通常，新产品的研发按照传统的设计理念往往要经过设计、样机试制、工业性试验、改进定型和批量生产等几个阶段。这种基于物理样机的设计研发过程具有致命的缺陷（成本高、周期长、反复性试验不充分），通常传统的设计方法，如类比法、经验法等只能对一些形状简单的零件进行静强度校核，然而对复杂形状零部件的动态分析，如热力学分析、振动分析、疲劳分析等就无法完成，这就使得产品在建模、结构和功能方面严重滞后，缺乏市场竞争力。
为了缩短新产品开发与试验的周期，提高产品质量、降低研发成本，应用虚拟样机技术，对产品的性能进行仿真与分析，获得产品质量与性能的优化方案。虚拟样机技术就是在建立第1台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，真实地反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性，同时借助三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果优化系统。
本文以Pro/Engineer和Pro/Mechanica模块对
高压调节阀阀体进行热力学分析，获得阀体在热力载荷和力载荷双重作用下的仿真分析结果。
一、Pro/Mechanica仿真分析特点
虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学、热力学、和振动力学为核心，借助成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和有限元分析技术集成在一起，并通过设计中的反馈信息不断地指导和改进设计，为用户提供一个全新的研发机械产品的设计方法。
通常采用虚拟样机的仿真策略是设计师在进行有限元分析时，首先利用几何建模功能较强的软件进行建模，然后利用IGES或STEP格式将数据导入有限元分析软件进行分析。这样做的最大弊端是数据的丢失。因此，设计师往往需要花费大量的时间和精力进行模型的修复。Pro/Mechanica具备结构、热、振动、运动仿真和设计优化等诸多功能，其最大的优点就是和Pro/Engineer之间的无缝集成，这就是说在Pro/Engineer平台下完成零部件的几何建模后，无需退出该设计平台就能进行有限元分析。
为了获得阀体在高温高压下的形变规律，作者应用Pro/Mechanica的热力学分析功能。所谓热力学分析就是利用在Pro/Engineer中建立的机械系统的几何模型，应用Pro/Mechanica的热力学分析模块，定义模型的外部环境变量、热源条件、约束和载荷条件，进而获得与实际物理模型相吻合的虚拟样机模型，从而获得虚拟样机模型的形变数据，进行优化设计。应用该项技术，可以大大减少研发和试验的经费，缩短研发周期，提高产品的质量和性能要求。
针对工作在高温高压状态下的阀体，Pro/Me2chanica采用适应性P型法自动划分网格。采用P型法，每个有限元单元的位移方程都是高次多项式，每个有限元单元的位移方程都是线性方程式、二次方程式或者三次方程式。因此，采用P法可以精确地拟和几何形状和大应力梯度，并且在实际计算过程中，单元首先以较低的阶次进行初步计算，然后在应力梯度较大处和计算精度要求较高处自动提高单元应力方程的阶次，即使用比较粗糙的网络划分，依靠自动拉升多项式函数次数的方法保证计算的准确度和效率。Pro/Mechanica的热力学分析流程如图1所示。
1、建立几何模型
在进行阀体的热力学分析时，首先要建立精确的几何模型，此项工作在Pro/Engineer中进行。使用Pro/Engineer能够准确、快速地生成三维实体模型，所生成的三维模型能够直接输入Pro/Me2chanica有限元分析模块，对模型进行热力学分析。如图2所示阀体的三维实体模型。创建模型后，定义阀体的材料特性。由于阀体中需要输送硝酸类介质，因此采用不锈耐酸铸钢ZG1Cr18Ni9Ti，密度ρ=7.8t/m
3，泊松比μ=0.27，弹性模量E=175GP
a，抗拉强度σ
b=441MP
a，屈服强度σ
s=196MP
a。
2、建立阀体温度分布
根据实际情况，阀体内输送介质的平均温度为100℃，因此在虚拟样机中设定阀体内腔工作温度100℃，而外表面环境温度为常温25℃。图3反映了阀体在达到热平衡状态时，整体温度分布的仿真分析结果，从图中可以清晰地看到阀体的温度分布情况。
3、定义约束和载荷
对于这种复杂模型，无论是采用物理样机试验图4阀体的约束和载荷的方法，还是通过传统的热力学计算的方法都很难处理。由于阀体侧面法兰和底面法兰分别与管道相连，因此在定义虚拟样机的约束时将其完全固定，同时设定阀体的内腔压力10MP
a，并且受自身重力作用，以保证阀体的约束和载荷与实际情况相符。如图4所示为阀体的约束和载荷。
4、建立静态力学分析
具备了热源条件、约束和载荷条件后，即可对模型进行静态力学分析，求得该工况下模型的力学解。对于阀体的力学分析，重点关注无热力载荷和含热力载荷时阀体的应力分布与位移变化规律。图5、图6分别展示了阀体在无热力载荷和含热力载荷时的应力分布与位移变化，分析结果反映出阀体在高温环境下，材质将变软，导致形变加大。因此温度对材质和结构的影响远大于压力。
二、结论
具备结构、热、振动、运动仿真和设计优化等多种功能的Pro/Mechanica可以实现与Pro/Engineer的无缝集成，利用该优点，Pro/Mechanica能够对模型进行有效的热力学分析。运用热力学分析的方法推导出阀体在高温高压工作环境中的形变规律，解决了传统的热力学计算方法难以处理的问题，进一步提高了设计优化的效率。由此证明在Pro/Me2chanica环境中进行热力学分析是一种极其有效的设计方法，对生产实践有着重要的指导意义。
（参考文献）
（1）祝凌云，李斌。Pro/ENGINEER运动仿真和有限元分析（M）。北京：人民邮电出版社，2004。
（2）R。D。库克。有限元分析的概念和应用（M）。何穷译。北京：科学出版社，1981。
（3）李开泰。有限元方法及其应用（M）。西安：西安交通大学出版社，1984。
