第1章 绪论1.1 课题背景压力容器几乎是所有工业生产、科学研究和人民生活中广泛使用的一种承压设备。压力容器是关系国民经济发展的重要设备，其应用范围和重要性正日益扩大和增长。如同其他事物一样，压力容器工程科技是一项系统工程，是一个由许多相互矛盾和依存的要素所组成的综合系统。因此，要通盘权衡有关压力容器的诸要素，如设计、制造、操作、管理、维护、监控等个方面的安全性与经济性，才能达到最佳决策，形成最优系统。压力容器正在并将继续朝着“大型化、高参数化”的趋势向前发展，因此关注压力容器的未来发展有其重要意义。推动压力容器技术进步的关键是：转变传统的设计观念，吸收先进的设计思想；积极发展优良的压力容器结构1。但是压力容器模具仍存在着不少问题：一方面压力容器模具精度要求较高,并且模具所用的胚料大都为铸造件,这些使模具的设计与制造较为困难。传统的模具设计方法采用二维的工程图,已经越来越不能适应新产品的开发与更新。现有锅炉专用模具的设计存在着以下几个方面的问题:尺寸改动匹配困难、系列零件,重复工作量大、装配干涉检验困难、设计过程中产品不直观、模具零件基本设计信息表达困难等2。另一方面对同一种产品,既使工艺过程和设计参数相同,不同的用户在产品的结构上也有不同的要求设计与制造企业必须要重新对该产品进行设计。如果每一台产品都要重新按照制造的程序,进行图纸设计、设计工艺、制造这样走下去。那么,产品的整个制造周期少则6个月,多则要一年时间。很显然这种设计与制造产品的方式,已经不能适应现代企业的发展。如果仔细分析压力容器的结构,虽然不同的压力容器的功能和结构不同,但组成压力容器的零部件结构大部分基本相同,若采用化整为零的方法来存取,相同结构的零部件采用参数化设计,系统保存的仅是一些参数,这样就会大大地减少存取量。对于熟悉的用户可以直接修改数据库,而对于初学的用户可以修改输入的参数来进行新的产品的设计。这就是所谓的压力容器的参数化设计。实行参数化设计是伴随着计算机的发展而产生的,并且是今后设计发展的主要方向,实现参数化设计不仅可以缩短产品的设计周期,有利于提高企业的经济效益,而且可以避免重复设计,减少人力资源的浪费。从而即可以克服企业技术力量不足,又可以保持其在设备制造中的优势。使企业真正达到降低成本,提高效益的目的。因此,通过压力容器的参数化设计,从而大大简化压力容器的设计过程,提高生产效率。 1.2 压力容器设计发展概况随着压力容器的广泛使用，压力容器设计方法也在向前发展。新科技的发展，新材料的应用，也会为设计提供发展的基础。另外，计算机的发展和应用，各种软件的开发和应用，将使得设计更加方便、准确，同时，计算机软件的成熟将会使模拟实际工况环境进行实验更加快速、准确，而实验结果又会为设计提供可靠的指导。因此，压力容器的设计将会与计算机（包括计算机的软件）的发展紧密结合在一起，向更准确、更安全、更经济合理的方向发展。1.2.1国外压力容器技术发展概况在国外，ASME锅炉及压力容器委员会于1955年设立了评述规范应力基准特别委员会，对当时设计规范的许用应力基准进行了研究。1965年，在ASME规范的第卷中提出了应力分类的设计新观点，即对压力容器个危险部位的应力先进行详细的分析，然后根据各应力对压力容器失效的不同影响进行分类，再根据不同的设计准则加以限制。这种设计方法就是以应力分析为基础的设计方法。1968年，ASME规范第卷压力容器正式分为两册，一册为传统的常规设计规范，另一册为分析设计规范。英国1976年开始在BS5500规范中列入了压力容器分析设计的内容。日本1983年正式实施JIS8250规范（即压力容器构造另一标准）。此后，各国对其进行了重新调整编制。ASME Codes and Standards是根据美国国家标准协会（ANSI）认证的程序制定，符合WTO国际标准制订原则，为全球各型企业提供在全球环境下平等竞争的手段。