格兰富的工程师利用ANSYS仿真技术显著提高新型泵产品的水力效率

格兰富的工程师利用ANSYS仿真技术显著提高新型泵产品的水力效率

格兰富的工程师利用ANSYS仿真技术显著提高新型泵产品的水力效率。将新款泵产品的总设计时间缩短30%,并节省大约400,000 美元的物理原型成本。



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格兰富与ANSYS

格兰富公司估计泵使用的电量目前占世界总用电量的10%。公司的工程师不断专注于优化泵效率以减少能源消耗和运营成本,同时对环境产生积极影响。

为了设计泵产品,格兰富从二十世纪八十年代开始使用有限元分析(FEA)软件,从二十世纪九十年代开始使用计算流体动力学(CFD)软件。最初,FEA和CFD可用于进行研究和故障排除。从仿真中得到的一些信息对于新产品设计也大有裨益。至少15年前,格兰富选择在产品设计中使用仿真技术,以开发可靠、高效的产品。最近,公司将一系列仿真工具连接成被称作PumpIt的自动设计循环,使工程师能够研究数百种设计而且无需手动干预。通过优化程序探索整个设计空间,并根据格兰富工程师设定的标准鉴别最优设计。PumpIt提供的用户界面允许工程师指定他们想要设计的组件类型,例如叶轮、导流叶片或蜗壳。然后,PumpIt会启动自动设计优化循环,来调用包括ANSYS CFD软件在内的仿真工具,从而探索设计空间。

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用于定义水力几何结构的叶轮参数模型

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为了减小问题规模并获得可以接受的网格密度,对叶轮使用循环对称方法。

在最近的一个项目中,格兰富的工程师使用PumpIt驱动ANSYS CFX CFD仿真,以优化新款泵设计的水力表面。他们将泵的水力效率提高1%至2%,同时在更宽的流速范围内扩展最高效率水平。该团队使用ANSYS Mechanical FEA软件从结构角度对泵进行优化,确保满足疲劳寿命目标,同时最大限度地减少重量和制造成本。

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CFD网格

泵设计挑战


格兰富每年的泵产量超过1600万台,是世界领先的泵制造商之一。格兰富是行业领先的循环泵制造商,其产品被广泛应用于私宅、办公室和酒店的供暖、通风和空调设备中,市场份额达到50%左右。此外,格兰富还制造用于供水系统、污水、锅炉、增压和其它工业应用领域的离心泵,以及被集成到原始设备制造商产品中的泵。

为了优化格兰富的设备,工程师必须改善泵的峰值效率。另一个目标是在尽量宽的流速范围内获得相对平缓的性能曲线和较高的效率水平。泵的流速取决于设备;相对平缓的性能曲线能为很多应用领域提供较高的效率。平缓的性能曲线还能减少空穴现象,从而延长产品使用寿命。泵设计的另一个重要目标是使用最少的材料满足组件的结构要求。最大程度地减少材料使用量可降低制造成本和减轻组件重量。较轻的泵组件可使用较低价的轴承,同时减少噪声和振动。

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CFD模型和实体

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CFD压力结果作为载荷映射到结构仿真上

多物理场仿真过程将新款泵产品的总设计时间缩短30%,并节省大约400,000 美元的物理原型成本。

流体仿真


最近,格兰富的工程师使用PumpIt为新泵产品设计了多级水力装置。该团队开发了所有泵组件的参数模型,用来定义与泵送液体接触的表面的水力几何结构。他们的设计目标是实现水力效率最大化并在最宽的流速范围内提供最高效率。PumpIt工具使用试验设计(DOE)建立一系列设计迭代,以探索每种组件的设计空间。然后,PumpIt为每种设计迭代生成几何结构,并调用CFD软件对每种设计迭代进行仿真。

最初的DOE包括大约40种设计。它能确定哪些参数在仿真中最重要,并为这些参数圈定一系列最有用的值。然后,将参数和值作为Kriging优化算法的起点,该算法可自动生成进行CFD评估的更多设计迭代。优化程序评估每个设计迭代的结果,然后根据这些结果执行附加迭代。每次迭代都使设计方案更接近效率目标。

