搜索【格蘭富水泵】利用仿真技術將時間縮短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)品的總設計時間縮短30%,并節(jié)省大約400,000 美元的物理原型成本。
格蘭富與ANSYS
格蘭富公司估計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營成本,同時對環(huán)境產(chǎn)生積極影響。
為了設計泵產(chǎn)品,格蘭富從二十世紀八十年代開始使用有限元分析(FEA)軟件,從二十世紀九十年代開始使用計算流體動力學(CFD)軟件。最初,FEA和CFD可用于進行研究和故障排除。從仿真中得到的一些信息對于新產(chǎn)品設計也大有裨益。至少15年前,格蘭富選擇在產(chǎn)品設計中使用仿真技術,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的自動設計循環(huán),使工程師能夠研究數(shù)百種設計而且無需手動干預。通過優(yōu)化程序探索整個設計空間,并根據(jù)格蘭富工程師設定的標準鑒別最優(yōu)設計。PumpIt提供的用戶界面允許工程師指定他們想要設計的組件類型,例如葉輪、導流葉片或蝸殼。然后,PumpIt會啟動自動設計優(yōu)化循環(huán),來調用包括ANSYS CFD軟件在內(nèi)的仿真工具,從而探索設計空間。
用于定義水力幾何結構的葉輪參數(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。
在最近的一個項目中,格蘭富的工程師使用PumpIt驅動ANSYS CFX CFD仿真,以優(yōu)化新款泵設計的水力表面。他們將泵的水力效率提高1%至2%,同時在更寬的流速范圍內(nèi)擴展最高效率水平。該團隊使用ANSYS Mechanical FEA軟件從結構角度對泵進行優(yōu)化,確保滿足疲勞壽命目標,同時最大限度地減少重量和制造成本。
CFD網(wǎng)格
泵設計挑戰(zhàn)格蘭富每年的泵產(chǎn)量超過1600萬臺,是世界領先的泵制造商之一。格蘭富是行業(yè)領先的循環(huán)泵制造商,其產(chǎn)品被廣泛應用于私宅、辦公室和酒店的供暖、通風和空調設備中,市場份額達到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)應用領域的離心泵,以及被集成到原始設備制造商產(chǎn)品中的泵。
為了優(yōu)化格蘭富的設備,工程師必須改善泵的峰值效率。另一個目標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。泵的流速取決于設備;相對平緩的性能曲線能為很多應用領域提供較高的效率。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。泵設計的另一個重要目標是使用最少的材料滿足組件的結構要求。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的軸承,同時減少噪聲和振動。
CFD模型和實體
CFD壓力結果作為載荷映射到結構仿真上
多物理場仿真過程將新款泵產(chǎn)品的總設計時間縮短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)品設計了多級水力裝置。該團隊開發(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構。他們的設計目標是實現(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工具使用試驗設計(DOE)建立一系列設計迭代,以探索每種組件的設計空間。然后,PumpIt為每種設計迭代生成幾何結構,并調用CFD軟件對每種設計迭代進行仿真。
最初的DOE包括大約40種設計。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,該算法可自動生成進行CFD評估的更多設計迭代。優(yōu)化程序評估每個設計迭代的結果,然后根據(jù)這些結果執(zhí)行附加迭代。每次迭代都使設計方案更接近效率目標。
初始分析利用粗糙密度的網(wǎng)格和標準湍流模型來執(zhí)行,以縮短獲得有用參數(shù)值所需的時間。隨著設計向最優(yōu)值收斂,應使用更精細的網(wǎng)格和更高級的湍流模型來改進CFD模型。為獲得最優(yōu)設計的高保真度結果,工程師使用多達48個內(nèi)核對高性能計算集群進行分析。集群具有1,000多個內(nèi)核,使用在Lustre®并行文件系統(tǒng)上運行的超過8TB的隨機存儲器和50TB的高速存儲設備。工程師一夜時間就仿真了數(shù)百個設計迭代。
下一步是評估最有希望的設計方案的可制造性。格蘭富的工程師用幾種備選生產(chǎn)工藝來考量每種設計方案的生產(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。最佳設計的性能統(tǒng)計數(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果變量。
CFD速度矢量
整體應力仿真
結構網(wǎng)格
應力結果
結構分析
使用CFD優(yōu)化水力設計后,格蘭富的工程師使用ANSYS Mechanical執(zhí)行結構分析,以確保每個組件都滿足疲勞壽命要求,同時保持盡可能低的成本和重量。他們將CFD仿真確定的水壓結果映射到有限元分析上,從而指定能夠與復雜水壓分布形式精確匹配的載荷條件。為最大限度降低計算成本并達到可接受的網(wǎng)格密度,設計人員應用了循環(huán)對稱方法。
根據(jù)國際焊接學會出版的《利用切口應力評估焊接結構疲勞的建議》對金屬薄板組件的焊接操作進行建模。 使用切口應力法評估疲勞壽命。此外,團隊還使用子模型評估組件的關鍵區(qū)域,以達到較高的詳細程度,而又沒有顯著增加仿真時間。
工程師對自動工作流程進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。團隊還使用結構仿真來預測給定生命周期內(nèi)的故障幾率。除此之外,要獲得該信息只能通過昂貴、耗時的物理測試法來實現(xiàn)。格蘭富的工程師對輸入變量(包括焊接厚度、氣隙和流點)執(zhí)行多個敏感度研究,以確定組件疲勞壽命有關的設計魯棒性。仿真可提供每種輸入變量的疲勞壽命統(tǒng)計分布情況,從而有助于提高組件質量與可靠性。
對于其它結構組件,可在設計過程的概念階段實施拓撲優(yōu)化,以獲得精細調節(jié)的設計方案。這樣能取代耗時且高成本的設計迭代,從而縮短開發(fā)時間和總成本,同時改善設計性能。Dassault Systèmes的Tosca拓撲優(yōu)化軟件與ANSYS Workbench接口和ANSYS結構求解器結合在一起。
最終,產(chǎn)品性能顯著提高,設計成本降低,并且研制時間縮短。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)基于原型的設計過程相比,多物理場仿真過程將新泵的總設計時間縮短30%,并節(jié)省大約400,000美元的物理原型設計成本。
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,是因為它能無縫集成多種ANSYS應用和第三方應用。 ANSYS Workbench可用來開發(fā)最先進的用戶界面、工作流程和應用。Workbench的常用工具和服務包括參數(shù)管理、單位和表達式、應用開發(fā)工具以及求解器耦合功能,可以顯著節(jié)省設計時間。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)化設計方案。工程師使用Workbench工作流程創(chuàng)建仿真驅動的多物理場開發(fā)過程,用以設計葉輪、導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,同時進一步降低設計成本和研制時間。
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)建和實施仿真驅動開發(fā)戰(zhàn)略的過程中提供了大力支持。
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