何洋基于SolidWorks的手动气阀的模拟仿真.docx
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何洋基于SolidWorks的手动气阀的模拟仿真
河 南 科 技 学 院
2009届本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于SolidWorks的手动气阀的模拟仿真
学生姓名：
何洋
所在院（系）：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及自动化
导师姓名：
万秀颖
完成时间：
2009年5月20日
摘要
本文探究了计算机模拟仿真技术的概念、特点和分类、关键技术以及在现实生活中的几个典型应用，同时介绍基于SolidWorks的手动气阀的模拟仿真。
详细分析了手动气阀的各个组成零件和工作原理，完成了手柄球、阀体、气阀杆、芯杆、密封圈和螺母的三维实体建模与实体零件装配以及利用Animator插件对手动气阀进行了爆炸演示和模拟仿真。
关键词:
模拟仿真,手动气阀,SolidWorks软件
SimulationofmanualairvalveBasedonSolidworks
Abstract
Thisarticleexploresthecomputersimulationtechnology,abouttheconcept,characteristicsandclassification,thekeytechnologies,aswellasafewtypicalapplicationsinthelife,AtthesametimeitintroducesthesimulationofmanualairvalvebasedonSolidWorks.Thedetailedanalysisofthemanualairvalveofthevariouscomponentspartsandtheprincipleofwork,hascompletedthree-dimensionalsolidmodelingofhandleballvalve,thevalvechest,gasvalvestem,corerod,sealringandnut,entityoftheassemblypartsandusedofplug-Animatortomanualairvalveforexplosiondemoandsimulation.
Keywords:
Simulation,Manualairvalve,SolidWorkssoftware
1绪论
计算机仿真技术是世界各国十分重视的一项高新技术。
仿真是以计算机系统为基础，根据用户的要求，建立实际系统的数学模型，并使之转换为仿真模型，在不同的工况下，在计算机系统中运行演示，从而真实地展现实际系统运行状态的过程。
它是涉及计算数学、工程控制、各种实际系统的专业知识、计算机软硬件技术等多学科领域的一项综合性高科技技术;是科学工作者、工程技术人员、运行操作人员进行系统分析、优化设计、性能评估、运行试验、教育培训、操作训练的有力工具。
它在国防、能源、交通、航空航天等重要的军事与非军事领域，得到了越来越广泛的应用。
美国1992年提出的22项国家重点发展的关键技术报告中，计算机仿真技术被列为第16项。
同年提出的21项国防及军事重点发展的关键技术报告中，被列为第6项。
充分说明了模拟仿真技术在现代科学技术领域中的重要地位。
Solidworks软件是一种强大的虚拟样机设计和仿真平台,具有方便易用、直观简单、功能丰富等优点。
利用该项技术可以快速地发现机械系统设计中的缺陷,并可以直接更改模型,大大地减少了设计中的错误,缩短了新产品的开发周期;同时基于该软件的模拟仿真可以在教学上直观形象的演示给学生，使学生通过通俗易懂的画面，快捷、高效地接受新知识。
2仿真技术的概述
