計算機(jī)仿真技術(shù)在水龍頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

（廈門城市職業(yè)學(xué)院 福建廈門 361008）

引言

目前傳統(tǒng)的水龍頭方案設(shè)計過程中，一般分為產(chǎn)品設(shè)計、樣機(jī)制作、產(chǎn)品測試、產(chǎn)品修改及定型這四個主要階段，如果產(chǎn)品測試不和格（主要是流量和試水、壓力等項目），就得修改設(shè)計，然后重新制作樣品，再進(jìn)行測試，這樣導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計周期大大延長。將Flow Simulation這一計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于水龍頭產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程中，借助計算機(jī)分析計算，可以確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性，減少樣機(jī)制作和設(shè)計修改的成本；縮短設(shè)計周期；模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費(fèi)。隨著Flow Simulation這一計算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其在水龍頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用也越來越普遍。[1]

一、計算機(jī)仿真技術(shù)系統(tǒng)三要素

計算機(jī)仿真技術(shù)是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用系統(tǒng)模型對實際系統(tǒng)或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究的一門綜合技術(shù)。對于需要研究的對象，計算機(jī)一般是不能直接認(rèn)知和處理的，這就要求為之建立一個既能反映所研究對象的實質(zhì)，又易于被計算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型和計算機(jī)共同組成了計算機(jī)仿真技術(shù)系統(tǒng)。[2]

系統(tǒng)是對所研究的對象在某些特定方面的抽象，突出其主要性質(zhì)，忽略其次要性質(zhì)；數(shù)學(xué)模型將研究對象的實質(zhì)抽象出來，計算機(jī)再來處理這些經(jīng)過抽象的數(shù)學(xué)模型，并通過輸出這些模型的相關(guān)數(shù)據(jù)來展現(xiàn)研究對象的某些特質(zhì)。[3]

二、Flow Simulation計算機(jī)仿真技術(shù)在水龍頭產(chǎn)品中的應(yīng)用

Flow simulation屬于CFD仿真系統(tǒng)，可用于計算流體力學(xué)的仿真，與SolidWorks集成在一起，設(shè)計師可以在同一界面下對SolidWorks的三維模型直接進(jìn)行流體仿真。一般計算機(jī)仿真的實現(xiàn)分為四個主要步驟：模型的建立、使用“向?qū)А眲?chuàng)建分析項目、輸入數(shù)據(jù)、進(jìn)行仿真分析并得到結(jié)果。

1．模型的建立

做流體仿真首先要精簡水龍頭三維模型。在不影響模型精度的前提下，盡量簡化模型，減少產(chǎn)品上的一些不重要的特征，隱藏水龍頭裝配體里與仿真要求不相關(guān)的手柄、填密、填密螺母等零件。在Flow simulation仿真系統(tǒng)中，流體被分為內(nèi)流和外流兩種，本水龍頭仿真項目采用外流分析類型。

2．使用“向?qū)А眲?chuàng)建分析項目

可以跟著“向?qū)А痹O(shè)置一些重要選項：單位制、分析類型（包括內(nèi)流外流）的指定、固體零件是否傳熱、是否瞬態(tài)、默認(rèn)流體是什么、默認(rèn)固體是什么、初始條件。作為水龍頭的仿真項目，單位系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)，分析類型設(shè)置為外流，固體零件是是絕熱的，不考慮瞬態(tài)，默認(rèn)流體是水，流動類型設(shè)置成層流和湍流，初始條件為一個大氣壓。

3．輸入數(shù)據(jù)

在使用“向?qū)А苯㈨椖亢?，輸入?shù)據(jù)。主要包括有以下幾種：計算域、流體子域、組件控制、邊界條件、移動邊界條件、初始條件等。計算域：即需要計算的區(qū)域范圍。本水龍頭項目屬于外流分析，區(qū)域會自動遠(yuǎn)離模型一段距離，域的設(shè)置要綜合考慮計算時間、計算精度等因素。如果遇到軸對稱或平面對稱的情況，計算域只取1/2或1/4。流體子域：當(dāng)既有內(nèi)流又有外流時，仿真項目需要定義流體子域。本項目只需要考慮管道里的水流動及流出后的一定計算域，所以流體子域不用設(shè)置。組件控制：可禁用與仿真項目無關(guān)的手柄等零部件，用于細(xì)化網(wǎng)格。邊界條件：常用邊界條件包括：流動進(jìn)口邊界，流動出口邊界，給定壓力邊界，壁面邊界，對稱邊界，周期性（循環(huán)）邊界。

4．仿真分析結(jié)果

通過Flow simulation分析，可以得到水流的流動軌跡，也可以渲染成動畫。水流的流動軌跡提供了一個非常好的3D流體流動的圖像，可以用于測試水從水龍頭流出的形狀是否符合設(shè)計要求，水流落到水槽后濺起的水珠的軌跡可以測試出水流的速度和壓力是否符合設(shè)計規(guī)范。動畫：各種切面圖和流動軌跡都可以以動畫的形式顯示，并可以保存為avi文件，可以很直觀地顯示出水流的狀況，從而反映出水龍頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否合理。[4]

結(jié)語

通過以上對Flow simulation計算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以看出計算機(jī)仿真技術(shù)在水龍頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性，把水龍頭流出的水流這一復(fù)雜的現(xiàn)象用計算機(jī)仿真技術(shù)模擬再現(xiàn)，對設(shè)計方案進(jìn)行對比與驗證，從而達(dá)到用較短的時間找出最優(yōu)的設(shè)計方案，同時還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了產(chǎn)品的成本。[5]