M1000A气瓶的三维造型设计.docx
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M1000A气瓶的三维造型设计
南京理工大学泰州科技学院
毕业设计说明书（论文）
作者:
许巧兵
学号：
05010247
系 部:
机械工程系
专业:
机械工程及自动化
题目:
M1000A气瓶的三维造型设计
副教授
黄新燕
指导者：
评阅者：
2009年5月
毕业设计说明书（论文）中文摘要
在经济高速发展的现代化社会中，为适应市场的竞争需要，对计算机辅助设计与制造技术的研究与应用已越来越受到人们的重视。
在现代化的制造企业中普遍采用计算机辅助设计软件来进行产品的设计工作。
被认为属于朝阳工业范畴的气瓶制造业也不例外。
能够运用计算机辅助设计软件设计一种安全、低成本、使用寿命长的气瓶以满足应用需求将会越来越受欢迎。
本文以SolidWorks为工具，以一个实际的产品M200A气瓶为研究对象，同时参考国内外文献，及各种气瓶的结构，总结出气瓶的设计思路，设计了M1000A气瓶。
关键词气瓶三维设计工艺
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleThreeDimensionalDesignofGasCylinderM1000A
Abstract
Inamodernsocietywithrapiddevelopmentineconomy,tomeetwiththefiercecompetitioninmarket,moreandmoreattentionsarepaidontheresearchandapplicationofthecomputeraideddesignandmanufacturingtechnology.Inmodernmanufacturingenterprises,mostpeopleadoptcomputeraideddesigntodesigntheproducts,includingthegascylinderindustrywhichbelongedtothesun-riseindustry.Itwillbecomemoreandmorepopulartoapplythecomputeraideddesignsoftwaretodesignthesafe,lowcostandlonglifetimegascylinder.Inthispaper,Solidworksisusedasadesigntool,arealgascylindernamedM200Aisdesigned.Atthesametime,theauthortakesthedomesticandforeignreferences,aswellasallkindsofcylinderstructuresforreferences.Atlast,thedesignideasofthegascylinderissummedupandthedesignofM1000Aiscompleted.
KeywordsGascylinderThreedimensionaldesignCraftwork
目录
1引言1
1.1三维设计的意义与作用1
1.2CAD在三维设计中的应用2
1.3国内外气瓶的发展现状2
1.4本文主要工作3
2M1000A气瓶的总体设计4
2.1几种气瓶结构性能简介4
2.2M1000A气瓶的总体方案5
2.3气瓶的整体造型8
3气瓶的三维造型9
3.1Solidworks软件9
3.2M1000A气瓶零件的三维造型9
3.3M1000A气瓶的工程图14
4M1000A气瓶的装配16
4.1装配方法16
4.2装配体爆炸视图19
4.3气瓶工艺20
结束语22
致谢23
参考文献24
1
引言
