一、衛(wèi)浴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)背景

　　高檔衛(wèi)浴產(chǎn)品的出水一般有花灑式、柔水式、瀑布式、雨滴式以及各種 組合方式，對(duì)出水量、出水速度、出水 方式、水流形狀和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等都有嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是依經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、 樣品制造、實(shí)驗(yàn)和修改設(shè)計(jì)的過(guò)程循環(huán) 進(jìn)行，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本高。在現(xiàn) 代設(shè)計(jì)理念中，模型設(shè)計(jì)以后進(jìn)行數(shù)值 分析打破了傳統(tǒng)的循環(huán)過(guò)程，縮短產(chǎn)品 開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)成本。

　　通常人們認(rèn)為數(shù)值分析涉及到有限 元、微分方程數(shù)值求解等更多的專業(yè)知 識(shí)，需要在具備強(qiáng)大計(jì)算能力的專業(yè)軟件中才能進(jìn)行，所以這是專門的計(jì)算分析人 員才能開(kāi)展的工作。事實(shí)上，隨著計(jì)算機(jī) 硬件的發(fā)展和計(jì)算方法的成熟，數(shù)值分析 成為設(shè)計(jì)工程師能夠熟練應(yīng)用的手邊工具 的階段已經(jīng)到來(lái)，這就是SolidWorks公司 所倡導(dǎo)的設(shè)計(jì)分析一體化。

圖1

　　衛(wèi)浴產(chǎn)品在一定的進(jìn)水壓力下水 流的壓力梯度狀況、流場(chǎng)分布、出水口 的水流狀態(tài)和水流對(duì)結(jié)構(gòu)的壓力分布狀 態(tài)，直接決定了產(chǎn)品的出水量、出水 速度、出水方式、水流形狀和結(jié)構(gòu)強(qiáng) 度等產(chǎn)品的外在表現(xiàn)參數(shù)。S o l i d W o r k s3D、SolidWorks FloWorks和SolidWorks S i m u l a t i o n的組合能夠進(jìn)行快捷、準(zhǔn)確 的計(jì)算和分析流體狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)的壓力分布情況，并能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化一體化的目的。

　　二、設(shè)計(jì)分析一體化操作界面

　　從 SolidWork s 軟 件 的 界 面 ( 如圖1所示)來(lái)看，S i m u l a t i o n和F l o w Simulation都是與SolidWorks完全集成 的插件。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析中， 不需要軟件界面上的切換，更不需要進(jìn) 行模型轉(zhuǎn)換，只需點(diǎn)擊不同的指令按 鈕，就可以進(jìn)行條件設(shè)定與分析。同 樣，在得到分析結(jié)果后，要對(duì)產(chǎn)品作設(shè) 計(jì)變更，也是在同一界面中修改，然后 重新運(yùn)行算例即可。由于SolidWorks強(qiáng) 大的3D設(shè)計(jì)與分析功能的完全集成， 所以不存在設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)丟失問(wèn) 題，并能夠快速對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修改， 真正提高設(shè)計(jì)與分析的優(yōu)化效率。

　　本文以產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、流體分析和 結(jié)構(gòu)有限元分析為例，介紹SolidWorks3D、SolidWorks FloWorks和SolidWorks Simulation組合在衛(wèi)浴行業(yè)中的應(yīng)用。以下模型非正式產(chǎn)品，其參數(shù)設(shè)定僅是 示意。

　　三、通過(guò)Flow Simulation解 決流場(chǎng)問(wèn)題

　　1.環(huán)境設(shè)定

圖2

　　在SolidWorks中完成產(chǎn)品的初步設(shè) 計(jì)以后，通過(guò)向?qū)?duì)話框(見(jiàn)圖2)，我們可以很快建立一個(gè)新的算例，并設(shè) 定好相關(guān)的環(huán)境參數(shù)、網(wǎng)格精度和流體 條件等。

　　2.邊界條件設(shè)定

　　對(duì)于所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品(見(jiàn)圖3)，在 進(jìn)水口定義進(jìn)水的壓力或流量，在出水 口定義壓力為大氣壓。這里要注意的 是，整個(gè)腔體是封閉的。

