形成用于控制阀的三维曲折路径流动元件的方法与流程 专利技术说明

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术形成用于控制阀的三维曲折路径流动元件的方法1.相关申请的交叉引用2.本技术要求于2020年1月8日提交的美国临时申请序列no.62/958,494的优先权，该美国临时申请的内容通过引用明确并入本文。声明回复：联邦资助的研究/开发3.不适用技术领域4.本公开总体上涉及流量控制元件(flow control element)的设计，更具体地说，本公开涉及其中形成有多个流量控制通道的流量控制元件的计算机辅助设计，该设计方法可缩短设计时间，并且降低流量控制元件设计的计算要求。背景技术：5.控制阀中的多级阀内件通常用于促进流经控制阀的流体的压降。典型的多级阀内件可包括流量控制元件，该流量控制元件具有形成在其中的曲折路径阀内件设计，使得当流体流过该曲折路径时，流体的压力可以下降。6.已使用二维设计方法在计算机辅助设计(cad)系统中创建了曲折路径阀内件的常规设计方法。设计者可以创建具有标称直径和厚度的板，并且可以在板的上表面上生成二维路径。然后，可以将该路径数字化挤出(digitally extruded)或切割到板中规定的深度。可以复制流动路径挤出件并将之形成为围绕板的阵列，以完成板的设计。7.应理解，流量控制元件可包括其中形成有独特流动路径的板，因此，可对流量控制元件中包括的每个独特板重复该过程。一旦创建了所有的板，常规设计方法中的最后步骤可以是堆叠这些板，然后在cad系统中组合这些板，以生成最终的流量控制元件。8.尽管上述常规二维设计方法可成功设计流量控制元件，但此类常规设计方法通常存在一些缺陷。特别地，流量控制元件中的流动路径可能不容易在流量元件内组织成三维布置。此外，对于不同的板尺寸，或者如果流动路径的流动方向需要反转，则与常规二维建模相关的计算机辅助设计过程可能需要重复。9.除常规二维建模方法外，三维方法也已经用于设计流量控制元件。现有的三维方法通常是间接方法，其中流量控制元件的实心的(solid)物理几何形状被明确限定，这导致中空空隙被间接限定，并且在实心设计中充当多级曲折流动路径。10.与常规二维设计方法类似，现有三维方法也可能存在某些缺陷。与现有三维建模方法相关的最大缺点之一是，流量控制元件的关键部分，即流动路径，没有被直接限定。因此，很难微调、改变或标准化该流量控制元件。这些困难也可能对用于设计三维模型的计算机系统造成压力。此外，由于形状可能不规则，可能难以理解流动路径的真实性质。由于流动路径的间接性，在创建计算和确定工具尺寸时也可能存在挑战。11.因此，本领域需要一种用于形成三维流量控制元件的改进方法，该方法可加快设计速度，降低计算要求，提高设计灵活性。本公开的各个方面解决了这一特定需求，这将在下面更详细地讨论。技术实现要素：12.本公开的各个方面针对用于创建流量控制元件的三维设计方法，该流量控制元件中形成有多个流动路径。该设计方法可包括将代表流动路径的第一设计创建为实心元件，并与流量控制元件的主体分开创建。然后，流动路径的实心构造被插入到流量控制元件的主体内并在流量控制元件的主体内复制。然后，从主体中减去流动路径的实心构造，以在流量控制元件内创建最终的流动路径。通过将流动路径创建为实心结构，可以减轻对相关计算机的要求，这可以允许更快和更灵活的设计。13.根据本公开的一个实施例，提供了一种设计三维流量控制元件的方法。该方法包括创建代表流动构造(flow configuration)的第一计算机辅助设计(first computer aided design)，该流动构造具有第一端和第二端。