仿真（emulation）是指用一个数据处理系统,来全部或部分地模仿某一数据处理系统,使得模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据,执行同样的程序,获得同样的结果。
模拟（simulation,有时也译作仿真）是指用一个数字处理系统表达某个物理系统或抽象系统中选取的行为特征[1]。
但在习惯上我们总是将仿真模拟两个词连用,有时也简称为仿真,以simulation来表示,是用模型（物理模型或数学模型）来模仿实际系统,代替实际系统进行实验和研究,是产品设计和制造中的常用技术手段。
确切地说,仿真模拟技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用系统模型对实际或者设想的系统进行试验研究的一门综合性技术[2]。
它综合了计算机、信息处理、自动控制等等多个高新领域的技术,已经成为科学研究中除理论研究和科学实验以外的第三种方法[3,4]。
目前的广泛应用不仅有力地推动了计算机、电子和控制技术等相关学科的发展,其应用成果也产生了巨大的经济效益和社会效益。
用仿真模拟系统进行试验,不受气候、场地和时间等客观条件限制,具有经济、灵活、可多次重复使用的优点,尤其适用于航空、航天、国防、航海及其他大规模复杂系统的分析、设计、试验和评估过程,已经成为许多复杂系统必不可少的辅助设计手段。
其中著名的有美国NASA在航天器外的空间活动和哈勃天文望远镜修复的地面仿真模拟训练系统[3]。
因此,美国国防部将建模和仿真技术列为21世纪保证美军优势地位的七大关键技术之一[4]。
国外产业界也将其视为一项参与新世纪竞争的重要技术。
3仿真模拟技术的特点与分类
传统上,仿真模拟技术是探讨系统、模型、仿真三者之间的关系,仿真就是对模型的实验,模型是系统的抽象,仿真建模就是对不同形式的系统模型研究其求解算法。
现代的仿真技术,更多的是根据物理规律通过计算机的程序计算,建模方法和手段更为丰富,如通过基于模型库的结构化建模,采用面向对象建模方法,在类库的基础上实现模型拼合与重用等软件工程技术。
由此涌现出来的众多的新算法和新软件,大大加快了仿真模拟过程。
要想通过仿真模拟得出正确、有效地结论,必须对仿真结果进行科学的分析。
现代仿真软件广泛采用了可视化技术,通过图形、图表,甚至动画生动逼真地显示出被仿真对象的各种状态,使模拟仿真的输出信息更加丰富、更加详尽、更加有利于对仿真结果的科学分析。
3.1仿真模拟的分类
仿真模拟技术在不同的应用领域和应用中,具有不同的实现形式,主要体现在系统模型或者仿真模型的不同实现形式,根据系统模型中是否包含随机因素,可分为随机型和确定型模型;根据模型是否具有时变性,可分为动态模型和静态模型;从仿真模拟的形态区分,通常有实物仿真和半实物仿真甚至全软件仿真等形式;从系统状态来区分主要可以分为离散事件仿真、Monte-Carlo仿真和连续仿真等形式。
3.2仿真模拟与虚拟现实技术
在有关文献中,我们经常可以看到仿真模拟技术与虚拟现实技术等表达方式密切相关,虚拟现实和仿真模拟是从不同的角度、不同的对象或者不同的应用范围来阐述实物虚化和虚物实化的控制操作过程间的研究目标和实现手段等大部分是相似的。
虚拟现实从用户感受角度分为桌面级虚拟现实和沉浸式虚拟现实两种类型,从研究对象角度分为仿真虚拟现实和假想性虚拟现实,还有其他依据不同的背景和要求对虚拟现实研究方法和表现形式的各种分类[5]。
通常我们要求虚拟环境满足三要素:
沉浸感（immersion）、互动性（interaction）和构想性（imagination）,但是对于不同的应用目标,虚拟现实技术对三个要素的实现要求也有很大的不同。
仿真模拟技术按照技术交互手段和实现目的不同分为过程仿真和结果仿真,前者侧重在系统行为过程活动的真实性验证,它与虚拟现实技术联系更为紧密,后者侧重在对系统模型计算结果的验证,通常借助于高性能计算机等设备获得数据,再对计算结果作可视化重现。
