在全球性的、動態(tài)多變的市場競爭環(huán)境下，我國的水泵產(chǎn)品嚴重缺乏市場競爭力。產(chǎn)品技術(shù)水平低、技術(shù)創(chuàng)新能力弱成為制約企業(yè)發(fā)展的痼疾，這些缺陷是傳統(tǒng)的設(shè) 計方法固有的，因此必須在產(chǎn)品研發(fā)工作中采用現(xiàn)代設(shè)計手段，在方案定型或產(chǎn)品加工前采用計算機仿真模擬，同時變“經(jīng)驗設(shè)計”為“科學(xué)設(shè)計”，變“實測手 段”為“仿真手段”，變“規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)”為“分析標(biāo)準(zhǔn)”，企業(yè)才可能具有自主創(chuàng)新的設(shè)計能力。

　　一、 水泵制造的特點及面臨地挑戰(zhàn)

　　水泵種類繁多，結(jié)構(gòu)差異很大。注塞泵和葉片泵的結(jié)構(gòu)完全不同，仿真分析的需求因此不同;同一類型的水泵，泵的體積不同，產(chǎn)品的設(shè)計特點也不同。由于葉片泵 的設(shè)計難度更大一些，故以葉片泵為例進行討論。從設(shè)計的角度看，最核心的內(nèi)容是過流件曲面的設(shè)計;從制造的角度看，最核心的技術(shù)是鑄造、以及與鑄造模樣設(shè) 計與制造相關(guān)的數(shù)控加工和快速原形技術(shù);從分析的角度看，主要涉及流體仿真分析和結(jié)構(gòu)有限元分析。

　　基于二維CAD的水泵設(shè)計與制造模式存在的許多問題:其一是過流件曲面的描述不完整，設(shè)計效果無法預(yù)覽，常存在歧義和錯誤;其二是檢具設(shè)計與制造困難，無 法對過流件進行有效的檢驗，設(shè)計要求與制造結(jié)果的差別無法確定;其三是鑄造模樣制造周期長，模樣制造中木模工要經(jīng)歷“讀畫法圖、讀點坐標(biāo)值、計算鑄造縮水 量、畫曲面的剖面圖”四個過程，對木模工的要求很高

　　SolidWorks 提供了一套包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、流體分析仿真、結(jié)構(gòu)有限元分析仿真、數(shù)控加工和快速原形的完整解決方案。基于SolidWorks可以構(gòu)建最理想的水泵自主 創(chuàng)新設(shè)計平臺，SolidWorks核心包用于水泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，SolidCAM用于鑄造模樣和水泵關(guān)鍵零件的數(shù)控加工，COSMOSFloWorks用 于水泵的內(nèi)流場分析，COSMOSWorks 用于水泵的結(jié)構(gòu)強度和疲勞分析。

　　二、 水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計平臺

　　SolidWorks 核心包提供了水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的全部功能。下面討論水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些關(guān)鍵技術(shù)的處理方式。

　　1.過流件復(fù)雜曲面的設(shè)計

　　過流件是與流體接觸的零件，如葉輪、導(dǎo)流體、泵體與泵蓋等。為了保證良好的水力學(xué)特性，過流面一般都是曲面，描述過流件曲面的畫法圖稱為水力學(xué)模型，曲 面的描述是水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的內(nèi)容。在二維CAD設(shè)計環(huán)境下，過流件的曲面采用畫法圖描述，即將曲面沿軸向或徑向截為多個截面，在每個截面上確定一些 點，由這些點來描述曲面，優(yōu)點是圖形簡單，缺點是信息不充分，經(jīng)過指定點的曲線有無窮多條，存在多義性，一般與手工(木模)制模方式對應(yīng)。三維CAD環(huán)境 下，可以用截面的曲線來描述，從日、美引進的鑄造模樣圖紙多為截面曲線圖(一般采用三維CAD軟件生成)，優(yōu)點是能描述曲線的擬合特性，包含的信息比“點 描述”要多，也存在一定的多義性，一般與手工(木模)制模方式對應(yīng)。曲面的最佳描述方式是三維 CAD 模型，優(yōu)點是設(shè)計信息完整準(zhǔn)確，對應(yīng)的加工方式為數(shù)控加工和快速原型。

　　水泵的設(shè)計方法仍然是類比設(shè)計法，即對水力學(xué)模型按比例放大或縮小，完成不同規(guī)格的水泵設(shè)計。SolidWorks提供了豐富的曲面造型功能和比例縮放 功能，可以設(shè)計復(fù)雜的曲面，并對其進行縮放滿足水泵系列設(shè)計的需求。也可以把水力學(xué)模型(曲面上點的數(shù)據(jù))輸入到Excel 表中，設(shè)計新產(chǎn)品時對表中的數(shù)據(jù)進行比例換算，將結(jié)果傳遞到SolidWorks中，根據(jù)輸入的點坐標(biāo)生成曲面，對曲面進行光順性分析，并對曲面進行編輯 以滿足光順性要求。

