林雷朋
上海盛凯隆自动化仪表有限公司 主送论文
摘要：在虚拟现实技术飞速发展的二十一世纪，越来越多的行业运用到了虚拟现实技术，如工业设计、城市规划、娱乐教育、室内设计等。而虚拟现实设计也是阀门设计的一大亮点。因此，文章以阀门设计中虚拟现实技术的应用为切入点，阐述了虚拟现实技术的概念，剖析了阀门设计的数值模拟仿真实验。并结合具体案例，对阀门设计中虚拟现实技术的应用进行了进一步分析。
关键词：阀门设计；虚拟现实技术；数值模拟
前言：随着虚拟现实技术在工业设计方面应用的日益深入，在阀门设计数值模拟仿真方面，对虚拟现实技术也提出了更高的要求。为了满足阀门设计新要求，近几年，虚拟现实技术遵循“低成本、高性能”原则，取得了快速发展，新的应用方向被不断探索，新的应用市场被不断开拓，经济产值也不断提升。基于此，对阀门设计中虚拟现实技术的应用进行适当分析非常必要。
1虚拟现实技术的概述
虚拟现实技术主要是利用电脑模拟的方式，构建一个三维空间的虚拟世界，为使用者提供触觉、视觉、听觉等多个感官的模拟，促使其无限制的观察三维空间内的事物[1]。虚拟现实技术是进一步增强的人机交互技术，可以有效提升用户体验感，增强设计产品竞争实力。
2阀门设计的数值模拟仿真实验
阀门设计的数值模拟仿真实验主要是利用数值模拟分析的方法，构建阀门数值模型，在阀门数值模型中开展应力模拟、地震或振动模拟、流体模拟、温度场模拟，从根本上解决因阀门结构复杂、成形方式差异大而导致的使用工况下性能验证不全面问题，为产品设计优化提供依据。
2.1应力模拟
在阀门应力模拟前，需要以平衡阀门强度、厚度为标准，在数值模拟分析软件中构建阀门数值模型，对阀门各承压工况进行模拟分析，同时对压力、温度开展耦合模拟计算。在耦合模拟计算过程中，可以直观显示模拟各个位置三向应力量化结果。结合ASME（美国机械工程师协会）第II卷D部分要求，获取阀门材料抗拉强度、最小屈服强度，并结合针对性材料性能要求、规范标准，在考虑阀门安全系数的前提下，结合ASME第VIII卷规定，判定阀门应力[2]。随后结合分析判定结果，对阀门结构进行优化完善。
2.2地震或振动模拟
对于阀门而言，除了阀门本身质量稳定以外，阀门管道的不同类型工况条件对阀门正常使用也具有直接的影响，特别是地震、振动因素。一般在阀门固有频率、管道固有频率达到同一水平时，会出现共振情况，提升阀门失效速度。而阀门的固有频率测定难度较大，仅在阀门设计时可利用结构改变手段进行微调。基于此，在阀门设计时，设计师可以利用量化分析手段，对阀门的固有频率进行分析。即根据阀门设计成果，进行三维模型构建。结合阀门材料性能、管道中阀门负载条件，在数值模拟软件中量化剖析阀门固有频率。根据量化分析结果，判定阀门结构是否需微调及微调幅度。常规而言，地震发生时，会对阀门产生一个额外的载荷，可以采用预应力模态分析方法，结合《建筑抗震设计规范》GB50011中关于基本设计加速度对应抗震烈度的要求以及《石油化工设备抗震标准》SH/T3001中关于地震水平系数最大值内容，进行恰当的阀门分析条件添加，为阀门应力量化分析提供依据。同理，可以对振动条件下阀门应力进行量化分析。
2.3流体模拟
阀门从本质上而言是输送流体的机械设备，对所运输介质的流体特性具有直接而突出的影响。这种情况下，阀门的流动特性就成为阀门系统设计的主要指标，涉及了控制阀、关断阀多个方面。以往获取阀门流量特性的手段大多是在阀门产品制造后开展实验分析，具有周期长、成本高、适用范围小的劣势。基于此，可以在数值模拟软件中恰当添加流体边界条件，获得数据表以及直观显示的阀门流道内速度分布、压力分布量化界面。进而可获取阀门流阻系数、流量系数等数据，为阀门流道结构的科学、规范、恰当设计提供充足数据支持。
2.4温度场模拟
在高温以及低温阀门运行过程中，其自身性能受温度分布的直接影响。传统阀门温度测量中实验方法应用较为普遍，但不具备通用性。而运用数值模拟仿真方式，可以对特定工况下阀门温度场进行直观展示，为阀门不同部位温度值量化分析提供依据。进而获得零件尺寸变化对温度分布的作用，为零件尺寸改变提供依据，最大程度降低温度对阀门性能的负面影响。
3阀门设计中虚拟现实技术的应用
3.1应用要点