而通常我们所说的计算机仿真更侧重在利用计算机软件模拟环境与真实环境结合进行的操作和推演,因此仿真模拟更注重于系统中的一些物理特性或真实特性,有时并不注重系统的沉浸感。
但是目前越来越多的仿真模拟技术与虚拟现实技术相结合以提高仿真模拟的沉浸感,虚拟现实也越来越多地使用仿真模拟常用的设备和装置来提高虚拟现实的真实感,因此两者的界限也越来越模糊。
这里我们不对两者作清晰的区分,这里所说的仿真模拟技术就是综合使用这两种技术的统称。
4仿真模拟中的关键技术
仿真模拟技术的关键是模型和环境的构建以及实时交互和反馈技术。
它涉及到数据表示、运动计算和实时视景生成等基本环节。
数据表示与管理不仅与物理模型或者数学模型的构建和环境生成等图形图像数据有关,也与其他数据格式和具体应用背景所需要的数据有关。
运动计算不仅需要高性能的计算能力也与仿真应用背景密切相关,它包括动力学或者运动学方程等具体的数学物理模型求解以及实时交互计算。
实时视景生成对于强调过程真实感的体验型仿真模系统尤为重要。
4.1动态环境建模技术
虚拟环境的建立是体验型虚拟仿真模拟技术的核心内容。
动态环境建模技术的目的是根据应用的需要获取实际环境的三维数据,建立相应的虚拟环境模型和仿真对象。
三维数据和三维对象的获取可以采用场景建模,图像等多种形式,有效提高数据获取的效率。
它的技术特点是执行人在一个通过计算机和其他设备构建起来的三维视觉或者听觉、以及包括触觉反馈在内的操作环境中,对执行人的反馈做出及时响应,造成与真实场景和系统几乎一样的操作感觉,因此系统要求具有很强的实时交互性。
据统计,仿真模拟系统所提供的视景为仿真模拟提供了70%的有用信息[6],仿真模拟系统内容的丰富程度、逼真度、清晰度和视场角的大小,直接影响到仿真系统的质量和仿真模拟效果。
尽管目前构成的虚拟场景已经有了较为逼真的场景效果,但是利用图形图像技术生成的真实感场景与真实场景相比仍有不小的差距。
目前采用的增强现实技术,采用部分真实的场景对象代替计算机生成对象,对仿真模拟过程起到了很好的效果。
三维声音处理也是一个虚拟仿真场景所需要的,它包括声音合成、三维声音定位和语音识别等技术。
在某些应用中,还需要声光电磁等环境因素的考虑。
4.2 交互设备和工具
人与虚拟环境交互的硬件接口装置,涉及图形图像硬件设备,用于产生沉浸感,以及跟踪装置,用于跟踪用户头部的位置和方向及从手的位置跟踪到全身各肢体的位置,跟踪装置把这些信息送入应用软件,以确定眼睛的位置及视线方向。
如头盔式显示器（HMD）、空间沉浸式显示器（SID,如洞穴式和圆顶式）。
触觉和力反馈系统提供触觉刺激,如三维动作跟踪器可提供32个关节传感器,带力反馈的数据手套等。
虚拟仿真模拟技术的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。
现有的虚拟仿真技术还远远不能满足系统的需要,例如,数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点,虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。
4.3 仿真场景管理技术
虚拟仿真中包括大量的感知信息和模型,如信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。
同时需要协调景、物、事件、输入信息等。
仿真场景的管理技术为系统的正常运行提供技术保障。
尤其对于当前的分布式模拟仿真技术,仿真场景的数据组织和管理更为复杂也更为重要。
4.4 网络环境技术
当前,随着计算机网络技术的发展和广泛应用,也由于各种应用需求的驱动,分布式仿真模拟系统成为目前的研究热点之一。
系统中数据和交互命令的快速传输,要求分布式系统能够及时响应,同时系统的规模还要求可扩展、功能可扩充、甚至要求是异构型的软件结构。
