一種潛水泵的仿真製造方法及系統的製作方法
2023-06-01 01:19:21 1
專利名稱：一種潛水泵的仿真製造方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種潛水泵的設計製造，尤其是一種基於數位化設計的潛水泵仿真製造方法及系統。
背景技術：
潛水泵在我國農業牧業生產、抗旱、排澇中發揮著重要的作用。據統計，我國佔耕地面積不到50％的灌區生產的糧食，佔全國糧食總產量的三分之二以上。截止到2004年底，全國擁有灌溉面積約9.1億畝，其中60％灌溉面積是採用機電設備提水灌溉或噴灌實現的，此外，全國還有5.1億畝左右機電排澇面積。今後擴大灌溉面積，基本上也將採用機電提水灌溉，因此，對潛水泵的需求量將逐步增加。
水泵通常是根據給定的性能指標(如流量、揚程、功率、效率等)進行產品開發，完成水泵各零部件的設計。其中過流部件的設計尤為重要，因此在結構設計前需進行水力設計以保證產品性能符合要求。現有技術水力設計一般由設計人員手工完成，過程煩瑣，且精度不高。CAD技術，特別是二次開發技術的不斷成熟，使得針對水泵行業開發的水泵CAD軟體能取代人工完成這一費時費力的過程，大大提高了設計效率和準確性。現有技術的設計流程是在水力設計過程完成後，根據生成的木模圖加工生產，獲得實物模型並對其進行性能試驗，檢測是否滿足性能要求，對於不符合性能要求的設計需返回水力設計過程進行修改。因此，造成目前我國潛水泵產品研製周期長、費用高，同時也很難製造出高效、節能的最佳產品。
發明內容
本發明解決的技術問題在於，提供一種潛水泵的仿真製造方法及系統。
為達到上述目的，本發明提供的潛水泵仿真製造方法，其特徵在於，包括以下步驟
步驟一根據設計參數進行水力設計；步驟二在分步式協同設計平臺上建立潛水泵零部件的三維數字產品模型；步驟三通過產品數據管理平臺將三維數字產品模型提供給各領域仿真工具進行虛擬仿真；步驟四在協同仿真平臺上對仿真虛擬樣機進行產品結構、性能分析預測，實現產品最優化設計；步驟五產品樣機生產。
上述潛水泵仿真製造方法，其特徵在於，所述步驟二進一步包括步驟21將水力設計得出的葉片、導葉流線數據和軸面截線數據作為生成葉片、導葉曲面模型所需的控制點坐標寫成*.ibl格式文件，導入分步式協同設計平臺構建模型；步驟22對泵體、蓋板、進水節、逆止閥盤、泵軸類迴轉體零部件，採用分步式協同設計平臺上提供的特徵描述法自動建模；步驟23對螺釘、螺母等標準件採用分步式協同設計平臺提供的族表功能進行參數化建模。
上述潛水泵仿真製造方法，其特徵在於，所述步驟23中的族表中是預定義好的模型零件的可驅動的尺寸參數、特徵、模型。
上述潛水泵仿真製造方法，其特徵在於，所述步驟三中的虛擬仿真包括潛水泵零部件的虛擬加工、潛水泵虛擬裝配、潛水泵虛擬性能測試、潛水泵整機虛擬運行。
為更好的達到上述目的，本發明還提供了一種潛水泵的仿真製造系統，其特徵在於，包括分步式協同設計平臺，用於構建潛水泵零部件的三維數字產品模型；協同仿真平臺，執行水泵虛擬裝配、虛擬加工、流體動力學分析、虛擬實境和有限元仿真；產品數據管理平臺，用於將潛水泵的三維數字產品模型提供給協同仿真平臺的各領域仿真工具，完成分步式協同設計平臺與協同仿真平臺的數據交換。
上述潛水泵的仿真製造系統，其特徵在於，所述仿真工具進一步包括虛擬實境模塊3DMAX，用於實現潛水泵組件的虛擬裝配；
結構分析模塊ANSYS，用於分析葉輪、導流殼、泵殼之間的配合情況；運動學仿真模塊ADMAS，用於實現轉動部件進行運動仿真；流場計算模塊FLUENT，用於對潛水泵葉輪、導流殼等過流部件進行流場計算，並執行性能預測功能；數控加工仿真模塊Pro/NC，用於對型面質量要求較高的葉片、導流殼進行數控刀位驗證，以保證在實際加工時數控代碼準確無誤。
