SolidWorks创新水泵设计平台应用分析2

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　　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 该文来源于三维论坛

　　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。