4.5 应用环境系统
应用系统是面向具体问题的软件部分,描述仿真的具体内容,包括仿真的动态逻辑、结构以及仿真对象与用户之间的交互关系,与具体的应用有关,仿真对象的行为模拟的真实性和可信性很大程度上取决于对场景对象构建的物理模型和数学模型的量化程度和模型的精度。
5仿真模拟技术的几个典型应用
仿真模拟活动对社会和科学技术的影响体现在很多方面。
例如,在军事领域的应用,有力地推动了军事理论和军事思想的深刻变革,提升了国家的国防安全实力;在设计制造业中的广泛应用,不仅缩短了企业的产品设计与制造周期,而且提高了产品质量,从而提高了企业的竞争力;在政府决策和管理领域的应用,提高了决策管理的科学水平,减少了决策错误,提高了政府管理效率;在文化娱乐方面的应用,不仅丰富了娱乐内容,也提高了节目的观赏性,创造了更多的梦幻效果,同时节约了娱乐节目制作的成本,提高了文化传播能力。
随着计算机技术和其他相关装备技术的发展,仿真模拟技术越来越朝着真实性、实时性和隐形性方向发展。
仿真模拟技术已经越来越多地融合到我们的生活中,并影响着我们的生活方式和生活习惯。
5.1制造工业中的模拟仿真技术
试验阶段是产品设计完成后的关键阶段。
大多数企业都是先制造物理样机,投入试验,如果某些地方试验失败,则重新设计、重新制造、重新试验,如此反复,直到通过定型。
显然,这样反复多次的“设计、试验、修改”过程,耗时长,成本高。
制造工业中的产品设计仿真分析,主要是为了发现设计缺陷、减少重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能等。
在数字样机的仿真试验中发现问题、修改设计,与物理样机相比,显然其成本降低很多。
据统计,数字样机的开发方式能够减少一半以上的物理样机制造和试验,从而争取到更多的时间,节约大量的费用。
例如汽车碰撞仿真,模具设计与数控加工仿真系统等。
5.2作战演习的仿真模拟
现代作战仿真模拟是计算机技术、军事运筹学理论和战役战术学等多学科相结合的产物[3-5]。
从单件武器的操作训练发展到作战协同和对抗训练、再到战术合同演练乃至大规模高速远程网络支持的多兵种多武器平台环境下的联合作战演习,仿真模拟技术都有广泛的应用。
其主要功能有三:
一是直接或通过导调人员给受训者提供逼真的战场态势信息,使官兵有如“身临其境”的感受;二是接受受训人员对态势信息的反馈（判断和决策）;三是通过模拟系统运行结果,对受训人员的反应给以评估。
所以加强现代作战仿真模拟系统的研究开发,不仅可以节约大量的资金,避免大量的物资消耗,有助于实现我国的国防现代化,也有助于改善我国国际周边环境,改善我国的国际形象。
6基于SolidWorks的手动气阀的模拟仿真
随着计算机技术的发展,在气压传动教学中采用计算机辅助教学已成为一个发展方向。
气压传动教学中很重要的内容是介绍气压元件的结构和工作原理,它涉及到气压传动工作介质在气压元件内部的流动。
在传统的教学方式中,由于挂图或胶片是静止的,无法连贯地再现气压元件的工作过程,所以造成老师讲解困难学和生理解困难,教学效果不理想。
为了解决传统教学的缺点,本文针对气压传动的手动气阀,提出了一种基于Solidworks的结构装配和工作原理动态仿真,这样可使抽象问题直观化，既有利于老师的教学,也有助于学生的学习。
从而体现SolidWorks的优越性,并且缩短学生的理解时间,激发学生的学习兴趣,弥补传统教学方法的不足,提高教学效果。
6.1SolidWorks概述
为了开发基于微机平台的三维CAD软件，1993年PTC公司的副总裁与CV公司的副总裁共同成立了SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks软件。
该软件具有很大的创新性，SolidWorks3D设计直接从三维模型入手，省去设计过程中三维视图与二维视图之间的转化。
