一、衛(wèi)浴產(chǎn)品的設(shè)計背景
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，對出水量、出水速度、出水 方式、水流形狀和結(jié)構(gòu)強度等都有嚴格要求。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)是依經(jīng)驗設(shè)計、 樣品制造、實驗和修改設(shè)計的過程循環(huán) 進行，開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。在現(xiàn) 代設(shè)計理念中，模型設(shè)計以后進行數(shù)值 分析打破了傳統(tǒng)的循環(huán)過程，縮短產(chǎn)品 開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。
通常人們認為數(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，需要在具備強大計算能力的專業(yè)軟件中才能進行，所以這是專門的計算分析人 員才能開展的工作。事實上，隨著計算機 硬件的發(fā)展和計算方法的成熟，數(shù)值分析 成為設(shè)計工程師能夠熟練應用的手邊工具 的階段已經(jīng)到來，這就是SolidWorks公司 所倡導的設(shè)計分析一體化。
圖1
衛(wèi)浴產(chǎn)品在一定的進水壓力下水 流的壓力梯度狀況、流場分布、出水口 的水流狀態(tài)和水流對結(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 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的組合能夠進行快捷、準確 的計算和分析流體狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)的壓力分布情況，并能方便地進行設(shè)計修改和優(yōu)化，以達到設(shè)計、分析和優(yōu)化一體化的目的。
二、設(shè)計分析一體化操作界面
從 SolidWork s 軟 件 的 界 面 ( 如圖1所示)來看，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)計和分析中， 不需要軟件界面上的切換，更不需要進 行模型轉(zhuǎn)換，只需點擊不同的指令按 鈕，就可以進行條件設(shè)定與分析。同 樣，在得到分析結(jié)果后，要對產(chǎn)品作設(shè) 計變更，也是在同一界面中修改，然后 重新運行算例即可。由于SolidWorks強 大的3D設(shè)計與分析功能的完全集成， 所以不存在設(shè)計模型轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)丟失問 題，并能夠快速對設(shè)計模型進行修改， 真正提高設(shè)計與分析的優(yōu)化效率。
本文以產(chǎn)品的設(shè)計、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Flow Simulation解 決流場問題
1.環(huán)境設(shè)定
圖2
在SolidWorks中完成產(chǎn)品的初步設(shè) 計以后，通過向?qū)υ捒?見圖2)，我們可以很快建立一個新的算例，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
對于所設(shè)計的產(chǎn)品(見圖3)，在 進水口定義進水的壓力或流量，在出水 口定義壓力為大氣壓。這里要注意的 是，整個腔體是封閉的。
3.研究目標設(shè)定
圖3
通過目標，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，添加目標參數(shù)(見圖4 和圖5)，這樣在完成分析后，即可以通過Excel格式顯示這些面上的詳細參數(shù)。
圖4
圖5
4.計算與后處理
運行算例，自動完成運算之后， 我們可以通過多種后處理來查看所關(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流場在腔體 中的狀況，這里可以通過流線來查看水流在腔體內(nèi)流動的狀況，也可以通過動畫的 方式顯示，同時通過云圖來表示各處的水 壓、流速等分布情況，如圖6所示。接著對于某些關(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。當然產(chǎn)品內(nèi)壁所受到的壓力對于 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 局部的壓力分布來參考，如圖9所示。 在我們設(shè)定完成研究目標后，運算結(jié)束 之后的結(jié)果可以通過E x c e l形式將具體 數(shù)據(jù)羅列出來，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)，通過修改導 管來降壓導流，讓整個流場的分布更為 合理。對于新進的工程師，如果有新想 法，可以直接到模型中修改結(jié)構(gòu)，快速實現(xiàn)自己的創(chuàng)意，之后更新模型重新運 算，就可以驗證這種想法是否合理。這 樣通過虛擬樣機的模擬，可以減少實驗 成本。而對于資深的工程師來說，在有 經(jīng)驗和分析數(shù)據(jù)的結(jié)合后，能夠得到非常有說服力的數(shù)據(jù)，更快更好地修改模 型，達到最優(yōu)。
四、通過Simulation分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度
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F l o w Simulation輸出壓力數(shù)值到Simulation(見圖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)果應用到靜態(tài)應力分析中來，如圖13 所示。通過應力分析，我們可以知道結(jié) 構(gòu)的強度是否滿足條件(見圖14)， 哪些位置的材料是多余的，以及壁厚能 否再薄一些等，通過這些來減少生產(chǎn)成 本。當然，在有了應力結(jié)果之后，我們 同樣可以做優(yōu)化分析和疲勞分析，這里就不做詳細的介紹。
五、結(jié)語
總 之 ， 通 過 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)品分析驗證 工具，更高效地設(shè)計更好的產(chǎn)品，為企 業(yè)創(chuàng)造更多的利潤，增加企業(yè)在各種經(jīng)濟條件下的競爭力。