SolidWorks创新水泵设计平台

2013-05-16 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

作者: 彭浩歌张清元
关键字: 水泵创新设计 SolidWorks

在全球性的、动态多变的市场竞争环境下,我国的水泵产品严重缺乏市场竞争力。产品技术水平低、技术创新能力弱成为制约企业发展的痼疾,这些缺陷是传统的设计方法固有的,因此必须在产品研发工作中采用现代设计手段,在方案定型或产品加工前采用计算机仿真模拟,同时变“经验设计”为“科学设计”,变“实测手段”为“仿真手段”,变“规范标准”为“分析标准”,企业才可能具有自主创新的设计能力。

    一、水泵制造的特点及面临地挑战

水泵种类繁多,结构差异很大。注塞泵和叶片泵的结构完全不同,仿真分析的需求因此不同;同一类型的水泵,泵的体积不同,产品的设计特点也不同。由于叶片泵的设计难度更大一些,故以叶片泵为例进行讨论。从设计的角度看,最核心的内容是过流件曲面的设计;从制造的角度看,最核心的技术是铸造、以及与铸造模样设计与制造相关的数控加工和快速原形技术;从分析的角度看,主要涉及流体仿真分析和结构有限元分析。

基于二维CAD的水泵设计与制造模式存在的许多问题:其一是过流件曲面的描述不完整,设计效果无法预览,常存在歧义和错误;其二是检具设计与制造困难,无法对过流件进行有效的检验,设计要求与制造结果的差别无法确定;其三是铸造模样制造周期长,模样制造中木模工要经历“读画法图、读点坐标值、计算铸造缩水量、画曲面的剖面图”四个过程,对木模工的要求很高,

SolidWorks 提供了一套包括产品结构设计、流体分析仿真、结构有限元分析仿真、数控加工和快速原形的完整解决方案。基于SolidWorks可以构建最理想的水泵自主创新设计平台,SolidWorks核心包用于水泵的结构设计,SolidCAM用于铸造模样和水泵关键零件的数控加工,COSMOSFloWorks用于水泵的内流场分析,COSMOSWorks 用于水泵的结构强度和疲劳分析。

    二、水泵结构设计平台

SolidWorks 核心包提供了水泵结构设计所需的全部功能。下面讨论水泵结构设计中一些关键技术的处理方式。

    1.过流件复杂曲面的设计

过流件是与流体接触的零件,如叶轮、导流体、泵体与泵盖等。为了保证良好的水力学特性,过流面一般都是曲面,描述过流件曲面的画法图称为水力学模型,曲面的描述是水泵结构设计中最重要的内容。在二维CAD设计环境下,过流件的曲面采用画法图描述,即将曲面沿轴向或径向截为多个截面,在每个截面上确定一些点,由这些点来描述曲面,优点是图形简单,缺点是信息不充分,经过指定点的曲线有无穷多条,存在多义性,一般与手工(木模)制模方式对应。三维CAD环境下,可以用截面的曲线来描述,从日、美引进的铸造模样图纸多为截面曲线图(一般采用三维CAD软件生成),优点是能描述曲线的拟合特性,包含的信息比“点描述”要多,也存在一定的多义性,一般与手工(木模)制模方式对应。曲面的最佳描述方式是三维 CAD 模型,优点是设计信息完整准确,对应的加工方式为数控加工和快速原型。

水泵的设计方法仍然是类比设计法,即对水力学模型按比例放大或缩小,完成不同规格的水泵设计。SolidWorks提供了丰富的曲面造型功能和比例缩放功能,可以设计复杂的曲面,并对其进行缩放满足水泵系列设计的需求。也可以把水力学模型(曲面上点的数据)输入到Excel 表中,设计新产品时对表中的数据进行比例换算,将结果传递到SolidWorks中,根据输入的点坐标生成曲面,对曲面进行光顺性分析,并对曲面进行编辑以满足光顺性要求。

    2.产品配置设计

大型水泵一般是按客户的要求定制化生产的,水泵的每一种变形,都需要一套完整的技术文件。水泵设计的相似性很大,许多企业都建立了一套自己的企业标准。SolidWorks强大的配置设计功能、能对尺寸、特征、材料进行配置设计,支持零件、部件、产品的配置设计;SolidWorks 的设计库可以有效地管理这些配置。配置设计和设计库构成了一个理想的水泵定制化设计平台。

    3.大型焊接件设计

SolidWorks 支持多实体建模技术,在产品设计过程中将焊接件作为一个零件处理,在工艺设计时按实体确定下料尺寸。SolidWorks提供了专门的焊接工具,包括焊缝、角撑板、焊件切割清单、焊件工程图等功能,利用焊接工具能高效地完成焊接件设计。在进行焊接件设计时,软件会自动生成两个配置,其中焊接配置仅包含焊接件信息,加工配置则包含后续的机加工信息,分别满足产品设计和工艺设计的要求。

