【格蘭富水泵】利用仿真技術(shù)將時(shí)間縮短30%,節(jié)省40萬美元

2016-11-03  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

格蘭富的工程師利用ANSYS仿真技術(shù)顯著提高新型泵產(chǎn)品的水力效率。將新款泵產(chǎn)品的總設(shè)計(jì)時(shí)間縮短30%,并節(jié)省大約400,000 美元的物理原型成本。

格蘭富公司估計(jì)泵使用的電量目前占世界總用電量的10%。公司的工程師不斷專注于優(yōu)化泵效率以減少能源消耗和運(yùn)營成本,同時(shí)對環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

為了設(shè)計(jì)泵產(chǎn)品,格蘭富從二十世紀(jì)八十年代開始使用有限元分析(FEA)軟件,從二十世紀(jì)九十年代開始使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件。最初,FEA和CFD可用于進(jìn)行研究和故障排除。從仿真中得到的一些信息對于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)也大有裨益。至少15年前,格蘭富選擇在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用仿真技術(shù),以開發(fā)可靠、高效的產(chǎn)品。最近,公司將一系列仿真工具連接成被稱作PumpIt的自動(dòng)設(shè)計(jì)循環(huán),使工程師能夠研究數(shù)百種設(shè)計(jì)而且無需手動(dòng)干預(yù)。通過優(yōu)化程序探索整個(gè)設(shè)計(jì)空間,并根據(jù)格蘭富工程師設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)鑒別最優(yōu)設(shè)計(jì)。PumpIt提供的用戶界面允許工程師指定他們想要設(shè)計(jì)的組件類型,例如葉輪、導(dǎo)流葉片或蝸殼。然后,PumpIt會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化循環(huán),來調(diào)用包括ANSYS CFD軟件在內(nèi)的仿真工具,從而探索設(shè)計(jì)空間。

用于定義水力幾何結(jié)構(gòu)的葉輪參數(shù)模型

 

為了減小問題規(guī)模并獲得可以接受的網(wǎng)格密度,對葉輪使用循環(huán)對稱方法。

在最近的一個(gè)項(xiàng)目中,格蘭富的工程師使用PumpIt驅(qū)動(dòng)ANSYS CFX CFD仿真,以優(yōu)化新款泵設(shè)計(jì)的水力表面。他們將泵的水力效率提高1%至2%,同時(shí)在更寬的流速范圍內(nèi)擴(kuò)展最高效率水平。該團(tuán)隊(duì)使用ANSYS Mechanical FEA軟件從結(jié)構(gòu)角度對泵進(jìn)行優(yōu)化,確保滿足疲勞壽命目標(biāo),同時(shí)最大限度地減少重量和制造成本。

CFD網(wǎng)格

泵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

格蘭富每年的泵產(chǎn)量超過1600萬臺(tái),是世界領(lǐng)先的泵制造商之一。格蘭富是行業(yè)領(lǐng)先的循環(huán)泵制造商,其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于私宅、辦公室和酒店的供暖、通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備中,市場份額達(dá)到50%左右。此外,格蘭富還制造用于供水系統(tǒng)、污水、鍋爐、增壓和其它工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的離心泵,以及被集成到原始設(shè)備制造商產(chǎn)品中的泵。

為了優(yōu)化格蘭富的設(shè)備,工程師必須改善泵的峰值效率。另一個(gè)目標(biāo)是在盡量寬的流速范圍內(nèi)獲得相對平緩的性能曲線和較高的效率水平。泵的流速取決于設(shè)備;相對平緩的性能曲線能為很多應(yīng)用領(lǐng)域提供較高的效率。平緩的性能曲線還能減少空穴現(xiàn)象,從而延長產(chǎn)品使用壽命。泵設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要目標(biāo)是使用最少的材料滿足組件的結(jié)構(gòu)要求。最大程度地減少材料使用量可降低制造成本和減輕組件重量。較輕的泵組件可使用較低價(jià)的軸承,同時(shí)減少噪聲和振動(dòng)。

CFD模型和實(shí)體

CFD壓力結(jié)果作為載荷映射到結(jié)構(gòu)仿真上

 

多物理場仿真過程將新款泵產(chǎn)品的總設(shè)計(jì)時(shí)間縮短30%,并節(jié)省大約400,000 美元的物理原型成本。

流體仿真

最近,格蘭富的工程師使用PumpIt為新泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)了多級(jí)水力裝置。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了所有泵組件的參數(shù)模型,用來定義與泵送液體接觸的表面的水力幾何結(jié)構(gòu)。他們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水力效率最大化并在最寬的流速范圍內(nèi)提供最高效率。PumpIt工具使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)建立一系列設(shè)計(jì)迭代,以探索每種組件的設(shè)計(jì)空間。然后,PumpIt為每種設(shè)計(jì)迭代生成幾何結(jié)構(gòu),并調(diào)用CFD軟件對每種設(shè)計(jì)迭代進(jìn)行仿真。

最初的DOE包括大約40種設(shè)計(jì)。它能確定哪些參數(shù)在仿真中最重要,并為這些參數(shù)圈定一系列最有用的值。然后,將參數(shù)和值作為Kriging優(yōu)化算法的起點(diǎn),該算法可自動(dòng)生成進(jìn)行CFD評估的更多設(shè)計(jì)迭代。優(yōu)化程序評估每個(gè)設(shè)計(jì)迭代的結(jié)果,然后根據(jù)這些結(jié)果執(zhí)行附加迭代。每次迭代都使設(shè)計(jì)方案更接近效率目標(biāo)。

