SolidworksFlow Simulation軟件在農(nóng)業(yè)機(jī)械逆向設(shè)計(jì)建模研究生課程教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

李建平 邊永亮 王鵬飛 劉洪杰 楊欣

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000)

引言

我國農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展逐步走向高端化、大型化、自動(dòng)化、精密化發(fā)展，為加快高端農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須擴(kuò)大高素質(zhì)農(nóng)機(jī)人才數(shù)量。高等院校在開設(shè)更多相關(guān)專業(yè)，增大本科生、研究生招生規(guī)模的同時(shí)，應(yīng)著力提升課程教學(xué)的質(zhì)量[1,2]。同時(shí)，多樣化的用戶需求、激烈的市場競爭和國外先進(jìn)理念的引入也迫使農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)調(diào)整研發(fā)模式[3]。在保證質(zhì)量達(dá)到客戶要求的同時(shí)，也要盡可能將研發(fā)周期縮短，故降低生產(chǎn)成本是農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要課題。逆向工程技術(shù)可為農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)提供新的思路，開設(shè)“農(nóng)業(yè)機(jī)械逆向設(shè)計(jì)建模”研究生課程是為了讓研究生理解農(nóng)業(yè)機(jī)械逆向設(shè)計(jì)的概念，運(yùn)用逆向工程儀器、軟件進(jìn)行數(shù)字模型的構(gòu)建；掌握實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械逆向工程的具體環(huán)節(jié)；綜合運(yùn)用逆向工程數(shù)字模型進(jìn)行產(chǎn)品快速成型與優(yōu)化。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，利用數(shù)字模擬技術(shù)對農(nóng)機(jī)具進(jìn)行仿真分析是較為必要的。逆向工程技術(shù)通過運(yùn)用測量工具及測量方法，對實(shí)物進(jìn)行測量并根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，采用數(shù)字建模的方式[4]，并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析優(yōu)化之后，再優(yōu)化設(shè)計(jì)并指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。本研究通過測量應(yīng)用于果園施藥的軸流風(fēng)機(jī)，通過Solidworks軟件對風(fēng)機(jī)進(jìn)行等比例模型繪制，應(yīng)用Solidworks Flow Simulation CFD軟件進(jìn)行流體仿真。Flow Simulation是Solidworks中集成的一款專用于流體力學(xué)分析的軟件，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)計(jì)算Solidworks模型內(nèi)外的流體，該軟件可模擬真實(shí)條件下的液體和氣體流動(dòng)，可有效分析浸入零部件內(nèi)部或零部件周圍的液體流動(dòng)、熱傳遞和相關(guān)作用力的效果。在設(shè)計(jì)過程的早期階段，設(shè)計(jì)人員可通過Solidworks Flow Simulation軟件模擬流體流動(dòng)、熱傳遞和流體作用力，這些因素對設(shè)計(jì)的成功至關(guān)重要。通過對Solidworks Flow Simulation軟件的學(xué)習(xí)、應(yīng)用，可使研究生通過實(shí)踐深入理解并掌握逆向設(shè)計(jì)建模方法和技巧[5]。

1 軸流風(fēng)機(jī)數(shù)值仿真過程

1.1 三維模型構(gòu)建

建立如圖1所示的T35型軸流風(fēng)機(jī)三維模型。風(fēng)機(jī)按照1∶1的比例建立三維模型。

1.2 軟件操作流程

將上述求解模型用Solidworks 2016打開，模型打開后加載Solidworks Flow Simulation插件，后通過插件中的“仿真向?qū)А边M(jìn)行分析項(xiàng)目的定義，通過向?qū)Э赏瓿煞治鲰?xiàng)目75%的定義[6]。如定義項(xiàng)目名稱，本次不作更改，命名為“項(xiàng)目1”。然后設(shè)置單位系統(tǒng)為國際標(biāo)準(zhǔn)單位S[m-kg-s]，然后點(diǎn)擊下一步。

