現代設計方法在水泵設計中的應用

第8期機械設計與制造2009年8月Machinery Design & Manufacture文章編號: 1001- 399(2009)070 00901-03現代設計方法在水泵設計中的應用邵國輝'賴(lài)喜德2('哈爾濱大電機研究所,哈爾濱150040)(2西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，成都610039)Application of modern designing methods in design of water pumpSHAO Guo- -hui' ,LAI Xi- de2('Harbin Institute of Large Electric Machinery , Harbin 150040,China)(2School of Energy and Environment of Xihua University ,Chengdu 610039 , China)[摘要]闡述了現代設計方法的基本概念及內容，結合實(shí)踐討論了與水泵設計密切相關(guān)的幾種現代設計方法:計算機輔助設計;CFD技術(shù);有限元分析;優(yōu)化設計;造型設計;可靠性設計;價(jià)值工程;計算機輔助測試。關(guān)鍵詞:水泵;現代設計方法;應用[Abstract ] It explains the basic concept and content of modem designing methods ,combined prac-tice ,discusses some of them related closely to design of water pump ,including computer aided design,CFDtechnique sfinite element analysis ,optimum design , modeling design ,reliability design ,value engineering,computer aided test.Key wrds: Watepump;Modem designing method;Application中圖分類(lèi)號:TH311,TP391.72文獻標識碼:A1引言過(guò)運用相關(guān)科學(xué)技術(shù)原理,進(jìn)行過(guò)去難以想象的綜合集成設計計水泵作為一種通用機械,屬于多品種、中小批量生產(chǎn)對象。長(cháng)算,使設計工:作產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。期以來(lái)，,水泵設計采用經(jīng)驗設計加上反復的模型試驗,多次修正現代設計方法是動(dòng)態(tài)發(fā)展的.到目前為止,現代設計方法至的方法,而且還需要通過(guò)多次整機性能試驗來(lái)驗證與選擇設計方少應包括以下內容:優(yōu)化設計;可靠性設計;仿真技術(shù);計算機輔案.在設計開(kāi)發(fā)中存在著(zhù)較大的肓目性與局限性.不僅設計開(kāi)發(fā)助設計;動(dòng)態(tài)設計;造型設計;模塊化設計;相似性設計;反求工程設計;有限元法;人工神經(jīng)元計算法;工程遺傳學(xué);智能工程;價(jià)值周期長(cháng)耗費大,而且較難得到理想的方案。隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,國內外產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭愈米工程;并行T程;人機T程等。對于水泵的設計還應包括計算流體愈激烈,用戶(hù)對水泵產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、耐久性可靠性經(jīng)濟性提動(dòng)力學(xué)(CFD)和計算機輔助測試等方面的內容。出了愈來(lái)愈高的要求。很顯然,采用傳統的水泵設計方法已不能現代設計方法具有以下主要特點(diǎn):滿(mǎn)足要求,只有充分利用現代設計方法,才能使水泵設計滿(mǎn)足用(1)系統性?