SolidWorks創(chuàng)新水泵設(shè)計平臺

2013-05-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 彭浩歌張清元
關(guān)鍵字: 水泵創(chuàng)新設(shè)計 SolidWorks

在全球性的、動態(tài)多變的市場競爭環(huán)境下,我國的水泵產(chǎn)品嚴重缺乏市場競爭力。產(chǎn)品技術(shù)水平低、技術(shù)創(chuàng)新能力弱成為制約企業(yè)發(fā)展的痼疾,這些缺陷是傳統(tǒng)的設(shè)計方法固有的,因此必須在產(chǎn)品研發(fā)工作中采用現(xiàn)代設(shè)計手段,在方案定型或產(chǎn)品加工前采用計算機仿真模擬,同時變“經(jīng)驗設(shè)計”為“科學(xué)設(shè)計”,變“實測手段”為“仿真手段”,變“規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)”為“分析標(biāo)準(zhǔn)”,企業(yè)才可能具有自主創(chuàng)新的設(shè)計能力。

    一、水泵制造的特點及面臨地挑戰(zhàn)

水泵種類繁多,結(jié)構(gòu)差異很大。注塞泵和葉片泵的結(jié)構(gòu)完全不同,仿真分析的需求因此不同;同一類型的水泵,泵的體積不同,產(chǎn)品的設(shè)計特點也不同。由于葉片泵的設(shè)計難度更大一些,故以葉片泵為例進行討論。從設(shè)計的角度看,最核心的內(nèi)容是過流件曲面的設(shè)計;從制造的角度看,最核心的技術(shù)是鑄造、以及與鑄造模樣設(shè)計與制造相關(guān)的數(shù)控加工和快速原形技術(shù);從分析的角度看,主要涉及流體仿真分析和結(jié)構(gòu)有限元分析。

基于二維CAD的水泵設(shè)計與制造模式存在的許多問題:其一是過流件曲面的描述不完整,設(shè)計效果無法預(yù)覽,常存在歧義和錯誤;其二是檢具設(shè)計與制造困難,無法對過流件進行有效的檢驗,設(shè)計要求與制造結(jié)果的差別無法確定;其三是鑄造模樣制造周期長,模樣制造中木模工要經(jīng)歷“讀畫法圖、讀點坐標(biāo)值、計算鑄造縮水量、畫曲面的剖面圖”四個過程,對木模工的要求很高,

SolidWorks 提供了一套包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、流體分析仿真、結(jié)構(gòu)有限元分析仿真、數(shù)控加工和快速原形的完整解決方案?；赟olidWorks可以構(gòu)建最理想的水泵自主創(chuàng)新設(shè)計平臺,SolidWorks核心包用于水泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計,SolidCAM用于鑄造模樣和水泵關(guān)鍵零件的數(shù)控加工,COSMOSFloWorks用于水泵的內(nèi)流場分析,COSMOSWorks 用于水泵的結(jié)構(gòu)強度和疲勞分析。

    二、水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺

SolidWorks 核心包提供了水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的全部功能。下面討論水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些關(guān)鍵技術(shù)的處理方式。

    1.過流件復(fù)雜曲面的設(shè)計

過流件是與流體接觸的零件,如葉輪、導(dǎo)流體、泵體與泵蓋等。為了保證良好的水力學(xué)特性,過流面一般都是曲面,描述過流件曲面的畫法圖稱為水力學(xué)模型,曲面的描述是水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的內(nèi)容。在二維CAD設(shè)計環(huán)境下,過流件的曲面采用畫法圖描述,即將曲面沿軸向或徑向截為多個截面,在每個截面上確定一些點,由這些點來描述曲面,優(yōu)點是圖形簡單,缺點是信息不充分,經(jīng)過指定點的曲線有無窮多條,存在多義性,一般與手工(木模)制模方式對應(yīng)。三維CAD環(huán)境下,可以用截面的曲線來描述,從日、美引進的鑄造模樣圖紙多為截面曲線圖(一般采用三維CAD軟件生成),優(yōu)點是能描述曲線的擬合特性,包含的信息比“點描述”要多,也存在一定的多義性,一般與手工(木模)制模方式對應(yīng)。曲面的最佳描述方式是三維 CAD 模型,優(yōu)點是設(shè)計信息完整準(zhǔn)確,對應(yīng)的加工方式為數(shù)控加工和快速原型。

