一．引言
国民经济的长期持续发展必将对电力工业有着更大的需求，进入20世纪后我国的电力设备制造业迎来了又一个春天，作为中国电力设备制造的大型企业，必须适应新的需求，开创新的局面，用信息化带动工业化，使企业能根据市场的需求的瞬间变化，及时作出反馈，调整产品性能，在最短的时间内最大程度地满足客户需要，增强产品竞争力，上海汽轮机有限公司（STC）在95年引进美国西屋公司设计开发技术的基础上，从2001年开始大型汽轮机设计开发平台建立项目，将先进的设计方法和制造水平与先进的计算机CAD/CAE/CAM相结合，贯穿于汽轮机设计和制造各个环节，使产品开发设计和制造周期大大缩短，产品的性能与质量不断提高，改变了以往3至4年开发一只新产品的情况，为企业创造了可观的经济效益和社会效益。
Unigraphics（简称UG）是集CAD/CAE/CAM一体的三维参数化软件，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。主要为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发(VPD)的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的MCAD解决方案。自从我公司引进UG NX以来，以其先进的理论、强大的工程背景、完善的功能和专业的技术服务深受广大工程师和专业技术人员的喜爱，并将其最大程度的运用到实际开发、研究和生产制造中去，使我公司的技术手段与国际水准接轨，持续提高新产品的设计周期和设计质量，并使我公司生产出高质量低成本的汽轮机成为现实，有力地参与国际化的市场竞争。
二．汽轮机主汽阀组件概述
主汽阀组件是现代汽轮机中最关键、最重要的部件之一，是汽轮机进汽的大门，对汽轮机的安全运行，起着最后一道保护防线的作用，也就是说，在需要时起到紧急阻断进汽的作用，而在汽轮机启动时来控制汽轮机的转速。
图1 车间总装之后的实际产品
一台汽轮机设有两个主汽阀——调节汽阀组件，分别装于高压缸两侧。每个组件有一个主汽阀和两个调节汽阀，主汽阀和调节汽阀组合在一个整体铸件内。这些阀门的开启和关闭，均采用液压开启，弹簧关闭，DEH控制的方式，即受装在阀上的各自的执行机构所控制。
主汽阀为卧式结构，主阀内部有一内旁通阀，均为单座非平衡式碟阀。当阀门在关闭位置时，进汽压力和压缩弹簧的载荷将两只阀碟同时紧压于其阀座上。主汽阀进汽口处，装有二层滤网——永久滤网和临时滤网，以防止异物进入通流部分。汽轮机初次启动并运行一定时间以后，装在外层的临时滤网可以被拆除。
图2 车间正在吊装阀盖
调节阀为立式结构，各由一只油动机控制。油动机直接装在调节阀的上端。油动机活塞向上移动时打开调节汽阀，向下移动时则关闭之。调节汽阀阀杆套筒上有两个漏汽接口，高压接口接至高压缸排汽，低压接口则接至汽封冷却器。
主汽阀——调节阀组件通过支架用地脚螺钉固定在基础上，作为固定死点。此支架能承受用户管道的作用力，并能能保持蒸汽室的位置和适应组件本身的热膨胀。
三．UG NX在汽轮机主汽阀设计中的应用
现代的汽轮机设计方法已从单一功率机组的设计转变为在一定功率范围内的积木块设计方法，有很高技术含量的主汽阀组件作为汽轮机设计中重要的积木块之一，有上百个形状各异的零部件组成，零件数量之庞大，结构形式之复杂，加工工艺之高，传统的利用计算机代替图板绘制图形的二维CAD设计技术显然不能很好的满足这一新的设计方法，而采用先进的UG NX强大的功能、卓越的性能来实现设计的自动化，保证设计的合理性和准确性，大大减少了设计工作，缩短产品生产周期。
图3. 主汽阀组件三维模型设计的流程图
下面就通过主汽阀组件三维模型的设计，讨论UG NX的独一无二的特点以及在实际运用中的完美体现。
1.出色的建模能力（Modeling）
UG NX采用复合建模（Hybrid Modeling）的方法，将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体,可对设计产品进行精确的定义，并支持参数化特征设计。可视化的特征导航器(MNT)反映产品模型特征之间形成的各种尺寸关联和数学关联，从而有效的表达工程师的设计意图和产品基本特性。通过先进的模型编辑、特征重排序和尺寸驱动的功能，使工程师在设计过程中增添了更多的灵活性，有效的保留了产品模型数据，以满足产品随时编辑和修改的需要。
图4.利用UG NX出色的建模能力设计的主汽阀三维模型
2.卓越的大型装配性能（Advance Assembly）
UG NX装配（Assembly）模块提供了自顶向下（Top-Down）和自下而上（Down-Top）的装配方式，保证了装配模型和零件设计完全双向相关，简化了操作步骤，减少了对存储空间的需求，使成千上万的零件在几秒钟内被装载显示，轻巧的小平面表示（Representation）和封装技术（Wrap Assembly）可以只装载用户需要修改和评估的产品零件。NX的组件过滤器可以建立一些准则，比如位置功能和类似属性来识别和装载产品中的组件，以满足特定的任务需要，使工程师在着重考虑产品级需要的同时，尽可能的减少装载时间和屏幕的混乱程度。利用装配导航器（ANT）、调用目录（Load Option）、引用集（Reference Set）、标准件库调用以及重量控制等丰富功能，方便用户了解和操纵装配结构，也方便用户生成部件清单（BOM）和以前的使用报告（Where Use）。
