现代设计方法在水泵设计中的应用

第8期机械设计与制造2009年8月Machinery Design & Manufacture文章编号: 1001- 399(2009)070 00901-03现代设计方法在水泵设计中的应用邵国辉'赖喜德2('哈尔滨大电机研究所,哈尔滨150040)(2西华大学能源与环境学院，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]阐述了现代设计方法的基本概念及内容，结合实践讨论了与水泵设计密切相关的几种现代设计方法:计算机辅助设计;CFD技术;有限元分析;优化设计;造型设计;可靠性设计;价值工程;计算机辅助测试。关键词:水泵;现代设计方法;应用[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中图分类号:TH311,TP391.72文献标识码:A1引言过运用相关科学技术原理,进行过去难以想象的综合集成设计计水泵作为一种通用机械,属于多品种、中小批量生产对象。长算,使设计工:作产生了质的飞跃。期以来，,水泵设计采用经验设计加上反复的模型试验,多次修正现代设计方法是动态发展的.到目前为止,现代设计方法至的方法,而且还需要通过多次整机性能试验来验证与选择设计方少应包括以下内容:优化设计;可靠性设计;仿真技术;计算机辅案.在设计开发中存在着较大的肓目性与局限性.不仅设计开发助设计;动态设计;造型设计;模块化设计;相似性设计;反求工程设计;有限元法;人工神经元计算法;工程遗传学;智能工程;价值周期长耗费大,而且较难得到理想的方案。随着现代科学技术的迅速发展,国内外产品的市场竞争愈米工程;并行T程;人机T程等。对于水泵的设计还应包括计算流体愈激烈,用户对水泵产品的质量、性能、耐久性可靠性经济性提动力学(CFD)和计算机辅助测试等方面的内容。出了愈来愈高的要求。很显然,采用传统的水泵设计方法已不能现代设计方法具有以下主要特点:满足要求,只有充分利用现代设计方法,才能使水泵设计满足用(1)系统性。现代设计方法是逻辑的系统的设计方法,强调户的要求。大量事实已经证明,采用现代设计方法能显著提高水用系统T程方法处理技术问题。(2)智能性。重视综合集成,通过计算机以高效率综合集成高新科技成果，寻求最优方案和参数。泵的设计效率、设计质量,缩短研制周期,降低研制成本。(3)创新性。强调激励创造冲动,突出创新意识,从而开发创新产2现代设计方法的基本概念和内容品。(4)优化性。邇过优化理论与方法,运用计算机技术进行整体自20世纪60年代开始,设计领域中相继出现了一系列新理优化。 (5)先进性。采用先进的设计手段,大大提高设计的质量和效论新技术新方法，这些新兴理论技术方法统称为现代设计方率。(6)动态性。 在静态分析的基础上,考虑载荷谱.负载高等随机法。它是以思维科学设计理论系统工程为基础,以方法论为手变量,进行动态多变量最优化设计。(7)计算机化。广泛应用计算段.以计算机为工具的各种技术和程序的总和。作为一门新兴的机, 使设计.计算绘图制造改进体化。日新月异且功能强大的边缘学科,其研究对象不是某个领城,而是某个领域的研究方法，软件使设计 工作面貌不断更新,能够包容的影响设计的因素日益增其研究的主要内容是对现有的方法进行分析总结.进而去发掘和多,大大提高了 设计的精度稳定性和效率,修改设计极为方便。创造新的方法,并把这一方法应用于相应的科学领域。3水泵设计常用的几种现代设计方法.现代设计方法是过去的传统设计活动的深人、丰富和完善,-泵设计密切相关的主要随着设计实践经验的积累和不断上升为理论，是由个别到- -般、有:计中国煤化工}析;优化技术;造型技具体到抽象、感性到理性,逐步归纳.演绎综合、发展起来的。由术;可能YHCNMH G式。于科学技术进步的速度不断加快,特别是计算机技术的出现和飞3.1 计算机辅助设计速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时,通计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)是近年来我国★来稿日期:2008- 10-16)2邵国辉等:现代设计方法在水泵设计中的应用第8期大力推广的新技术。