SolidWorks創(chuàng)新水泵設(shè)計(jì)平臺(tái)

2013-05-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)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(jì) SolidWorks

在全球性的、動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下,我國(guó)的水泵產(chǎn)品嚴(yán)重缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jì)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(jì)手段,在方案定型或產(chǎn)品加工前采用計(jì)算機(jī)仿真模擬,同時(shí)變“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”為“科學(xué)設(shè)計(jì)”,變“實(shí)測(cè)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(jì)能力。

    一、水泵制造的特點(diǎn)及面臨地挑戰(zhàn)

水泵種類(lèi)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(lèi)型的水泵,泵的體積不同,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特點(diǎn)也不同。由于葉片泵的設(shè)計(jì)難度更大一些,故以葉片泵為例進(jìn)行討論。從設(shè)計(jì)的角度看,最核心的內(nèi)容是過(guò)流件曲面的設(shè)計(jì);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(jì)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(jì)與制造模式存在的許多問(wèn)題:其一是過(guò)流件曲面的描述不完整,設(shè)計(jì)效果無(wú)法預(yù)覽,常存在歧義和錯(cuò)誤;其二是檢具設(shè)計(jì)與制造困難,無(wú)法對(duì)過(guò)流件進(jìn)行有效的檢驗(yàn),設(shè)計(jì)要求與制造結(jié)果的差別無(wú)法確定;其三是鑄造模樣制造周期長(zhǎng),模樣制造中木模工要經(jīng)歷“讀畫(huà)法圖、讀點(diǎn)坐標(biāo)值、計(jì)算鑄造縮水量、畫(huà)曲面的剖面圖”四個(gè)過(guò)程,對(duì)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(jì)、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(jì)平臺(tái),SolidWorks核心包用于水泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(chǎng)分析,COSMOSWorks 用于水泵的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞分析。

    二、水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)

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

    1.過(guò)流件復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)

過(guò)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(guò)流面一般都是曲面,描述過(guò)流件曲面的畫(huà)法圖稱(chēng)為水力學(xué)模型,曲面的描述是水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的內(nèi)容。在二維CAD設(shè)計(jì)環(huán)境下,過(guò)流件的曲面采用畫(huà)法圖描述,即將曲面沿軸向或徑向截為多個(gè)截面,在每個(gè)截面上確定一些點(diǎn),由這些點(diǎn)來(lái)描述曲面,優(yōu)點(diǎn)是圖形簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是信息不充分,經(jīng)過(guò)指定點(diǎn)的曲線有無(wú)窮多條,存在多義性,一般與手工(木模)制模方式對(duì)應(yīng)。三維CAD環(huán)境下,可以用截面的曲線來(lái)描述,從日、美引進(jìn)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(diǎn)是能描述曲線的擬合特性,包含的信息比“點(diǎn)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(duì)應(yīng)。曲面的最佳描述方式是三維 CAD 模型,優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)信息完整準(zhǔn)確,對(duì)應(yīng)的加工方式為數(shù)控加工和快速原型。

水泵的設(shè)計(jì)方法仍然是類(lèi)比設(shè)計(jì)法,即對(duì)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(jì)。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(jì)復(fù)雜的曲面,并對(duì)其進(jìn)行縮放滿(mǎn)足水泵系列設(shè)計(jì)的需求。也可以把水力學(xué)模型(曲面上點(diǎn)的數(shù)據(jù))輸入到Excel 表中,設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比例換算,將結(jié)果傳遞到SolidWorks中,根據(jù)輸入的點(diǎn)坐標(biāo)生成曲面,對(duì)曲面進(jìn)行光順性分析,并對(duì)曲面進(jìn)行編輯以滿(mǎn)足光順性要求。

    2.產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)

大型水泵一般是按客戶(hù)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(jì)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(qiáng)大的配置設(shè)計(jì)功能、能對(duì)尺寸、特征、材料進(jìn)行配置設(shè)計(jì),支持零件、部件、產(chǎn)品的配置設(shè)計(jì);SolidWorks 的設(shè)計(jì)庫(kù)可以有效地管理這些配置。配置設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)庫(kù)構(gòu)成了一個(gè)理想的水泵定制化設(shè)計(jì)平臺(tái)。

