根據(jù)格蘭富公司的計(jì)算，目前泵的用電量占全球總耗電量的10%。本文主要介紹使用PumpIT仿真驅(qū)動(dòng)泵設(shè)計(jì)技術(shù)如何幫助公司提高泵的效率，并使產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間縮減30%。

在泵機(jī)設(shè)計(jì)上，格蘭富在20世紀(jì)80年代開始使用有限元分析(FEA)，到了20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)。

最初，F(xiàn)EA和CFD用于研究和排除故障。這些仿真所得到的信息對(duì)于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)大有裨益。大約15年前，格蘭富選擇將仿真技術(shù)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以便開發(fā)出可靠又高效的產(chǎn)品。最近，該公司把一系列仿真工具集成到一起形成了一個(gè)自動(dòng)設(shè)計(jì)循環(huán)，稱為PumpIt，它使得工程師們能夠便捷地對(duì)數(shù)百種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行自動(dòng)化的調(diào)研分析，而無需人工干預(yù)。

一個(gè)優(yōu)化程序?qū)φ麄€(gè)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行細(xì)致的分析和探究，進(jìn)而依據(jù)格蘭富工程師們?cè)O(shè)定的一套標(biāo)準(zhǔn)來確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。PumpIt提供了一個(gè)用戶界面，允許工程師們指定他們想要設(shè)計(jì)的組件類型，例如葉輪，導(dǎo)葉或蝸殼。接著，PumpIt啟動(dòng)一個(gè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)優(yōu)化循環(huán)，它調(diào)用包括ANSYS CFD軟件在內(nèi)的各種仿真工具來對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行分析探究。最近的一個(gè)案例里，格蘭富的工程師們使用PumpIt來驅(qū)動(dòng)ANSYS CFX CFD仿真工具，以便對(duì)一個(gè)新的泵設(shè)計(jì)方案的液壓表面進(jìn)行優(yōu)化。

它們將泵的液壓效率提高了1%—2%，同時(shí)提高了更大范圍流速的最大效率水平。研究團(tuán)隊(duì)利用ANSYS MechanicalFEA軟件從結(jié)構(gòu)化的角度來優(yōu)化泵，確保它滿足疲勞壽命的目標(biāo)，同時(shí)盡量減少泵的重量和制造成本。

泵設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

格蘭富公司的泵年產(chǎn)量超過1600萬臺(tái)，是循環(huán)泵的領(lǐng)先生產(chǎn)商之一，其泵產(chǎn)品要用于私人住宅、辦公樓和酒店的供熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，占據(jù)約50%的市場份額。格蘭富公司還生產(chǎn)用于供水、排污、鍋爐、增壓和其它工業(yè)應(yīng)用的離心泵，以及集成到其它原始設(shè)備制造商的產(chǎn)品中的泵。

為了優(yōu)化格蘭富的設(shè)備，工程師們必須提高泵的峰值效率。而另一個(gè)目標(biāo)是在盡可能寬泛的流速范圍內(nèi)提供具有高效率水平的相對(duì)平滑的性能曲線。泵的流速取決于安裝;相對(duì)平滑的性能曲線能夠?yàn)樵S多應(yīng)用提供高效率。平滑的性能曲線還有助于減輕氣蝕，從而提高使用壽命。

泵設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要目標(biāo)是使用最少的材料滿足組件的結(jié)構(gòu)要求。盡量減少材料的用量不僅降低了生產(chǎn)成本，還減輕了構(gòu)件的重量。更輕的泵組件使得格蘭富公司能夠采用不太昂貴的軸承，同時(shí)還能降低噪音和振動(dòng)。

流量仿真

近日， 格蘭富的工程師們使用PumpIt來為一臺(tái)新泵設(shè)計(jì)多級(jí)液壓。研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了所有泵組件的參數(shù)化模型，以確定與泵送流體相接觸的表面的液壓幾何形狀。設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大限度地提高液壓效率，并在盡可能大的流量范圍內(nèi)提供最高效率。PumpIt工具使用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)來創(chuàng)建一系列循環(huán)工作流程，以便對(duì)設(shè)計(jì)空間內(nèi)的每個(gè)組件進(jìn)行分析探究。然后，PumpIt生成適合每個(gè)設(shè)計(jì)循環(huán)的幾何形狀，向CFD軟件發(fā)出指令來模擬每個(gè)循環(huán)。

PumpIt以網(wǎng)格形式呈現(xiàn)的變形

最初的DOE包括約40種設(shè)計(jì)。它確定哪些參數(shù)在仿真中發(fā)揮最重要的作用，并且它設(shè)定了這些參數(shù)最有可能的取值范圍。然后，將這些參數(shù)和數(shù)值作為克里格優(yōu)化算法的初始值，自動(dòng)生成用于CFD評(píng)價(jià)的其他設(shè)計(jì)循環(huán)。優(yōu)化程序評(píng)估每個(gè)設(shè)計(jì)循環(huán)的結(jié)果，然后根據(jù)這些結(jié)果執(zhí)行其他的循環(huán)工作。每次循環(huán)都使設(shè)計(jì)更接近目標(biāo)效率。