设计者可以方便地运用鼠标通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等拖放式操作不断改变其结构，最终完成整个产品（或零件）的设计，直观易学，操作方便。
SolidWorks软件采用参数驱动的设计模式，可以通过修改相关的参数来完善设计方案，支持设计方案的动态修改。
软件包含丰富的标准件图库，用户也可任意扩充自定义的图库，因而减少了不必要的重复性设计工作，有效地缩短了设计周期，提高了设计效率。
SolidWorks可以通过任意旋转和剖切对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测，发现问题立即修正，把“试制过程”放在设计阶段，可以避免做成实物后才发现问题，提高了新产品的设计效率。
SolidWorks软件拥有数十个黄金合作伙伴，比如美国著名的结构研究公司的Cosmos软件能够和SolidWorks软件无缝集成，实现机械产品的运动学和动力学仿真，此外还可以对机械零件进行有限元分析，从而进一步进行强度校核或优化设计。
6.2手动气阀的基本工作原理
手动气阀是汽车上用的一种压缩空气开关的机构，其工作原理如图1所示。
当通过手柄球（序号1）和芯杆（序号2）将气阀杆（序号6）拉到最上位置时，储气筒与工作气缸相接通。
当气阀杆被推到最下位置时，工作气缸与储气筒的通道关闭。
此时工作气缸通过气阀杆的中心孔道与大气接通。
气阀杆与阀体（序号4）孔是间隙配合，装有O型密封圈（序号5）以防止压缩空气泄露，螺母（序号3）气质固定手动启发位置的作用。
图1手动气阀工作原理
6.3手动气阀组成零件的实体建模
Solidworks2007用户界面非常人性化,便于操作。
在Solidworks的标准菜单中包含了各种用创建零件特征和基准特征的命令。
其中基础实体特征主要有拉伸凸台/基体、旋转凸台/基体等。
在基础实体特征上可添加圆角、倒角、肋、抽壳、拔模及异型孔、线性阵列、圆角阵列、镜像等放置特征,这些特征的创建对于实体造型的完整性非常重要。
在处理复杂的几何形状时还需要其他高级特征选项,包括扫描、放样凸台P基体及参考几何体中基准轴、基准面这些定位特征等。
通过以上特征造型技术在Solidworks中能设计出需要的实体特征。
一个零件的建模过程，实际上就是许多个简单特征相互之间叠加、切割或相交的操作过程。
按照特征的创建顺序，构成零件的特征可分为基本特征和构造特征，因此一个零件的实体建模的基本过程可以由如下几个步骤组成：
（1）进入零件设计模式。
（2）分析零件特征，并确定特征创建顺序。
（3）创建与修改基本特征。
（4）创建与修改其他构造特征。
（5）所有特征完成之后，存储零件模型。
以下以阀体的实体建模为例，介绍零件的建模过程。
6.3.1阀体的实体建模
在SolidWorks的环境下，单击标准工具栏中的“新建”工具，新建一个零件文件。
在特征管理器设计树中选择“前视基准面”，单击
（草图绘制）工具，进行草图1的绘制。
单击
（中心线）工具，过草图原点绘制一条垂直的对称虚线。
单击
（直线）工具，在草图上画出阀体半边的轮廓线，利用
（智能尺寸）工具使阀体轮廓修改为所要求的尺寸（如图2）。
图2阀体的尺寸轮廓
依次利用
（旋转凸台/基体）工具和
（倒角）工具，生成阀体体身。
并且，在“插入”工具栏的“注解”中的装饰螺旋线来定义要求的尺寸。
图3阀身的旋转特征视图
生成阀体以后，在前视基准面的基础上，点击“插入”→“参考几何体”→“基
准面”，创造两个基准面，（如图4）在其中的一个基准面内，建立草图，单击
（工具），通过属性关系和智能尺寸，确定出圆的相应位置，利用
（拉伸凸台/基体），从该草图的基准面拉伸成形到下一个面，
图4基准面的创建
并在“插入”工具栏，“特征”的目录下，点击
（孔向导），在孔规格的设计树下，输入要求的尺寸以及规格，生成所需要的螺纹孔。
在孔内，点击