由于虚拟现实技术大多是在一定假设条件下开展的，阀门实际工况影响因素较多。因此，为提升虚拟现实技术在阀门设计中作用的充分发挥，首先，设计师应主动学习与所设计对象相关的专业理论知识及虚拟现实技术理论知识。特别是作为数值计算的数值模拟仿真实验开展前，应准确、科学地将阀门工况转换为数值模拟仿真的边界条件，获得直接决定分析的结果。
其次，设计师应选择运行稳定性较高的数值模拟仿真实验工具，避免选择过于通用化、简单化的CAD软件。而是依据可量化、可靠性高、准确性高的原则，选择类似ANSYS、WTK、MultiGen Creator、VRML、Openlnventor的专业高端数值模拟仿真软件[3]。
再次，在阀门设计过程中，设计师可以阀门模拟仿真分析为切入点，对求解理论、网格划分密度等条件进行适当改变。同时对某一项目进行多次重复剖析核算，并对核算误差进行对比，将分析结果的不稳定因素排除后，利用平均法或其他数理分析方法，获得准确度较高的分析结果。或者利用其他理论，开展计算校核。如对阀门设计结果进行应力分析后，抽取与薄膜理论相符合的部位开展手工计算后开展对比，只有在两者差异处于一个较小数值时，才表明阀门设计效果良好。
最后，在阀门设计中进行虚拟现实技术应用特别是数值模拟仿真分析时，必须与实验相结合。即在特定目标指导下，将阀门设计结果与实验结果进行对比，而非在完全替代或者盲目性开展实验。通过对两者数据差异进行对比后，构建比对数据库，为类似无实验条件的阀门模拟提供充足数据支持。
3.2案例分析
以城市供水管网阀门设计为例，首先，可以选择虚拟现实工具，如MultiGen Creator等。MultiGen Creator是当前唯一可将多边形建模与矢量编辑、纹理贴图生成有机集成的虚拟现实工具，可以与Vega实时视景驱动软件配合，驱动、管理、控制虚拟场景，并便捷的获得特殊视觉效果。典型虚拟现实工具应用主要是在系统初始化后，进行参数设置、内存分配、Vega类定义，保证虚拟现实技术有效应用。
其次，构建供水管网阀门数据库及三维模型。供水管网阀门数据库涉及了动态数据库、属性数据库等几个部分，前者主要包括阀门开启度、流量监测点、压力监测点、管网总供水量几个方面信息及水源运行调度信息；后者由阀门变化曲线、用水量变化曲线、阻力系数变化曲线等子数据库构成。在阀门数据库构建完毕后，可以利用MultiGen Creator软件中Texture Editor模块，利用2n的RGBA格式纹理图片代替.jpg格式管道阀门图片，并将其贴到前期构建的几何模型中[4]。随后利用Creator简化工具，为阀门绑定自由度句柄，以便在提高渲染速度的同时，更加有效的控制阀门开启度。在这个基础上，经Creator层次结构视图，表达供水管网阀门拓扑结构、节点信息。
最后，通过Lynx图形用户界面设定、Vega应用程序，导入城市供水管网阀门几何模型后，将新建阀门加入场景内开展环境效果渲染。随后对供水管网中阀门进行Isectors属性设定，并在交互控制阶段，对阀门进行拾取[5]。同时在VC++6.0环境下，利用Visual C++ MFC工具，调用Vega函数，经Vega API接口，对虚拟供水管网阀门进行实时交互控制，并利用供水管网水模型、水力计算工具箱，开展延时模拟及应力分析，具体如图1。
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4结束语
综上所述，虚拟现实技术是传统信息技术的进一步突破，也是一项具有深远前景的新技术。网络互动虚拟是工业设计未来信息化的必然方向，将改变阀门设计者的思维方式，颠覆设计者对空间、时间的看法。因此，在未来阀门设计过程中，设计师应正确应用虚拟现实技术，科学开展数值模拟仿真实验，挖掘虚拟现实技术优势，提高阀门设计效果。
参考文献：
[1]陈飞龙. 机械自动控制阀门的设计及控制原理分析[J]. 山东工业技术， 2019, 000(016):9-9.
[2]及进朋. 基于阀门设计的应力集中研究[J]. 明日， 2018, 000(037):58-58.
[3]郑益丰， 陈长奔， 閤享平. ANSYS在阀门研发中的应用[J]. 华东科技（综合）, 2018, 000(4):462-462.
[4]邹俞， 晁建刚， 林万洪. 虚拟手交互中约束类物体操作研究[J]. 计算机工程与应用， 2019, 055(009):168-177.
[5]王新. 中高水头船闸平面阀门设计与工程实践[J]. 水运工程， 2019, 000(10):73-79.