它是利用计算机运算快速准确、存储量大、逻CFD 技术将是未来发展的趋势。辑判断功能强等特点进行设计信息处理,并通过人机交互作用完3.3 有限元分析成设计工作的-种现代设计方法。有限元分析技术是最重要的工程分析之一,是20世纪60年我国从20世纪80年代初开始了泵CAD的研究工作。经过代发展起来的新的数值计算方法 ,是计算机时代的产物随着计算20多年的发展，目前采用一-元设计理论进行二维水力设计和绘图机技 术的发展,有限元法在各个工程领域中不断得到深人的应用。方面的技术研究已经达到比较成熟的阶段。其主要的技术特点是:有限元法(Finite Element Method)的基本思想是将结构离散(1 )在软件方面,比较注重支撑软件的选择。软件开发的起点化， 用有限个容易分析的单元来表示,单元之间通过有限个节点高,重复性少,发展较快。相互连接,然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是(2)在硬件方面,逐渐实现了从小型机向工作站的转变,充分有限的, 节点的数目也是有限的,所以称为有限元法。这种方法灵利用工作站可以处理大规模的应用程序,而且运算速度快的特活性很大, 只要改变单元的数目,就可以使解的精确度改变,得到与点,进一步推动了泵CAD的发展。真实情况无限接近的解。它不仅能用于工程中复杂的非线性问题、(3)注重CAD和CAM(计算机辅助制造)的结合。非稳态问题的求解,而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态(4)技术内容广泛,包括水力设计性能预测优化设计.功能和动力分析。有限元方法现已发展成为- 种十分有效的结构分析手模块化技术数据库管理有限元分析等。段。目前国外已研制了许多成熟的大型有限元分析软件，如SAP、CAD技术与传统的手工方法相比，极大地提高了设计的准ADINA.ANSYS.H deas 等。这些软件使用极其方便，不需要对有限确性和可靠性,降低了设计成本,缩短了设计周期,同时设计者的元法进 很深人的了解,便可应用这些软件求解实际工程问题。劳动强度也得到了减轻。然而我国泵CAD技术的应用还不是很有限元分析技术在水泵设计中的应用,克服了传统经验式设广泛,还存在很多有待于解决的问题.比如如何完成泵的三维实计的局限性 ,可以显著提高泵产品的设计性能,缩短设计周期,增体造型,软件所依据的理论和技术比较落后,水力设计的某些过强产 品的市场竞争能力。程无法实现等。随着科学技术的高速发展,上述问题将会得到解3.4 优化设计决,计算机辅助设计在泵行业的应用会越来越广泛。在水泵的设计时,必须综合考虑效率、寿命和可靠性等诸多因3.2 CFD技术数,而传统的设计方法无法使得上述因数同时满足要求,因而优化CFD是英文Computational Fluid Dynamics的缩写,意为计算设计方法备受从事泵理论研究和设计人员的青睐。优化设计(Op-流体动力学。它通过计算机数值计算和图像显示,实现对给定对timum Design)是- -种将设计变量表示为产品性能指标、结构指标象(如一台水泵)内的流体流动和热传导等相关物理现象的模拟或运 动参量指标的兩数(称为目标函数),然后在产品规定的性态、与分析,从而得到流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压几何 运动及其它限制(称为约束条件)的范围内,寻找满足一个目力、温度湍动能等)的分布,以及这些物理量随时间的变化情况。标函数或多个目标函数最大或最小的设计变量组合的数学方法。近年来随着计算机技术的迅速发展,CFD技术了得到飞速发展。水泵优化设计就是将水泵的基本流动理论与计算流体力学CFD技术在机械工程的应用日益广泛,对水泵的内部流场进行深和优化方法 等结合在-起,主要 从考虑水力损失最低者手.