    3.大型焊接件設(shè)計(jì)

SolidWorks 支持多實(shí)體建模技術(shù),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中將焊接件作為一個(gè)零件處理,在工藝設(shè)計(jì)時(shí)按實(shí)體確定下料尺寸。SolidWorks提供了專(zhuān)門(mén)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(jì)。在進(jìn)行焊接件設(shè)計(jì)時(shí),軟件會(huì)自動(dòng)生成兩個(gè)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(jī)加工信息,分別滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的要求。

    4.鈑金件設(shè)計(jì)

大型水泵中的導(dǎo)流片、進(jìn)水管、出水管一般都是鈑金件,在二維環(huán)境下計(jì)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(kāi)圖中,曲線的尺寸標(biāo)注一般是標(biāo)注曲線上一些點(diǎn)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(jì)平臺(tái)

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

    1.鑄造工藝與模樣設(shè)計(jì)

鑄造是水泵制造中最重要的加工手段,設(shè)計(jì)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(gè)毛坯配置,來(lái)作為鑄造工藝設(shè)計(jì)和鑄造模樣設(shè)計(jì)的源模型,從而直接查詢(xún)毛坯模型的重量設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng),并在裝配環(huán)境下“自頂向下”地設(shè)計(jì)鑄造工藝系統(tǒng)。

SolidWorks的模具設(shè)計(jì)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(shí)體模型,并給定縮水率,可自動(dòng)生成鑄造模具的型芯和型腔。因此模具設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)流程。切削分割的結(jié)果是一多實(shí)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(lèi)其它可選實(shí)體的單獨(dú)實(shí)體。多體零件文件維持設(shè)計(jì)意圖,鑄模零件更改后,切削實(shí)體或鑄造模樣會(huì)自動(dòng)作相應(yīng)的更改。

    2.夾具與量具設(shè)計(jì)

在裝配環(huán)境下,SolidWorks 支持自頂向下的設(shè)計(jì)。以待加工和待檢驗(yàn)的零件為基礎(chǔ),引用待加工零件的模型數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)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(jì)鉆模時(shí)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(cè)量葉輪曲面和渦殼曲面的卡具,設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)劃,有許多專(zhuān)業(yè)的CAM軟件公司開(kāi)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(kù)、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(duì)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(wú)縫集成,SolidWorks中設(shè)計(jì)的鑄造模樣,可以直接輸入到快速原型設(shè)備,實(shí)現(xiàn)快速制造。

    四、水泵的水力學(xué)仿真平臺(tái)

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(jìn)行水力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),如果試驗(yàn)不合格,還要拆卸下來(lái)進(jìn)行修改,然后重新進(jìn)行試驗(yàn)。尤其是大型水泵,試驗(yàn)費(fèi)用很高,生產(chǎn)周期長(zhǎng),一旦設(shè)計(jì)失誤,損失會(huì)非常大。

水泵設(shè)計(jì)的最核心技術(shù)是過(guò)流件的水力學(xué)性能設(shè)計(jì),葉輪、渦殼、導(dǎo)流體、導(dǎo)流片、出水口、進(jìn)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(dòng)特性決定了水泵的過(guò)流部件和流道是一些復(fù)雜的曲面,因?yàn)楸脙?nèi)流體的流動(dòng)是三維的,包括渦流和紊流狀態(tài),設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮固定部分、轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)設(shè)計(jì)員的經(jīng)驗(yàn)以及試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品性能,所以必須采用流體分析軟件進(jìn)行仿真分析。

