我國泵CAD技術(shù)的特點及發(fā)展

2013-06-26 劉厚林江蘇理工大學(xué)

1、我國泵CAD 技術(shù)的發(fā)展過程

　　我國泵計算機輔助設(shè)計(CAD) 的研究工作盡管起步較晚，但經(jīng)過眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員20余年的不斷努力，真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認為目前在采用一元設(shè)計理論進行二維水力設(shè)計和繪型方面已經(jīng)比較成熟。從20 世紀70 年代末到90 年代中期，主要研究離心泵水力CAD，并且開發(fā)成功了基本實用的離心泵水力設(shè)計CAD 軟件。進入90 年代后，由于Windows 操作系統(tǒng)和AutoCAD 繪圖軟件的采用，人們開始利用AutoLisp 和C 語言在Windows操作系統(tǒng)和AutoCAD 平臺上開發(fā)泵的水力設(shè)計CAD 軟件。

　　從20 世紀90 年代中期開始，泵CAD的研究工作向廣度和深度方向發(fā)展，主要研究成果有：

　　(1) 開始了三維造型的研究。戴勇峰等人于1994 年用有限元程序進行了泵體的三維造型研究，同年，高建華等人進行了離心泵葉片和流道三維造型研究，王福軍等人于1997 年在AutoCAD 平臺上進行了圓柱葉片和葉輪的造型研究。

　　(2) 出現(xiàn)了實用的商業(yè)化的泵水力設(shè)計軟件。筆者于1999 年在Windows9. X 操作系統(tǒng)下，利用Visual C+ + 在AutoCAD14 平臺上開發(fā)成功了商業(yè)化的多功能泵水力設(shè)計CAD 軟件) ) )PCAD2000，該軟件具有功能齊全、實用性強、設(shè)計精度高和設(shè)計實例多等特點。

　　(3) 開展了泵結(jié)構(gòu)CAD 的研究。在90年代中期以前，泵CAD 的研究工作主要集中在水力設(shè)計方面，而對泵結(jié)構(gòu)CAD 的研究幾乎是空白。由于同一系列的泵產(chǎn)品可能會有很多的規(guī)格，因此泵結(jié)構(gòu)CAD 的研究具有廣泛的應(yīng)用價值。

　　(4) 研究內(nèi)容更加豐富。在泵CAD 的起步和發(fā)展階段的主要工作都集中在應(yīng)用最廣泛的離心泵方面。1993 年，王業(yè)明研究了虹吸式出水流道CAD[13]，1994 年，全誠研究了軸流泵CAD，隨后，孫建平1995 年研究了渣漿泵CAD，筆者從1998 年開始詳細研究了無堵塞單流道泵和雙流道泵的CAD，并成功開發(fā)了相應(yīng)的實用的商業(yè)軟件。

2、泵CAD 軟件的技術(shù)特點

2.1、人機交互技術(shù)

　　由于目前普遍采用的是一個半理論、半經(jīng)驗的方法，因此泵水力設(shè)計過程中需要通過人機交互技術(shù)來揉合進設(shè)計者的經(jīng)驗。同一種泵使用場合的千差萬別和企業(yè)不同的生產(chǎn)制造水平也決定了泵水力設(shè)計是一個人機交互的過程。

　　人機交互方法可以通過對話框、命令行、屏幕對象捕捉等方法來進行。對話框可視性好，但不夠靈活且速度較慢，難以很好地表現(xiàn)水力設(shè)計的某些過程。命令行方法( 如AutoCAD 軟件中的COMMAND 行) 簡單、方便、快速，是最常用的人機交互方法之一。屏幕對象捕捉方法具有直觀、實時和易掌握的優(yōu)點，但水力設(shè)計的很多過程通過該方法是無法實現(xiàn)的。在實際編程時可以綜合采用這幾種方法，如以命令行方法為主，以對話框和屏幕對象捕捉方法為輔。