该方法附加地包括创建主机主体(host body)的第二计算机辅助设计，该主机主体具有内表面和外表面。将流动构造的第一计算机辅助设计数字地插入到主机主体的第二计算机辅助设计中，使得第一计算机辅助设计和第二计算机辅助设计限定重叠区域。其中第一计算机辅助设计以使得流动构造延伸穿过主机主体而横穿所述内表面和所述外表面的方式被插入到第二计算机辅助设计中。该方法附加地包括从第二计算机辅助设计的剩余部分中减去第一计算机辅助设计以及第二计算机辅助设计在该重叠区域中的部分，以产生流量控制元件的第三计算机辅助设计，该流量控制元件具有延伸穿过其中的流体通道。该流体通道与第一计算机辅助设计和第二计算机辅助设计的重叠部分相关联。14.该方法可附加地包括复制第一计算机辅助设计，以生成多个第一计算机辅助设计。该多个第一计算机辅助设计可以被数字地插入到第二计算机辅助设计中，使得多个第一计算机辅助设计和第二计算机辅助设计限定多个重叠区域。所述多个第一计算机辅助设计中的每一个以使得与每个第一计算机辅助设计相关联的流动构造延伸穿过主机主体而横穿内表面和外表面的方式被插入到第二计算机辅助设计中。15.所述多个第一计算机辅助设计可按照规定的布置被数字地插入到第二计算机辅助设计中。规定的布置可以是螺旋布置，其中相邻的多个第一计算机辅助设计形成螺旋图案。规定的布置也可以是平面布置，其中相邻的多个第一计算机辅助设计位于同一平面中。16.与第一计算机辅助设计相关联的流动构造可沿至少两条轴线延伸。17.与第一计算机辅助设计相关联的流动构造可包括斜表面部分(beveled section)。18.第一计算机辅助设计可独立于第二计算机辅助设计而创建。19.流动构造的第一端和第二端可将流动路径长度限定为第一端和第二端之间的直线距离。第一计算机辅助设计和第二计算机辅助设计被创建成使得流动路径长度大于主机主体的内表面和外表面之间的距离。20.当结合附图阅读时，通过参考以下详细说明，可更好地理解本公开。附图说明21.根据以下说明和附图，可更好地理解本文公开的各种实施例的这些和其他特征和优点，其中：22.图1为用于流量控制元件的流动路径构造的计算机辅助设计的剖视图；23.图2为图1所示流动路径构造的俯视图；24.图3为用于设计流量控制元件的主机主体的计算机辅助设计的上侧透视图；25.图4为图1至图2所示流动路径构造插入到图3所示主机主体内的上侧透视图；26.图5为相对于主机主体以螺旋构造复制的流动路径构造的侧视图；27.图6至图7为相对于主机主体以阵列方式进一步复制的流动路径构造的侧视图；28.图8为已相对于主机主体完全复制的流动路径构造的上侧透视图；29.图9为通过如下创建的流量控制元件的上侧透视图：移除流动路径构造和主机主体与流动路径构造重叠的任何部分，以在流量控制元件中形成多个流动通道。30.在所有附图和详细说明中，使用相同的附图标记表示相同的元件。具体实施方式31.下文结合附图所述的详细说明旨在说明与流量控制元件及其相关形成方法相关的特定实施例，而非仅代表可开发或利用的形式。说明书结合所示实施例阐述了各种结构和/或功能，但是应当理解，相同或等同的结构和/或功能可以通过不同的实施例来实现，这些实施例也旨在包含在本公开的范围内。还应当理解，诸如第一和第二等关系术语的使用仅用于将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或暗示这些实体之间的任何实际的这种关系或顺序。32.本公开的各个方面涉及设计三维曲折路径阀内件元件的方法，其中，流动路径最初被创建为与流量控制元件的主体重叠的实心元件，然后被从中减去以创建流动路径。通过最初将流动路径创建为实心元件，可以减轻计算资源上的压力，这可以导致更短的设计时间，并且允许更大程度的设计灵活性。33.