1.1三维设计的意义与作用
现代计算机技术和CAD应用软件技术的发展，决定了CAD应用应当以显著提高设计质量和设计效率，明显降低设计成本，充分缩短设计、生产准备周期，浓缩和提高优秀的设计经验，提高整个设计技术的管理水平为目的[1]。
三维CAD系统中的工程图设计与一般二维设计系统不完全相同，三维CAD系统中的工程图设计可以直接由三维模型投影而成，从而保证各个视图的正确性，使用者只需要对视图中个别线条进行调整，并标注工程符号，即可满足工程图纸的要求。
三维模型设计中包括了产品完整的几何结构， 还可以从三维模型中产生其他各种视图，除基本标准的三视图外，还可生成轴测图、向视图、各种剖视图、局部视图等。
在三维的CAD产品设计中，可以调节渲染所设计产品的一些基本属性，如光源设置，模型属性（颜色、透明度、反射系数等），还可以设置模型的颜色、纹理、反射、景深、阴影等效果， 从而达到渲染产品外观的效果。
从设计的观点来看，人们头脑中所构思的设计对象就是三维物体，因此，直接用三维实体形式来描述设计对象是最直观、方便省力的设计方式。
随着三维CAD图形技术的发展，使用三维设计的有如下优势：
（1）三维模型比二维图形更接近真实的对象。
（2）三维模型可以转变为多个视图，并可在标注带有尺寸的二维产品图，从而获得二者的最佳形式。
这种从三维模型转为二维图形的优点是：
对于模型和任何修改将自动反映到相应的视图上。
（3）三维模型可生成具有真实感的渲染图。
产品图是非常有价值的，但渲染图常常可以更清楚地展现一个设计，并有利于找出设计缺陷和验证设计。
（4）可直接作为不需要用图纸的对象成型。
通常，采用第三方面的程序将模型转换为数控加工的格式[2]。
只有在三维的CAD设计中，才可能建立进行有限元分析的原始基本数据，进而实现产品的优化设计。
用三维模型在装配状态下进行零件设计，可避免实际的干涉现象起到事半功倍的作用。
凡此种种，二维的绘图设计只能在局部勉强达到。
因此，采用三维设计是设计理念的一种变革，是CAD的真正应用的开始[3,4]。
1.2CAD在三维设计中的应用
三维CAD系统作为一种直观、形象的设计辅助工具，可以帮助设计人员建立产品的三维模型。
随着计算机软件和硬件技术的发展以及数学方法的引入，计算机三维技术得到了迅速的发展和广泛的应用，包括建筑、机械上的工程应用和特殊效果的设计等，尤其是在现代加工技术下，数控加工设备对零件的三维模型依赖越来越高，通过使用CAM软件对零件的三维模型的处理来实现零件的数控加工设计[5]，就会及早取得经济和技术效益，因为它是CAD应用发展的必然趋势。
随着CAD产品的不断升级更新，它的三维设计功能会越来越强大。
一方面对产品进行造型设计、外观设计，完成后的三维实体模型图像逼真，可用于制作产品样本、宣传样本等；另一方面，通过进行装配仿真、机构运动仿真来进行尺寸干涉检查和运动干涉检查，能及时发现设计中的错误，实现产品设计尺寸的“无差错设计”。
CAD软件主要用来绘制工程图，由于其强有力的图形处理功能吸引了众多的用户使用，又由于CAD系统方便的二次开发环境吸引了众多专业人员支开发它，因此CAD系统功能将会越来越强，使用会更加方便。
1.3国内外气瓶的发展现状
在经济高速发展的现代社会中，气瓶制造业被认为属于朝阳工业范畴[6]。
多年来，我国气瓶行业走过了从无到有，从小到大的道路。
随着国家经济建设需求的增长，更主要是气体工业的发展，带动了气瓶制造业的兴起和发展。
从1957年设计制造了第一批40升15Mpa级钢质无缝气瓶开始，到以后相应的铝合金无缝气瓶，液化石油气钢瓶,各种焊接气瓶以及近几年开发的高强钢无缝气钢瓶，汽车用液化石油气钢瓶等等。
中国是大量生产和使用气瓶的国家，已经是国际上不容忽视的气瓶大国。
但是应该承认我国的气瓶产品还存在着普通产品低档化，高、精、尖、特产品制造能力存在着空白或尚属起步阶段。
