SolidWorks創新水泵設計平臺

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

作者: 彭浩歌張清元
關鍵字: 水泵創新設計 SolidWorks

在全球性的、動態多變的市場競爭環境下,我國的水泵產品嚴重缺乏市場競爭力。產品技術水平低、技術創新能力弱成為制約企業發展的痼疾,這些缺陷是傳統的設計方法固有的,因此必須在產品研發工作中采用現代設計手段,在方案定型或產品加工前采用計算機仿真模擬,同時變“經驗設計”為“科學設計”,變“實測手段”為“仿真手段”,變“規范標準”為“分析標準”,企業才可能具有自主創新的設計能力。

    一、水泵制造的特點及面臨地挑戰

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

基于二維CAD的水泵設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,設計效果無法預覽,常存在歧義和錯誤;其二是檢具設計與制造困難,無法對過流件進行有效的檢驗,設計要求與制造結果的差別無法確定;其三是鑄造模樣制造周期長,模樣制造中木模工要經歷“讀畫法圖、讀點坐標值、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 提供了一套包括產品結構設計、流體分析仿真、結構有限元分析仿真、數控加工和快速原形的完整解決方案。基于SolidWorks可以構建最理想的水泵自主創新設計平臺,SolidWorks核心包用于水泵的結構設計,SolidCAM用于鑄造模樣和水泵關鍵零件的數控加工,COSMOSFloWorks用于水泵的內流場分析,COSMOSWorks 用于水泵的結構強度和疲勞分析。

    二、水泵結構設計平臺

SolidWorks 核心包提供了水泵結構設計所需的全部功能。下面討論水泵結構設計中一些關鍵技術的處理方式。

    1.過流件復雜曲面的設計

過流件是與流體接觸的零件,如葉輪、導流體、泵體與泵蓋等。為了保證良好的水力學特性,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模型,曲面的描述是水泵結構設計中最重要的內容。在二維CAD設計環境下,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,優點是圖形簡單,缺點是信息不充分,經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。三維CAD環境下,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。曲面的最佳描述方式是三維 CAD 模型,優點是設計信息完整準確,對應的加工方式為數控加工和快速原型。

水泵的設計方法仍然是類比設計法,即對水力學模型按比例放大或縮小,完成不同規格的水泵設計。SolidWorks提供了豐富的曲面造型功能和比例縮放功能,可以設計復雜的曲面,并對其進行縮放滿足水泵系列設計的需求。也可以把水力學模型(曲面上點的數據)輸入到Excel 表中,設計新產品時對表中的數據進行比例換算,將結果傳遞到SolidWorks中,根據輸入的點坐標生成曲面,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.產品配置設計

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

    3.大型焊接件設計

SolidWorks 支持多實體建模技術,在產品設計過程中將焊接件作為一個零件處理,在工藝設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計。在進行焊接件設計時,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的機加工信息,分別滿足產品設計和工藝設計的要求。

    4.鈑金件設計

大型水泵中的導流片、進水管、出水管一般都是鈑金件,在二維環境下計算其下料尺寸是相當困難的。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,曲線的尺寸標注一般是標注曲線上一些點的坐標值,這與常規的下料方式是一致的。

三、水泵工藝設計平臺

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

    1.鑄造工藝與模樣設計

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

SolidWorks的模具設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計流程。切削分割的結果是一多實體零件,包含鑄模零件、型心、型腔和外加諸如邊側型心之類其它可選實體的單獨實體。多體零件文件維持設計意圖,鑄模零件更改后,切削實體或鑄造模樣會自動作相應的更改。

    2.夾具與量具設計

在裝配環境下,SolidWorks 支持自頂向下的設計。以待加工和待檢驗的零件為基礎,引用待加工零件的模型數據來設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,設計鉆模時可以在裝配環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,設計卡具最準確、高效的辦法是直接引用產品模型中的曲線和曲面。

    3.曲面的數控加工

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性能。

SolidWorks推行黃金伙伴計劃,有許多專業的CAM軟件公司開發了鑲嵌在SolidWorks 環境的CAM軟件,其中最有名的是CAMWorks 和SolidCAM,這些軟件和SolidWorks都具有統一的數據庫、相同的操作界面的風格,能支持3-5軸的數控銑削加工。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,在常規鑄造中,快速原型能準確、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中設計的鑄造模樣,可以直接輸入到快速原型設備,實現快速制造。

    四、水泵的水力學仿真平臺

一些通用的小水泵可以批量化生產,但大型水泵的生產模式卻是典型的大批量定制化生產,每種產品的批量都很小,產品出廠前必須進行水力學性能實驗,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,生產周期長,一旦設計失誤,損失會非常大。

