如何才能快速設(shè)計出一款低成本、高性能的離心泵產(chǎn)品？

2016-09-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

如何才能快速設(shè)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(shè)計和仿真不能同步進(jìn)行,初步設(shè)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(fù)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(shù)和仿真模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上,引入軟件驅(qū)動和優(yōu)化算法,重復(fù)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(fù)性的工作量,進(jìn)而減少重復(fù)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(jī)械設(shè)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(jī)械設(shè)計-仿真-優(yōu)化的一體化思路,通過集成葉輪機(jī)械的參數(shù)化設(shè)計、數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)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(shè)計、數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)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(shè)計嗎?

圖1 葉輪機(jī)械優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)

以離心泵的設(shè)計為例,理論上來說,采用該一體化設(shè)計平臺,可通過采用CFturbo設(shè)計出較理想的初步設(shè)計模型,并自動輸出至PumpLinx進(jìn)行性能分析,獲得數(shù)值計算結(jié)果,自動輸出至優(yōu)化設(shè)計軟件Isight。通過在Isight中設(shè)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(jìn)行改型優(yōu)化,自動調(diào)用CFturbo和PumpLinx進(jìn)行“設(shè)計-仿真-優(yōu)化”的多次循環(huán),以最少的設(shè)計次數(shù)獲得最佳的設(shè)計模型,最終獲得符合要求的產(chǎn)品。

我們實際來做一個案例,假設(shè)離心泵設(shè)計點工況為:

? 流量:200m3/h;

? 揚(yáng)程:≥45m;

? 額定效率:≥84%;

? 轉(zhuǎn)速:2500RPM;

? 介質(zhì):20℃清水。

1、葉輪設(shè)計

在輸入設(shè)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(shè)計中,先根據(jù)所需設(shè)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(xì)幾何參數(shù)和相應(yīng)的流體域模型,完成離心泵葉輪的三維初步設(shè)計,如下圖所示:

圖2 葉輪設(shè)計模型

2 、蝸殼設(shè)計

CFturbo具有蝸殼設(shè)計模塊,將已創(chuàng)建的葉輪模型導(dǎo)入之后,即可便捷地展開蝸殼的設(shè)計工作。最終生成的蝸殼模型如下:

圖3蝸殼設(shè)計模型

3 、離心泵工作性能的數(shù)值仿真

葉輪和蝸殼模型生成完畢后,在CFturbo中直接啟動PumpLinx可對設(shè)計模型和優(yōu)化后的模型展開CFD分析,預(yù)測離心泵的流體動力特性。

對單個工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真,迭代500次達(dá)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(shè)計模型在設(shè)計點的揚(yáng)程為45.02m,效率為83.65%,揚(yáng)程達(dá)到了設(shè)計要求,但效率偏低,需要在原設(shè)計基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行優(yōu)化。

圖4直流泵葉輪蝸殼網(wǎng)格圖

圖5 設(shè)計流量工況下壓力分布結(jié)果

表1 最終設(shè)計方案多工況性能預(yù)測結(jié)果

圖6 計算所得泵的性能曲線

圖7 多目標(biāo)的后處理結(jié)果分析1

圖8 多目標(biāo)的后處理結(jié)果分析2

4、離心泵性能優(yōu)化

(1)離心泵優(yōu)化參數(shù)

為了提高離心泵效率,在葉輪設(shè)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:

表2 離心泵優(yōu)化變量

各變量含義示意圖如下所示。

圖9 變量示意圖

(2)離心泵優(yōu)化流程優(yōu)化過程需要不斷進(jìn)行“設(shè)計—評估—改進(jìn)”的多次循環(huán),通過一種搭積木的方式快速繼承和耦合設(shè)計和仿真軟件,將所有設(shè)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(shè)計流程,從而消除傳統(tǒng)設(shè)計流程中的重復(fù)性工作,使整個設(shè)計流程實現(xiàn)全數(shù)字化和全自動化。本次優(yōu)化設(shè)計流程如下圖所示。

圖10 優(yōu)化流程圖

本優(yōu)化流程集成了優(yōu)化算法、CFturbo設(shè)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(shè)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(jìn)行優(yōu)化求解,最終獲得優(yōu)化后的設(shè)計模型。

(3)離心泵優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化目標(biāo):提高額定工況下離心泵效率,并保證揚(yáng)程的設(shè)計要求;

約束:揚(yáng)程≥45m。

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(biāo)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%。

圖11 優(yōu)化過程曲線圖

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(yáng)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(yáng)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。