SolidWorks创新水泵设计平台应用分析1

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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SolidWorks3d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。