2.2、性能預(yù)測

　　在水力設(shè)計完成后，對泵進行可靠的性能預(yù)測是泵技術(shù)人員努力追求的目標。只要有精確的性能預(yù)測模型，就可在泵水力CAD 軟件中進行實施。水力設(shè)計完成后，進行性能預(yù)測，如沒有達到設(shè)計要求，則利用計算機快速地重新進行設(shè)計或?qū)υO(shè)計進行修改，直到滿意為止。遺憾的是目前尚無實用的通用性能預(yù)測模型。可以預(yù)言，泵性能預(yù)測模型將是一個研究重點和熱點。

2.3、優(yōu)化設(shè)計

　　目前，泵水力設(shè)計主要還是采用模型相似換算法或速度系數(shù)法，但這兩種方法都存在一定的缺陷。模型相似換算法雖然可靠，但泵的性能基本上取決于模型泵，不利于進一步改善和提高泵性能; 速度系數(shù)法確定葉輪參數(shù)要依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗，存在著隨意性。

　　利用泵水力設(shè)計CAD 軟件進行優(yōu)化設(shè)計，簡單、快捷。優(yōu)化設(shè)計方法主要有損失極值法和準則篩選法。目前應(yīng)用最多的損失極值法以嚴格的數(shù)學(xué)理論作為基礎(chǔ)，設(shè)計變量、目標函數(shù)和約束條件是其數(shù)學(xué)描述的散要素。由于很難提出合適的準則，準則篩選法很少用。

2.4、接口技術(shù)

　　泵水力設(shè)計CAD 軟件的接口技術(shù)包括與計算機輔助制造( CAM) 和其它軟件的接口兩個方面。

　　隨著計算機集成制造技術(shù)( CIMS) 的發(fā)展，會有越來越多的泵企業(yè)采用CAM 技術(shù)進行泵產(chǎn)品的生產(chǎn)或模具制造，因此泵水力設(shè)計CAD 軟件必須考慮到與CAM 模塊的接口問題，否則不能滿足和適應(yīng)泵制造技術(shù)的發(fā)展。選用優(yōu)秀的圖形支撐軟件是解決此問題的有效方法和捷徑，如Auto-CAD、UG、ProE 等，這類支撐軟件不僅提供了與CAM 的結(jié)構(gòu)，還提供了圖形打印、文件管理，計算重心、轉(zhuǎn)動慣量，有限元分析等諸多實用的功能。

　　圖1 是AutoCAD 中數(shù)據(jù)的流動方式，由圖1 可知，用AutoCAD 為支撐軟件時，泵水力設(shè)計CAD 模塊可以通過SCR、DXF 或IGES 等文件把數(shù)據(jù)傳遞給CAM 模塊來進行模具加工或產(chǎn)品生產(chǎn)。

CAD 模塊與CAM 模塊之間的數(shù)據(jù)流動關(guān)系

圖1 CAD 模塊與CAM 模塊之間的數(shù)據(jù)流動關(guān)系

　　泵企業(yè)所采用的繪圖軟件有多種，如電子圖板、開目、AutoCAD 等，泵水力設(shè)計CAD 軟件還要能與這些繪圖軟件進行接口。同樣，選用優(yōu)秀的圖形支撐軟件是解決此問題的好方法和捷徑。

2.5、功能模塊化技術(shù)

　　由于不同的泵和同一種泵的各過水部件所采用的水力設(shè)計方法不同，因此在開發(fā)泵水力設(shè)計CAD 軟件時應(yīng)根據(jù)不同的功能，或不同的水力部件來分模塊設(shè)計，如在文獻[ 10] 中就有離心泵葉輪模塊、混流泵葉輪模塊、軸流泵葉輪模塊、雙流道葉輪模塊、螺旋形壓水室模塊、雙蝸殼壓水室模塊、徑向?qū)~模塊和空間導(dǎo)葉模塊等。采用模塊化技術(shù)時首先將軟件劃分成各個功能模塊，然后分模塊進行設(shè)計，最后再合成一個系統(tǒng)，它有利于泵水力設(shè)計CAD 軟件的調(diào)試、維護、升級和內(nèi)容擴充，還便于分模塊來進行技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

2.6、數(shù)據(jù)管理技術(shù)

　　泵水力設(shè)計過程中，需要采用大量的數(shù)據(jù)資料，對數(shù)據(jù)的管理方法通常有數(shù)據(jù)庫法、數(shù)據(jù)文件法和內(nèi)存變量法3 種。