现在具体参考图1和图2，该方法可包括创建第一计算机辅助设计10，该第一计算机辅助设计10代表最终流量控制元件所需的流动路径的流动构造。与每个第一计算机辅助设计10相关联的流动构造可有助于流过相应流动路径的流体获得期望的流体特性。第一计算机辅助设计10可以使用本领域已知的常规计算机辅助设计软件来创建，并且可以被创建为实心元件，该实心元件包括第一端12和第二端14以在其间限定长度l。与第一计算机辅助设计10相关联的流动构造可包括几个转弯，以便沿至少两条轴线延伸，这将在下面更详细地描述。34.根据一个实施例，每个第一计算机辅助设计10包括横向(顶)表面16、一对侧表面18、20和一对斜表面22、24。横向表面16可以是大致平面的，并且垂直于侧表面18、20。该对侧表面18、20可以均从横向表面16以彼此大致对置的关系延伸。在一个实施例中，侧表面18、20在构造上是类似的，并且彼此大致平行。侧表面18、20可以限定第一计算机辅助设计10的宽度w，作为侧表面18、20之间在垂直于两个侧表面18、20的方向上的距离。第一计算机辅助设计10的宽度w可以沿第一计算机辅助设计10而变化，以便包括窄部分和宽部分。在图2所示的示例性实施例中，宽度w从第一端12到第二端14增加，以控制流体膨胀。然而，还可以设想，在替代实施例中，宽度w可以从第二端14到第一端12增加。35.除了计算机辅助设计10的宽度w的变化外，可以设想，也可将计算机辅助设计10的高度变化并入其中，以有利于期望的流体特性。计算机辅助设计10的高度可以指垂直于宽度w的尺寸。从图1所示的角度来看，高度可以指横向表面16和与横向表面16对置的、由斜表面22、24限定的顶点之间的距离。计算机辅助设计10的高度可以沿计算机辅助设计10变化，以包括低部分和高部分，从而有利于期望的流体特性。例如，高度可以从第一端12到第二端14增加，或者作为替代，从第二端14到第一端12增加。36.现特别参考图2，第一侧表面18包括内部直线区段26、多个倾斜区段28a-28d、以及外部直线区段30。倾斜区段28a-28d可以限定一个或多个顶点和谷点。每个顶点和每个谷点可以由倾斜区段28a-28d中相邻的一对倾斜区段限定。37.第二侧表面20与第一侧表面18类似。特别地，第二侧表面20包括内部直线区段32、多个倾斜区段34a-34d和外部直线区段36。倾斜区段34a-34d可以限定一个或多个顶点和谷点。每个顶点和每个谷点可以由相邻的一对倾斜区段34a-34d限定。38.第一侧表面18上形成的谷点可与第二侧表面20上形成的顶点位于同一轴线上，这可防止线性流体流过流动构造的中部。因此，流过流动构造的全部流体在流过曲折构造时会被迫改变路线，从而有助于流体中的期望压降。39.斜表面22、24可从各自的侧表面18、20延伸。斜表面22、24朝向彼此延伸，以在斜表面22、24的相交处限定峰。斜表面22、24的形状和布置可有助于为流动构造提供强度和结构完整性，尤其是在流量控制元件10的制造过程中。此外，斜表面22、24可以为流量控制元件10中的重叠流动构造提供结构支撑。40.现参考图3，该方法附加地包括创建主机主体的第二计算机辅助设计38。根据一个实施例，主机主体可以是围绕主体轴线40设置的大致环形结构，并且包括第一(顶)表面42和相对的第二(底)表面44。主机主体还包括内表面46和外表面48，内表面46和外表面48两者都在第一表面42和第二表面44之间延伸，其中内表面46限定了沿主体轴线40延伸的中心孔50。41.第一计算机辅助设计10和第二计算机辅助设计38的设计和创建可分开进行，彼此独立。换言之，第一计算机辅助设计10和第二计算机辅助设计38可以不被设计成彼此结合。42.