水泵设计常用的几种现代设计方法

现代设计方法包含的内容很多，与水泵设计密切相关的主要有：计算机辅助设计；CFD技术；有限元分析；优化技术；造型技 术；可靠性设计；价值工程；计算机辅助测试。 

1、计算机辅助设计 

计算机辅助设计CAD（ComputerAidedDesign）是近年来我国MachineryDesign＆Manufacture 机械设计与制造大力推广的新技术。它是利用计算机运算快速准确、存储量大、逻辑判断功能强等特点进行设计信息处理，并通过人机交互作用完成设计工作的一种现代设计方法。 我国从20世纪80年代初开始了泵CAD的研究工作。经过20多年的发展，目前采用一元设计理论进行二维水力设计和绘图方面的技术研究已经达到比较成熟的阶段。其主要的技术特点是： （1）在软件方面，比较注重支撑软件的选择。软件开发的起点高，重复性少，发展较快。 （2）在硬件方面，逐渐实现了从小型机向工作站的转变，充分利用工作站可以处理大规模的应用程序，而且运算速度快的特点，进一步推动了泵CAD的发展。 （3）注重CAD和CAM（计算机辅助制造）的结合。 （4）技术内容广泛，包括水力设计、性能预测、优化设计、功能模块化技术、数据库管理、有限元分析等。 CAD技术与传统的手工方法相比，极大地提高了设计的准确性和可靠性，降低了设计成本，缩短了设计周期，同时设计者的劳动强度也得到了减轻。然而我国泵CAD技术的应用还不是很广泛，还存在很多有待于解决的问题，比如如何完成泵的三维实体造型，软件所依据的理论和技术比较落后，水力设计的某些过程无法实现等。随着科学技术的高速发展，上述问题将会得到解决，计算机辅助设计在泵行业的应用会越来越广泛。 

2、CFD技术 

CFD是英文ComputationalFluidDynamics的缩写，意为计算流体动力学。它通过计算机数值计算和图像显示，实现对给定对象（如一台水泵）内的流体流动和热传导等相关物理现象的模拟与分析，从而得到流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、湍动能等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况。近年来随着计算机技术的迅速发展，CFD技术了得到飞速发展。CFD技术在机械工程的应用日益广泛，对水泵的内部流场进行深入准确的研究将变得可能。 水泵CFD技术可以实现如下功能： （1）为水泵设计创建“虚拟测试平台”。CFD可以较准确地预测所设计出的水泵的全工况范围内的扬程、功率、效率等特性，从而大大减少原型试验，缩短开发周期，降低开发成本。在某些企业， CFD已经与CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）结合在一起，形成集成的水泵设计／分析／制造系统。 （2）将泵内流动“可视化”。CFD可以向用户提供泵的过流部件内部任意一点、任意一条线或任意一个面上的流动情况，还可生成动画，演示所计算出的流态，包括速度矢量、粒子流动轨迹线、 压力等值线等，从而使一些在实验室内的试验台上很难实现的测试任务在CFD环境中完成。 （3）优化水泵性能。CFD可以确定叶片上的流动分离、间隙流动、进口与出口的速度角、压水室内的流动，以及其他影响水泵性能和效率的特性，同时，还可模拟其他一些重要现象，如汽蚀、固体砂粒对叶片表现的侵蚀、自吸泵的自吸过程等。 CFD技术在水泵产品设计中的应用可以节省大量的试验工作量，节省大量的人力物力。在水泵的设计工作中，广泛地应用 CFD技术将是未来发展的趋势。 

3、有限元分析 

有限元分析技术是最重要的工程分析之一，是20世纪60年代发展起来的新的数值计算方法，是计算机时代的产物.随着计算机技术的发展，有限元法在各个工程领域中不断得到深入的应用。 有限元法（FiniteElementMethod）的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。它不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解，而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析。有限元方法现已发展成为一种十分有效的结构分析手段。目前国外已研制了许多成熟的大型有限元分析软件，如SAP、ADINA、ANSYS、I—deas等。这些软件使用极其方便，不需要对有限元法进行很深人的了解，便可应用这些软件求解实际工程问题。 有限元分析技术在水泵设计中的应用，克服了传统经验式设计的局限性，可以显著提高泵产品的设计性能，缩短设计周期，增强产品的市场竞争能力。