設(shè)置好單位尺寸之后，開始選擇流場分析類型，由于風(fēng)機(jī)出風(fēng)的外部流場是本次主要研究內(nèi)容，故選擇“分析類型”為外部，外流場主要是風(fēng)機(jī)通過扇葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流場，由于風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的部分為扇葉旋轉(zhuǎn)故選擇“旋轉(zhuǎn)”，類型為局部區(qū)域(平均)，旋轉(zhuǎn)軸為本次研究忽略重力影響，故不勾選。流體類型選擇氣體中的空氣，流體類型選擇為“層流和湍流”，由于風(fēng)機(jī)流場較為復(fù)雜，尚不能判斷流體類型，選擇“層流與湍流”模型可依據(jù)仿真情況來計(jì)算，精度較高[7]。

本次研究不考慮散熱情況，不考慮壁面粗糙度對風(fēng)場的阻礙作用，故壁面條件設(shè)置為絕熱壁面，粗糙度設(shè)置為0μm,見圖6。之后進(jìn)行初始條件的設(shè)置，見圖7，空間壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325 Pa，溫度為298.5K(室溫25℃)。

設(shè)置完成之后的界面如圖8所示。之后設(shè)置計(jì)算域，計(jì)算域空間整體尺寸為長L=3m，寬W=3m，高H=3m的一個(gè)長方形空間，風(fēng)機(jī)整體位于空間的中心位置。計(jì)算域設(shè)置完成后依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，再進(jìn)行計(jì)算域的調(diào)整，計(jì)算域越大，對計(jì)算要求越嚴(yán)格，故計(jì)算域不能太大。設(shè)置好計(jì)算域之后，設(shè)置風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)區(qū)域功能用于指定參考的局部旋轉(zhuǎn)區(qū)域，并分析通過模型旋轉(zhuǎn)組件的流體流動(dòng)。通過使用穩(wěn)態(tài)方法在旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)計(jì)算并在旋轉(zhuǎn)區(qū)域的邊界求均值，流場參數(shù)將作為邊界條件從相鄰流動(dòng)區(qū)域移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)區(qū)域的邊界。旋轉(zhuǎn)區(qū)域選擇1.1中提到的旋轉(zhuǎn)域，依據(jù)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)域的角速度，由于旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，故設(shè)置角速度為-500rad·s-1，順時(shí)針方向?yàn)檎?。操作界面如圖9所示。

監(jiān)測目標(biāo)設(shè)置為靜壓、總壓、動(dòng)壓、風(fēng)場力與流體速度，均勾選平均值。勾選的檢測目標(biāo)太少，求解精度不夠，勾選的目標(biāo)太多，軟件的計(jì)算量會(huì)非常多，勾選上述5個(gè)目標(biāo)，可基本將計(jì)算結(jié)果求解出來。

選定監(jiān)測目標(biāo)后，開始網(wǎng)格劃分，Solidworks Flow Simulation軟件網(wǎng)格劃分有2種方式，分別是自動(dòng)與手動(dòng)網(wǎng)格劃分。全局網(wǎng)格劃分設(shè)置，全局網(wǎng)格對話框用于更改控制構(gòu)建初始計(jì)算網(wǎng)格的自動(dòng)Flow Simulation過程的參數(shù)。全局初始網(wǎng)格完全由生成的基礎(chǔ)網(wǎng)格和細(xì)化設(shè)置定義。自動(dòng)類型借助通過指定用于控制基礎(chǔ)網(wǎng)格單元數(shù)量的初始網(wǎng)格的級(jí)別以及在模型的狹長通道中進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化的默認(rèn)程序。