　　2.產(chǎn)品配置設(shè)計

　　大型水泵一般是按客戶的要求定制化生產(chǎn)的，水泵的每一種變形，都需要一套完整的技術(shù)文件。水泵設(shè)計的相似性很大，許多企業(yè)都建立了一套自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 SolidWorks強大的配置設(shè)計功能、能對尺寸、特征、材料進行配置設(shè)計，支持零件、部件、產(chǎn)品的配置設(shè)計;SolidWorks 的設(shè)計庫可以有效地管理這些配置。配置設(shè)計和設(shè)計庫構(gòu)成了一個理想的水泵定制化設(shè)計平臺。

　　3.大型焊接件設(shè)計

　　SolidWorks 支持多實體建模技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計過程中將焊接件作為一個零件處理，在工藝設(shè)計時按實體確定下料尺寸。SolidWorks提供了專門的焊接工具，包括焊 縫、角撐板、焊件切割清單、焊件工程圖等功能，利用焊接工具能高效地完成焊接件設(shè)計。在進行焊接件設(shè)計時，軟件會自動生成兩個配置，其中焊接配置僅包含焊 接件信息，加工配置則包含后續(xù)的機加工信息，分別滿足產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計的要求。

　　4.鈑金件設(shè)計

　　大型水泵中的導(dǎo)流片、進水管、出水管一般都是鈑金件，在二維環(huán)境下計算其下料尺寸是相當(dāng)困難的。使用SolidWorks 的鈑金模塊，該難題可以迎刃而解。鈑金件下料展開圖中，曲線的尺寸標(biāo)注一般是標(biāo)注曲線上一些點的坐標(biāo)值，這與常規(guī)的下料方式是一致的。

　　三、 水泵工藝設(shè)計平臺

　　制造能力是水泵制造企業(yè)核心競爭力之一，主要包括鑄造、大型鑄造件和結(jié)構(gòu)件的機械加工，鑄造模樣的設(shè)計制造，葉輪曲面的數(shù)控加工等。充分利用產(chǎn)品設(shè)計模 型是提高工藝設(shè)計效率的最佳途徑，SolidWorks 的模具設(shè)計模塊和基于裝配環(huán)境的全相關(guān)設(shè)計功能就可以充分利用產(chǎn)品模型進行工藝設(shè)計，這與傳統(tǒng)的二維設(shè)計相比，設(shè)計效率可以提高3-5倍。

　　1.鑄造工藝與模樣設(shè)計

　　鑄造是水泵制造中最重要的加工手段，設(shè)計澆、冒口系統(tǒng)的阿暫公式中要求知道鑄件毛坯的重量，因此可以在SolidWorks 環(huán)境下為產(chǎn)品零件模型增加一個毛坯配置，來作為鑄造工藝設(shè)計和鑄造模樣設(shè)計的源模型，從而直接查詢毛坯模型的重量設(shè)計澆注系統(tǒng)，并在裝配環(huán)境下“自頂向 下”地設(shè)計鑄造工藝系統(tǒng)。

　　SolidWorks的模具設(shè)計模塊提供了包括輸入診斷、拔模分析、比例縮放、分型線、分型面、底切檢查和切削分割等一系列工具。輸入待加工零件的實體 模型，并給定縮水率，可自動生成鑄造模具的型芯和型腔。因此模具設(shè)計效率可提高10倍以上。

　　使用模具工具可以分析并糾正 SolidWorks 模型或輸入模型的缺陷。模具工具覆蓋了從初始分析到生成切削分割的整個設(shè)計流程。切削分割的結(jié)果是一多實體零件，包含鑄模零件、型心、型腔和外加諸如邊側(cè) 型心之類其它可選實體的單獨實體。多體零件文件維持設(shè)計意圖，鑄模零件更改后，切削實體或鑄造模樣會自動作相應(yīng)的更改。

　　2.夾具與量具設(shè)計

　　在裝配環(huán)境下，SolidWorks 支持自頂向下的設(shè)計。以待加工和待檢驗的零件為基礎(chǔ)，引用待加工零件的模型數(shù)據(jù)來設(shè)計夾具和量具非常方便。水泵加工中使用最多的夾具是鉆模，設(shè)計鉆模時可 以在裝配環(huán)境下直接把零部件上待加工的孔投影到鉆模的模板上即可。最常用的量具是測量葉輪曲面和渦殼曲面的卡具，設(shè)計卡具最準(zhǔn)確、高效的辦法是直接引用產(chǎn) 品模型中的曲線和曲面。