正如其它行业，气瓶行业具有着自身独特的规律和周期。
在国外气瓶行业不断的经历着成长和发展。
90年代的复合气瓶市场，日本政府批准了复合气瓶，从美国到日本及其它亚洲国家的出口量剧增。
1991年商用碳纤维的价格骤跌，意味着以碳纤维为增强材料的商用复合气瓶成本会降低。
美国市场在70年代末，80年代初投入使用的第一批复合气瓶开始陆续达到5O年使用寿命的极限，更新复合气瓶的市场商机开始显现出来。
英国、德国和其它欧洲国家于1993年允许碳纤维复合气瓶的销售，到1996年出口到欧洲的碳纤维复合气瓶数量急剧增。
1996年年底，危品办批准了碳纤维复合气瓶在美国市场的销售。
1997年，碳纤维复合材料气瓶进入美国市场，比玻纤维复合气瓶减轻重量约40％。
这些变化极大的刺激着复合气瓶的市场需求、产量和技术创新。
目前复合材料气瓶在美国的研究发展动向主要体现在以下几个方面：
一是燃料整体供给系统。
该系统是将普通的CNG复合气瓶装入一个复合材料制成的保护壳内，里面填充有防冲撞的泡沫，气瓶与汇流管路相连，并有一个总阀门和减压装置，这样可以减少系统部件。
保护壳将气瓶完全包裹起来，并装有简易把手和安装支架，这样看起来，无论是尺寸还是外观，都与普通的汽油箱很相似。
二是气瓶的重量趋向更轻，成本趋向更低。
三是氢燃料贮气瓶。
四是复合材料储能器。
五是航空用气瓶。
1.4本文主要工作
在经济高速发展的现代化社会中，气瓶制造业也不断朝着高、精、尖、特产品发展。
随着社会经济的高速发展，气瓶越来越多的被使用在经济建设和社会生活中。
而在现代化的制造企业中都普遍采用计算机辅助设计软件来进行产品的设计工作，能够运用计算机辅助设计软件设计一种安全、低成本、使用寿命长的气瓶以满足应用需求将会越来越受欢迎。
本文采用SolidWorks，以一个实际的产品M200A气瓶为研究对象设计了M1000A气瓶，制作了该气瓶所有零部件的三维构造模型和非标准零件的工程图以及产品的装配图。
在此基础上，出于制造的目的，形象地分析它们零部件之间的相互关系，将装配图按照零部件的配合条件产生爆炸试图。
2
M1000A气瓶的总体设计
2.1几种气瓶结构性能简介
2.1.1铝合金内胆纤维全缠绕气瓶
该气瓶内胆以优质6061铝合金材料，经冲压、拉伸、热处理、数控旋压收口、内表面处理等工序加工制作而成。
内胆壁厚均匀、壁厚差小，肩、底形状精度高、一致性强，内表面采用阳极氧化处理，具有更加良好抗腐蚀性能。
气瓶缠绕层采用进口优质碳纤维、环氧树脂等原材料，经数控缠绕、高温固化等工序加工而成。
较金属气瓶具有更优良的综合性能，工作压力大幅度提高，储气量增加，重量减轻约50%，具有更好的耐腐蚀性、绝缘性、减震性和安全性。
可以在消防队员或救护人员进入烟雾、毒气、粉尘或缺氧等恶劣环境时提供有效的呼吸系统保护，广泛应用于消防、矿山、化工、冶金、石油、电力、医疗、防暴、天然气汽车等领域。
造型如图2.1所示。
图2.1铝合金内胆纤维全缠绕气瓶
2.1.2氧气瓶
医用输氧器是一种小型的供氧装置，主要用于个人保健、医院、高原补氧和井下供氧等。
该输氧器结构简单、安全可靠、贮氧量大、保压时间长。
其上装有压力表、减压器和流量表。
特别是氧气瓶是由铝合金制作的，使之具有抗腐蚀、耐高压，给使用其提供了清洁、清爽、无锈味的氧气。
造型如图2.2所示。
图2.2氧气瓶
2.1.3钢制无缝气瓶
用优质碳钢、锰钢、铬钼钢或其他合金钢的钢坯为原材料，经冲压拉伸法制成或采用优质无缝钢管为原材料经热旋压收口收底制成的气瓶。
无缝气瓶的底部结构有凹形和凸形两种。
凸形底又分半球形、碟形和H形。
钢质无缝气瓶采用国际一流加工设备，先进的工艺流程，可生产公称工作压力为8-30MPa，公称容积为0.4-80升的大、中、小型各种规格高压无缝气瓶，主要盛装永久气体，高压液化气体，如：
