根據(jù)格蘭富公司的計算，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)動泵設(shè)計技術(shù)如何幫助公司提高泵的效率，并使產(chǎn)品開發(fā)時間縮減30%。

在泵機設(shè)計上，格蘭富在20世紀80年代開始使用有限元分析(FEA)，到了20世紀90年代開始應(yīng)用計算流體動力學(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于新產(chǎn)品的設(shè)計大有裨益。大約15年前，格蘭富選擇將仿真技術(shù)用于產(chǎn)品設(shè)計，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自動設(shè)計循環(huán)，稱為PumpIt，它使得工程師們能夠便捷地對數(shù)百種設(shè)計方案進行自動化的調(diào)研分析，而無需人工干預(yù)。

一個優(yōu)化程序?qū)φ麄€設(shè)計空間進行細致的分析和探究，進而依據(jù)格蘭富工程師們設(shè)定的一套標(biāo)準(zhǔn)來確定最優(yōu)的設(shè)計方案。PumpIt提供了一個用戶界面，允許工程師們指定他們想要設(shè)計的組件類型，例如葉輪，導(dǎo)葉或蝸殼。接著，PumpIt啟動一個自動化設(shè)計優(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設(shè)計空間進行分析探究。最近的一個案例里，格蘭富的工程師們使用PumpIt來驅(qū)動ANSYS CFX CFD仿真工具，以便對一個新的泵設(shè)計方案的液壓表面進行優(yōu)化。

它們將泵的液壓效率提高了1%—2%，同時提高了更大范圍流速的最大效率水平。研究團隊利用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)，同時盡量減少泵的重量和制造成本。

泵設(shè)計的挑戰(zhàn)

格蘭富公司的泵年產(chǎn)量超過1600萬臺，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平滑的性能曲線。泵的流速取決于安裝;相對平滑的性能曲線能夠為許多應(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)計的另一個重要目標(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，同時還能降低噪音和振動。

流量仿真

近日， 格蘭富的工程師們使用PumpIt來為一臺新泵設(shè)計多級液壓。研發(fā)團隊開發(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工具使用實驗設(shè)計(DOE)來創(chuàng)建一系列循環(huán)工作流程，以便對設(shè)計空間內(nèi)的每個組件進行分析探究。然后，PumpIt生成適合每個設(shè)計循環(huán)的幾何形狀，向CFD軟件發(fā)出指令來模擬每個循環(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。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，自動生成用于CFD評價的其他設(shè)計循環(huán)。優(yōu)化程序評估每個設(shè)計循環(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，以減少獲得有價值的參數(shù)值所需的時間。由于設(shè)計重點考慮的是最佳值，那么就要通過應(yīng)用更細的網(wǎng)格和更先進的湍流模型來細化CFD模型。為了獲得優(yōu)化設(shè)計的高真實性結(jié)果，工程師們在一臺高性能計算集群平臺上使用多達48個內(nèi)核來進行分析計算。該計算集群擁有1000多個內(nèi)核，并在Lustre®并行文件系統(tǒng)上使用超過8TB的隨機存取內(nèi)存和50 TB的高速存儲。工程師們一夜就能對數(shù)百種設(shè)計循環(huán)進行仿真計算。

下一步是評估最具可行性的設(shè)計方案的可制造性。針對每種設(shè)計方案，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)來方便地進行生產(chǎn)。要做到這一點，他們評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)計的性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)就顯示在其中。

PumpIt映射壓力

結(jié)構(gòu)分析

利用CFD對液壓設(shè)計進行優(yōu)化后，格蘭富的工程師們利用ANSYS Mechanical軟件進行結(jié)構(gòu)分析，以確保每個組件都能滿足疲勞壽命的要求，同時保證組件的生產(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。為了減少計算成本，適應(yīng)一個可接受的網(wǎng)格密度，應(yīng)用了循環(huán)對稱技術(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)力分析評定焊接結(jié)構(gòu)的疲勞的建議”進行的，就是用缺口應(yīng)力法來評價疲勞壽命。團隊在不顯著增加仿真時間的前提下，還使用子模型來對具有復(fù)雜細節(jié)的組件的關(guān)鍵部位進行評估。

工程師們配置自動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。該團隊還使用結(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輸入變量進行了幾項靈敏度研究，包括焊接厚度，空氣間隙和流點，來確定設(shè)計的穩(wěn)健性相對于組件疲勞壽命的關(guān)系。通過為每個輸入變量提供疲勞壽命的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布，仿真能夠提高組件的質(zhì)量和可靠性。對于其它結(jié)構(gòu)部件，在設(shè)計過程的概念層面采用拓撲優(yōu)化，從而提出一種設(shè)計建議方案，之后對其進行微調(diào)的。這一方法代替了費時又昂貴的設(shè)計循環(huán)，從而減少開發(fā)時間和總成本，同時還提高了設(shè)計性能。達索系統(tǒng)的托斯卡拓撲優(yōu)化軟件再加上ANSYS工作臺界面和ANSYS結(jié)構(gòu)求解器。

提高性能并縮短上市時間

其結(jié)果是產(chǎn)品性能得到顯著提高，設(shè)計成本和交貨時間得以降低。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)計過程，多物理量仿真過程能使新泵的設(shè)計減少30%的整體設(shè)計時間，并使物理樣機的生產(chǎn)節(jié)省了約400,000美元。

近日，格蘭富決定進行更深入的研究，將仿真過程遷移到ANSYS Workbench環(huán)境中。Workbench被選為集成框架，因為它能夠無縫地集成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大規(guī)模參數(shù)化設(shè)計變量進行仿真分析。

通過使用Workbench的工作流程，工程師們創(chuàng)建了一套仿真驅(qū)動的開發(fā)流程來設(shè)計液壓組件，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，同時提供進一步縮減設(shè)計成本和交貨時間。(end)