　　3.曲面的數(shù)控加工

　　水泵葉輪曲面的加工有兩種方法，銑削法和鑄造成型法。葉輪的銑削和鑄造模樣的型芯、型腔加工都涉及到曲面的數(shù)控加工。過流面的加工都需要保證曲面的精度，從而保證水泵的水力學(xué)性能。

　　SolidWorks推行黃金伙伴計劃，有許多專業(yè)的CAM軟件公司開發(fā)了鑲嵌在SolidWorks 環(huán)境的CAM軟件，其中最有名的是CAMWorks 和SolidCAM，這些軟件和SolidWorks都具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫、相同的操作界面的風(fēng)格，能支持3-5軸的數(shù)控銑削加工。SolidCAM 還支持對木材的加工，可以直接加工木模。

　　4.快速原型加工

　　快速原型是加工鑄造模樣的重要方法之一。在消失模鑄造中，可以采用快速原型制作鑄造中被氣化的型芯，在常規(guī)鑄造中，快速原型能準(zhǔn)確、快速地制造鑄造模 樣。SolidWorks 能夠與快速原型制造軟件無縫集成，SolidWorks中設(shè)計的鑄造模樣，可以直接輸入到快速原型設(shè)備，實現(xiàn)快速制造。

　　四、 水泵的水力學(xué)仿真平臺

　　一些通用的小水泵可以批量化生產(chǎn)，但大型水泵的生產(chǎn)模式卻是典型的大批量定制化生產(chǎn)，每種產(chǎn)品的批量都很小，產(chǎn)品出廠前必須進行水力學(xué)性能實驗，如果試 驗不合格，還要拆卸下來進行修改，然后重新進行試驗。尤其是大型水泵，試驗費用很高，生產(chǎn)周期長，一旦設(shè)計失誤，損失會非常大。

　　水泵設(shè)計的最核心技術(shù)是過流件的水力學(xué)性能設(shè)計，葉輪、渦殼、導(dǎo)流體、導(dǎo)流片、出水口、進水口及柵格的型面都將影響水泵的水力學(xué)性能。流體的流動特性決 定了水泵的過流部件和流道是一些復(fù)雜的曲面，因為泵內(nèi)流體的流動是三維的，包括渦流和紊流狀態(tài)，設(shè)計時還要考慮固定部分、轉(zhuǎn)動部分以及流體之間的交互作 用，這樣復(fù)雜的工作狀態(tài)很難通過設(shè)計員的經(jīng)驗以及試驗來實現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品性能，所以必須采用流體分析軟件進行仿真分析。

　　利用流體仿真軟件可以設(shè)計各種旋轉(zhuǎn)的、靜止的葉片元件，分析葉片對水的推擠和抽吸作用。葉片可以是曲面，也可以是直紋面，具有線性或組合斜角的前緣和尾 緣，邊緣外形可以很容易地從圓形修改到任意橢圓率直至簡單的直線。可進行檢查輪轂和機匣曲線的連續(xù)性和質(zhì)量，并可分割成兩個或多個線段。對于軸流渦輪，可 通過設(shè)計相互獨立的壓力面和吸力面曲線獲得更好的跨音速葉型。通過同樣的方法可以在吸力面的尾緣附近增加特殊處理。

　　COSMOSFloWorks是為設(shè)計人員開發(fā)的新一代革命性熱流分析軟件，鑲嵌在SolidWorks環(huán)境下，與SolidWorks共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù) 庫、操作界面和風(fēng)格。COSMOSFloWorks具有強大的氣體、液體、熱傳導(dǎo)分析能力，能夠直接使用三維CAD模型進行自動及半自動的網(wǎng)格分割，可快 速獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，并且后處理具有動態(tài)視覺效果。因此COSMOSFloWorks在泵閥行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，在水泵設(shè)

　　計中主要進行下述分析：

　　(1)根據(jù)水泵模型和葉輪的轉(zhuǎn)速求水泵的揚程、流量和效率;

　　(2)計算葉輪的效率和流體在管路中的水頭損失;

　　(3)分析工作過程中產(chǎn)生的氣穴和氣蝕;

　　(4)水泵內(nèi)部流體的壓力場分布和速度場分布;

　　(5)在流體作用下葉輪表面所受的水壓載荷;

　　(6)根據(jù)水泵的結(jié)構(gòu)和葉輪的轉(zhuǎn)速求水泵的驅(qū)動力矩。

　　采用COSMOSFloWorks軟件，可以在設(shè)計的初期計算泵的水力學(xué)特性，和減少試驗次數(shù)，最大限度地縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，降低風(fēng)險。同時，通過計算 流體力學(xué)軟件的分析，還能夠得到流體在結(jié)構(gòu)中流動時對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供比較準(zhǔn)確的邊界條件。