（切除拉伸）创造草图，利用“圆”工具在草图上绘制出6个相应的气孔，利用智能尺寸进行定型和定位，根据属性，添加几何关系，使6个气孔达到所规定的要求，选择成形到下一个面，最后点击确认。
另一个基准面以同样的方法绘制。
这样阀体的实体建模就完成了（如图5）。
图5阀体的实体模型
通过以上对阀体的实体建模过程，又将手动气阀的手柄球、芯杆、螺母和密封圈以及气阀杆依次进行实体建模（如图6-10）。
图6手柄球的实体模型图7芯杆的尸体模型
图8螺母的实体模型图9密封圈的实体模型
图10气阀杆的实体模型
6.4手动气阀的装配
创建了手动气阀的零件实体后就可以进行手动气阀的装配。
先新建一个装配体,然后在插入零部件对话框中点击浏览依次选择要插入的零部件即可。
其中第1个加入的零件十分重要,它是整个装配体的装配基础,Solidworks软件已默认第1个插入零件为非运动体,其他所有的装配体零件都是以此为基础,本装配选择传动轴为装配参照体。
调入零件后,要使零件之间达到准确的装配,必须建立准确的装配约束,2个零件之间的配合关系一般用3个坐标方向的位移以及围绕这3个坐标方向的转动,系统在配合菜单下提供了包括角度、重合、同心、距离、平行、垂直、相切7种标准配合和包括齿轮配合、限制配合、对称配合及宽度配合的4种高级配合,可以使用这些配合精确地放置实体。
按照Solidworks软件中的实体装配过程,对手动气阀零件实体进行装配,装配后的效果如图11所示。
图11手动气阀的装配图
6.5手动气阀的动画演示
SolidWorks依靠Animator插件来生成动画和编辑动画，它能将Solidworks的三维模型实现动态的可视化,并且实时录制机构的模拟装配过程、模拟拆卸过程和机构的模拟工作过程,将机构的工作情况得到更好的表达,增强了人们对机构的认识和了解。
在Solidworks的环境下，先启动Animator插件,单击菜单“工具”→“插件”,单击Animator前的选项栏。
此后出现Animator的工具栏。
在Solidworks2007中Animator的操作都是在工作区底部,可单击工作区底部的“模型”或者“动画”的标签,单击模型或动画标签即可实现模型或动画操作的切换（如图12）。
图12添加Animator插件示意图
在生成仿真动画时,用Animator插件对手动气阀主要零件大致进行以下3步操作:
①切换到动画界面;②根据气阀运动的时间,拖动时间滑杆到相应的位置;③拖动手柄球、芯杆，以及气阀杆运动,使其达到动画序列末端应达到的新位置,这样就实现了工作原理的动态仿真。
同时利用爆炸视图将手动气阀各部零件一一拖动到相应位置，利用插件中的爆炸和解除爆炸生成其相应的爆炸视图。
仿真动画以AVI格式保存,这样,动画播放不需要专门的播放软件,可以提高该动画的应用和推广。
6.5.1手动气阀的爆炸演示的制作过程
在SolidWork的模式下，点击
（爆炸视图）工具，点击实体零件会出现可以移动的坐标轴，
利用该坐标轴将手动气阀的各个零件移到相应的位置上。
然后点击
完成视图（如图13）。
图13手动气阀的爆炸视图
然后将模型模式改为动画模式（如图14），点击
（动画向导）工具，在完成爆炸视图的基础上，在选择动画类型中显示爆炸和解除爆炸的选项（如图15）。
图14SolidWorks的动画模式
图15选择动画类型示意图
先点取“爆炸”一项点击“下一步”，确定时间长度和开始时间，完成之后，再次点击
（动画向导）工具，在选择动画类型点取“解除爆炸”，在计算好爆炸时间后在确定解除爆炸的时间长度和开始时间，这样爆炸过程的动画演示就完成了。
最后可以点击
（从头播放）或者
（播放）观看演示过程并点击
保存该视图。
6.5.2手动气阀的模拟仿真动画演示的制作过程
选择点击后面的下拉菜单，找到自定义，勾取
一栏，使其添加到“特征”的栏目下，
点击
（模拟）工具，选择
（线性马达），（如图16）。
图16线性马达示意
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