氧气、氮气、氢气、二氧化碳等，广泛用于工业、国防、医疗、科研等行业。
造型如图2.3所示。
图2.3钢制无缝气瓶
2.2M1000A气瓶的总体方案
气瓶是一种专供盛装和运输气体或液化气体用的移动式容器。
从广义上讲应包括不同压力、不同容积、不同结构形式和不同材料用以贮运永久气体，液化气体和溶解气体的一次性或可重复充气的移动式的压力容器[7]。
这种专门用途的需要，气瓶的形状和结构就必须简单、紧凑，重量较轻，易于搬运和使用。
气瓶的容积一般都较小，常用的为30～200升；气瓶的长度适中，约1．5米左右，过长和过短都不便于搬运移动；气瓶在充装气体和库存储放期间要直立放置，以免产生滚动或相互撞击，因此它的底部应具有立放的支座；气瓶的顶部则有一个接口管，管内有内螺纹，用以与瓶阀连接。
从结构上分类有无缝气瓶和焊接气瓶；从材质上分类有钢质气瓶（含不锈钢气瓶），铝合金气瓶，复合气瓶、其他材质气瓶；从充装介质上分类为永久性气体气瓶，液化气体气瓶，溶解乙炔气瓶；从公称工作压力和水压试验压力上分类有高压气瓶、低压气瓶。
本课题研究的是钼源气瓶，该气瓶从结构上看属于焊接气瓶。
但又区别于一般的焊接气瓶。
在其内部所贮存的是钼源，由于钼源是一种剧毒性的气体，所以对输送、贮存这类气体气瓶的安装、焊接、严密性、洁净度、耐腐蚀都有严格的要求。
本文设计的气瓶不同于以上几种气瓶，主要由瓶底、瓶身、瓶盖、阀、通气管等部分组成。
由于盛装的是剧毒气体，气瓶的容量比较小，瓶体总高165cm。
气瓶材料采用1Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni9Ti有较高的抗拉强度，较低的屈服点，极好的塑性和韧性，焊接性能和冷弯成型性能好，1Cr18Ni9Ti含有抗晶界腐蚀的钛，可以通过热处理提高它的抗晶界腐蚀能力。
主体部分采用焊接，主体焊缝的焊接采用自动焊接方法，并严格遵守合格的焊接工艺，以确保气瓶外观质量及严密性。
气瓶的内表面粗糙度，机加工应达到1.6
机械抛光应达到0.1
，最后经电抛光处理。
2.2.1瓶底、瓶身、瓶盖的设计
瓶底、瓶身、瓶盖是气瓶的主体部分，三者通过焊接连接在一起，组成气瓶的瓶体。
对于它们的设计思路主要是参照国内外的参考文献，以及一些具体的例子以后得出的。
瓶体总高设定为165cm，直径118cm。
具体为：
瓶盖总高17cm，瓶身总长134cm，瓶底为14cm。
瓶盖上面有三个通孔，用于分别连接长管、短管和瓶盖帽。
这样的设计用意在于，长短管负责进出气，瓶盖帽可以拧下，以便对气瓶进行清洗。
瓶身的设计比较简单，端面的厚度与瓶底、瓶盖一样，主要考虑焊接的严密性。
瓶底的设计与一般焊接气瓶的瓶盖类似，只是该瓶盖在其中心部分有一个圆形的凹槽，这样设计的目的在于可以使气瓶内部气体使用完全，减少剩余量，提高利用率。
2.2.2弯管的设计
弯管是气瓶内部用于通气的管道，在气瓶中它也扮演着重要的角色，是本设计气瓶不可缺少的部分，由于瓶盖的设计中进出管道分布在瓶盖两侧，考虑到用气的完全，内部管道必须伸入瓶体的中心部分，所以必须设计成弯管。
上面设计的瓶体总高为165cm，弯管与短管焊接在一起，短管与瓶盖焊接，因此除去瓶盖实体厚度12cm，弯管下端口至瓶盖内表面的距离应小于149cm。
加上弯管插入弯管的长度，设计弯管垂直总长为148。
插入入口管3cm后，管口至盖内表面的长度应小于156cm。
并且自行设定一定的角度，使的安装后，下端口正好处于瓶底凹槽内。
弯管材料采用1Cr18Ni9Ti，该材料焊接性能和冷弯成型性能好，能够满足耐腐蚀的要求。
2.2.3气瓶阀的设计
气瓶阀（CylinderValves）是指与压缩气体钢瓶瓶口直接相连，使钢瓶可以容纳气体，并控制气体进出钢瓶的截止阀[8]。
气瓶阀通常采用针阀或隔膜阀的结构形式。
针阀结构的气瓶阀分为压力密封型、扳手型、非旋转阀杆型。