4、优化设计 

在水泵的设计时，必须综合考虑效率、寿命和可靠性等诸多因数，而传统的设计方法无法使得上述因数同时满足要求，因而优化设计方法备受从事泵理论研究和设计人员的青睐。优化设计（Op－timumDesign）是一种将设计变量表示为产品性能指标、结构指标或运动参量指标的函数（称为目标函数），然后在产品规定的性态、几何、运动及其它限制（称为约束条件）的范围内，寻找满足一个目标函数或多个目标函数最大或最小的设计变量组合的数学方法。 水泵优化设计就是将水泵的基本流动理论与计算流体力学和优化方法等结合在一起，主要从考虑水力损失最低着手，以便在保证效率最高的条件下，寻求不同的流动和几何参数的组合。目前，国内主要水泵的优化设计方法有速度系数优化设计法、损失极值优化设计法、反正反准则筛选优化设计法和基于CFD技术的优化设计法，还有最近发展起来的遗传算法。这些优化设计方法的使用，可以保证水泵具有优良的性能，提高产品质量，降低产品成本，可以极大地提高设计效率。 同时也可以使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来，使之有更多的精力从事创造性的设计。 随着最优设计数学模型的不断完善和数学力学理论、计算技术和计算机的不断发展，优化设计方法在水泵设计中的应用会具有更广阔的发展前景。 

5、造型设计 

随着时代的进步，在国内外市场上，对水泵产品的选型，外观质量和使用舒适性提出了越来越高的要求。造型设计（modelingdesign）是工程技术与美学艺术相结合的一门新学科。在产品造型设计过程中，不仅要设计产品的外形，而且还要以产品的功能、结构、生产工艺材料、宜人性、市场销售及产品创造等因素为出发点，将工程技术与美学艺术结合起来，综合协调地对产品款式进行塑造和设计。产品的造型设计不是产品已生产创造出来之后的纯美化工作，而是与技术设计各设计步骤同步配合进行的一项创造性技术工作，贯穿于产品设计、制造的全过程。产品的造型设计区别于工艺美术设计，它必须服从生产制造工艺及使用价值。在满足产品使用功能的前提下才谈得上追求艺术性、外观美。因此对泵产品造型设计的要求是：实用、经济、美观。 目前，我国有些泵产品，如果从实用以及泵效率指标上来考核，其性能已达到和超过国外先进水平。虽然我们的产品价格低廉，但是产品在国内外市场上仍竞争不过工业发达国家同行业的产品。 究其原因，除了性能和可靠性外，恐怕造型设计也算是一个主要原因。我国有些叶片泵已经过几次水力模型改进设计，但其外型除了通用化程度有所提高外，几乎都是几十年的老样子，这必然会影响泵产品的出口以及国内用户的选择。 实践证明，对水泵进行合理的造型设计会给人以美的享受，使得泵的外观和输液功能得到高度的统一，这样的泵有利于减轻疲劳，避免生产事故，提高工作效率。而对生产厂家来说，最有利的莫过于提高企业的经济效益和市场竞争力。因此在我国水泵行业进一步大力推广造型设计，以彻底改变水泵的傻、大、黑、粗的旧形象是很必要的。 