，F代設計方法是邏輯的系統的設計方法,強調戶(hù)的要求。大量事實(shí)已經(jīng)證明,采用現代設計方法能顯著(zhù)提高水用系統T程方法處理技術(shù)問(wèn)題。(2)智能性。重視綜合集成,通過(guò)計算機以高效率綜合集成高新科技成果，尋求最優(yōu)方案和參數。泵的設計效率、設計質(zhì)量,縮短研制周期,降低研制成本。(3)創(chuàng )新性。強調激勵創(chuàng )造沖動(dòng),突出創(chuàng )新意識,從而開(kāi)發(fā)創(chuàng )新產(chǎn)2現代設計方法的基本概念和內容品。(4)優(yōu)化性。邇過(guò)優(yōu)化理論與方法,運用計算機技術(shù)進(jìn)行整體自20世紀60年代開(kāi)始,設計領(lǐng)域中相繼出現了一系列新理優(yōu)化。 (5)先進(jìn)性。采用先進(jìn)的設計手段,大大提高設計的質(zhì)量和效論新技術(shù)新方法，這些新興理論技術(shù)方法統稱(chēng)為現代設計方率。(6)動(dòng)態(tài)性。 在靜態(tài)分析的基礎上,考慮載荷譜.負載高等隨機法。它是以思維科學(xué)設計理論系統工程為基礎,以方法論為手變量,進(jìn)行動(dòng)態(tài)多變量最優(yōu)化設計。(7)計算機化。廣泛應用計算段.以計算機為工具的各種技術(shù)和程序的總和。作為一門(mén)新興的機, 使設計.計算繪圖制造改進(jìn)體化。日新月異且功能強大的邊緣學(xué)科,其研究對象不是某個(gè)領(lǐng)城,而是某個(gè)領(lǐng)域的研究方法，軟件使設計 工作面貌不斷更新,能夠包容的影響設計的因素日益增其研究的主要內容是對現有的方法進(jìn)行分析總結.進(jìn)而去發(fā)掘和多,大大提高了 設計的精度穩定性和效率,修改設計極為方便。創(chuàng )造新的方法,并把這一方法應用于相應的科學(xué)領(lǐng)域。3水泵設計常用的幾種現代設計方法.現代設計方法是過(guò)去的傳統設計活動(dòng)的深人、豐富和完善,-泵設計密切相關(guān)的主要隨著(zhù)設計實(shí)踐經(jīng)驗的積累和不斷上升為理論，是由個(gè)別到- -般、有:計中國煤化工}析;優(yōu)化技術(shù);造型技具體到抽象、感性到理性,逐步歸納.演繹綜合、發(fā)展起來(lái)的。由術(shù);可能YHCNMH G式。于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的速度不斷加快,特別是計算機技術(shù)的出現和飛3.1 計算機輔助設計速發(fā)展，人們在掌握事物的客觀(guān)規律和人的思維規律的同時(shí),通計算機輔助設計CAD(Computer Aided Design)是近年來(lái)我國★來(lái)稿日期:2008- 10-16)2邵國輝等:現代設計方法在水泵設計中的應用第8期大力推廣的新技術(shù)。它是利用計算機運算快速準確、存儲量大、邏CFD 技術(shù)將是未來(lái)發(fā)展的趨勢。輯判斷功能強等特點(diǎn)進(jìn)行設計信息處理,并通過(guò)人機交互作用完3.3 有限元分析成設計工作的-種現代設計方法。有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析之一,是20世紀60年我國從20世紀80年代初開(kāi)始了泵CAD的研究工作。經(jīng)過(guò)代發(fā)展起來(lái)的新的數值計算方法 ,是計算機時(shí)代的產(chǎn)物隨著(zhù)計算20多年的發(fā)展，目前采用一-元設計理論進(jìn)行二維水力設計和繪圖機技 術(shù)的發(fā)展,有限元法在各個(gè)工程領(lǐng)域中不斷得到深人的應用。方面的技術(shù)研究已經(jīng)達到比較成熟的階段。其主要的技術(shù)特點(diǎn)是:有限元法(Finite Element Method)的基本思想是將結構離散(1 )在軟件方面,比較注重支撐軟件的選擇。