水泵的設(shè)計方法仍然是類比設(shè)計法,即對水力學(xué)模型按比例放大或縮小,完成不同規(guī)格的水泵設(shè)計。SolidWorks提供了豐富的曲面造型功能和比例縮放功能,可以設(shè)計復(fù)雜的曲面,并對其進行縮放滿足水泵系列設(shè)計的需求。也可以把水力學(xué)模型(曲面上點的數(shù)據(jù))輸入到Excel 表中,設(shè)計新產(chǎn)品時對表中的數(shù)據(jù)進行比例換算,將結(jié)果傳遞到SolidWorks中,根據(jù)輸入的點坐標(biāo)生成曲面,對曲面進行光順性分析,并對曲面進行編輯以滿足光順性要求。

    2.產(chǎn)品配置設(shè)計

大型水泵一般是按客戶的要求定制化生產(chǎn)的,水泵的每一種變形,都需要一套完整的技術(shù)文件。水泵設(shè)計的相似性很大,許多企業(yè)都建立了一套自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。SolidWorks強大的配置設(shè)計功能、能對尺寸、特征、材料進行配置設(shè)計,支持零件、部件、產(chǎn)品的配置設(shè)計;SolidWorks 的設(shè)計庫可以有效地管理這些配置。配置設(shè)計和設(shè)計庫構(gòu)成了一個理想的水泵定制化設(shè)計平臺。

    3.大型焊接件設(shè)計

SolidWorks 支持多實體建模技術(shù),在產(chǎn)品設(shè)計過程中將焊接件作為一個零件處理,在工藝設(shè)計時按實體確定下料尺寸。SolidWorks提供了專門的焊接工具,包括焊縫、角撐板、焊件切割清單、焊件工程圖等功能,利用焊接工具能高效地完成焊接件設(shè)計。在進行焊接件設(shè)計時,軟件會自動生成兩個配置,其中焊接配置僅包含焊接件信息,加工配置則包含后續(xù)的機加工信息,分別滿足產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計的要求。

    4.鈑金件設(shè)計

大型水泵中的導(dǎo)流片、進水管、出水管一般都是鈑金件,在二維環(huán)境下計算其下料尺寸是相當(dāng)困難的。使用SolidWorks 的鈑金模塊,該難題可以迎刃而解。鈑金件下料展開圖中,曲線的尺寸標(biāo)注一般是標(biāo)注曲線上一些點的坐標(biāo)值,這與常規(guī)的下料方式是一致的。

三、水泵工藝設(shè)計平臺

制造能力是水泵制造企業(yè)核心競爭力之一,主要包括鑄造、大型鑄造件和結(jié)構(gòu)件的機械加工,鑄造模樣的設(shè)計制造,葉輪曲面的數(shù)控加工等。充分利用產(chǎn)品設(shè)計模型是提高工藝設(shè)計效率的最佳途徑,SolidWorks 的模具設(shè)計模塊和基于裝配環(huán)境的全相關(guān)設(shè)計功能就可以充分利用產(chǎn)品模型進行工藝設(shè)計,這與傳統(tǒng)的二維設(shè)計相比,設(shè)計效率可以提高3-5倍。

    1.鑄造工藝與模樣設(shè)計

鑄造是水泵制造中最重要的加工手段,設(shè)計澆、冒口系統(tǒng)的阿暫公式中要求知道鑄件毛坯的重量,因此可以在SolidWorks 環(huán)境下為產(chǎn)品零件模型增加一個毛坯配置,來作為鑄造工藝設(shè)計和鑄造模樣設(shè)計的源模型,從而直接查詢毛坯模型的重量設(shè)計澆注系統(tǒng),并在裝配環(huán)境下“自頂向下”地設(shè)計鑄造工藝系統(tǒng)。

SolidWorks的模具設(shè)計模塊提供了包括輸入診斷、拔模分析、比例縮放、分型線、分型面、底切檢查和切削分割等一系列工具。輸入待加工零件的實體模型,并給定縮水率,可自動生成鑄造模具的型芯和型腔。因此模具設(shè)計效率可提高10倍以上。

使用模具工具可以分析并糾正 SolidWorks 模型或輸入模型的缺陷。模具工具覆蓋了從初始分析到生成切削分割的整個設(shè)計流程。切削分割的結(jié)果是一多實體零件,包含鑄模零件、型心、型腔和外加諸如邊側(cè)型心之類其它可選實體的單獨實體。多體零件文件維持設(shè)計意圖,鑄模零件更改后,切削實體或鑄造模樣會自動作相應(yīng)的更改。

    2.夾具與量具設(shè)計

在裝配環(huán)境下,SolidWorks 支持自頂向下的設(shè)計。以待加工和待檢驗的零件為基礎(chǔ),引用待加工零件的模型數(shù)據(jù)來設(shè)計夾具和量具非常方便。水泵加工中使用最多的夾具是鉆模,設(shè)計鉆模時可以在裝配環(huán)境下直接把零部件上待加工的孔投影到鉆模的模板上即可。最常用的量具是測量葉輪曲面和渦殼曲面的卡具,設(shè)計卡具最準(zhǔn)確、高效的辦法是直接引用產(chǎn)品模型中的曲線和曲面。