    4.钣金件设计

大型水泵中的导流片、进水管、出水管一般都是钣金件,在二维环境下计算其下料尺寸是相当困难的。使用SolidWorks 的钣金模块,该难题可以迎刃而解。钣金件下料展开图中,曲线的尺寸标注一般是标注曲线上一些点的坐标值,这与常规的下料方式是一致的。

三、水泵工艺设计平台

制造能力是水泵制造企业核心竞争力之一,主要包括铸造、大型铸造件和结构件的机械加工,铸造模样的设计制造,叶轮曲面的数控加工等。充分利用产品设计模型是提高工艺设计效率的最佳途径,SolidWorks 的模具设计模块和基于装配环境的全相关设计功能就可以充分利用产品模型进行工艺设计,这与传统的二维设计相比,设计效率可以提高3-5倍。

    1.铸造工艺与模样设计

铸造是水泵制造中最重要的加工手段,设计浇、冒口系统的阿暂公式中要求知道铸件毛坯的重量,因此可以在SolidWorks 环境下为产品零件模型增加一个毛坯配置,来作为铸造工艺设计和铸造模样设计的源模型,从而直接查询毛坯模型的重量设计浇注系统,并在装配环境下“自顶向下”地设计铸造工艺系统。

SolidWorks的模具设计模块提供了包括输入诊断、拔模分析、比例缩放、分型线、分型面、底切检查和切削分割等一系列工具。输入待加工零件的实体模型,并给定缩水率,可自动生成铸造模具的型芯和型腔。因此模具设计效率可提高10倍以上。

使用模具工具可以分析并纠正 SolidWorks 模型或输入模型的缺陷。模具工具覆盖了从初始分析到生成切削分割的整个设计流程。切削分割的结果是一多实体零件,包含铸模零件、型心、型腔和外加诸如边侧型心之类其它可选实体的单独实体。多体零件文件维持设计意图,铸模零件更改后,切削实体或铸造模样会自动作相应的更改。

    2.夹具与量具设计

在装配环境下,SolidWorks 支持自顶向下的设计。以待加工和待检验的零件为基础,引用待加工零件的模型数据来设计夹具和量具非常方便。水泵加工中使用最多的夹具是钻模,设计钻模时可以在装配环境下直接把零部件上待加工的孔投影到钻模的模板上即可。最常用的量具是测量叶轮曲面和涡壳曲面的卡具,设计卡具最准确、高效的办法是直接引用产品模型中的曲线和曲面。

    3.曲面的数控加工

水泵叶轮曲面的加工有两种方法,铣削法和铸造成型法。叶轮的铣削和铸造模样的型芯、型腔加工都涉及到曲面的数控加工。过流面的加工都需要保证曲面的精度,从而保证水泵的水力学性能。

SolidWorks推行黄金伙伴计划,有许多专业的CAM软件公司开发了镶嵌在SolidWorks 环境的CAM软件,其中最有名的是CAMWorks 和SolidCAM,这些软件和SolidWorks都具有统一的数据库、相同的操作界面的风格,能支持3-5轴的数控铣削加工。SolidCAM 还支持对木材的加工,可以直接加工木模。

    4.快速原型加工

快速原型是加工铸造模样的重要方法之一。在消失模铸造中,可以采用快速原型制作铸造中被气化的型芯,在常规铸造中,快速原型能准确、快速地制造铸造模样。SolidWorks 能够与快速原型制造软件无缝集成,SolidWorks中设计的铸造模样,可以直接输入到快速原型设备,实现快速制造。

    四、水泵的水力学仿真平台

一些通用的小水泵可以批量化生产,但大型水泵的生产模式却是典型的大批量定制化生产,每种产品的批量都很小,产品出厂前必须进行水力学性能实验,如果试验不合格,还要拆卸下来进行修改,然后重新进行试验。尤其是大型水泵,试验费用很高,生产周期长,一旦设计失误,损失会非常大。

水泵设计的最核心技术是过流件的水力学性能设计,叶轮、涡壳、导流体、导流片、出水口、进水口及栅格的型面都将影响水泵的水力学性能。流体的流动特性决定了水泵的过流部件和流道是一些复杂的曲面,因为泵内流体的流动是三维的,包括涡流和紊流状态,设计时还要考虑固定部分、转动部分以及流体之间的交互作用,这样复杂的工作状态很难通过设计员的经验以及试验来实现优化产品性能,所以必须采用流体分析软件进行仿真分析。

利用流体仿真软件可以设计各种旋转的、静止的叶片元件,分析叶片对水的推挤和抽吸作用。叶片可以是曲面,也可以是直纹面,具有线性或组合斜角的前缘和尾缘,边缘外形可以很容易地从圆形修改到任意椭圆率直至简单的直线。可进行检查轮毂和机匣曲线的连续性和质量,并可分割成两个或多个线段。对于轴流涡轮,可通过设计相互独立的压力面和吸力面曲线获得更好的跨音速叶型。通过同样的方法可以在吸力面的尾缘附近增加特殊处理。

