFZ
FFZ=K1FMJ+K1FMF-Fp-FT
N
阀杆径向截面上介质作用力
Fp
Fp=π/4d2F*p
N
许用拉应力
查表4-13[13]
MPa
螺栓拉应力
=FL/AL
MPa
螺栓总截面积
AL
Z*A1
mm2
密封面上密封力
FMF
FMF=π（DMN+bN）bMqMF
N
8
中法兰连接螺栓
初加温时强度验算
名称
符号
公式
单位
螺栓计算载荷
最小预紧力
F2
F2=FYJ
N
垫片平均直径
DDP
设计给定
mm
垫片有效宽度
Ddp
密封面内径
DMN
螺栓数量
Z
螺栓拉应力
=FL/AL
MPa
关闭时阀杆总轴向力
FFZ
FFZ=K1KMJ+K2KMF+FP+FT
N
中法兰厚度
h
设计给定
mm
9
中法兰连接螺栓
高温时强度验算
名称
符号
公式
单位
操作下总作用力
F1
F1=FDJ+FDF+FDT+FFZ
N
密封面上密封力
FMF
FMF=π（DMN+bN）bMqMF
N
垫片处介质作用力
FDJ
FDJ=π/4d2F*p
N
最小预紧力
F2
F2=FYJ
N
10
阀体中法兰
强度验算
名称
符号
公式
单位
操作下总作用力
F1
F1=FDJ+FDF+FDT+FFZ
N
I-I断面弯曲应力
w=F*L1/W1
MPa
中法兰厚度
h
设计给定
mm
11
阀盖
强度验算
名称
符号
公式
单位
Ⅰ-Ⅰ断面拉应力
+
MPa
Ⅱ-Ⅱ断面剪应力
λ
λ=
+
MPa
密封面内径、密封面宽度
设计给定
阀杆径向截面上介质作用力
Fp
Fp=π/4d2F*p
N
12
阀盖
支架部位强度验算
名称
类别
公式
单位
Ⅰ-Ⅰ断面弯曲应力
T形加强筋支架
=
*
*1/W1
MPa
Ⅱ-Ⅱ断面惯性矩
Iz=1/3[BY3-（B-C）（Y-a）3+C（A-Y）3]
N*mm
Ⅱ-Ⅱ断面弯曲力矩
Mo=Ffz*l/8（
）
N*mm
Ⅲ-Ⅲ断面断面系数
W3=（D-d）h2/6
Ⅰ-Ⅰ断面弯曲应力
椭圆形加强筋
=
*
*1/W1
N*mm
Ⅱ-Ⅱ断面惯性矩
I2=πab2/4
N*mm
Ⅱ-Ⅱ断面弯曲力矩
Mo=Ffz*l/8（
）
Ⅲ-Ⅲ断面断面系数
W3=（D-d）h2/6
13
阀盖
不带支架阀盖强度验算
名称
类别
公式
单位
Ⅰ-Ⅰ断面弯曲应力
两段支架T型加强筋
=
*
*1/W1
N
Ⅱ-Ⅱ断面惯性矩
Iz=1/3[BY3-（B-C）（Y-a）3+C（A-Y）3]
N*mm
Ⅱ-Ⅱ断面弯曲力矩
Mo=Ffz*l/8（
）
N*mm
Ⅲ-Ⅲ断面断面系数
W3=（D-d）h2/6
14
支架
强度验算
名称
类别
公式
单位
Ⅰ-Ⅰ断面弯曲应力
曲杆支架
=
*
*1/W1
N
Ⅱ-Ⅱ断面弯曲力矩
Mo=Ffz*l/8（
）
N*mm
15
支架连接螺栓
强度验算
名称
符号
公式
单位
螺栓拉应力
=FFZ/AL
N
密封面处介质作用力
FMJ
FMJ=π/4（DMN+bN）2p
N
螺栓总截面积
AL
AL=Z*A1
mm2
16
手轮
总转矩及圆周力
名称
类别
公式
单位
关闭时总转矩
升降杆总转矩及圆周力
N*mm
圆周力
2*M
/DO
手轮直径
设计给定
mm
关闭/开启时总转矩
旋转升降杆总转矩或圆周力
关闭时圆周力
2*M
/DO
N
开启时圆周力
2*M
/DO
N
手轮直径
设计给定
mm
关闭/开启时总转矩
手柄弯曲应力校核
关闭时圆周力
M
/LO
N
开启时圆周力
M
/LO
N
手柄直径
设计给定
mm
表4-1-2设计计算所用到的公式
4.2人机界面的设计规划