手動(dòng)構(gòu)建全局網(wǎng)格為指定數(shù)量的單元格構(gòu)建基礎(chǔ)網(wǎng)格，并對該基礎(chǔ)網(wǎng)格進(jìn)行局部拉伸或收縮，以便更好地使用控制平面解析模型和流動(dòng)特征；拆分特定類型的基礎(chǔ)網(wǎng)格單元。指定網(wǎng)格的細(xì)化以便更好地解析狹長通道。細(xì)化獲得的網(wǎng)格以抓取相對細(xì)小的固體特征，或解析曲度和物質(zhì)接觸面即細(xì)小固體特征細(xì)化、曲度細(xì)化和公差細(xì)化。全局網(wǎng)格設(shè)置將應(yīng)用到整個(gè)計(jì)算域。如，在指定狹長通道中的網(wǎng)格細(xì)化時(shí)，不需要精確指向應(yīng)用細(xì)化的計(jì)算域區(qū)域，系統(tǒng)會(huì)將其應(yīng)用到具有相同特征的所有區(qū)域。設(shè)置精度為3級(jí)，勾選均勻網(wǎng)格、高級(jí)。

局部網(wǎng)格設(shè)置,通過局部網(wǎng)格對話框，可以指定計(jì)算域的局部區(qū)域中的初始網(wǎng)格，以便更好地解析模型特定的幾何結(jié)構(gòu)和/或此區(qū)域中的流動(dòng)特性，因?yàn)槭褂萌殖跏季W(wǎng)格設(shè)置無法準(zhǔn)確解析這些特性。指定局部網(wǎng)格時(shí)可以采用與全局初始網(wǎng)格幾乎相同的方式。由于風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域的求解對于旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格要求較高，故設(shè)置細(xì)化流體網(wǎng)格的精度為4級(jí)、細(xì)化部分網(wǎng)格的級(jí)別設(shè)置為4級(jí)。高級(jí)細(xì)化中的細(xì)小固體特征設(shè)置為5級(jí)，最大通道細(xì)化級(jí)別為2級(jí)。

采用全局與局部網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方式對該風(fēng)送系統(tǒng)進(jìn)行外部流場繼續(xù)離散化處理[4]，經(jīng)細(xì)化后的網(wǎng)格可基本滿足風(fēng)送系統(tǒng)的外流場的基本運(yùn)算。點(diǎn)擊仿真運(yùn)行對話框，點(diǎn)選“網(wǎng)格”、“新建計(jì)算”、“加載結(jié)果”開始仿真運(yùn)算。定義將自動(dòng)創(chuàng)建目標(biāo)圖、XY圖、點(diǎn)參數(shù)、表面參數(shù)和體積參數(shù)表和報(bào)告，并在計(jì)算完成后(或手動(dòng)停止計(jì)算后)自動(dòng)保存到項(xiàng)目文件夾中。開始計(jì)算后，設(shè)置計(jì)算控制選項(xiàng)，點(diǎn)選停止標(biāo)準(zhǔn)為“目標(biāo)收斂”，滿足其中一項(xiàng)，行程為自動(dòng)。

2 仿真結(jié)果輸出與分析

2.1 網(wǎng)格劃分結(jié)果

網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣對試驗(yàn)結(jié)果的影響較大，軸流風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分情況如圖10所示。其中，風(fēng)機(jī)扇葉區(qū)域?qū)α黧w速度流場影響較大，采取局部細(xì)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其余區(qū)域則采用Flow Simulation全自動(dòng)網(wǎng)格拾取，共計(jì)生成413121個(gè)網(wǎng)格，流體網(wǎng)格為271725個(gè)網(wǎng)格。風(fēng)機(jī)扇葉的細(xì)化級(jí)別要求較高，故通過局部網(wǎng)格設(shè)置，使其網(wǎng)格劃分較為細(xì)密，其余部分的網(wǎng)格對仿真影響較小，故采用全局網(wǎng)格設(shè)定。

2.2 流動(dòng)跡線

單擊Flow Simulation Results Features工具欄上的流動(dòng)跡線，或單擊Tools> Flow Simulation>結(jié)果>流動(dòng)跡線，右鍵單擊流動(dòng)跡線項(xiàng)目并選擇插入。流動(dòng)跡線有2種,靜態(tài)跡線和動(dòng)態(tài)跡線。如果選擇靜態(tài)跡線模式，跡線將顯示為導(dǎo)管、線條、帶箭頭的線條、條帶或離散小球、箭頭和箭頭(平)。如果選擇動(dòng)態(tài)跡線模式，跡線只可顯示為小球或箭頭。設(shè)置點(diǎn)數(shù)為200，跡線畫為線條，線寬為2mm，顯示類型為速度。靜態(tài)跡線如圖11所示，動(dòng)態(tài)跡線如圖12所示。