軟件開(kāi)發(fā)的起點(diǎn)化， 用有限個(gè)容易分析的單元來(lái)表示,單元之間通過(guò)有限個(gè)節點(diǎn)高,重復性少,發(fā)展較快。相互連接,然后根據變形協(xié)調條件綜合求解。由于單元的數目是(2)在硬件方面,逐漸實(shí)現了從小型機向工作站的轉變,充分有限的, 節點(diǎn)的數目也是有限的,所以稱(chēng)為有限元法。這種方法靈利用工作站可以處理大規模的應用程序,而且運算速度快的特活性很大, 只要改變單元的數目,就可以使解的精確度改變,得到與點(diǎn),進(jìn)一步推動(dòng)了泵CAD的發(fā)展。真實(shí)情況無(wú)限接近的解。它不僅能用于工程中復雜的非線(xiàn)性問(wèn)題、(3)注重CAD和CAM(計算機輔助制造)的結合。非穩態(tài)問(wèn)題的求解,而且還可用于工程設計中進(jìn)行復雜結構的靜態(tài)(4)技術(shù)內容廣泛,包括水力設計性能預測優(yōu)化設計.功能和動(dòng)力分析。有限元方法現已發(fā)展成為- 種十分有效的結構分析手模塊化技術(shù)數據庫管理有限元分析等。段。目前國外已研制了許多成熟的大型有限元分析軟件，如SAP、CAD技術(shù)與傳統的手工方法相比，極大地提高了設計的準ADINA.ANSYS.H deas 等。這些軟件使用極其方便，不需要對有限確性和可靠性,降低了設計成本,縮短了設計周期,同時(shí)設計者的元法進(jìn) 很深人的了解,便可應用這些軟件求解實(shí)際工程問(wèn)題。勞動(dòng)強度也得到了減輕。然而我國泵CAD技術(shù)的應用還不是很有限元分析技術(shù)在水泵設計中的應用,克服了傳統經(jīng)驗式設廣泛,還存在很多有待于解決的問(wèn)題.比如如何完成泵的三維實(shí)計的局限性 ,可以顯著(zhù)提高泵產(chǎn)品的設計性能,縮短設計周期,增體造型,軟件所依據的理論和技術(shù)比較落后,水力設計的某些過(guò)強產(chǎn) 品的市場(chǎng)競爭能力。程無(wú)法實(shí)現等。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,上述問(wèn)題將會(huì )得到解3.4 優(yōu)化設計決,計算機輔助設計在泵行業(yè)的應用會(huì )越來(lái)越廣泛。在水泵的設計時(shí),必須綜合考慮效率、壽命和可靠性等諸多因3.2 CFD技術(shù)數,而傳統的設計方法無(wú)法使得上述因數同時(shí)滿(mǎn)足要求,因而優(yōu)化CFD是英文Computational Fluid Dynamics的縮寫(xiě),意為計算設計方法備受從事泵理論研究和設計人員的青睞。優(yōu)化設計(Op-流體動(dòng)力學(xué)。它通過(guò)計算機數值計算和圖像顯示,實(shí)現對給定對timum Design)是- -種將設計變量表示為產(chǎn)品性能指標、結構指標象(如一臺水泵)內的流體流動(dòng)和熱傳導等相關(guān)物理現象的模擬或運 動(dòng)參量指標的兩數(稱(chēng)為目標函數),然后在產(chǎn)品規定的性態(tài)、與分析,從而得到流場(chǎng)內各個(gè)位置上的基本物理量(如速度、壓幾何 運動(dòng)及其它限制(稱(chēng)為約束條件)的范圍內,尋找滿(mǎn)足一個(gè)目力、溫度湍動(dòng)能等)的分布,以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況。標函數或多個(gè)目標函數最大或最小的設計變量組合的數學(xué)方法。近年來(lái)隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,CFD技術(shù)了得到飛速發(fā)展。水泵優(yōu)化設計就是將水泵的基本流動(dòng)理論與計算流體力學(xué)CFD技術(shù)在機械工程的應用日益廣泛,對水泵的內部流場(chǎng)進(jìn)行深和優(yōu)化方法 等結合在-起,主要 從考慮水力損失最低者手.以便入準確的研究將變得可能。在保證效率最高的條件下,尋求不同的流動(dòng)和幾何參數的組合。