它不是一个单纯的技术规范，它不但对材料、设计、制造、检验提出了严格的要求，并规定建立包括设计、材料、焊接、检验、无损检测等环节的质量控制体系，而且对从事各个环节的人员有明确的要求，并且获得世界的认可。因此严格按照ASME规范进行产品生产，有着极其重要的意义。1.2.2 我国压力容器技术发展概况压力容器种类繁多，操作条件千差万别，操作介质更是种类繁多，使压力容器潜在着一些不安全的因素，因此，必须有一些标准、规范来指导、规范压力容器的设计、制造、安装、检验、使用、维修、退役等。我国的压力容器规范起步于20世纪50年代，1959年颁布了多层高压容器设计与检验规程。1960年颁布了适用于中、低压容器的石油化工设备零部件标准。1967年，钢制石油化工压力容器设计规定（试用本）开始发行，这是我国第一部较为完整的设计规范，此后，历经了数次修订。1988年，国家标准GB1501989钢制压力容器和GB1511989钢制管壳式换热器完成编制工作，于1989年发行使用，这是我国最早的压力容器国家标准。1998年10月，新版GB1501998钢制压力容器开始实施，2000年，新版GB1511999管壳式换热器也投入了使用。并且我国压力容器在多年生产实践中形成了一种多标准组合的质量保证体系，如国家标准、行业标准、地方标准、和企业标准等。 1.2.3 基于SolidWorks的压力容器参数化设计发展概况计算机辅助设计(CAD)技术已广泛运用于机械、电子、建筑、压力容器设计等各个领域。在机械行业中,尤其是在压力容器行业,应采用更好的计算机辅助设计软件,这就给现有的模具设计带来了挑战。压力容器模具精度要求较高,并且模具所用的胚料大都为铸造件,这些使模具的设计与制造较为困难。传统的模具设计方法采用二维的工程图,已经越来越不能适应新产品的开发与更新。现有锅炉专用模具的设计存在着以下几个方面的问题:尺寸改动匹配困难、系列零件,重复工作量大、装配干涉检验困难、设计过程中产品不直观、模具零件基本设计信息表达困难等。压力容器的品种较多，即使是同一类型的产品，其结构上也是有很大的不同，因此很难用一种基型来概括所有的产品。对于一个企业来讲，也不可能以它所生产的每个产品来作为基型，否则基型的数据库会庞大，对该数据库的管理、存取和检索所耗费的时间，也许得不偿失。如果仔细分析压力容器的结构，虽然不同的压力容器的功能和结构不同，但组成压力容器的零部件结构大部分基本相同，若采用化整为零的方法来存取，相同结构的零部件采用参数化设计，系统保存的仅是一些参数，这样就会大大地减少存取量。对于熟悉的用户可以直接修改数据库，而对于初学的用户可以修改输入的参数来进行新的产品的设计。压力容器的参数化设计正是基于上述思想而开发的，它的使用可以大大缩短产品的设计周期并可将相关的设计信息送入CAPP系统，自动完成产品的工艺设计。1.3 本课题主要研究内容压力容器广泛应用于机械制造、化工生产过程之中,有的用来进行传热、传质等物理过程,有的用来进行化学反应。这些压力容器虽然尺寸大小不一,但同一类型(如内压薄壁圆筒形容器)的压力容器在形状结构上是相类似的。因此,可根据压力容器的设计参数对其进行参数化设计,从而大大简化压力容器的设计过程,提高生产效率。本次设计的具体要求主要包括：（1）SOLIDWORKS压力容器零部件三维CAD模型的建立，在此当中，用SOLIDWORKS建立MFZL2型灭火器的的上筒体、下筒体、瓶口以及把手等零部件的三维模型；（2）利用VB进行参数化设计的程序开发，即通过宏录制来录制宏程序，并通过对程序进行参数修改，从而得到最终所需的程序；（3）完成模型更新后的三维实体模型和工程图。