以便入准确的研究将变得可能。在保证效率最高的条件下,寻求不同的流动和几何参数的组合。目水泵CFD技术可以实现如下功能:前,国内主要水泵的优化设计方法有速度系数优化设计法、损失极(1)为水泵设计创建“虚拟测试平台”。CFD可以较准确地预值优化设计法、 反正反准则筛选优化设计法和基于CFD技术的优测所设计出的水泵的全工况范围内的扬程、功率效率等特性,从化设计法 ,还有最近发展起来的遗传算法。这些优化设计方法的使而大大减少原型试验.缩短开发周期,降低开发成本。在某些企用, 可以保证水泵具有优良的性能提高产品质量降低产品成本,业,CFD已经与CAD(计算机辅助设计).CAM(计算机辅助制造)可以极大地提高设计效率。同时也可以使设计者从大量繁琐和重复结合在- -起,形成集成的水泵设计分析制造系统。的计算工作中解脱出来,使之有更多的精力从事创造性的设计。(2)将泵内流动“可视化”。CFD 可以向用户提供泵的过流部随着最优设计数学模型的不断完善和数学力学理论、计算技件内部任意- -点、任意- -条线或任意- -个面上的流动情况,还可术 和计算机的不断发展.优化设计方法在水泵设计中的应用会具生成动画,演示所计算出的流态,包括速度矢量、粒子流动轨迹有更广 “阔的发展前景。线、压力等值线等,从而使一些在实验室内的试验台 上很难实现3.5 造型设计的测试任务在CFD环境中完成。. 随着时代的进步,在国内外市场上，对水泵产品的选型,外观(3)优化水泵性能。CFD 可以确定叶片上的流动分离、间隙质 量和使用舒适性提出了越来越高的要求。造型设计(modeling流动、进口与出口的速度角、压水室内的流动,以及其他影响水泵design中国煤化工门新学科。在产品造型性能和效率的特性,同时,还可模拟其他一些重要现象,如汽蚀、设计过(还要以产品的功能结固体砂粒对叶片表现的侵蚀、自吸泵的自吸过程等。构、生Hc N M H G品创造等因素为出发CFD技术在水泵产品设计中的应用可以节省大量的试验工点 ,将工程技术与美学艺术结合起来,综合协调地对产品款式进作量,节省大量的人力物力。在水泵的设计工作中,广泛地应用行塑造 和设计。产品的造型设计不是产品已生产创造出来之后的No.8Aug.2009机械设计与制造93纯美化工作,而是与技术设计各设计步骤同步配合进行的-项创补充不足功能,挖掘潜 在功能.进行方案创新并优化,满足用户功造性技术工作,贯穿于产品设计、制造的全过程。产品的造型设计能需求 ,从而使总成本最小、价值最高。区别于工艺美术设计,它必须服从生产制造工艺及使用价值。在水泵设计始终都要遵循价值I程这个原则,(1)在满足使用满足产品使用功能的前提下才谈得上追求艺术性外观美。因此要求 的前提下,尽量简化设计,力争用最少的零部件来组成设备对泵产品造型设计的要求是:实用、经济.美观。结构;同时,尽量设计成易加工制造的结构形式,尽量降低结构件目前,我国有些泵产品,如果从实用以及泵效率指标上来考的加工精度要求,降低加工成本。 (2)在满足性能和可靠性的前提核,其性能已达到和超过国外先进水平。虽然我们的产品价格低下 ,结构设计尽最采用价格低、易采购的加工材料,降低原料成廉,但是产品在国内外市场上:仍竞争不过工业发达国家同行业的本 ,同时便于组织生产。产品。兖其原因,除了性能和可靠性外,恐怕造型设计也算是-个我国于1978年引进价值T程,但是在水泵行业,推广应用价主要原因。我国有些叶片泵已经过几次水力模型改进设计,但其值工程起步较晚,推广面也较窄,只在一些 大中型泵厂开展得比外型除了通用化程度有所提高外,几乎都是几十年的老样子,这较好 。因此大力推行价值工程的研究,促进水泵产品的刨新,降低必然会影响泵产品的出口以及国内用户的选择。消耗,节约成本,增加经济效益,对我国水泵行业的发展具有重大实践证明，对水泵进行合理的造型设计会给人以美的享受,的现实意义。使得泵的外观和输液功能得到高度的统- ,这样的泵有利于减轻3.8 计算机辅助测试疲劳,避免生产事故.提高工作效率。