目水泵CFD技術(shù)可以實(shí)現如下功能:前,國內主要水泵的優(yōu)化設計方法有速度系數優(yōu)化設計法、損失極(1)為水泵設計創(chuàng )建“虛擬測試平臺”。CFD可以較準確地預值優(yōu)化設計法、 反正反準則篩選優(yōu)化設計法和基于CFD技術(shù)的優(yōu)測所設計出的水泵的全工況范圍內的揚程、功率效率等特性,從化設計法 ,還有最近發(fā)展起來(lái)的遺傳算法。這些優(yōu)化設計方法的使而大大減少原型試驗.縮短開(kāi)發(fā)周期,降低開(kāi)發(fā)成本。在某些企用, 可以保證水泵具有優(yōu)良的性能提高產(chǎn)品質(zhì)量降低產(chǎn)品成本,業(yè),CFD已經(jīng)與CAD(計算機輔助設計).CAM(計算機輔助制造)可以極大地提高設計效率。同時(shí)也可以使設計者從大量繁瑣和重復結合在- -起,形成集成的水泵設計分析制造系統。的計算工作中解脫出來(lái),使之有更多的精力從事創(chuàng )造性的設計。(2)將泵內流動(dòng)“可視化”。CFD 可以向用戶(hù)提供泵的過(guò)流部隨著(zhù)最優(yōu)設計數學(xué)模型的不斷完善和數學(xué)力學(xué)理論、計算技件內部任意- -點(diǎn)、任意- -條線(xiàn)或任意- -個(gè)面上的流動(dòng)情況,還可術(shù) 和計算機的不斷發(fā)展.優(yōu)化設計方法在水泵設計中的應用會(huì )具生成動(dòng)畫(huà),演示所計算出的流態(tài),包括速度矢量、粒子流動(dòng)軌跡有更廣 “闊的發(fā)展前景。線(xiàn)、壓力等值線(xiàn)等,從而使一些在實(shí)驗室內的試驗臺 上很難實(shí)現3.5 造型設計的測試任務(wù)在CFD環(huán)境中完成。. 隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步,在國內外市場(chǎng)上，對水泵產(chǎn)品的選型,外觀(guān)(3)優(yōu)化水泵性能。CFD 可以確定葉片上的流動(dòng)分離、間隙質(zhì) 量和使用舒適性提出了越來(lái)越高的要求。造型設計(modeling流動(dòng)、進(jìn)口與出口的速度角、壓水室內的流動(dòng),以及其他影響水泵design中國煤化工門(mén)新學(xué)科。在產(chǎn)品造型性能和效率的特性,同時(shí),還可模擬其他一些重要現象,如汽蝕、設計過(guò)(還要以產(chǎn)品的功能結固體砂粒對葉片表現的侵蝕、自吸泵的自吸過(guò)程等。構、生Hc N M H G品創(chuàng )造等因素為出發(fā)CFD技術(shù)在水泵產(chǎn)品設計中的應用可以節省大量的試驗工點(diǎn) ,將工程技術(shù)與美學(xué)藝術(shù)結合起來(lái),綜合協(xié)調地對產(chǎn)品款式進(jìn)作量,節省大量的人力物力。在水泵的設計工作中,廣泛地應用行塑造 和設計。產(chǎn)品的造型設計不是產(chǎn)品已生產(chǎn)創(chuàng )造出來(lái)之后的No.8Aug.2009機械設計與制造93純美化工作,而是與技術(shù)設計各設計步驟同步配合進(jìn)行的-項創(chuàng )補充不足功能,挖掘潛 在功能.進(jìn)行方案創(chuàng )新并優(yōu)化,滿(mǎn)足用戶(hù)功造性技術(shù)工作,貫穿于產(chǎn)品設計、制造的全過(guò)程。產(chǎn)品的造型設計能需求 ,從而使總成本最小、價(jià)值最高。區別于工藝美術(shù)設計,它必須服從生產(chǎn)制造工藝及使用價(jià)值。在水泵設計始終都要遵循價(jià)值I程這個(gè)原則,(1)在滿(mǎn)足使用滿(mǎn)足產(chǎn)品使用功能的前提下才談得上追求藝術(shù)性外觀(guān)美。因此要求 的前提下,盡量簡(jiǎn)化設計,力爭用最少的零部件來(lái)組成設備對泵產(chǎn)品造型設計的要求是:實(shí)用、經(jīng)濟.美觀(guān)。