    COSMOSFloWorks是为设计人员开发的新一代革命性热流分析软件,镶嵌在SolidWorks环境下,与SolidWorks共享统一的数据库、操作界面和风格。COSMOSFloWorks具有强大的气体、液体、热传导分析能力,能够直接使用三维CAD模型进行自动及半自动的网格分割,可快速获得准确的分析结果,并且后处理具有动态视觉效果。因此COSMOSFloWorks在泵阀行业得到了广泛的应用,在水泵设计中主要进行下述分析:

    (1)根据水泵模型和叶轮的转速求水泵的扬程、流量和效率;

    (2)计算叶轮的效率和流体在管路中的水头损失;

    (3)分析工作过程中产生的气穴和气蚀;

    (4)水泵内部流体的压力场分布和速度场分布;

    (5)在流体作用下叶轮表面所受的水压载荷;

    (6)根据水泵的结构和叶轮的转速求水泵的驱动力矩。

采用COSMOSFloWorks软件,可以在设计的初期计算泵的水力学特性,和减少试验次数,最大限度地缩短产品开发时间,降低风险。同时,通过计算流体力学软件的分析,还能够得到流体在结构中流动时对结构所产生的压力,为结构设计和优化提供比较准确的边界条件。

    五、水泵的结构强度分析

水泵是典型的旋转动力机械,始终工作在高速旋转的谐载荷下,因此必须需要分析水泵的各阶固有频率、模态和振型,分析水泵在谐载荷作用下的应力、应变,并且对结构进行优化设计。通过改变设计参数,在满足应力、应变及模态频率的基础上追求质量最小。COSMOSWorks是适合水泵设计人员使用的有限元分析工具,镶嵌在SolidWorks环境下,利用COSMOSWorks 可以进行下述分析。

    1.水泵的结构强度分析

无论是泵的叶片、轴还是泵体的结构外壳,在运行过程中都需要保证其结构强度不发生破坏,如果通过试验手段来确定结构的强度是否合理,需要做大量的试验才能够在保证结构合格的情况下减轻构件的重量。

利用有限元分析软件,能够进行构件的强度、振动模态、屈曲、动力响应、结构的参数和拓扑优化,一方面检验当前设计中存在的结构强度方面的问题,另一方面,可以通过分析得到当前结构在哪些地方还留有较大裕量,为进行结构的减重提供依据,从而降低产品成本。

    2.典型零件的疲劳寿命分析

水泵构件的另外一种常见的失效方式是由于构件受到交变载荷后引起的疲劳失效,据统计机械零件80%以上为疲劳破坏,因此对于承受循环载荷的零部件都应进行疲劳强度设计。通过疲劳试验的方法来改善产品的疲劳寿命问题所需要投入的资金、设备和时间都是相当长的,所以在设计阶段就使用疲劳分析软件进行分析可以大大提高我们在疲劳强度设计中的效率。

疲劳分析软件能够依据结构分析软件的计算结果进行产品基于应力、应变的寿命评估、裂纹扩展分析、功率密度谱疲劳寿命分析、多轴疲劳寿命分析和点焊与焊接的疲劳寿命分析,进一步提高产品抗疲劳破坏的能力。

    3.结构动力学分析

    振动是大型水泵设计必须考虑的因素,利用COSMOSWorks可以考察水泵的振动特性以及在动载荷作用下的应力、应变情况。通过结构优化设计减小水泵的振动,提高动态性能。动力学分析包括:模态分析,包括有自然模态、预应力模态、循环模态,瞬态分析、谐响应分析和响应谱分析等。最基础、重要的分析是求解系统的固有频率和相应的振型,为电机的选择提供依据。

    4.耦合分析

通常的分析过程是在COSMOSFloWorks 中计算叶轮表面所受的载荷和水泵的驱动力矩,在COSMOSWorks中可以直接读取这些数据作为零件的载荷以进行结构有限元分析。对叶轮而言,载荷主要是过流面上的水压力;对主轴而言,载荷主要是驱动叶轮旋转的驱动力矩和轴向拉力。

    六、结论

构建基于SolidWorks的水泵设计、仿真和制造平台,可以实现无差错的设计与制造,通过应用COSMOS软件,以及逐步在产品设计中采用虚拟样机技术,将彻底改变研制手段落后的局面,从而减少物理样机的制造和试验,达到缩短研制周期、降低开发成本、加快产品更新换代的速度的目的。用SolidWorks制作的产品三维动画在投标过程中可表现出极大的竞争优势,同时在售后服务中,可以指导现场安装,在委外加工中,也能更加清楚的表达设计意图。SolidWorks 将成为企业信息化建设的血脉,每个部门都能从中受益。