本發明與現有技術相比，能帶來如下有益效果採用本發明的方法及系統，實現了物理樣機生產前在計算機上是完成部件以及整機的虛擬裝配，不僅可以察看和分析零部件的配合情況，減少對物理樣機的依賴，減少開發費用，同時，在早期產品開發過程中進行幹涉檢查工作，將錯誤消除在設計階段，縮短產品開發周期。通過整機虛擬裝配，不僅能夠顯示各部件間的配合情況，而且裝配的過程可以用來對現場安裝施工人員進行培訓，避免安裝過程的出錯。
本發明利用計算流體動力學的方法對過流部件進行內外特性的流動分析，能夠在圖紙設計階段對泵的性能以及內部流動產生的漩渦、二次流、邊界層分離、尾流、葉片顫振等不良現象虛擬測試，將可能發生故障的隱患消除在圖紙設計階段。對潛水泵型面質量要求較高的零部件如葉片、導流殼等，採用數控加工以保證零件精度。利用虛擬加工環節，進行數控加工刀位驗證，將數控代碼中可能存在的問題消除在萌芽狀態。
綜上，採用本發明大大縮短了潛水泵研製周期、降低了潛水泵研發費用，同時能夠實現產品的最優化設計。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖1是本發明潛水泵數位化設計製造方法流程圖；圖2是本發明實施例原理示意圖；圖3是本發明實施例潛水泵虛擬性能預測示意圖；圖4a、圖4b、圖4c、圖4d、圖4e是本發明潛水泵零部件數位化模型效果圖；
圖5是本發明實施例虛擬裝配效果圖；圖6a、圖6b是本發明實施例葉片數控加工模擬仿真效果圖。
具體實施例方式
圖1和圖2分別是潛水泵的數位化設計製造方法流程圖和原理示意圖，請參考圖1和圖2詳細說明本發明潛水泵數位化設計製造方法，該方法包括步驟101根據設計參數進行潛水泵的水力設計。水力設計過程是根據潛水泵設計的基本參數，如流量，揚程、轉速等，計算出泵的進出口參數、葉片包角、葉片數等，該步驟屬於公知的水力設計計算過程，在此不在贅述。
步驟102根據水力設計結果在分步式協同設計平臺上建立潛水泵零部件的三維數字產品模型。該步驟進一步包括(a)對葉片、導葉類具有空間曲面特性的零部件的建模。
(b)對泵體、蓋板、進水節、逆止閥盤、泵軸類迴轉體零部件，採用分步式協同設計平臺上提供的特徵描述法自動建模；(c)對螺釘、螺母等標準件採用分步式協同設計平臺提供的族表功能進行參數化建模。
上述步驟(a)進一步包括(a1)據水力設計計算結果得到軸面投影圖，進行流道校核，得到滿意的軸面投影圖；(a2)確定軸面投影圖後，對流線進行劃分，流線分點，並採用方格網保角變換法進行葉型繪製，得到葉片木模圖，其中已包含了葉片、導的流線數據和軸面截線數據，即生成葉片、導葉曲面模型所需的控制點坐標。將葉片木模圖中的信息自動寫成*.ibl格式文件。
其文件所需的*.ibl格式特徵在於Open ArclengthBegin sectionBegin curven xmnymnzmn……其中「Open Arclength」為第一行固定格式，「Begin section
Begin curve」為每一條曲線開頭的固定格式， 「n xmnymnzmn」為曲線上每一個點的固定格式，其中，「n」表示該點位於所在曲線上第n個點，「xmnymnzmn」分別對應第m條曲線上第n個點的x，y，z坐標。
(a3)將得到的*.ibl格式文件作為葉片、導葉以及葉輪三維數字模型建立的依據；導入分步式協同設計平臺CAD軟體Pro/ENGINEER中建立葉輪、導葉部件的三維數字模型；步驟103通過產品數據管理平臺將三維數字產品模型提供給各領域仿真工具進行虛擬仿真。
該步驟將統一的數位化產品模型提供給包括結構分析模塊ANSYS、運動學仿真模塊ADAMS、流場計算模塊FLUENT、數控加工仿真模塊Pro/NC、虛擬實境模塊3D MAX在內的各領域仿真工具完成水泵虛擬裝配、零部件虛擬加工、虛擬性能測試、整機虛擬運行等工作，檢查三維數字模型的完備性，並對零部件之間進行幹涉檢查。