    3.曲面的數(shù)控加工

水泵葉輪曲面的加工有兩種方法,銑削法和鑄造成型法。葉輪的銑削和鑄造模樣的型芯、型腔加工都涉及到曲面的數(shù)控加工。過流面的加工都需要保證曲面的精度,從而保證水泵的水力學(xué)性能。

SolidWorks推行黃金伙伴計劃,有許多專業(yè)的CAM軟件公司開發(fā)了鑲嵌在SolidWorks 環(huán)境的CAM軟件,其中最有名的是CAMWorks 和SolidCAM,這些軟件和SolidWorks都具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫、相同的操作界面的風(fēng)格,能支持3-5軸的數(shù)控銑削加工。SolidCAM 還支持對木材的加工,可以直接加工木模。

    4.快速原型加工

快速原型是加工鑄造模樣的重要方法之一。在消失模鑄造中,可以采用快速原型制作鑄造中被氣化的型芯,在常規(guī)鑄造中,快速原型能準(zhǔn)確、快速地制造鑄造模樣。SolidWorks 能夠與快速原型制造軟件無縫集成,SolidWorks中設(shè)計的鑄造模樣,可以直接輸入到快速原型設(shè)備,實現(xiàn)快速制造。

    四、水泵的水力學(xué)仿真平臺

一些通用的小水泵可以批量化生產(chǎn),但大型水泵的生產(chǎn)模式卻是典型的大批量定制化生產(chǎn),每種產(chǎn)品的批量都很小,產(chǎn)品出廠前必須進行水力學(xué)性能實驗,如果試驗不合格,還要拆卸下來進行修改,然后重新進行試驗。尤其是大型水泵,試驗費用很高,生產(chǎn)周期長,一旦設(shè)計失誤,損失會非常大。

水泵設(shè)計的最核心技術(shù)是過流件的水力學(xué)性能設(shè)計,葉輪、渦殼、導(dǎo)流體、導(dǎo)流片、出水口、進水口及柵格的型面都將影響水泵的水力學(xué)性能。流體的流動特性決定了水泵的過流部件和流道是一些復(fù)雜的曲面,因為泵內(nèi)流體的流動是三維的,包括渦流和紊流狀態(tài),設(shè)計時還要考慮固定部分、轉(zhuǎn)動部分以及流體之間的交互作用,這樣復(fù)雜的工作狀態(tài)很難通過設(shè)計員的經(jīng)驗以及試驗來實現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品性能,所以必須采用流體分析軟件進行仿真分析。

利用流體仿真軟件可以設(shè)計各種旋轉(zhuǎn)的、靜止的葉片元件,分析葉片對水的推擠和抽吸作用。葉片可以是曲面,也可以是直紋面,具有線性或組合斜角的前緣和尾緣,邊緣外形可以很容易地從圓形修改到任意橢圓率直至簡單的直線?？蛇M行檢查輪轂和機匣曲線的連續(xù)性和質(zhì)量,并可分割成兩個或多個線段。對于軸流渦輪,可通過設(shè)計相互獨立的壓力面和吸力面曲線獲得更好的跨音速葉型。通過同樣的方法可以在吸力面的尾緣附近增加特殊處理。

    COSMOSFloWorks是為設(shè)計人員開發(fā)的新一代革命性熱流分析軟件,鑲嵌在SolidWorks環(huán)境下,與SolidWorks共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫、操作界面和風(fēng)格。COSMOSFloWorks具有強大的氣體、液體、熱傳導(dǎo)分析能力,能夠直接使用三維CAD模型進行自動及半自動的網(wǎng)格分割,可快速獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果,并且后處理具有動態(tài)視覺效果。因此COSMOSFloWorks在泵閥行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,在水泵設(shè)計中主要進行下述分析:

    (1)根據(jù)水泵模型和葉輪的轉(zhuǎn)速求水泵的揚程、流量和效率;

    (2)計算葉輪的效率和流體在管路中的水頭損失;

    (3)分析工作過程中產(chǎn)生的氣穴和氣蝕;

    (4)水泵內(nèi)部流體的壓力場分布和速度場分布;

    (5)在流體作用下葉輪表面所受的水壓載荷;

    (6)根據(jù)水泵的結(jié)構(gòu)和葉輪的轉(zhuǎn)速求水泵的驅(qū)動力矩。

采用COSMOSFloWorks軟件,可以在設(shè)計的初期計算泵的水力學(xué)特性,和減少試驗次數(shù),最大限度地縮短產(chǎn)品開發(fā)時間,降低風(fēng)險。同時,通過計算流體力學(xué)軟件的分析,還能夠得到流體在結(jié)構(gòu)中流動時對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力,為結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供比較準(zhǔn)確的邊界條件。

