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仿真驱动泵开发的好处

2016/4/20    来源:互联网        
关键字:仿真  驱动泵  电量  
根据格兰富公司的计算,目前泵的用电量占全球总耗电量的10%。本文主要介绍使用PumpIT仿真驱动泵设计技术如何帮助公司提高泵的效率,并使产品开发时间缩减30%。

    在泵机设计上,格兰富在20世纪80年代开始使用有限元分析(FEA),到了20世纪90年代开始应用计算流体动力学(CFD)。

    最初,FEA和CFD用于研究和排除故障。这些仿真所得到的信息对于新产品的设计大有裨益。大约15年前,格兰富选择将仿真技术用于产品设计,以便开发出可靠又高效的产品。最近,该公司把一系列仿真工具集成到一起形成了一个自动设计循环,称为PumpIt,它使得工程师们能够便捷地对数百种设计方案进行自动化的调研分析,而无需人工干预。

    一个优化程序对整个设计空间进行细致的分析和探究,进而依据格兰富工程师们设定的一套标准来确定最优的设计方案。PumpIt提供了一个用户界面,允许工程师们指定他们想要设计的组件类型,例如叶轮,导叶或蜗壳。接着,PumpIt启动一个自动化设计优化循环,它调用包括ANSYS CFD软件在内的各种仿真工具来对设计空间进行分析探究。最近的一个案例里,格兰富的工程师们使用PumpIt来驱动ANSYS CFX CFD仿真工具,以便对一个新的泵设计方案的液压表面进行优化。

    它们将泵的液压效率提高了1%—2%,同时提高了更大范围流速的最大效率水平。研究团队利用ANSYS MechanicalFEA软件从结构化的角度来优化泵,确保它满足疲劳寿命的目标,同时尽量减少泵的重量和制造成本。

泵设计的挑战

    格兰富公司的泵年产量超过1600万台,是循环泵的领先生产商之一,其泵产品要用于私人住宅、办公楼和酒店的供热、通风和空调系统,占据约50%的市场份额。格兰富公司还生产用于供水、排污、锅炉、增压和其它工业应用的离心泵,以及集成到其它原始设备制造商的产品中的泵。

    为了优化格兰富的设备,工程师们必须提高泵的峰值效率。而另一个目标是在尽可能宽泛的流速范围内提供具有高效率水平的相对平滑的性能曲线。泵的流速取决于安装;相对平滑的性能曲线能够为许多应用提供高效率。平滑的性能曲线还有助于减轻气蚀,从而提高使用寿命。

    泵设计的另一个重要目标是使用最少的材料满足组件的结构要求。尽量减少材料的用量不仅降低了生产成本,还减轻了构件的重量。更轻的泵组件使得格兰富公司能够采用不太昂贵的轴承,同时还能降低噪音和振动。

流量仿真

    近日,格兰富的工程师们使用PumpIt来为一台新泵设计多级液压。研发团队开发出了所有泵组件的参数化模型,以确定与泵送流体相接触的表面的液压几何形状。设计目标是最大限度地提高液压效率,并在尽可能大的流量范围内提供最高效率。PumpIt工具使用实验设计(DOE)来创建一系列循环工作流程,以便对设计空间内的每个组件进行分析探究。然后,PumpIt生成适合每个设计循环的几何形状,向CFD软件发出指令来模拟每个循环。

图1 PumpIt以网格形式呈现的变形

图1 PumpIt以网格形式呈现的变形

    最初的DOE包括约40种设计。它确定哪些参数在仿真中发挥最重要的作用,并且它设定了这些参数最有可能的取值范围。然后,将这些参数和数值作为克里格优化算法的初始值,自动生成用于CFD评价的其他设计循环。优化程序评估每个设计循环的结果,然后根据这些结果执行其他的循环工作。每次循环都使设计更接近目标效率。

图2 PumpIt CFD矢量与压力

图2 PumpIt CFD矢量与压力

责任编辑:屈婷婷
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