步驟104對虛擬樣機進行產品的結構、性能分析和預測，實現產品最優化設計。
步驟105產品樣機生產。
再次參考圖2，詳細說明本發明的潛水泵仿真製造系統200。該潛水泵仿真製造平臺系統包括分步式協同設計平臺201、產品數據管理平臺202和協同仿真平臺203，所述協同仿真平臺包括結構分析模塊231、運動學仿真模塊232、流場計算模塊233、數控加工仿真模塊234、虛擬實境模塊235。
上述分步式協同設計平臺201，利用支持協同設計的CAD軟體Pro/ENGINEER，用於根據水力設計結果建立潛水泵零部件的三維數字產品模型。所得到的零件實體模型不僅可以在CAD系統中進行產品裝配、幹涉檢查、加工模擬等，還可以為後續的結構有限元分析和流場分析提供(或以中性文件格式IGES導入)初始網格劃分模型。
上述產品數據管理平臺202，用於管理產品設計數據並完成分步式協同設計平臺與協同仿真平臺的數據交換。將數位化產品模型提供給協同仿真平臺的各領域仿真工具，完成水泵虛擬裝配、零部件虛擬加工、虛擬性能測試、整機虛擬運行等工作。
上述協同仿真平臺203，用於執行水泵虛擬仿真，其中，虛擬實境模塊實現組件的虛擬裝配；結構分析模塊，分析察看葉輪、導流殼、泵殼之間的配合情況；運動學仿真模塊，實現轉動部件進行運動仿真，以確定是否有幹涉的發生，對於發生幹涉的部位，可以通過修改零件尺寸或調整裝配關係予以消除；流場計算模塊對潛水泵葉輪、導流殼等過流部件進行流場計算，執行性能預測，得到流量-揚程曲線、流量-功率曲線、流量-效率曲線；數控加工仿真模塊對型面質量要求較高的葉片、導流殼進行數控刀位驗證，保證在實際加工時數控代碼中無錯誤代碼存在。
舉例說明設計用於井徑為200mm的一例潛水泵，設計流量80m3/h，設計揚程16m，設計轉速2940r/min，設計效率74％。
根據上述設計參數如流量，揚程、轉速等進行水力設計，計算出泵的進出口參數、葉片包角、葉片數等，對公知的具體水力設計計算過程不是本發明目的之所在，不再贅述。對葉片、導葉類具有空間曲面特性的零部件，延軸面截線方向進行三維造型，通過水力設計計算，可得出葉片、導葉的流線數據和軸面數據，該數據作為生成葉片、導葉曲面模型控制點坐標，並將葉片木模圖中的信息寫成*.ibl格式文件，導入分步式協同設計平臺Pro/ENGINEER可中生成葉片導葉的空間曲面造型(如圖4a和圖4b所示)。
對泵體、葉輪蓋板、進水節、逆止閥盤、泵軸類迴轉體零部件，利用分步式協同設計平臺上Pro/ENGINEER平臺內嵌的Pro/Toolkit模塊提供的特徵描述法自動建模(如圖4c、圖4d和圖4e所示)。
對螺釘、螺母類標準件利用分步式協同設計平臺上Pro/ENGINEER提供的族表功能進行參數化建模。該族表是將事先定義好的模型(在表格中稱之為CENERIC)零件的可供驅動尺寸參數、特徵、模型等放入表格中，用戶在表格中輸入參數值就可以創建一個新的零件(在表格中稱為INSTANCE零件)。
圖5是潛水泵零部件虛擬裝配示意圖，參考圖5，通過對上殼、中殼組裝件的虛擬裝配，通過結構分析模塊，分析察看葉輪、導流殼、泵殼之間的配合情況，通過運動學仿真模塊，實現轉動部件進行運動仿真，以確定是否有幹涉的發生，對於發生幹涉的部位，可以通過修改零件尺寸或調整裝配關係予以消除；通過流場計算模塊對潛水泵葉輪、導流殼等過流部件進行流場計算，執行性能預測，得到如圖3所示的流量-揚程、流量-功率(N-Q)、流量-效率(EP-Q)曲線圖，圖3中，橫坐標表示流量，左縱坐標表示射程，右縱坐標表示功率和效率，曲線301流量-效率(EP-Q)曲線，曲線302表示流量-揚程(H-Q)曲線，曲線303表示流量-功率(N-Q)曲線，從圖3所示流量Q＝81.16M3/H，射程H＝64.92M，效率EP＝77.83％，功率N＝16.63KW，可知，該設計符合要求。通過數控加工仿真模塊對型面質量要求較高的葉片、導流殼進行數控刀位驗證(如圖6a，圖6b所示)，保證在實際加工時數控代碼中無錯誤代碼存在。