結構;同時(shí),盡量設計成易加工制造的結構形式,盡量降低結構件目前,我國有些泵產(chǎn)品,如果從實(shí)用以及泵效率指標上來(lái)考的加工精度要求,降低加工成本。 (2)在滿(mǎn)足性能和可靠性的前提核,其性能已達到和超過(guò)國外先進(jìn)水平。雖然我們的產(chǎn)品價(jià)格低下 ,結構設計盡最采用價(jià)格低、易采購的加工材料,降低原料成廉,但是產(chǎn)品在國內外市場(chǎng)上:仍競爭不過(guò)工業(yè)發(fā)達國家同行業(yè)的本 ,同時(shí)便于組織生產(chǎn)。產(chǎn)品。兗其原因,除了性能和可靠性外,恐怕造型設計也算是-個(gè)我國于1978年引進(jìn)價(jià)值T程,但是在水泵行業(yè),推廣應用價(jià)主要原因。我國有些葉片泵已經(jīng)過(guò)幾次水力模型改進(jìn)設計,但其值工程起步較晚,推廣面也較窄,只在一些 大中型泵廠(chǎng)開(kāi)展得比外型除了通用化程度有所提高外,幾乎都是幾十年的老樣子,這較好 。因此大力推行價(jià)值工程的研究,促進(jìn)水泵產(chǎn)品的刨新,降低必然會(huì )影響泵產(chǎn)品的出口以及國內用戶(hù)的選擇。消耗,節約成本,增加經(jīng)濟效益,對我國水泵行業(yè)的發(fā)展具有重大實(shí)踐證明，對水泵進(jìn)行合理的造型設計會(huì )給人以美的享受,的現實(shí)意義。使得泵的外觀(guān)和輸液功能得到高度的統- ,這樣的泵有利于減輕3.8 計算機輔助測試疲勞,避免生產(chǎn)事故.提高工作效率。而對生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō),最有利計算機輔助測試(computer aided test)是綜合利用計算機技的莫過(guò)于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和市場(chǎng)競爭力。因此在我國水泵行術(shù).傳感器技術(shù)、比例控制技術(shù) 集成播放技術(shù)等高新技術(shù)的一種業(yè)進(jìn)一步大力推廣造型設計,以徹底改變水泵的傻、大黑、粗的綜合試驗測試技術(shù), 全部測試數據都在軟件控制下由計算機自動(dòng)舊形象是很必要的。采集與處理,進(jìn)而打印出試驗數據和特性曲線(xiàn)。3.6可靠性設計隨著(zhù)計算機技術(shù)的8益發(fā)展,計算機在泵產(chǎn)品的試驗過(guò)程中泵產(chǎn)品的可靠性,是設計、生產(chǎn)和用戶(hù)共同關(guān)心的問(wèn)題,也是大顯 身手。國內許多廠(chǎng)家和科研單位建造了計算機輔助測試試驗對產(chǎn)品質(zhì)量作全面評定的-一個(gè)重要指標。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)臺和試驗回路，而且有幾家科研單位推出了各自的計算機輔助水展,用戶(hù)對泵的可靠性的要求愈來(lái)愈高。泵測試系統軟件,在水泵行業(yè)中進(jìn)行推廣,這些系統采用現代化可靠性( Reliability )是指產(chǎn)品在規定的條件下和規定的時(shí)間的檢測手段 .計算機技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù),并將它們有機地結合起內完成其功能的能力。產(chǎn)品的可靠性主要是由設計階段來(lái)決定來(lái), 進(jìn)行水泵的自動(dòng)測量、試驗和數據處理。計算機輔助測試具有的。如果設計階段不考慮其可靠性.以后無(wú)論怎樣制造和維護,也以下優(yōu)點(diǎn):(1)能夠提高整個(gè)水泵測試的精度 ,為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和研究難以達到較高的可靠性。水泵產(chǎn)品的可靠性設計就是要根據使用要提供精確的數據。<2)提高工作效率,節省人力、物力。