水泵設計的最核心技術是過流件的水力學性能設計,葉輪、渦殼、導流體、導流片、出水口、進水口及柵格的型面都將影響水泵的水力學性能。流體的流動特性決定了水泵的過流部件和流道是一些復雜的曲面,因為泵內流體的流動是三維的,包括渦流和紊流狀態,設計時還要考慮固定部分、轉動部分以及流體之間的交互作用,這樣復雜的工作狀態很難通過設計員的經驗以及試驗來實現優化產品性能,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計各種旋轉的、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。可進行檢查輪轂和機匣曲線的連續性和質量,并可分割成兩個或多個線段。對于軸流渦輪,可通過設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是為設計人員開發的新一代革命性熱流分析軟件,鑲嵌在SolidWorks環境下,與SolidWorks共享統一的數據庫、操作界面和風格。COSMOSFloWorks具有強大的氣體、液體、熱傳導分析能力,能夠直接使用三維CAD模型進行自動及半自動的網格分割,可快速獲得準確的分析結果,并且后處理具有動態視覺效果。因此COSMOSFloWorks在泵閥行業得到了廣泛的應用,在水泵設計中主要進行下述分析:

    (1)根據水泵模型和葉輪的轉速求水泵的揚程、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)分析工作過程中產生的氣穴和氣蝕;

    (4)水泵內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)根據水泵的結構和葉輪的轉速求水泵的驅動力矩。

采用COSMOSFloWorks軟件,可以在設計的初期計算泵的水力學特性,和減少試驗次數,最大限度地縮短產品開發時間,降低風險。同時,通過計算流體力學軟件的分析,還能夠得到流體在結構中流動時對結構所產生的壓力,為結構設計和優化提供比較準確的邊界條件。

    五、水泵的結構強度分析

水泵是典型的旋轉動力機械,始終工作在高速旋轉的諧載荷下,因此必須需要分析水泵的各階固有頻率、模態和振型,分析水泵在諧載荷作用下的應力、應變,并且對結構進行優化設計。通過改變設計參數,在滿足應力、應變及模態頻率的基礎上追求質量最小。COSMOSWorks是適合水泵設計人員使用的有限元分析工具,鑲嵌在SolidWorks環境下,利用COSMOSWorks 可以進行下述分析。

    1.水泵的結構強度分析

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

利用有限元分析軟件,能夠進行構件的強度、振動模態、屈曲、動力響應、結構的參數和拓撲優化,一方面檢驗當前設計中存在的結構強度方面的問題,另一方面,可以通過分析得到當前結構在哪些地方還留有較大裕量,為進行結構的減重提供依據,從而降低產品成本。

    2.典型零件的疲勞壽命分析

水泵構件的另外一種常見的失效方式是由于構件受到交變載荷后引起的疲勞失效,據統計機械零件80%以上為疲勞破壞,因此對于承受循環載荷的零部件都應進行疲勞強度設計。通過疲勞試驗的方法來改善產品的疲勞壽命問題所需要投入的資金、設備和時間都是相當長的,所以在設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計中的效率。

疲勞分析軟件能夠依據結構分析軟件的計算結果進行產品基于應力、應變的壽命評估、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,進一步提高產品抗疲勞破壞的能力。

    3.結構動力學分析

    振動是大型水泵設計必須考慮的因素,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力、應變情況。通過結構優化設計減小水泵的振動,提高動態性能。動力學分析包括:模態分析,包括有自然模態、預應力模態、循環模態,瞬態分析、諧響應分析和響應譜分析等。最基礎、重要的分析是求解系統的固有頻率和相應的振型,為電機的選擇提供依據。

    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動力矩,在COSMOSWorks中可以直接讀取這些數據作為零件的載荷以進行結構有限元分析。對葉輪而言,載荷主要是過流面上的水壓力;對主軸而言,載荷主要是驅動葉輪旋轉的驅動力矩和軸向拉力。

    六、結論

構建基于SolidWorks的水泵設計、仿真和制造平臺,可以實現無差錯的設計與制造,通過應用COSMOS軟件,以及逐步在產品設計中采用虛擬樣機技術,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、降低開發成本、加快產品更新換代的速度的目的。用SolidWorks制作的產品三維動畫在投標過程中可表現出極大的競爭優勢,同時在售后服務中,可以指導現場安裝,在委外加工中,也能更加清楚的表達設計意圖。SolidWorks 將成為企業信息化建設的血脈,每個部門都能從中受益。