初始分析利用粗糙密度的網(wǎng)格和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型來執(zhí)行,以縮短獲得有用參數(shù)值所需的時(shí)間。隨著設(shè)計(jì)向最優(yōu)值收斂,應(yīng)使用更精細(xì)的網(wǎng)格和更高級(jí)的湍流模型來改進(jìn)CFD模型。為獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)的高保真度結(jié)果,工程師使用多達(dá)48個(gè)內(nèi)核對高性能計(jì)算集群進(jìn)行分析。集群具有1,000多個(gè)內(nèi)核,使用在Lustre®并行文件系統(tǒng)上運(yùn)行的超過8TB的隨機(jī)存儲(chǔ)器和50TB的高速存儲(chǔ)設(shè)備。工程師一夜時(shí)間就仿真了數(shù)百個(gè)設(shè)計(jì)迭代。

下一步是評估最有希望的設(shè)計(jì)方案的可制造性。格蘭富的工程師用幾種備選生產(chǎn)工藝來考量每種設(shè)計(jì)方案的生產(chǎn)簡便性。為此,他們對每種生產(chǎn)方法所需的幾何參數(shù)進(jìn)行評估。在本例中,他們決定用不銹鋼板制造產(chǎn)品組件。最佳設(shè)計(jì)的性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示在PumpIt多維解可視器中;該程序經(jīng)過配置可顯示任何結(jié)果變量。

CFD速度矢量

 

整體應(yīng)力仿真

 

結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

 

 

應(yīng)力結(jié)果

 

 

結(jié)構(gòu)分析

使用CFD優(yōu)化水力設(shè)計(jì)后,格蘭富的工程師使用ANSYS Mechanical執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析,以確保每個(gè)組件都滿足疲勞壽命要求,同時(shí)保持盡可能低的成本和重量。他們將CFD仿真確定的水壓結(jié)果映射到有限元分析上,從而指定能夠與復(fù)雜水壓分布形式精確匹配的載荷條件。為最大限度降低計(jì)算成本并達(dá)到可接受的網(wǎng)格密度,設(shè)計(jì)人員應(yīng)用了循環(huán)對稱方法。

根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)出版的《利用切口應(yīng)力評估焊接結(jié)構(gòu)疲勞的建議》對金屬薄板組件的焊接操作進(jìn)行建模。 使用切口應(yīng)力法評估疲勞壽命。此外,團(tuán)隊(duì)還使用子模型評估組件的關(guān)鍵區(qū)域,以達(dá)到較高的詳細(xì)程度,而又沒有顯著增加仿真時(shí)間。

工程師對自動(dòng)工作流程進(jìn)行配置以改變焊接參數(shù),這樣就可確定如何優(yōu)化焊接工藝。團(tuán)隊(duì)還使用結(jié)構(gòu)仿真來預(yù)測給定生命周期內(nèi)的故障幾率。除此之外,要獲得該信息只能通過昂貴、耗時(shí)的物理測試法來實(shí)現(xiàn)。格蘭富的工程師對輸入變量(包括焊接厚度、氣隙和流點(diǎn))執(zhí)行多個(gè)敏感度研究,以確定組件疲勞壽命有關(guān)的設(shè)計(jì)魯棒性。仿真可提供每種輸入變量的疲勞壽命統(tǒng)計(jì)分布情況,從而有助于提高組件質(zhì)量與可靠性。

對于其它結(jié)構(gòu)組件,可在設(shè)計(jì)過程的概念階段實(shí)施拓?fù)鋬?yōu)化,以獲得精細(xì)調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方案。這樣能取代耗時(shí)且高成本的設(shè)計(jì)迭代,從而縮短開發(fā)時(shí)間和總成本,同時(shí)改善設(shè)計(jì)性能。Dassault Systèmes的Tosca拓?fù)鋬?yōu)化軟件與ANSYS Workbench接口和ANSYS結(jié)構(gòu)求解器結(jié)合在一起。

改善性能和縮短上市時(shí)間

最終,產(chǎn)品性能顯著提高,設(shè)計(jì)成本降低,并且研制時(shí)間縮短。格蘭富的工程師利用仿真顯著提高了新泵的水力效率。與傳統(tǒng)基于原型的設(shè)計(jì)過程相比,多物理場仿真過程將新泵的總設(shè)計(jì)時(shí)間縮短30%,并節(jié)省大約400,000美元的物理原型設(shè)計(jì)成本。

格蘭富的工程師顯著提高了泵的水力性能。

子模型網(wǎng)格

 

在ANSYS MECHANICAL中的子模型

最近,格蘭富決定向前邁進(jìn)一步,將仿真過程遷移至ANSYS  Workbench環(huán)境。之所以選擇Workbench作為集成框架,是因?yàn)樗軣o縫集成多種ANSYS應(yīng)用和第三方應(yīng)用。   ANSYS Workbench可用來開發(fā)最先進(jìn)的用戶界面、工作流程和應(yīng)用。Workbench的常用工具和服務(wù)包括參數(shù)管理、單位和表達(dá)式、應(yīng)用開發(fā)工具以及求解器耦合功能,可以顯著節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。ANSYS HPC Parametric Pack許可證使格蘭富能以較低成本仿真大規(guī)模參數(shù)化設(shè)計(jì)方案。工程師使用Workbench工作流程創(chuàng)建仿真驅(qū)動(dòng)的多物理場開發(fā)過程,用以設(shè)計(jì)葉輪、導(dǎo)流葉片和蝸殼等水力組件。該工具讓格蘭富將泵性能提高至更高水平,同時(shí)進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)成本和研制時(shí)間。

格蘭富得到了ANSYS渠道合作伙伴EDR Medeso的支持,該公司在格蘭富創(chuàng)建和實(shí)施仿真驅(qū)動(dòng)開發(fā)戰(zhàn)略的過程中提供了大力支持。

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