利用流體仿真軟件可以設(shè)計(jì)各種旋轉(zhuǎn)的、靜止的葉片元件,分析葉片對(duì)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(jiǎn)單的直線?？蛇M(jìn)行檢查輪轂和機(jī)匣曲線的連續(xù)性和質(zhì)量,并可分割成兩個(gè)或多個(gè)線段。對(duì)于軸流渦輪,可通過(guò)設(shè)計(jì)相互獨(dú)立的壓力面和吸力面曲線獲得更好的跨音速葉型。通過(guò)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(jì)人員開(kāi)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(kù)、操作界面和風(fēng)格。COSMOSFloWorks具有強(qiáng)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(jìn)行自動(dòng)及半自動(dòng)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(dòng)態(tài)視覺(jué)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(jì)中主要進(jìn)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(yáng)程、流量和效率;

    (2)計(jì)算葉輪的效率和流體在管路中的水頭損失;

    (3)分析工作過(guò)程中產(chǎn)生的氣穴和氣蝕;

    (4)水泵內(nèi)部流體的壓力場(chǎng)分布和速度場(chǎng)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(dòng)力矩。

采用COSMOSFloWorks軟件,可以在設(shè)計(jì)的初期計(jì)算泵的水力學(xué)特性,和減少試驗(yàn)次數(shù),最大限度地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間,降低風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),通過(guò)計(jì)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(dòng)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)度分析

水泵是典型的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù),在滿(mǎn)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(jì)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(jìn)行下述分析。

    1.水泵的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

無(wú)論是泵的葉片、軸還是泵體的結(jié)構(gòu)外殼,在運(yùn)行過(guò)程中都需要保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不發(fā)生破壞,如果通過(guò)試驗(yàn)手段來(lái)確定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否合理,需要做大量的試驗(yàn)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(jìn)行構(gòu)件的強(qiáng)度、振動(dòng)模態(tài)、屈曲、動(dòng)力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)的參數(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化,一方面檢驗(yàn)當(dāng)前設(shè)計(jì)中存在的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的問(wèn)題,另一方面,可以通過(guò)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(jìn)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(jiàn)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(jì)機(jī)械零件80%以上為疲勞破壞,因此對(duì)于承受循環(huán)載荷的零部件都應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。通過(guò)疲勞試驗(yàn)的方法來(lái)改善產(chǎn)品的疲勞壽命問(wèn)題所需要投入的資金、設(shè)備和時(shí)間都是相當(dāng)長(zhǎng)的,所以在設(shè)計(jì)階段就使用疲勞分析軟件進(jìn)行分析可以大大提高我們?cè)谄趶?qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品基于應(yīng)力、應(yīng)變的壽命評(píng)估、裂紋擴(kuò)展分析、功率密度譜疲勞壽命分析、多軸疲勞壽命分析和點(diǎn)焊與焊接的疲勞壽命分析,進(jìn)一步提高產(chǎn)品抗疲勞破壞的能力。

    3.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

    振動(dòng)是大型水泵設(shè)計(jì)必須考慮的因素,利用COSMOSWorks可以考察水泵的振動(dòng)特性以及在動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變情況。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)減小水泵的振動(dòng),提高動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)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(jī)的選擇提供依據(jù)。

    4.耦合分析

通常的分析過(guò)程是在COSMOSFloWorks 中計(jì)算葉輪表面所受的載荷和水泵的驅(qū)動(dòng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析。對(duì)葉輪而言,載荷主要是過(guò)流面上的水壓力;對(duì)主軸而言,載荷主要是驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩和軸向拉力。

    六、結(jié)論

構(gòu)建基于SolidWorks的水泵設(shè)計(jì)、仿真和制造平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的設(shè)計(jì)與制造,通過(guò)應(yīng)用COSMOS軟件,以及逐步在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用虛擬樣機(jī)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(jī)的制造和試驗(yàn),達(dá)到縮短研制周期、降低開(kāi)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(dòng)畫(huà)在投標(biāo)過(guò)程中可表現(xiàn)出極大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),同時(shí)在售后服務(wù)中,可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安裝,在委外加工中,也能更加清楚的表達(dá)設(shè)計(jì)意圖。SolidWorks 將成為企業(yè)信息化建設(shè)的血脈,每個(gè)部門(mén)都能從中受益。