隔膜阀结构的气瓶阀分为弹簧返回型（Spring-LoadedDiaphragmValve）、一体型（TheTied-DiaphragmValve）。
气瓶阀作为控制压力容器的阀门，配有压力释放装置。
要注意的是，气瓶阀的设计、制造是按照各专业协会的标准进行的，例如气瓶阀进、出口的结构及螺纹形式等都有特定的规范，选用气瓶阀时不能简单地用针阀或隔膜阀来代替。
对于剧毒气体，高纯度气体，稀有气体和自燃气体要采用隔膜阀结构的气瓶阀。
本设计在其接口处采用VCR接头，由于是球面接触，即使管线受到外力扭转或弯曲后，也不至于使接口处松动，且因结合面为球面连接而十分严密。
较好的保证气瓶的密封性。
气瓶阀与长短管的连接采用焊接方式，将气瓶阀与长短管进行焊接相比于螺纹连接，卡套连接等众多管道连接方式，有如下优点：
（1）泄漏的可能性最小；
（2）抗振动性、抗压力的冲击性最佳；
（3）对温度的高、低及循环变化适应性最强；
（4）可保证管道系统内部的清洁。
2.2.4气瓶帽的设计
本设计的气瓶需要用到三个气瓶帽，阀上有两个形状和尺寸完全相同的气瓶帽，瓶盖用到一个形状完全相同，尺寸稍大的气瓶帽。
该帽不是一个单一的整体，而是一个装配体。
它由螺母、垫片、通气管等五部分组成。
其主题部分是一个六方体造型，螺母设计成四方行。
气瓶帽头上设计一个孔，便于与阀连接，旋下时不至于丢。
帽体部分有一个通孔，该孔主要用于拧紧螺母时将帽内空气排空，形成真空。
气瓶帽内部使用的垫片材料采用无氧铜。
2.3气瓶的整体造型
综合以上所有的设计，绘制出M1000A气瓶的总体造型。
如图2.4所示。
图2.4M1000A气瓶的整体造型
3
气瓶的三维造型
3.1SolidWorks软件
SolidWorks是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。
由于使用了Windows的OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks已成为全球装机量最大、最好用的三维CAD软件。
SolidWorks拥有众多第三方软件供应商的支持，可以实现加工、分析、逆向工程等工程应用。
用SolidWorks软件设计的零件、装配体、工程图具有全相关性，可大大减轻设计修改的工作量，缩短产品研发周期；SolidWorks与加工编程软件CAMWorks、有限元分析软件CosMos／Works、流体力学分析软件FloWorks软件直接结合，使SolidWorks更加如虎添翼，功能更加强大，再借助于SolidWorks本身丰富的数据接口在机械设计和制造方面进行产品的虚拟样机测试、仿真分析和快速制造，可大幅度缩短产品研发周期，降低开发成本。
为比较评价不同的设计方案，减少设计错误，提高产量，SolidWorks强劲的实体建模能力和易用友好的Windows界面形成了三维产品设计的标准。
机械工程师不论有无CAD的使用经验，都能用SolidWorks提高工作效率，使企业以较低的成本、更好的质量更快将产品投放市场。
而最有意义的是，用于SolidWorks的投资是容易承受的，这使得参加工程设计的所有人员都能在他们桌面上的计算机进行三维设计[9]。
3.2M1000A气瓶零件的三维造型
SolidWorks是一款功能强大的计算机辅助绘图和设计软件系统，其所有的零件都是建立在草图基础上的，草图功能的提高会直接影响到对零件的可编辑能力的提高。
然后可以以拉伸、旋转、扫描、放样等特征形式形成实体。
本文以M1000A气瓶为例，对其瓶底、瓶身、瓶盖、阀等为主要研究对象说明其应用SolidWorks进行三维造型的要点。
在造型中需要注意的一些问题有：
（1）每当新建一个零件时，最好给零件适当命名，尽量不要采用系统默认的名称，以便以后查询检索；