初始分析利用粗糙密度的网格和标准湍流模型来执行,以缩短获得有用参数值所需的时间。随着设计向最优值收敛,应使用更精细的网格和更高级的湍流模型来改进CFD模型。为获得最优设计的高保真度结果,工程师使用多达48个内核对高性能计算集群进行分析。集群具有1,000多个内核,使用在Lustre®并行文件系统上运行的超过8TB的随机存储器和50TB的高速存储设备。工程师一夜时间就仿真了数百个设计迭代。

下一步是评估最有希望的设计方案的可制造性。格兰富的工程师用几种备选生产工艺来考量每种设计方案的生产简便性。为此,他们对每种生产方法所需的几何参数进行评估。在本例中,他们决定用不锈钢板制造产品组件。最佳设计的性能统计数据显示在PumpIt多维解可视器中;该程序经过配置可显示任何结果变量。

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CFD速度矢量

 

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整体应力仿真

 

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 结构网格

 


 

应力结果

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结构分析


使用CFD优化水力设计后,格兰富的工程师使用ANSYS Mechanical执行结构分析,以确保每个组件都满足疲劳寿命要求,同时保持尽可能低的成本和重量。他们将CFD仿真确定的水压结果映射到有限元分析上,从而指定能够与复杂水压分布形式精确匹配的载荷条件。为最大限度降低计算成本并达到可接受的网格密度,设计人员应用了循环对称方法。

根据国际焊接学会出版的《利用切口应力评估焊接结构疲劳的建议》对金属薄板组件的焊接操作进行建模。 使用切口应力法评估疲劳寿命。此外,团队还使用子模型评估组件的关键区域,以达到较高的详细程度,而又没有显著增加仿真时间。

工程师对自动工作流程进行配置以改变焊接参数,这样就可确定如何优化焊接工艺。团队还使用结构仿真来预测给定生命周期内的故障几率。除此之外,要获得该信息只能通过昂贵、耗时的物理测试法来实现。格兰富的工程师对输入变量(包括焊接厚度、气隙和流点)执行多个敏感度研究,以确定组件疲劳寿命有关的设计鲁棒性。仿真可提供每种输入变量的疲劳寿命统计分布情况,从而有助于提高组件质量与可靠性。

对于其它结构组件,可在设计过程的概念阶段实施拓扑优化,以获得精细调节的设计方案。这样能取代耗时且高成本的设计迭代,从而缩短开发时间和总成本,同时改善设计性能。Dassault Systèmes的Tosca拓扑优化软件与ANSYS Workbench接口和ANSYS结构求解器结合在一起。

改善性能和缩短上市时间


最终,产品性能显著提高,设计成本降低,并且研制时间缩短。格兰富的工程师利用仿真显著提高了新泵的水力效率。与传统基于原型的设计过程相比,多物理场仿真过程将新泵的总设计时间缩短30%,并节省大约400,000美元的物理原型设计成本。

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格兰富的工程师显著提高了泵的水力性能。


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子模型网格


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在ANSYS MECHANICAL中的子模型

最近,格兰富决定向前迈进一步,将仿真过程迁移至ANSYS  Workbench环境。之所以选择Workbench作为集成框架,是因为它能无缝集成多种ANSYS应用和第三方应用。   ANSYS Workbench可用来开发最先进的用户界面、工作流程和应用。Workbench的常用工具和服务包括参数管理、单位和表达式、应用开发工具以及求解器耦合功能,可以显著节省设计时间。ANSYS HPC Parametric Pack许可证使格兰富能以较低成本仿真大规模参数化设计方案。工程师使用Workbench工作流程创建仿真驱动的多物理场开发过程,用以设计叶轮、导流叶片和蜗壳等水力组件。该工具让格兰富将泵性能提高至更高水平,同时进一步降低设计成本和研制时间。

格兰富得到了ANSYS渠道合作伙伴EDR Medeso的支持,该公司在格兰富创建和实施仿真驱动开发战略的过程中提供了大力支持。