盖彦龙，耿翔宇，胡海霞

（河北科技大学 机械工程学院，河北 石家庄 050018）

0 引言

随着CAD 技术应用的不断深入，参数化设计技术也随着逐步发展起来，并且有着强大的实用价值。参数化设计的核心就是通过参数和约束驱动模型，修改参数值，可以实现模型的修改和联动。

阀门是各种液体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能，广泛用于石油、化工、冶金、电力、长输管线等工业领域[1]。其中，蝶阀是阀门行业的主导产品之一，通过关闭件（蝶板）围绕阀轴旋转，实现阀门的开启与关闭，有良好的流体控制特性和关闭密封特性，通常按结构形式可分为中线、单偏心、双偏心和三偏心蝶阀，具有较高的系列化程度。

在蝶阀产品的设计过程中，常会因为需求的变更，而引起大量的设计变更。在传统的设计模式下，零件设计过程中相互独立，在发生设计为变更时，重复性劳动大，易出错。本文采用关联设计技术（Associated Design）[2]，在上下游设计之间建立输入输出的驱动和约束关系，有效地解决了以上问题。

1 基于关联关系的参数化建模思想

参数化设计，也称为尺寸驱动，是通过改动图形中的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动完成对图形中相关部分的修改，从而实现对图形的驱动[3]。在参数化设计中，设计者只需将零件的关键尺寸定义为参数，通过修改参数就可以实现对产品几何模型的修改和优化。关联设计是一种特殊形式的参数化设计方法，通过驱动上游设计中的几何特征（如点、线、面、坐标等），影响和控制下游设计。

1.1 关联设计的基本概念

关联，指互相贯连，事物之间所具有的彼此约束和联系。在蝶阀产品设计过程中，公称通径DN 的变化势必会引起端法兰和加强周筋的结构变化、上下支承的变化势必会引起筒身结构的变化等。关联设计是在参数化设计技术的基础之上，把模型的参数化上升为模型与模型之间的几何元素的驱动关系，当上游设计更改时，可以将信息及时反应到下游相关设计专业，保持数据的一致性[4]。在产品设计过程中通过关联设计技术，可以实现总体与结构、结构内部之间设计关联，在设计需求更改时，可以有提高协调和响应速度[5]。

关联设计可以分为纵向关联和横向关联两大类。纵向关联是单向性的，即上游设计的变化会引起下游结构的变化，而下游设计信息的变化，对上游设计的结构没有任何影响。横向关联是双向性的，更改横向关联的任何一个零、部件的设计，都会引起其他零、部件的结构变化。

1.2 关联设计的实现方法

实现关联设计的关键是通过对设计对象的分析，得出设计对象之间的相互影响关系，包括零件与零件、部件与部件以及零件与部件之间的相互关联关系。

（1）参数驱动的关联。参数驱动的关联是指在零件拓扑结构不变的情况下，以一定方式引用反映产品设计意图的工程参数作为产品零部件设计的尺寸参变量，且给出参数与装配结构中不同零件上的对应结构关系[6]。参数驱动关联的建立可以是同一零件中的不同参数，也可以在装配体中不同的零件之间建立。这种关联的建立要有一定的方向性，在一组相互关联的参数中，把最要的参数设置为一级参数，次要的参数设置为二级参数，再次之的设置为三级参数，以此类推。当设计方案发生变化时，只要对一级参数进行适当的修改，就可以驱动其他参数自动发生变化。

（2）骨架模型的关联。骨架模型用来描述产品模型的空间需求，重要的安装位置或运动，是产品装配的三维空间规划[7]，是决定设计对象结构的具有联系的接口 （下游设计参考上游设计的几何元素） 的集合。骨架模型包括的几何元素主要是： 基准面、基准轴、基准点、坐标系统等。骨架模型直接驱动下游的零部件设计，是关联设计的神经中枢[5]，其划分的合理性，对关联设计的实现至关重要。骨架模型的建立要有一定的规范，需要对接口和骨架进行命名，对接口和骨架的引用方式进行说明，避免造成在关联设计过程中引用和设计的混乱。

（3）装配关联。装配关联是指产品中同组件、零件之间，尤其是相互之间有依存关系的组件、零件，存在着固定的空间几何关系，这种关联关系不随组件、零件尺寸大小的改变而发生变化。通常这种关联关系通过相合约束 （Coincidence Constraint）、接触约束 （Contact Constraint）、偏移约束（Offset Constraint）和角度约束 （Angle Constraint），四种约束方式实现。