（2）在采用SolidWorks进行三维设计时，应适时进行保存，以避免前面的工作前功尽弃。
例如我在绘制较为复杂的零件时，由于计算机内存不足的原因，计算机自动退出绘图界面，没有适时进行保存而造成从头开始工作；
（3）SolidWorks提供了强大的圆角建模功能，圆角特征在设计零件时起着重要的作用。
一般情况下，如果能在零件特征上加入圆角，则有助于造型上的美观。
在绘图过程中，一定注意特征间的父子关系。
因此，圆角的建立最好是在实体绘制的末期。
尽量不要以圆角的边作为参考边，以免产生父子关系不利于往后的设计[10]。
3.2.1瓶底、瓶身、瓶盖的三维造型
瓶底、瓶身、瓶盖是本文研究的气瓶的基本组成部分，在SolidWorks中，对于本文设计的气瓶的瓶底、瓶身和瓶盖的实体造型比较容易实现，基本都可以通过拉伸和切除来实现，也可以完成它们的截面草图，然后一次旋转完成。
瓶底的设计步骤：
首先是草绘一个圆，然后拉伸成实体，再切除。
其瓶底中心的一部分圆是通过绘制截面图，然后通过旋转-切除得到。
最后再进行倒圆角。
如图3.1所示。
图3.1瓶底
瓶身的设计比较简单，在设计好具体的尺寸后，只通过拉伸-切除就可以得到。
然后再在内轮廓倒圆角。
如图3.2所示。
图3.2瓶身
利用拉伸、拉伸-切除完成瓶盖的造型。
如图3.2所示。
图3.3瓶盖
3.2.2阀的三维造型
气瓶阀作为控制压力容器的阀门，配有压力释放装置。
要注意的是，气瓶阀的设计、制造是按照各专业协会的标准进行的，例如气瓶阀进、出口的结构及螺纹形式等都有特定的规范，选用气瓶阀时不能简单地用针阀或隔膜阀来代替。
本设计的阀采用VCR接头，其包括接头；焊接装配；垫片；螺母，螺帽和接头。
由于VCR是标准件，在本课题设计中，未对其进行设计，而是直接向供应商购买。
因此在整个阀的三维造型中未对其进行组合装配，只是表现出它的外观造型。
在整个阀的设计过程中，最主要的是利用拉伸，拉伸-切除特征，然后进行倒圆角。
对于阀体上的文字，开阀及气体流向标志，是通过草绘文字和图行，再经过切除得到。
如图3.4所示。
3.4阀
3.2.3弯管的三维造型
弯管的造型是利用扫描特征来实现的。
其设计过程如下：
草绘扫描路径，绘制扫描截面图，然后点击特征工具栏上的扫描，选择草绘路径和圆截面图得到弯管实体造型，再利用扫描切除特征将弯管打通。
如图3.5所示。
3.5弯管
3.2.4安全帽零件的三维造型
本设计的安全帽一共有三个，两个小，一个稍小，形状相同，尺寸不同。
所以设计造型时不再分开讲述。
其包括以下几个部分：
帽1、帽2、垫片、螺母和通气管。
利用拉伸，拉伸-切除，旋转，扫描切除等特征设计各个零件，完成其所有的造型。
设计过程如下：
（1）利用拉伸，拉伸-切除，倒圆角特征完成如图3.6所示造型。
3.6帽1
（2）利用旋转，倒圆角等特征完成如图3.7所示造型。
3.7帽2
（3）利用拉伸，特征垫片的造型，然后选择材质，得到如图3.8所示造型。
3.8垫片
（4）利用拉伸，拉伸-切除完成螺母基本实体，对于螺纹，绘制时比较麻烦，需注意的事必须转换实体应用，然后插入草绘，再插入曲线，螺旋线-涡状线，绘制螺纹形状，最后利用旋转切除得到。
如图3.9所示。
3.9螺母
（5）利用拉伸，拉伸-切除以及倒圆角特征完成通气管的造型。
如图3.8所示造型。
3.10通气管
3.2.5长、短通气管的三维造型
长、短通气管的三维造型的设计是比较简单的，利用拉伸，拉伸-切除就可以完成造型。
如图3.11所示。
3.11长、短通气管
3.3M1000A气瓶的工程图
在工程中，三维零件图和装配图并不是用来指导生产的主要技术文件，而所使用的图样是一组具有规定表达方式的二维多面正投影图，然后标注尺寸和表面粗糙度符号及公差配合，这种图样在机械制造中称为工作图，也就是SolidWorks中的工程图。
SolidWorks最优越
升级会员 