人机界面（HCI）设计[21]涉及到计算机科学的很多领域，它变得愈来愈重要。
以致评价一个系统更多的取决于其人机界面而不是它的功能。
多年来，人机通信一直局限于文本方式，这严重限制了人本来所具有的通信技能，大大降低了通信效率。
多媒体技术的出现，技术上为在人机交互中全面采用人本身具有的通信技能提供了可能性，为建造高效友好的人机界[22]面带来希望。
对人机交互设计规划不仅要考虑到用户及任务本身，更多地是要考虑和规划信息空间结构。
这不仅要借助计算机技术，还要依托于心理学、认知科学、语言学、通信技术以及戏剧、音乐、美术多方面的理论和方法。
人和计算机之间需要交互：
输入和输出。
人在多数情况下通过视觉获取信息,而从图形中获取信息更直接更容易。
所以计算机辅助设计屏幕布局因功能不同考虑的侧重点不同。
各功能区要重点突出，功能明显。
无论哪一种功能设计，其屏幕布局都应遵循平衡原则[23]（注意屏幕上下左右平衡。
不要堆挤数据，过分拥挤的显示也会产生视觉疲劳和接收错误）、预期原则（屏幕上所有对象，如窗口、按钮、菜单等处理应一致化，使对象的动作可预期）。
在闸阀计算机辅助设计当中，图样信息的描述与人机交互式输入如下：
（1）分类编码描述法与输入
（2）语言描述与输入
（3）知识表示描述
（4）基于形状特征或表面元素的描述与输入法
任何零件都有一个或若干个形状特征组（如圆柱面、圆锥面、螺纹面、孔、槽等）以上几种方法尽管各有优点，但都存在一个共同的弊病，需要人对零件图样进行识别和分析，即需要人对设计的零件图进行二次输入。
因输入过程时费时费力、易出错，有时甚至没有手工编制快。
所以，最理想的方法是，CAD系统进行零件设计的过程就是CAPP的零件信息输入的过程，从而避免零件的二次输入。
4.3、编写闸阀计算机辅助程序
闸阀计算机辅助程序编程是在编程时编程人员首先利用计算机辅助设计（CAD）,构建出闸阀零件几何形状,然后对闸阀零件图样进行工艺分析,确定加工方案[25],其后还需利用软件的计算机辅助制造（CAM）功能,完成闸阀工艺方案的制订的程序。
因此,这种闸阀自动编程方式也称为图形交互式自动编程。
编程人员就可以由计算机自动地进行数值计算及后置处理，该编程方法有以下特点:
（1）这种闸阀编程方法既不像手工编程那样需要用复杂的数学手工计算算出各节点的坐标数据,而是在计算机上直接面向零件的几何图形以光标指点、菜单选择及交互对话的方式进行编程,其编程结果也以图形的方式显示在计算机上。
所以该方法具有简便、直观、准确、便于检查的优点。
（2）闸阀计算机辅助编程软件是CAD/CAM一体化软件系统,既可用来进行计算机辅助设计,又可以直接调用设计好的零件图进行交互编程[26]。
（3）这种编程方法的整个编程过程是交互进行的,简单易学,在编程过程中可以随时发现问题并加以修改。
（4）编程过程中,图形数据的提取、节点数据的计算、程序的编制及输出都是由计算机自动进行的。
因此,编程的速度快、效率高、准确性好。
这样,它对编程人员的要求就相应降低。
（5）此类编程软件都是在通用计算机上运行的,不需要专用的编程机,所以容易得到普及推广。
（6）在编制复杂的曲面时,运用该编程方法往往会使得编制出的程序数据量偏大,甚至会超出数控机床接受的数据量。
4.4数表图线在VB程序中的处理
4.4.1 闸阀数表的处理
数表中的数据可以以数组（一维、二维或三维）的形式或拟合成公式编入VB程序[26]。
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