    五、水泵的結(jié)構(gòu)強度分析

水泵是典型的旋轉(zhuǎn)動力機械,始終工作在高速旋轉(zhuǎn)的諧載荷下,因此必須需要分析水泵的各階固有頻率、模態(tài)和振型,分析水泵在諧載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變,并且對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。通過改變設(shè)計參數(shù),在滿足應(yīng)力、應(yīng)變及模態(tài)頻率的基礎(chǔ)上追求質(zhì)量最小。COSMOSWorks是適合水泵設(shè)計人員使用的有限元分析工具,鑲嵌在SolidWorks環(huán)境下,利用COSMOSWorks 可以進行下述分析。

    1.水泵的結(jié)構(gòu)強度分析

無論是泵的葉片、軸還是泵體的結(jié)構(gòu)外殼,在運行過程中都需要保證其結(jié)構(gòu)強度不發(fā)生破壞,如果通過試驗手段來確定結(jié)構(gòu)的強度是否合理,需要做大量的試驗才能夠在保證結(jié)構(gòu)合格的情況下減輕構(gòu)件的重量。

利用有限元分析軟件,能夠進行構(gòu)件的強度、振動模態(tài)、屈曲、動力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)的參數(shù)和拓撲優(yōu)化,一方面檢驗當(dāng)前設(shè)計中存在的結(jié)構(gòu)強度方面的問題,另一方面,可以通過分析得到當(dāng)前結(jié)構(gòu)在哪些地方還留有較大裕量,為進行結(jié)構(gòu)的減重提供依據(jù),從而降低產(chǎn)品成本。

    2.典型零件的疲勞壽命分析

水泵構(gòu)件的另外一種常見的失效方式是由于構(gòu)件受到交變載荷后引起的疲勞失效,據(jù)統(tǒng)計機械零件80%以上為疲勞破壞,因此對于承受循環(huán)載荷的零部件都應(yīng)進行疲勞強度設(shè)計。通過疲勞試驗的方法來改善產(chǎn)品的疲勞壽命問題所需要投入的資金、設(shè)備和時間都是相當(dāng)長的,所以在設(shè)計階段就使用疲勞分析軟件進行分析可以大大提高我們在疲勞強度設(shè)計中的效率。

疲勞分析軟件能夠依據(jù)結(jié)構(gòu)分析軟件的計算結(jié)果進行產(chǎn)品基于應(yīng)力、應(yīng)變的壽命評估、裂紋擴展分析、功率密度譜疲勞壽命分析、多軸疲勞壽命分析和點焊與焊接的疲勞壽命分析,進一步提高產(chǎn)品抗疲勞破壞的能力。

    3.結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析

    振動是大型水泵設(shè)計必須考慮的因素,利用COSMOSWorks可以考察水泵的振動特性以及在動載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變情況。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計減小水泵的振動,提高動態(tài)性能。動力學(xué)分析包括:模態(tài)分析,包括有自然模態(tài)、預(yù)應(yīng)力模態(tài)、循環(huán)模態(tài),瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和響應(yīng)譜分析等。最基礎(chǔ)、重要的分析是求解系統(tǒng)的固有頻率和相應(yīng)的振型,為電機的選擇提供依據(jù)。

    4.耦合分析

通常的分析過程是在COSMOSFloWorks 中計算葉輪表面所受的載荷和水泵的驅(qū)動力矩,在COSMOSWorks中可以直接讀取這些數(shù)據(jù)作為零件的載荷以進行結(jié)構(gòu)有限元分析。對葉輪而言,載荷主要是過流面上的水壓力;對主軸而言,載荷主要是驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩和軸向拉力。

    六、結(jié)論

構(gòu)建基于SolidWorks的水泵設(shè)計、仿真和制造平臺,可以實現(xiàn)無差錯的設(shè)計與制造,通過應(yīng)用COSMOS軟件,以及逐步在產(chǎn)品設(shè)計中采用虛擬樣機技術(shù),將徹底改變研制手段落后的局面,從而減少物理樣機的制造和試驗,達到縮短研制周期、降低開發(fā)成本、加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度的目的。用SolidWorks制作的產(chǎn)品三維動畫在投標(biāo)過程中可表現(xiàn)出極大的競爭優(yōu)勢,同時在售后服務(wù)中,可以指導(dǎo)現(xiàn)場安裝,在委外加工中,也能更加清楚的表達設(shè)計意圖。SolidWorks 將成為企業(yè)信息化建設(shè)的血脈,每個部門都能從中受益。