【技術貼】如何才能快速設計出一款低成本、高性能的離心泵產(chǎn)品？
2017-04-06 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
如何才能快速設計出一款低成本、高性能的離心泵產(chǎn)品? 為了提高工作效率,現(xiàn)在很多研發(fā)人員都在采用仿真聯(lián)合實驗的手段,但是由于設計和仿真不能同步進行,初步設計的產(chǎn)品如果通過仿真得到的性能曲線不能滿足使用要求,往往需要返回到CAD模型中修改幾何參數(shù),再仿真計算獲得結(jié)果,整個過程繁冗復雜,那么,怎么才能使整體研發(fā)流程最簡化、研發(fā)成本和周期最小化呢?
有人想到了在CAD技術和仿真模擬技術的基礎上,引入軟件驅(qū)動和優(yōu)化算法,重復驅(qū)動CAD軟件和CAE軟件自動修改模型和仿真計算,從而極大地減少工程師重復性的工作量,進而減少重復工作過程中出錯的可能性。但由于存在與參數(shù)化建模軟件、葉輪機械設計軟件、數(shù)值分析軟件集成的二次開發(fā)等門檻,一直舉步維艱。
前不久,?；膸孜还こ處熖岢隽艘粋€方案,基于葉輪機械設計-仿真-優(yōu)化的一體化思路,通過集成葉輪機械的參數(shù)化設計、數(shù)值分析和優(yōu)化設計軟件,并自定義開發(fā)各軟件之間的接口和操作流程的批處理化,在同一平臺上可自動實現(xiàn)包括參數(shù)化設計、數(shù)值分析和優(yōu)化設計的所有功能,聽起來神乎其神,那這個方案是否真的能幫助我們快速完成產(chǎn)品設計嗎?
圖1 葉輪機械優(yōu)化設計系統(tǒng)架構(gòu) 以離心泵的設計為例,理論上來說,采用該一體化設計平臺,可通過采用CFturbo設計出較理想的初步設計模型,并自動輸出至PumpLinx進行性能分析,獲得數(shù)值計算結(jié)果,自動輸出至優(yōu)化設計軟件Isight。通過在Isight中設置優(yōu)化參數(shù)和提取數(shù)值計算結(jié)果,Isight會有針對性地對計算結(jié)果進行改型優(yōu)化,自動調(diào)用CFturbo和PumpLinx進行“設計-仿真-優(yōu)化”的多次循環(huán),以最少的設計次數(shù)獲得最佳的設計模型,最終獲得符合要求的產(chǎn)品。 在輸入設計參數(shù)之后,根據(jù)CFturbo內(nèi)置的經(jīng)驗函數(shù)可以自動計算出葉輪幾何特性參數(shù)。本設計中,先根據(jù)所需設計的泵基本性能參數(shù),根據(jù)CFturbo內(nèi)置的經(jīng)驗函數(shù)得到泵的詳細幾何參數(shù)和相應的流體域模型,完成離心泵葉輪的三維初步設計,如下圖所示: CFturbo具有蝸殼設計模塊,將已創(chuàng)建的葉輪模型導入之后,即可便捷地展開蝸殼的設計工作。最終生成的蝸殼模型如下: 葉輪和蝸殼模型生成完畢后,在CFturbo中直接啟動PumpLinx可對設計模型和優(yōu)化后的模型展開CFD分析,預測離心泵的流體動力特性。對單個工況進行穩(wěn)態(tài)仿真,迭代500次達到穩(wěn)定,所需時間為20分鐘。通過仿真,獲得了離心泵初始模型的性能曲線,如下圖所示。從圖中可以看出,初始設計模型在設計點的揚程為45.02m,效率為83.65%,揚程達到了設計要求,但效率偏低,需要在原設計基礎上對模型進行優(yōu)化。 為了提高離心泵效率,在葉輪設計參數(shù)中選取了10個可變參數(shù)作為優(yōu)化變量,如下表所示: 優(yōu)化過程需要不斷進行“設計—評估—改進”的多次循環(huán),通過一種搭積木的方式快速繼承和耦合設計和仿真軟件,將所有設計流程組織到一個統(tǒng)一的邏輯框架中,自動運行仿真軟件,并自動重啟設計流程,從而消除傳統(tǒng)設計流程中的重復性工作,使整個設計流程實現(xiàn)全數(shù)字化和全自動化。本次優(yōu)化設計流程如下圖所示。 本優(yōu)化流程集成了優(yōu)化算法、CFturbo設計軟件、PumpLinx仿真軟件、文檔修改、計算器和一個自編后處理程序。 本案例是在離心泵優(yōu)化設計平臺上施加遺傳算法全局搜索和二次序列規(guī)劃方法局部尋優(yōu)的優(yōu)化策略組合,啟動優(yōu)化平臺進行優(yōu)化求解,最終獲得優(yōu)化后的設計模型。 優(yōu)化目標:提高額定工況下離心泵效率,并保證揚程的設計要求; 下圖顯示了優(yōu)化軟件在計算迭代過程中離心泵效率的變化曲線。經(jīng)過323次迭代優(yōu)化計算后,尋找到目標函數(shù)的全局最優(yōu)解,優(yōu)化過程結(jié)束,最終得到的離心泵最優(yōu)效率為85.21%。 下圖為計算得到的原始泵模型和優(yōu)化泵模型的性能曲線的比較,其中黑色曲線為原始泵模型,紅色曲線為優(yōu)化后泵模型的性能曲線。從圖中可以看出,優(yōu)化后泵模型的揚程和效率都得到了一定的提升,流量系數(shù)在0.4到1.2范圍內(nèi),揚程增大3-5m,效率提高1.56%-6.05%。外特性曲線表明,經(jīng)優(yōu)化后離心泵的水力性能得到明顯改善。 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)各參數(shù)值見下表,從表中可以看出,離心泵結(jié)構(gòu)變化較大,其中吸入口直徑、前后蓋板型線、包角和出口角有了明顯的改變,而葉輪直徑和出口寬度變化較小。 下圖顯示了原始模型和優(yōu)化后模型子午面對比情況,從對比圖可看出,葉輪前緣位置更靠近進口,葉輪對水做功較早。前后蓋板型線改動也較大,前后型線在中間位置靠攏,在流動中間形成了較窄的空間。 通過驗證,這套方案確實實現(xiàn)了意義上的“設計-仿真-優(yōu)化”的一體化,可以幫助工程師更高效便捷地進行產(chǎn)品研發(fā)設計。
開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術文章,助你自學成才
相關標簽搜索：【技術貼】如何才能快速設計出一款低成本、高性能的離心泵產(chǎn)品？ Pumplinx流體分析培訓課程 Pumplinx旋轉(zhuǎn)機構(gòu)仿真分析 Pumplinx培訓 Pumplinx學習教程 Pumplinx視頻教程 Pumplinx軟件下載 pumplinx流體分析 Pumplinx代做 Pumplinx基礎知識 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓
編輯
搜索