第2章 基于Solidworks的筒体制作2.1 SolidWorks软件介绍SolidWorks是原创的、基于Windows平台的三维机械设计软件，是Windows原创软件的典型代表。它总结和继承了大型机械CAD软件的特点，是再Windows环境下实现的第一个三维机械CAD软件。SolidWorks软件的特点和优点包括：2.1.1 灵活的草图绘制和检查功能草图绘制状态和特征定义状态有明显的区分标志，设计者可以很容易地清楚自己的操作状态；绘制草图过程中的动态反馈和推理可以自动添加几何约束，使得绘图时非常清楚和简单；拖动草图的单元，可以快速改变草图形状甚至是几何关系或尺寸值；可以检查草图的合理性等。2.1.2 强大的特征建立能力和零件与装配的控制功能强大的基于特征的实体建摸功能，通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现零件的设计；功能齐备和全相关的钣金设计能力，利用钣金特征可以直接设计钣金零件，对钣金的正交切除、角处理以及边线切口等处理非常容易；增强的焊接工具，对焊接零件的设计和建摸上更加快速；使用装配体轻化和大型装配体模式，可以快速、高效地处理大型装配体，提高系统性能等等。2.1.3 完整地、符合标准地详细工程图可以为三维模型自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注；灵活多样的视图操作，可以建立各种类型的投影视图、剖面视图和局部放大图；交替位置视图能够方便地显示装配体零部件不同的位置，在同一视图中生成装配的多种不同位置的视图，以便了解运动位置。2.1.4 提供了自由、开放、功能完整的API开发工具接口，用户可以根据实际情况利用VC、VB、VBA或其他OLE开发程序对SolidWorks进行二次开发。针对本次设计，主要是通过SolidWorks对MFZL2型灭火器的外型图进行三维建模，并通过宏录制来录制宏程序，通过VB来建立用户界面，这样就能在用户界面上改变相关尺寸，从而来改变零件的外型，得到更多的大小不一的零件。下面来介绍用SolidWorks来设计MFZL2型灭火器的筒体外型。2.2 设计基本参数a) 充装介质：氦气(Helium)；b) 充装压力：bar（在20情况下）c) 水压试验压力Pt=2.5MPa;d) 瓶体外直径（据8.5.2形状公差和尺寸公差）；e) 瓶体材料ST14（与08Al性能相近且符合GB5213规定）；f) 瓶体材料机械性能值(工厂保证值)：/MPa/MPa/%43036616g) 瓶体使用温度范围：-20552.3 瓶体形状及瓶口螺纹a)瓶体形状见设计图样；b)瓶口螺纹选用M121.25；2.4 瓶体壁厚计算1. 取Pt=2.5MPa,=310MPa,D0=243mm；代入壁厚计算公式：mm又故取mm当时有圆周应力： 轴向应力故，当S取0.87时，圆周应力超出许用应力范围，不符合安全要求。令圆周应力，计算最小壁厚得：故得最小设计壁厚为0.98mm。2.5 瓶体水压爆破压力计算根据GB17268-1998第9.2.2.5的规定，有：2.6 瓶体容积选择选用瓶体容积V=13.2L2.7 瓶体重量计算瓶体材料比重为：瓶体圆柱部分重量为：瓶体底部重量为：由 所以瓶体总重为：瓶重公差为：所以瓶重为：项 目单位数值筒体设计最小壁厚mm0.98筒体爆破压力值MPa4.5筒体容积及公差L筒体长度及公差mm筒体重量及公差kg2.8 上筒体的三维制作首先设置工作目录，单击新建文件零件，单击进入草图绘制界面，绘制草图，然后通过旋转凸台按钮来得到上筒体的基本形状，如图2-1-1所示：图2-1-1 上筒体基本形状然后通过拉伸切除，并在切除的平面上建立草图，通过旋转凸台得到最终的上筒体外观图，如图2-