而对生产厂家来说,最有利计算机辅助测试(computer aided test)是综合利用计算机技的莫过于提高企业的经济效益和市场竞争力。因此在我国水泵行术.传感器技术、比例控制技术 集成播放技术等高新技术的一种业进一步大力推广造型设计,以彻底改变水泵的傻、大黑、粗的综合试验测试技术, 全部测试数据都在软件控制下由计算机自动旧形象是很必要的。采集与处理,进而打印出试验数据和特性曲线。3.6可靠性设计随着计算机技术的8益发展,计算机在泵产品的试验过程中泵产品的可靠性,是设计、生产和用户共同关心的问题,也是大显 身手。国内许多厂家和科研单位建造了计算机辅助测试试验对产品质量作全面评定的-一个重要指标。随着科学技术的快速发台和试验回路，而且有几家科研单位推出了各自的计算机辅助水展,用户对泵的可靠性的要求愈来愈高。泵测试系统软件,在水泵行业中进行推广,这些系统采用现代化可靠性( Reliability )是指产品在规定的条件下和规定的时间的检测手段 .计算机技术、自动化技术,并将它们有机地结合起内完成其功能的能力。产品的可靠性主要是由设计阶段来决定来, 进行水泵的自动测量、试验和数据处理。计算机辅助测试具有的。如果设计阶段不考虑其可靠性.以后无论怎样制造和维护,也以下优点:(1)能够提高整个水泵测试的精度 ,为产品开发和研究难以达到较高的可靠性。水泵产品的可靠性设计就是要根据使用要提供精确的数据。<2)提高工作效率,节省人力、物力。(3)在试验求确定产品的可靠性定量指标,收集零部件的数据,确定产品的过程中能够随时 显示测试结果,使试验过程- -目了然，有利于试寿命周期,建立可靠性模型,定量计算、分配和评价产品的可靠性，验 人员在试泵过程中随时发现各种问题,做出判断、处理。找出可靠性最低的环节加以改进.从而提高整个产品的可靠性。4结束语可靠性设计需要有符合实际的数据。取得这些数据的过程也现代设计方法是科学理论为指导，以社会和人的需求为目是工厂改善科学管理,提高人员素质的过程。现代设计方法的推的,以计算机技术为设计手段,它是在传统设计基础上发展起来行要具备一定的客观环境，同时,也在改善客观条件。可靠性设计的新的设计理论与方法。 现代设计法用于指导工程实践,不仅可不仅和设计部门有关，也和工艺.制造、管理等许多部门有关。通提高产品的科技含量和优化产品综合性能,提高产品的质量和可过可靠性设计不但可知如何提高产品的质量、降低失效率,而且靠性,而且可降低生产成本、缩短开发周期、提高产品竞争力和生也可知如何改进工艺降低成本。可靠性设计所包含的是从原材产企业的综合经济产益。现代设计法在水泵行业中,应用潜巨料进厂到成品出厂,乃至使用阶段的整个过程,范围极其广泛。大,具有很好的发展前景。然而目前我国水泵行业对可靠性设计研究得较少,从历史上参考文献来看,主要是沈阳水泵研究所开展了一些工作,编制了二个标准:1杨方飞,阁楚良,张书明等虚拟样机技术在水泵设计中的应用[U]农业机JBT6881- -1993 《泵可靠性测定试验》JBT6882- -1993:《泵可靠械学报2051):38-41性验证试验》。因此根据实际的应用需要,开展可靠性设计的研究2钟志华,周彦伟.现代设计方法[M].武汉:武汉理工大学出版社,2001需要尽快提上日程。相信随着可靠性设计方法在我国的推广应3杨利花.杨世强 现代设计方法及其发展趋势[]甘肃科学报200(2);用,将会给水泵行业带来很大的社会和经济效益。11-1144李安虎车T.刘炜巍泵CAD发展及展鄂[]水泵技术,2003(5):32-353.7价值工程价值工程(value enineeringe VE)是以提高实用价值为目的，5潘中永中国煤化工水泵技199(3):39446刘耳林CNMHG特点及发展[]流体机械，以功能分析为核心,以开发集体智力资源为基础,以科学分析方法为I具,用最少的成本支出达到最合适的产品功能的产品开发7 王福军计算流体动力学分析[M]北京:清华大学出版礼,2004的科学方法。它分析功能和成本的价值关系,设法消除多余功能，8 王助成有限单元法[M]北京:清华大学出版社,2003