　　五、 水泵的結(jié)構(gòu)強度分析

　　水泵是典型的旋轉(zhuǎn)動力機械，始終工作在高速旋轉(zhuǎn)的諧載荷下，因此必須需要分析水泵的各階固有頻率、模態(tài)和振型，分析水泵在諧載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變，并 且對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。通過改變設(shè)計參數(shù)，在滿足應(yīng)力、應(yīng)變及模態(tài)頻率的基礎(chǔ)上追求質(zhì)量最小。COSMOSWorks是適合水泵設(shè)計人員使用的有限元分析 工具，鑲嵌在SolidWorks環(huán)境下，利用COSMOSWorks 可以進行下述分析。

　　1.水泵的結(jié)構(gòu)強度分析

　　無論是泵的葉片、軸還是泵體的結(jié)構(gòu)外殼，在運行過程中都需要保證其結(jié)構(gòu)強度不發(fā)生破壞，如果通過試驗手段來確定結(jié)構(gòu)的強度是否合理，需要做大量的試驗才能夠在保證結(jié)構(gòu)合格的情況下減輕構(gòu)件的重量。

　　利用有限元分析軟件，能夠進行構(gòu)件的強度、振動模態(tài)、屈曲、動力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)的參數(shù)和拓撲優(yōu)化，一方面檢驗當(dāng)前設(shè)計中存在的結(jié)構(gòu)強度方面的問題，另一方 面，可以通過分析得到當(dāng)前結(jié)構(gòu)在哪些地方還留有較大裕量，為進行結(jié)構(gòu)的減重提供依據(jù)，從而降低產(chǎn)品成本。

　　2.典型零件的疲勞壽命分析

　　水泵構(gòu)件的另外一種常見的失效方式是由于構(gòu)件受到交變載荷后引起的疲勞失效，據(jù)統(tǒng)計機械零件80%以上為疲勞破壞，因此對于承受循環(huán)載荷的零部件都應(yīng)進 行疲勞強度設(shè)計。通過疲勞試驗的方法來改善產(chǎn)品的疲勞壽命問題所需要投入的資金、設(shè)備和時間都是相當(dāng)長的，所以在設(shè)計階段就使用疲勞分析軟件進行分析可以 大大提高我們在疲勞強度設(shè)計中的效率。

　　疲勞分析軟件能夠依據(jù)結(jié)構(gòu)分析軟件的計算結(jié)果進行產(chǎn)品基于應(yīng)力、應(yīng)變的壽命評估、裂紋擴展分析、功率密度譜疲勞壽命分析、多軸疲勞壽命分析和點焊與焊接的疲勞壽命分析，進一步提高產(chǎn)品抗疲勞破壞的能力。

　　3.結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析

　　振動是大型水泵設(shè)計必須考慮的因素，利用COSMOSWorks可以考察水泵的振動特性以及在動載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變情況。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計減小水泵 的振動，提高動態(tài)性能。動力學(xué)分析包括：模態(tài)分析，包括有自然模態(tài)、預(yù)應(yīng)力模態(tài)、循環(huán)模態(tài)，瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和響應(yīng)譜分析等。最基礎(chǔ)、重要的分析是求 解系統(tǒng)的固有頻率和相應(yīng)的振型，為電機的選擇提供依據(jù)。

　　4.耦合分析

　　通常的分析過程是在COSMOSFloWorks 中計算葉輪表面所受的載荷和水泵的驅(qū)動力矩，在COSMOSWorks中可以直接讀取這些數(shù)據(jù)作為零件的載荷以進行結(jié)構(gòu)有限元分析。對葉輪而言，載荷主要 是過流面上的水壓力;對主軸而言，載荷主要是驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩和軸向拉力。

　　六、 結(jié)論

　　構(gòu)建基于SolidWorks的水泵設(shè)計、仿真和制造平臺，可以實現(xiàn)無差錯的設(shè)計與制造，通過應(yīng)用COSMOS軟件，以及逐步在產(chǎn)品設(shè)計中采用虛擬樣機 技術(shù)，將徹底改變研制手段落后的局面，從而減少物理樣機的制造和試驗，達到縮短研制周期、降低開發(fā)成本、加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度的目的。用 SolidWorks制作的產(chǎn)品三維動畫在投標(biāo)過程中可表現(xiàn)出極大的競爭優(yōu)勢，同時在售后服務(wù)中，可以指導(dǎo)現(xiàn)場安裝，在委外加工中，也能更加清楚的表達設(shè) 計意圖。SolidWorks 將成為企業(yè)信息化建設(shè)的血脈，每個部門都能從中受益。