PumpIt CFD矢量與壓力

初始分析主要采用粗網(wǎng)格和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，以減少獲得有價(jià)值的參數(shù)值所需的時(shí)間。由于設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的是最佳值，那么就要通過應(yīng)用更細(xì)的網(wǎng)格和更先進(jìn)的湍流模型來細(xì)化CFD模型。為了獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)的高真實(shí)性結(jié)果，工程師們?cè)谝慌_(tái)高性能計(jì)算集群平臺(tái)上使用多達(dá)48個(gè)內(nèi)核來進(jìn)行分析計(jì)算。該計(jì)算集群擁有1000多個(gè)內(nèi)核，并在Lustre®并行文件系統(tǒng)上使用超過8TB的隨機(jī)存取內(nèi)存和50 TB的高速存儲(chǔ)。工程師們一夜就能對(duì)數(shù)百種設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)行仿真計(jì)算。

下一步是評(píng)估最具可行性的設(shè)計(jì)方案的可制造性。針對(duì)每種設(shè)計(jì)方案，格蘭富的工程師們考慮是否能夠通過多種替代生產(chǎn)技術(shù)來方便地進(jìn)行生產(chǎn)。要做到這一點(diǎn)，他們?cè)u(píng)估了各制造方法中所必需的幾何參數(shù)。在這種情況下，他們決定對(duì)使用不銹鋼金屬片的組件予以標(biāo)記。PumpIt多維解決方案可視化工具能配置成顯示任何結(jié)果變量，最佳設(shè)計(jì)的性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)就顯示在其中。

PumpIt映射壓力

結(jié)構(gòu)分析

利用CFD對(duì)液壓設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化后，格蘭富的工程師們利用ANSYS Mechanical軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以確保每個(gè)組件都能滿足疲勞壽命的要求，同時(shí)保證組件的生產(chǎn)成本和重量盡可能的低。它們將CFD仿真確定的液壓壓力映射到有限元分析中，以便明確地指定負(fù)載條件，從而精確地匹配復(fù)雜的液壓壓力分布狀況。為了減少計(jì)算成本，適應(yīng)一個(gè)可接受的網(wǎng)格密度，應(yīng)用了循環(huán)對(duì)稱技術(shù)。鈑金件的焊接操作是根據(jù)國際學(xué)院的焊接出版物“由缺口應(yīng)力分析評(píng)定焊接結(jié)構(gòu)的疲勞的建議”進(jìn)行的，就是用缺口應(yīng)力法來評(píng)價(jià)疲勞壽命。團(tuán)隊(duì)在不顯著增加仿真時(shí)間的前提下，還使用子模型來對(duì)具有復(fù)雜細(xì)節(jié)的組件的關(guān)鍵部位進(jìn)行評(píng)估。

工程師們配置自動(dòng)化工作流程來改變焊接參數(shù)，因此他們能夠確定如何優(yōu)化焊接工藝。該團(tuán)隊(duì)還使用結(jié)構(gòu)化仿真來預(yù)測組件在任何既定使用壽命期內(nèi)出現(xiàn)故障的可能性。而獲取這些信息的另一個(gè)唯一的方式是采用昂貴且漫長的物理測試程序。

格蘭富的工程師們對(duì)輸入變量進(jìn)行了幾項(xiàng)靈敏度研究，包括焊接厚度，空氣間隙和流點(diǎn)，來確定設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性相對(duì)于組件疲勞壽命的關(guān)系。通過為每個(gè)輸入變量提供疲勞壽命的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布，仿真能夠提高組件的質(zhì)量和可靠性。對(duì)于其它結(jié)構(gòu)部件，在設(shè)計(jì)過程的概念層面采用拓?fù)鋬?yōu)化，從而提出一種設(shè)計(jì)建議方案，之后對(duì)其進(jìn)行微調(diào)的。這一方法代替了費(fèi)時(shí)又昂貴的設(shè)計(jì)循環(huán)，從而減少開發(fā)時(shí)間和總成本，同時(shí)還提高了設(shè)計(jì)性能。達(dá)索系統(tǒng)的托斯卡拓?fù)鋬?yōu)化軟件再加上ANSYS工作臺(tái)界面和ANSYS結(jié)構(gòu)求解器。

提高性能并縮短上市時(shí)間

其結(jié)果是產(chǎn)品性能得到顯著提高，設(shè)計(jì)成本和交貨時(shí)間得以降低。利用仿真技術(shù)，格蘭富的工程師們顯著提高了新泵的液壓效率。相比于傳統(tǒng)的基于原型的設(shè)計(jì)過程，多物理量仿真過程能使新泵的設(shè)計(jì)減少30%的整體設(shè)計(jì)時(shí)間，并使物理樣機(jī)的生產(chǎn)節(jié)省了約400,000美元。

近日，格蘭富決定進(jìn)行更深入的研究，將仿真過程遷移到ANSYS Workbench環(huán)境中。Workbench被選為集成框架，因?yàn)樗軌驘o縫地集成ANSYS應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品組合以及第三方應(yīng)用程序。

ANSYS Workbench可用于開發(fā)最先進(jìn)的用戶界面，工作流程和應(yīng)用程序。Workbench的常用工具和服務(wù)包括參數(shù)管理，單位和表達(dá)式，應(yīng)用開發(fā)工具，求解器耦合分析能力，它們能夠節(jié)省大量的時(shí)間。格蘭富獲得了ANSYS HPC Parametric Pack許可證，因而能夠以較低的成本來對(duì)大規(guī)模參數(shù)化設(shè)計(jì)變量進(jìn)行仿真分析。

通過使用Workbench的工作流程，工程師們創(chuàng)建了一套仿真驅(qū)動(dòng)的開發(fā)流程來設(shè)計(jì)液壓組件，例如葉輪，導(dǎo)葉和蝸殼。該工具有助于格蘭富公司提升泵的性能水平，同時(shí)提供進(jìn)一步縮減設(shè)計(jì)成本和交貨時(shí)間。