图5.利用装配导航器（ANT）完整的表达主汽阀组件的装配结构
图6．主汽阀装配后的爆炸视图
图7．主汽阀装配后的半剖视图
3.参数化、变量化、系列化设计
机械类产品制造的特点就是批量化和系列化，设计需要符合标准和规范，从而降低成本。利用UG NX WAVE的强大技术，能从一个共同产品结构快速开发出新产品。WAVE技术用更新相关的组件与工具自动传递设计的改变，减少了设计改变的费用，大大提高了设计的重复率，还能实现快速迭代试验和可行性研究。
变量化设计针对系列化的产品，能够大幅度地提高设计效率、降低工作强度、难度、周期，节约了成本，又能提高设计图纸的准确性，增强了管理的可控性。使原来只能由专业设计人员担当的工作，转为由一般辅助员工即可胜任，使更多的设计人员从重复劳动力中解放出来，投入到新产品的开发中去，使我公司CAD设计上一个新台阶。
图8.利用零件族(Part Family)建立厂用标准件，大大提高设计效率
4.工程制图（Drafting）
制图模块为工程和技术图的生成和管理提供了完全的自动化工具组，UGNX直观和友好的图形界面允许工程师方便和有效的建立与管理高质量的、完全与标准兼容的零件细节和装配图。由于UG NX的Drafting功能是基于创建三维实体模型的二维投影所得到的二维工程图，因此，工程图与三维实体模型是完全关联的，实体模型的尺寸、形状和位置的任何改变，都会引起二维工程图作出更新（Update），减少了绘图的成本和时间。
图9.利用NX的Drafting模块生成主汽阀组件的二维工程图
5.创新的可视化工具（Visualization）
UG NX提供了一整套范围广泛的渲染工具，附加表面颜色、材质、纹理、透明度，帮助用户评估产品原理，并做出设计决定。通过各种类型的灯光配置，选择强烈的或者柔和的阴影，设置前景和背景，创造出真实的场景，模拟产品所处的环境状况，更真实的表达设计概念，减少原型样机的成本，并更快的将产品推向市场。该模块已经成为我公司工程师与技术人员、同事、客户和供应商之间进行产品设计的有效交流工具。
图10. Visualization模块模拟主汽阀组件的真实效果
6.独立的CAM解决方案
UG CAM系统为通用机械工业提供了多种专业的解决方案，比如高效率的平面铣切，针对铸件及焊接件的精细加工，大批量零件的车加工和钻孔加工等，对于产品特征的加工可实现高效的自动化，以解决数控刀轨的生成、加工和加工验证等问题。
通过运用高效的程序编制软件UG CAM使得产品加工直接从三维模型生成加工程序，运用网络数据库选择合适的加工参数和刀具参数，减少了中间环节，提高了工作效率，而机床联网与远程通讯,数控程序的编制与仿真,数控程序的数据库管理是一个有机的整体,共同完成程序通讯、设备管理、程序编制、仿真以及程序的数据库管理、人员权限设定等功能，使得设备网络化、程序管理科学化，从而实现了安全高效生产。
图11.利用UG CAM对主汽阀阀盖进行仿真钻孔加工
7.数字化仿真技术（CAE）
UG NX CAE提供了一个全面的世界级的数字仿真解决方案，可以帮助用户免除在产品开发过程中的烦恼，同时，他还支持从概念设计到样机测试的总体性能评估，有助于用户改进产品质量，减少错误和维护费用，并消除长时间的设计、构造、更改迭代。通过利用NX仿真过程工作室（NX Simulation Process Studio）解决方案，我公司正在努力争取全面整合UGS公司的仿真解决方案，这可以使各级客户和用户都能够很容易地自动操作重复的数字化仿真任务，同时还能够获得专业知识和最佳业务实践。
图12.利用FEA解算器计算主汽阀阀壳的热应力试验
四．应用前景
本文从的主汽阀组件样机设计到虚拟试验，完全是UG NX2三维可视化数字环境下进行的。在选定设计条件后，利用UG NX2参数化设计进行建模和整机装配，并且使用NX2独立的CAM系统对零件进行基于特征的加工和后处理，通过完善的CAE解决方案，用FEA解算器对主汽阀阀壳作热应力的虚拟试验，整个过程充分显示了NX的强劲功能，正是他采用独特的技术增强了机械设计，帮助公司提高流程效率并消除时间、精力及资源上的浪费。使用NX，可以充分利用我公司从以往经验中以及从行业最佳实践中获得的产品和流程知识，从而使设计自动化和简化，大大提高设计效率，降低生产成本，缩短生产周期。
五．参考资料
丁炜、郧建国等 《UG设计应用培训教程》清华大学出版社
张琴、洪如瑾等 《UG相关参数化设计培训教程》清华大学出版社
洪如瑾、陈焱等 《UG_CAD快速入门指导》清华大学出版社
张俊华、应华、熊晓萍等 《UG NX2 制图应用教程》 清华大学出版社
马秋成，韩利芬，聂松辉，罗益宁，肖良红，谢桂兰 《.UG实用教程·CAD篇》 机械工业出版社(end)
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