　　3.研究目標(biāo)設(shè)定

圖3

　　通過(guò)目標(biāo)，我們可以得到一些重要的分析結(jié)果數(shù)據(jù)。如要得到出水口的體 積流量、質(zhì)量流量和流速，則可以選擇 出水端口的面，添加目標(biāo)參數(shù)(見(jiàn)圖4 和圖5)，這樣在完成分析后，即可以通過(guò)Excel格式顯示這些面上的詳細(xì)參數(shù)。

圖4

圖5

　　4.計(jì)算與后處理

　　運(yùn)行算例，自動(dòng)完成運(yùn)算之后， 我們可以通過(guò)多種后處理來(lái)查看所關(guān)心 的結(jié)果。

圖6

圖7

圖8

圖9

圖10

　　我們首先需要了解整個(gè)流場(chǎng)在腔體 中的狀況，這里可以通過(guò)流線來(lái)查看水流在腔體內(nèi)流動(dòng)的狀況，也可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)的 方式顯示，同時(shí)通過(guò)云圖來(lái)表示各處的水 壓、流速等分布情況，如圖6所示。接著對(duì)于某些關(guān)鍵截面，我們還 要了解其壓力分布，就需要在關(guān)鍵位置建立一個(gè)參考面，之后即可顯示該截面上的壓力分布云圖，如圖7所示。當(dāng)然產(chǎn)品內(nèi)壁所受到的壓力對(duì)于 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響非常重要，這里可以一 次性選擇所有內(nèi)壁面來(lái)顯示其壓力分布 云圖，如圖8所示。

　　出水口內(nèi)壁的壓力分布，直接影 響到出水的狀況，那么就以出水口處 局部的壓力分布來(lái)參考，如圖9所示。 在我們?cè)O(shè)定完成研究目標(biāo)后，運(yùn)算結(jié)束 之后的結(jié)果可以通過(guò)E x c e l形式將具體 數(shù)據(jù)羅列出來(lái)，如圖10所示。

　　有了以上的結(jié)果作為參考，我們 可以判斷一些水流的狀態(tài)，通過(guò)修改導(dǎo) 管來(lái)降壓導(dǎo)流，讓整個(gè)流場(chǎng)的分布更為 合理。對(duì)于新進(jìn)的工程師，如果有新想 法，可以直接到模型中修改結(jié)構(gòu)，快速實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意，之后更新模型重新運(yùn) 算，就可以驗(yàn)證這種想法是否合理。這 樣通過(guò)虛擬樣機(jī)的模擬，可以減少實(shí)驗(yàn) 成本。而對(duì)于資深的工程師來(lái)說(shuō)，在有 經(jīng)驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)的結(jié)合后，能夠得到非常有說(shuō)服力的數(shù)據(jù)，更快更好地修改模 型，達(dá)到最優(yōu)。

　　四、通過(guò)Simulation分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

圖11

圖12

圖13

圖14

　　完成流體分析之后，我們還想知道在正常的工作狀態(tài)下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 是否能夠承受內(nèi)部壓力，以使扣件或 螺釘不受到損壞。我們可以通過(guò)F l o w Simulation輸出壓力數(shù)值到Simulation(見(jiàn)圖11)。之后在Simulation中選擇 可使用的Flow Simulation結(jié)果文件，如圖12所示。這樣，就可以把流體分析的結(jié)果應(yīng)用到靜態(tài)應(yīng)力分析中來(lái)，如圖13 所示。通過(guò)應(yīng)力分析，我們可以知道結(jié) 構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足條件(見(jiàn)圖14)， 哪些位置的材料是多余的，以及壁厚能 否再薄一些等，通過(guò)這些來(lái)減少生產(chǎn)成 本。當(dāng)然，在有了應(yīng)力結(jié)果之后，我們 同樣可以做優(yōu)化分析和疲勞分析，這里就不做詳細(xì)的介紹。

　　五、結(jié)語(yǔ)

　　總 之 ， 通 過(guò) S o l i d W o r k s 和Simulation、Flow Simulation的結(jié)合，讓普通的工程師也能使用產(chǎn)品分析驗(yàn)證 工具，更高效地設(shè)計(jì)更好的產(chǎn)品，為企 業(yè)創(chuàng)造更多的利潤(rùn)，增加企業(yè)在各種經(jīng)濟(jì)條件下的競(jìng)爭(zhēng)力。