　　數(shù)據(jù)庫法適合數(shù)據(jù)量很大的場合，數(shù)據(jù)的維護很方便，但編程量較大，可用于水力模型數(shù)據(jù)的存放( 可采用的數(shù)據(jù)庫軟件) 。數(shù)據(jù)文件法適合于中等數(shù)據(jù)量的場合，相對于數(shù)據(jù)庫法而言，編程量較小，但對數(shù)據(jù)的維護不方便，模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞可以采用此方法。內(nèi)存變量法適合于數(shù)據(jù)量較小的場合( 如壓水室隔舌角與比轉(zhuǎn)數(shù)之間關(guān)系的數(shù)據(jù))，優(yōu)點是編程簡單，運行速度快。

3、存在的不足

　　我國泵CAD 發(fā)展中存在著以下的不足：

　　(1) 離心泵水力設(shè)計CAD 研究的相對較多，而其它類型泵CAD 研究的相對較少或是空白，如對軸流泵、無堵塞泵的研究遠沒有離心泵那樣廣泛和深入。

　　(2) 二維水力設(shè)計和繪型研究的相對較多，而三維實體造型研究的相對較少。隨著機械產(chǎn)品制造技術(shù)的發(fā)展，計算機集成制造技術(shù)將會在泵業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，三維造型系統(tǒng)是CIMS 中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　(3) 缺乏合作，研究方向嚴重重合。國內(nèi)有多家單位進行過或正在進行泵CAD 的研究，其間合作甚少，有些甚至進行的是重復(fù)性的研究工作，這無疑是一種資源浪費，也影響了我國泵CAD 的發(fā)展速度。

4、發(fā)展方向

　　(1) 開發(fā)實用的具有三維實體造型功能的泵CAD 軟件。現(xiàn)有的水力設(shè)計軟件在完成水力設(shè)計后，基本上沒有進行三維實體造型和CFD 分析

　　的功能。而水力設(shè)計的完成，已為三維造型提供了足夠的三維信息。在現(xiàn)有的條件下，可以充分利用已有的支撐軟件來完成這種過程，例如在AutoCAD R14 上開發(fā)水力設(shè)計軟件，在MDT 3 或ProPEngineer2000I 上進行三維造型。參見圖2。二維水力設(shè)計完成后，不易直觀地觀察流道或葉片的空間形狀，在三維實體造型完成后可以進行初步的分析，如流道或葉片的光順性評估、強度分析、質(zhì)心分析等，若不滿意，可以進行修改。

雙流道葉輪三維實體造型示意

圖2 雙流道葉輪三維實體造型示意

　　(2) 選擇優(yōu)秀的支撐軟件，加速泵CAD 軟件的開發(fā)過程。國內(nèi)的泵CAD 軟件大多是在Auto-CAD 平臺上開發(fā)的，要進一步提高軟件的功能和

　　加速開發(fā)過程，可以選擇功能更強的支撐軟件，如ProE、UG 等。但由于這些軟件相對較貴，應(yīng)考慮到泵生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟承受能力。

　　(3) 將CAD 與CAPP、CAM 系統(tǒng)進行集成，形成CIMS，促進我國泵設(shè)計、制造水平的進步。CIMS 不僅可以大大縮短泵產(chǎn)品的設(shè)計和制造周期，還可以大幅度地提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低成本，從而提高產(chǎn)品的競爭力。

雙流道葉輪CFD 計算用三維貼體網(wǎng)格

圖3 雙流道葉輪CFD 計算用三維貼體網(wǎng)格

　　(4) CAD 和CFD 技術(shù)相結(jié)合。通過CFD 技術(shù)來預(yù)測設(shè)計結(jié)果的好壞，減少泵產(chǎn)品試制費用，甚至直接利用CFD 的反問題進行水力設(shè)計。三維實體造型為產(chǎn)生CFD 的三維體貼網(wǎng)格( 圖3) 奠定了基礎(chǔ)，在由CFD 分析得到的速度場和壓力場進行分析基礎(chǔ)上，可修改水力設(shè)計，直至達到設(shè)計要求為止，參見圖4。

CAD 與CFD 的關(guān)系