(3)在試驗求確定產(chǎn)品的可靠性定量指標,收集零部件的數據,確定產(chǎn)品的過(guò)程中能夠隨時(shí) 顯示測試結果,使試驗過(guò)程- -目了然，有利于試壽命周期,建立可靠性模型,定量計算、分配和評價(jià)產(chǎn)品的可靠性，驗 人員在試泵過(guò)程中隨時(shí)發(fā)現各種問(wèn)題,做出判斷、處理。找出可靠性最低的環(huán)節加以改進(jìn).從而提高整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。4結束語(yǔ)可靠性設計需要有符合實(shí)際的數據。取得這些數據的過(guò)程也現代設計方法是科學(xué)理論為指導，以社會(huì )和人的需求為目是工廠(chǎng)改善科學(xué)管理,提高人員素質(zhì)的過(guò)程?，F代設計方法的推的,以計算機技術(shù)為設計手段,它是在傳統設計基礎上發(fā)展起來(lái)行要具備一定的客觀(guān)環(huán)境，同時(shí),也在改善客觀(guān)條件?？煽啃栽O計的新的設計理論與方法。 現代設計法用于指導工程實(shí)踐,不僅可不僅和設計部門(mén)有關(guān)，也和工藝.制造、管理等許多部門(mén)有關(guān)。通提高產(chǎn)品的科技含量和優(yōu)化產(chǎn)品綜合性能,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可過(guò)可靠性設計不但可知如何提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低失效率,而且靠性,而且可降低生產(chǎn)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品競爭力和生也可知如何改進(jìn)工藝降低成本?？煽啃栽O計所包含的是從原材產(chǎn)企業(yè)的綜合經(jīng)濟產(chǎn)益?，F代設計法在水泵行業(yè)中,應用潛巨料進(jìn)廠(chǎng)到成品出廠(chǎng),乃至使用階段的整個(gè)過(guò)程,范圍極其廣泛。大,具有很好的發(fā)展前景。然而目前我國水泵行業(yè)對可靠性設計研究得較少,從歷史上參考文獻來(lái)看,主要是沈陽(yáng)水泵研究所開(kāi)展了一些工作,編制了二個(gè)標準:1楊方飛,閣楚良,張書(shū)明等虛擬樣機技術(shù)在水泵設計中的應用[U]農業(yè)機JBT6881- -1993 《泵可靠性測定試驗》JBT6882- -1993:《泵可靠械學(xué)報2051):38-41性驗證試驗》。因此根據實(shí)際的應用需要,開(kāi)展可靠性設計的研究2鐘志華,周彥偉.現代設計方法[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2001需要盡快提上日程。相信隨著(zhù)可靠性設計方法在我國的推廣應3楊利花.楊世強 現代設計方法及其發(fā)展趨勢[]甘肅科學(xué)報200(2);用,將會(huì )給水泵行業(yè)帶來(lái)很大的社會(huì )和經(jīng)濟效益。11-1144李安虎車(chē)T.劉煒巍泵CAD發(fā)展及展鄂[]水泵技術(shù),2003(5):32-353.7價(jià)值工程價(jià)值工程(value enineeringe VE)是以提高實(shí)用價(jià)值為目的，5潘中永中國煤化工水泵技199(3):39446劉耳林CNMHG特點(diǎn)及發(fā)展[]流體機械，以功能分析為核心,以開(kāi)發(fā)集體智力資源為基礎,以科學(xué)分析方法為I具,用最少的成本支出達到最合適的產(chǎn)品功能的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)7 王福軍計算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]北京:清華大學(xué)出版禮,2004的科學(xué)方法。它分析功能和成本的價(jià)值關(guān)系,設法消除多余功能，8 王助成有限單元法[M]北京:清華大學(xué)出版社,2003