2 蝶阀产品关联设计模型

蝶阀产品结构从总体上分为阀门主体结构与驱动装置两大部分，其中阀门主体结构可以划分为阀体、蝶板、阀杆、连接支架、上、下支承填料组件等设计组件，三偏心蝶阀结构，如图1 所示。

图1 三偏心蝶阀结构Fig.1 Structure of triple eccentric butterfly valve

基于蝶阀产品结构设计单元划分[8]，根据其装配关联关系，对产品结构进行合理的组织和划分，是实现蝶阀关联设计的基础。蝶阀的主体结构可以划分为阀体 （子部件）、蝶阀（子部件）、上支承填料组件（设计单元）、下支承填料组件（设计单元）、连接支架（设计单元）、阀杆（设计单元）。其中阀体又可以向下划分为筒身组件（设计单元）、上支承组件（设计单元）、下支承组件（设计单元）、筒身加强结构（设计单元）。蝶板又可以向下划分为阀杆轴座（设计单元）、密封结构（设计单元）、蝶板加强结构（设计单元），如图2 所示。

图2 蝶阀主体结构设计单元划分Fig.2 Design units division of butterfly major structure

3 关联设计在蝶阀产品设计中的应用

以蝶阀阀体设计为例，在设计过程中通过关联设计建立出模型之间上下游的相互关联关系，以便达到设计中上下游设计输入与输出间的相互关联，说明关联技术在蝶阀产品设计中的应用。

阀体是整个蝶阀产品的基础构件，也是蝶阀设计中结构最为复杂的设计组件，其它结构组件通过关联约束装配于阀体之上，形成蝶阀的整个主体结构。阀体组件主要设计参数为公称通径（DN）、公称压力（PN）、结构长度（L），第一偏心（e1），这些主要设计参数分别对筒身组件、上支承组件、下支承组件、筒身加强结构的结构设计产生的重要影响。同时筒体的结构设计与上下支承组件之间存在横向的关联关系，筒体的结构设计对筒身的加强结构也起到了决定性作用。阀体的骨架模型如图3 所示，主要包括公称通径（DN）、结构长度（L）、第一偏心（e1）等。骨架模型设计完成后需要将元素发布出去，以供下游模型设计使用。

在产品建模前，还需要根据阀门关联设计结构层次划分建立阀体装配树，并将零件保存到相应文档中，并将骨架模型发布的接口引入到模型文件中，通过参数化建模技术完成各个零件模型的建立，最终建立完成蝶阀阀体三维模型，如图4 所示。

上游模型中建立了下游模型设计所需要的基准点、基准线、基准面等几何元素，通过发布并引用几何元素到下游设计模型中，建立上下游模型设计的关联关系。如果上游设计产品模型发生了更改，通过接口元素，就 会 将更改自动传递到下游模型设计中，在符合模型参数化设计原则的前提下，实 现 设计的自动更新。如图5 所示，红色零件为需要更新的端法兰，当骨架模型中接口元素发生变化时，引用该元素的下游设计模型就会提示更新（模型颜色变为红色），此时，下游设计按提示更新，即可得到新的产品模型。

图3 蝶阀阀体骨架模型Fig.3 Skeleton model of butterfly valve body

图4 蝶阀阀体三维模型Fig.4 The model of butterfly valve body

图5 端法兰的自动更新提示Fig.5 Automatically updating of flange

4 结束语

关联设计技术是CAD 技术发展到一定阶段的成果，通过关联设计技术的应用，有效地实现了设计信息的共享，加快速了信息的传递速度，并且保证了设计数据的一致性，减少了模型设计中数据的冗余。本文通过蝶阀阀体的关联设计，建立了蝶阀阀体模型，证实了关联设计技术在蝶阀产品的可行性，有效地减少了设计人员的三维造型工作，提高了设计效率。

[1] 陆培文.实用阀门设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社，2002.

[2] 刘俊堂，刘看旺.关联设计技术在飞机研制中的应用[J]. 航空制造技术，2008，14.

[3] 潘双夏.基于工程约束的产品参数化建模策略研究[J].计算机辅助设计与图形学学报，2001，9.

[4] 刘雅星.飞机并行协同研制模式与支撑技术探索[J]. 航空制造技术，2010，18.

[5] 田宪伟，曲直. 基于MBD 的关联设计技术在飞机研制中的应用[J].航空工程进展，2013，3.

[6] 吴卫东，邢青松，廖文和. 基于关联的机械产品自动装配设计方法研究[J].机械科学与技术，2010，4.

[7] 齐从谦. 基于参数化技术的CAD 创新设计研究方法[J]. 中国机械工程，2003，14，8.

[8] 方忆湘，李兰珍. 基于结构设计单元的系列阀门产品快速设计[J].现代制造工程，2012，5.