2.3 切面圖

創(chuàng)建切面圖，在Flow Simulation Results Features 工具欄上單擊切面圖，或者單擊Tools>Flow Simulation>結(jié)果>插入>切面圖。切面圖顯示情況下，結(jié)果有5種顯示方式。等高線顯示等高線下指定的參數(shù)的分布；等值線為在等值線下指定的參數(shù)顯示等值線；矢量顯示用于可視化在矢量下指定的矢量參數(shù)的矢量；流線顯示用于使流線下指定的矢量參數(shù)可視化的場線；網(wǎng)格如果在常規(guī)選項(xiàng)中選擇了顯示網(wǎng)格選項(xiàng)，可用于在切面圖中顯示計(jì)算網(wǎng)格。橫向縱向切面圖如圖13所示。

2.4 粒子研究

粒子研究可用于顯示物理粒子的跡線并獲取有關(guān)粒子行為的各種信息，包括因粒子與壁面的相互作用而產(chǎn)生的壁面侵蝕或粒子材料累積效應(yīng)。物理粒子是液體或固體的恒定質(zhì)量的球形粒子，通過顯示粒子跡線可查看其在流場中的分布狀況。要研究粒子，需要指定粒子進(jìn)入點(diǎn)、初始粒子屬性(溫度、速度、直徑、所產(chǎn)生的質(zhì)量流量)、粒子材料和壁面條件(吸收或反射)?？梢赃x擇啟用重力并計(jì)算總累積質(zhì)量流量和總侵蝕質(zhì)量流量。粒子研究用于指定物理模型、終止粒子跡線計(jì)算的完成標(biāo)準(zhǔn)、希望可用于結(jié)果處理的參數(shù)以及粒子跡線顯示選項(xiàng)。如圖14為空氣粒子流動(dòng)情況。

2.5 結(jié)果分析

通過軸流風(fēng)機(jī)數(shù)值仿真結(jié)果，可知軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)場分布范圍、流動(dòng)狀態(tài)、速度云圖、粒子密度、風(fēng)場特定位置處的風(fēng)速值、風(fēng)壓值等，依據(jù)這些結(jié)果，可為軸流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化提供指標(biāo)依據(jù)。如改變軸流風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)、葉片傾角、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)扇葉位置等因素后，通過風(fēng)場的指標(biāo)來優(yōu)化以上參數(shù)，進(jìn)而確定風(fēng)機(jī)的最佳設(shè)置參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)踐運(yùn)用。

3 結(jié)語

“農(nóng)業(yè)機(jī)械逆向設(shè)計(jì)建?！闭n程是一門培養(yǎng)研究生農(nóng)業(yè)機(jī)械逆向設(shè)計(jì)能力的專業(yè)基礎(chǔ)課，是從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，也是學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的必修課程。而Solidworks Flow Simulation軟件對這門課程的教學(xué)具有較大的輔助作用，可充分鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維、設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際工程中問題的能力。因此教學(xué)實(shí)踐過程中引入SolidWorks Flow Simulation軟件是一種非常有效的教學(xué)方法，達(dá)到了更好的教學(xué)效果。為使“農(nóng)業(yè)機(jī)械逆向設(shè)計(jì)建?！毖芯可n程教學(xué)與實(shí)踐相互融合，讓研究生深入理解并掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械逆向設(shè)計(jì)建模方法和技巧，通過對T35型軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值仿真過程，以及仿真結(jié)果的輸出與分析，讓學(xué)生通過實(shí)踐過程掌握逆向建模分析求解的流程，有利于研究生熟練掌握Solidworks Flow Simulation軟件使用方法技巧，值得進(jìn)一步推廣。