Grundfos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。
圖1 用于定義水力幾何結(jié)構(gòu)的葉輪參數(shù)化模型
為了設計泵產(chǎn)品，Grundfos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使用計算流體動力學（CFD）軟件。最初，F(xiàn)EA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，Grundfos選擇在產(chǎn)品設計中使用仿真技術(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)Grundfos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(diào)用包括ANSYS CFD軟件在內(nèi)的仿真工具，從而探索設計空間。
圖2 CFD網(wǎng)格
在最近的一個項目中，Grundfos的工程師使用PumpIt驅(qū)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(jié)構(gòu)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。
泵設計挑戰(zhàn)
Grundfos每年的泵產(chǎn)量超過1600萬臺，是世界領(lǐng)先的泵制造商之一。Grundfos是行業(yè)領(lǐng)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(diào)設備中，市場份額達到50%左右。此外，Grundfos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(lǐng)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Grundfos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(lǐng)域提供較高的效率。平緩的性能曲線還能減少空化現(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(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的軸承，同時減少噪聲和振動。
流體仿真
圖3 CFD壓力結(jié)果作為載荷映射到結(jié)構(gòu)仿真上
最近，Grundfos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)化模型，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(jié)構(gòu)，并調(diào)用CFD軟件對每種設計迭代進行仿真。
圖4 使用等壓線和速度向量表示的CFD結(jié)果
圖5 水力葉輪的變形
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(jié)果，然后根據(jù)這些結(jié)果執(zhí)行附加迭代。每次迭代都使設計方案更接近效率目標。
圖6 體應力仿真
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(jié)果，工程師使用計算集群上的多達48個核進行分析。集群具有1000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。
圖7 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格
下一步是評估最有希望的設計方案的可制造性。Grundfos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多維分析結(jié)果可視化界面中；該程序經(jīng)過配置可顯示任何結(jié)果變量。
結(jié)構(gòu)分析
使用CFD優(yōu)化水力設計后，Grundfos的工程師使用ANSYS Mechanical執(zhí)行結(jié)構(gòu)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(jié)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。
圖8 每次迭代滿足設計目標的情況以圖形方式顯示在PumpIt解可視器中
根據(jù)國際焊接學會出版的《利用切口應力評估焊接結(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(guān)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(jié)構(gòu)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)。Grundfos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(guān)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(zhì)量與可靠性。
圖9 Grundfos的工程師顯著提高了泵的水力性能
對于其它結(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)構(gòu)求解器結(jié)合在一起。
改善性能和縮短上市時間最終，產(chǎn)品性能顯著提高，設計成本降低，并且研制時間縮短。Grundfos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400000美元的物理原型設計成本。
最近，Grundfos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。ANSYSHPC Parametric Pack許可證使Grundfos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(qū)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Grundfos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。
Grundfos得到了ANSYS渠道合作伙伴EDR Medeso的支持，該公司在Grundfos創(chuàng)建和實施仿真驅(qū)動開發(fā)戰(zhàn)略的過程中提供了大力支持。
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