當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種潛水泵仿真製造方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟一根據設計參數進行水力設計；步驟二在分步式協同設計平臺上建立潛水泵零部件的三維數字產品模型；步驟三通過產品數據管理平臺將三維數字產品模型提供給各領域仿真工具進行虛擬仿真；步驟四在協同仿真平臺上對仿真虛擬樣機進行產品結構、性能分析預測，實現產品最優化設計；步驟五產品樣機生產。
2.根據權利要求1所述的潛水泵仿真製造方法，其特徵在於，所述步驟二進一步包括步驟21將水力設計得出的葉片、導葉流線數據和軸面截線數據作為生成葉片、導葉曲面模型所需的控制點坐標寫成*.ibl格式文件，導入分步式協同設計平臺構建模型；步驟22對泵體、蓋板、進水節、逆止閥盤、泵軸類迴轉體零部件，採用分步式協同設計平臺上提供的特徵描述法自動建模；步驟23對螺釘、螺母等標準件採用分步式協同設計平臺提供的族表功能進行參數化建模。
3.根據權利要求2所述的潛水泵仿真製造方法，其特徵在於，所述步驟23中的族表中是預定義好的模型零件的可驅動的尺寸參數、特徵、模型。
4.根據權利要求1所述的潛水泵仿真製造方法，其特徵在於，所述步驟三中的虛擬仿真包括潛水泵零部件的虛擬加工、潛水泵虛擬裝配、潛水泵虛擬性能測試、潛水泵整機虛擬運行。
5.一種潛水泵仿真製造系統，其特徵在於，包括分步式協同設計平臺，用於構建潛水泵零部件的三維數字產品模型；協同仿真平臺，執行水泵虛擬裝配、虛擬加工、流體動力學分析、虛擬實境和有限元仿真；產品數據管理平臺，用於將潛水泵的三維數字產品模型提供給協同仿真平臺的各領域仿真工具，完成分步式協同設計平臺與協同仿真平臺的數據交換。
6.根據權利要求5所述的潛水泵仿真製造系統，其特徵在於，所述仿真工具進一步包括虛擬實境模塊3DMAX，用於實現潛水泵組件的虛擬裝配；結構分析模塊ANSYS，用於分析葉輪、導流殼、泵殼之間的配合情況；運動學仿真模塊ADMAS，用於實現轉動部件進行運動仿真；流場計算模塊FLUENT，用於對潛水泵葉輪、導流殼等過流部件進行流場計算，並執行性能預測功能；數控加工仿真模塊Pro/NC，用於對型面質量要求較高的葉片、導流殼進行數控刀位驗證。
7.根據權利要求5所述的潛水泵仿真製造系統，其特徵在於，所述分步式協同設計平臺採用CAD軟體平臺Pro/ENGINGEER。
全文摘要
本發明公開了一種潛水泵仿真製造方法包括以下步驟(1)根據設計參數進行水力設計；(2)在分步式協同設計平臺上建立潛水泵零部件的三維數字產品模型；(3)通過產品數據管理平臺將三維數字產品模型提供給各領域仿真工具進行虛擬仿真；(4)在協同仿真平臺上對仿真虛擬樣機進行產品結構、性能分析預測，實現產品最優化設計；(5)產品樣機生產。本發明還公開了一種潛水泵仿真製造系統，該系統包括分步式協同設計平臺、協同仿真平臺和執行分步式協同設計平臺與協同仿真平臺的數據交換的產品數據管理平臺。本發明的應用能有效縮短潛水泵的研發周期和研發成本，並能夠實現產品的最優化設計。
文檔編號F04D13/08GK101082340SQ200610012098
公開日2007年12月5日 申請日期2006年6月2日 優先權日2006年6月2日
發明者楊方飛, 閆楚良, 張書明, 高桂榮, 孟祥明, 周福強, 許安祥 申請人:中國農業機械化科學研究院