SolidWorks 在水轮机械设计中的应用

寂静天花板

水轮机是一种结构非常复杂的大型特殊机械产品,其特殊性主要表现在:一是每个水电站的设计参数各不相同,一般都需要新设计产品图来进行生产,很少有一套产品图可用于若干个水电站的情况；二是水轮机尺寸一般比较庞大,结构复杂,产品设计出图量非常大。

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随着市场竞争的日趋激烈,水轮机的交货期越来越短,而用户对水轮机产品的技术要求又越来越高,如何有效地缩短水轮机产品图设计周期、提高设计质量以适应市场要求,已为各水轮机制造企业所关注。为此，如何提高产品设计、出图效率是解决这些问题的关键所在。通过三维参数化设计，可以实现水轮机全参数化设计,做到既缩短周期又能提高准确性。

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通过与水轮机设计人员长期的交流，我们认为SolidWorks可以从以下三个主要的方面帮助工程师提高设计效率的设计能力，包括：1）、参数化设计、出二维工程图；2）、结构仿真分析，包括强度校核，频率分析；3）、水轮机流场模拟，包括流速、压力、叶轮效率等；

1）、草图：SolidWorks草图可以插入参考图片，图线可以自由拖动，自动解算，自动标注，自我修复。尺寸驱动形状，设计时先把大体轮廓绘制出来，再输入尺寸，驱动图形到正确的大小和位置。

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图1、尺寸驱动草图，使设计更快捷简便
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2）配置：SolidWorks独特的配置功能可以帮助你迅速展示不同的设计方案，以及零件不同的状态。比如：能够迅速获得零件毛坯形态和尺寸，不仅仅为设计，更延伸到对工艺过程的支持。
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图2、通过excel可以快速地生成不同的设计方案

& I4 R6 Z# L1 V; [8 y3）多实体建模：多实体建模为复杂模型建造带来了更多实用手段，甚至能像装配体那样移动重组实体，完美地实现零件插入零件的复合造型。

图3、多实体技术的应用

& a4 `# r/ ]/ @9 v1 M4）、特征造型：SolidWorks具有丰富的特征造型功能，可以通过尺寸和参数来驱动造型形状，能够帮助工程师将复杂的结构方便快捷的设计出来，快速获得重量、重心等数据；
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图4、利用特征造型绘制蜗壳及转轮

5）、钣金：强大的钣金功能含有多种造型模式，能够完成复杂钣金件的快速建模、展开。比如：放样钣金造型能够展开含有复杂曲面的钣金件，为相关工艺准备提供迅捷支持。
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图5、蜗壳的放样及展开

7 n; C4 ]" s9 Z4 J- Z- b& y* Y6）曲面造型：全面而富于特色的曲面工具，丰富的选项，甚至能够完成动物、运动鞋那样的复杂模型。
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图6、利用特征造型绘制转轮叶片

7）装配：自动添加合适的配合关系，智能零部件与扣件还能自动调整参数以适应装配需要，可对运动部件进行动态模拟，进行碰撞、干涉检查；支持自顶而下的设计，使用图块进行总体布局放样；

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图7、自顶向下的设计

图8、虚拟装配

图9、爆炸图，帮助工程师更好的展示设备

8）、工程图：完全国标化的工程图；零件与装配体的工程图都是自动投影生成，自动填写标题栏，自动标注尺寸，还能根据不同的配置，给出零件不同状态的工程图，为工艺准备带来极大的便利；工程图和三维模型是完全关联在一起的，即三维模型改了，工程图自动修改，反之亦然；自动生成材料明细表；并且完全支持图层、线型等二维CAD能力，并能生成二维CAD可读的文件。自动出工程图，使工程师完全从枯燥的二维画图工作中脱离出来，真正做到高效率、短周期的设计要求。

图10、自动生成工程图

3、SolidWorks Simulation帮助工程师提高产品质量

1）、SolidWorks Simulation介绍

● SolidWorks Simulation第一款完全跟三维平台完全集成的分析软件…

● 第一款完全中文化的专业分析软件…

● 第一款面向机械工程师的专业分析软件…

● 易学易用，学习周期短…

● 功能强大，专注于解决制造业中的分析问题…

* u: e7 f0 n$ f2 c+ Qa、完全中文化界面：

图11、完全中文化界面

* O1 P* F. D2 {" N( V2 E  kb、无需掌握高深的力学理论，工程师真正能够用得起来的分析软件

图12、工程师真正用得起的分析软件

c、一体化设计理念，SolidWorks Simulation集成于SolidWorks三维设计平台，在SolidWorks 里建立好分析模型后可直接切换到分析界面，无需进行数据转换和导入导出等操作，提高了分析的准确性和效率。

图13一体化设计理念，使仿真高效快捷

5 g4 X: g0 ^& [% td、功能强大，能够解决机械设计中几乎所有结构仿真问题
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图14、SolidWorks仿真分析功能模块

2）、SolidWorks Simulation 有限元分析：帮助工程师对水轮机结构进行刚强度计算以及新结构的试验研究及科研开发。主要研究内容：应力和变形计算，结构优化分析，机组振动测试，产品的强度性能评估，失效原因分析等。
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  {! p. ~, c3 i4 K( h  @a）、强度校核：计算水轮机结构的强度、刚度、安全系数等，帮助工程师改进产品质量，选择最优方案。

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图15、水电设备的强度校核

3 M# t8 }; Y0 r" R2 i2 K  ub）、频率分析：通过频率分析，帮助工程师了解水轮机械的共振模态及共振频率，避免结构发生共振。
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图16、叶轮机械的振动模态

3、SolidWorks Flow Simulation流体仿真分析，帮助工程师了解水轮机等设备的各种流场参数，比如速度分布、压力分布、流线、迹线、叶轮效率、喷射流等。
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) M- E& ^3 v% A4 @2 fa）、完全中文化的流体分析界面

图17、全球第一款完全中文化的分析软件
3 A7 ^' c7 J& T* d4 O  ^5 vb）、强大的流场分析功能

图18、叶片表面的压力分布

图19、水轮机流道绝对速度分布

图20、叶片上的绝对速度分布

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图21、流线分布及压力分布

图21、流线分布及压力分布

图23、喷射流分析

4、总结

文章提出了水轮机三维设计的一般思路，建模、装配、分析等都是在SolidWorks中实现的，实践证明是有效可行的。而且，水轮机的三维模型还可以为CAM、CAPP、PDM 等提供良好可靠的数据，其强大的设计功能可以满足破碎机产品的设计需要。

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