6、可靠性设计 

泵产品的可靠性，是设计、生产和用户共同关心的问题，也是对产品质量作全面评定的一个重要指标。随着科学技术的快速发展，用户对泵的可靠性的要求愈来愈高。 可靠性（Reliability）是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成其功能的能力。产品的可靠性主要是由设计阶段来决定的。 如果设计阶段不考虑其可靠性，以后无论怎样制造和维护，也难以达到较高的可靠性。水泵产品的可靠性设计就是要根据使用要求确定产品的可靠性定量指标，收集零部件的数据，确定产品的寿命周期，建立可靠性模型，定量计算、分配和评价产品的可靠性，找出可靠性最低的环节加以改进，从而提高整个产品的可靠性。 可靠性设计需要有符合实际的数据。取得这些数据的过程也是工厂改善科学管理，提高人员素质的过程。现代设计方法的推行要具备一定的客观环境，同时，也在改善客观条件。可靠性设计不仅和设计部门有关，也和工艺、制造、管理等许多部门有关。通过可靠性设计不但可知如何提高产品的质量、降低失效率，而且也可知如何改进工艺、降低成本。可靠性设计所包含的是从原材料进厂到成品出厂，乃至使用阶段的整个过程，范围极其广泛。 然而目前我国水泵行业对可靠性设计研究得较少，从历史上来看，主要是沈阳水泵研究所开展了一些工作，编制了二个标准：JB／T6881—1993《泵可靠性测定试验》、JB／T6882—1993：《泵可靠性验证试验》 。因此根据实际的应用需要，开展可靠性设计的研究需要尽快提上日程。相信随着可靠性设计方法在我国的推广应用，将会给水泵行业带来很大的社会和经济效益。 

7、价值工程 

价值工程（valueengineering，VE）是以提高实用价值为目的，以功能分析为核心，以开发集体智力资源为基础，以科学分析方法为工具，正川泵业用最少的成本支出达到最合适的产品功能的产品开发的科学方法。 它分析功能和成本的价值关系，设法消除多余功能，补充不足功能，挖掘潜在功能，进行方案创新并优化，满足用户功 能需求，从而使总成本最小、价值最高。 水泵设计始终都要遵循价值工程这个原则，（1）在满足使用要求的前提下，尽量简化设计，力争用最少的零部件来组成设备结构；同时，尽量设计成易加工制造的结构形式，尽量降低结构件的加工精度要求，降低加工成本。（2）在满足性能和可靠性的前提下，结构设计尽量采用价格低、易采购的加工材料，降低原料成本，同时便于组织生产。 我国于1978年引进价值工程，但是在水泵行业，推广应用价值工程起步较晚，推广面也较窄，只在一些大中型泵厂开展得比较好。因此大力推行价值工程的研究，促进水泵产品的刨新，降低消耗，节约成本，增加经济效益，对我国水泵行业的发展具有重大的现实意义。 

8、计算机辅助测试 

计算机辅助测试（computeraidedtest）是综合利用计算机技术、传感器技术、比例控制技术、集成播放技术等高新技术的一种综合试验测试技术，全部测试数据都在软件控制下由计算机自动采集与处理，进而打印出试验数据和特性曲线。 随着计算机技术的日益发展，计算机在泵产品的试验过程中大显身手。 国内许多厂家和科研单位建造了计算机辅助测试试验台和试验回路，而且有几家科研单位推出了各自的计算机辅助水泵测试系统软件，在水泵行业中进行推广，这些系统采用现代化的检测手段、计算机技术、自动化技术，并将它们有机地结合起来，进行水泵的自动测量、试验和数据处理。计算机辅助测试具有以下优点：（1）能够提高整个水泵测试的精度，为产品开发和研究提供精确的数据。（2）提高工作效率，节省人力、物力。（3）在试验过程中能够随时显示测试结果，使试验过程一目了然，有利于试验人员在试泵过程中随时发现各种问题，做出判断、处理。 4结束语 现代设计方法是科学理论为指导，以社会和人的需求为目的，以计算机技术为设计手段，它是在传统设计基础上发展起来的新的设计理论与方法。现代设计法用于指导工程实践，不仅可提高产品的科技含量和优化产品综合性能，提高产品的质量和可靠性，而且可降低生产成本、缩短开发周期、提高产品竞争力和生产企业的综合经济产益。现代设计法在水泵行业中，应用潜力巨大，具有很好的发展前景。

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