在第一计算机辅助设计10和第二计算机辅助设计38均已被创建的情况下，并且现具体参考图4，将流动构造的第一计算机辅助设计10以数字方式插入到主机主体的第二计算机辅助设计38中，使得第一计算机辅助设计10和第二计算机辅助设计38限定重叠区域52。特别地，第一计算机辅助设计10以使得流动构造延伸穿过主机主体而横穿内表面46和外表面48的方式被插入到第二计算机辅助设计38中。第一计算机辅助设计10和第二计算机辅助设计38的尺寸和构造可以设计为使得流动路径长度l大于主机主体的内表面46和外表面48之间的距离。因此，当第一计算机辅助设计10插入第二计算机辅助设计38或与第二计算机辅助设计38结合时，计算机辅助设计10的第一端12可以位于主机主体的中心孔50的内部，而第二端14位于主机主体的外部。43.现具体参考图5至图8，可复制第一计算机辅助设计10，以生成多个第一计算机辅助设计10。多个第一计算机辅助设计10可以数字地插入到第二计算机辅助设计38中，使得多个第一计算机辅助设计10和第二计算机辅助设计38限定多个重叠区域52。多个第一计算机辅助设计10中的每一个都可以插入到第二计算机辅助设计38中，使得与每个第一计算机辅助设计10相关联的流动构造延伸穿过主机主体而横穿内表面46和外表面48。44.可按照规定的布置，将多个第一计算机辅助设计10数字地插入第二计算机辅助设计38中。规定的布置可以是螺旋布置，其中相邻的多个第一计算机辅助设计10形成螺旋图案。就此而言，多个第一计算机辅助设计10可以沿在主机主体上延伸的螺旋布置。可以设想，多个第一计算机辅助设计10可以沿相对于主体的几个螺旋布置。45.还可以设想的是，规定的布置也可以为平面布置，其中相邻的多个第一计算机辅助设计10位于同一平面(例如，水平平面或竖直平面)中。规定的布置也可以导致相邻的第一计算机辅助设计10之间的规定间距。在一些实施例中，间距相等，而在其他实施例中，在某些位置可以有规定的偏移，例如，在一定数量的水平行之后的竖直偏移等。可以采用第一计算机辅助设计10的任何布置来实现期望的流动特性。46.一旦所有第一计算机辅助设计10被创建并被插入第二计算机辅助设计10，就可通过从第二计算机辅助设计38的剩余部分中减去第一计算机辅助设计10以及第二计算机辅助设计38的重叠区域52来创建最终流量控制元件。最终的设计可以是流量控制元件的第三计算机辅助设计54，该流量控制元件具有延伸穿过其中的一个或多个流体通道56，每个流体通道56与相应的重叠区域52相关联。47.最终的第三计算机辅助设计54可被传输至制造工具(如3d打印机)或设施，以制造或构建相关联的流量控制元件。48.上述设计流量控制元件的方法的各个方面与对用于创建计算机辅助设计的计算机系统的显著改进相关联。特别地，设计方法可以允许更短的设计时间和设计本身更大的灵活性，以及在第二计算机辅助设计38内或相对于第二计算机辅助设计38布置第一计算机辅助设计10。这些益处可归因于第一计算机辅助设计10和第二计算机辅助设计38的单独创建，尤其是第一计算机辅助设计10被设计为实心结构。49.可以设想，本文公开的设计方法可应用于许多具有圆柱形流量元件和径向或轴向流动路径的球型控制阀，以及用于旋转阀(包括控制球阀)或者管道和排气电阻器的流量元件。50.本文所示的细节仅出于说明性讨论的目的以示例的方式示出，而不是为了提供对本公开的各种实施例的原理和概念方面的被认为是最有用和易于理解的描述的原因而呈现的。就此而言，除了基本理解各种实施例的不同特征所必需的细节之外，没有试图示出任何更多的细节，结合附图进行的描述使本领域的技术人员清楚了解如何在实践中实施这些特征。









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